石秀敏，戴 怡，馬紀孝

（天津職業(yè)技術師范學院，天津 300222）

0 引言

進給系統(tǒng)的精度是影響數(shù)控機床的精度主要因素，而數(shù)控機床的進給系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機會相對多一些，根據(jù)經(jīng)驗，伺服系統(tǒng)故障要占整個CNC系統(tǒng)故障的三分之一，而且伺服系統(tǒng)故障所造成的后果也比較嚴重，為此在維修伺服系統(tǒng)方面的故障時也應特別重視。

在分析進給伺服系統(tǒng)故障的部分典型案例的基礎上，建立了進給伺服系統(tǒng)的仿真模型。并通過此模型對部分故障進行仿真，從而可以更加直觀的看到故障現(xiàn)象以及故障所造成的后果，為數(shù)控機床故障診斷及維修提供理論依據(jù)。

1 伺服系統(tǒng)常見故障

1.1 超程

當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關設定的硬限位時，就會發(fā)生超程報警。

1.2 過載

當進給運動的負載過大，頻繁正、反向運動以及傳動鏈潤滑狀態(tài)不良時，均會引起過載報警。

1.3 竄動

在進給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象。

1.4 爬行

發(fā)生在啟動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益低及外加負載過大等因素導致。

1.5 機床出現(xiàn)振動

機床以高速運行時，可能產(chǎn)生振動，這時就會出現(xiàn)過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以就應去查找速度環(huán)。

1.6 伺服電動機不轉

1.7 位置誤差

當伺服軸運動超過位置允差范圍時，數(shù)控系統(tǒng)就會產(chǎn)生位置誤差過大報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。

1.8 漂移

當指令值為零時，坐標軸仍移動，從而造成位置誤差。

1.9 機械傳動部件的間隙與松動

在數(shù)控機床的進給傳動鏈中，常常由于傳動元件的鍵槽與鍵之間的間隙使傳動受到破壞。

2 進給伺服系統(tǒng)建模

數(shù)控機床進給系統(tǒng)一般為兩個部分：一部分是伺服驅動系統(tǒng)，另一部分是機械傳動系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在整個伺服控制結構三環(huán)結構中，以矢量控制的交流伺服電動機（PMSM）驅動，電流環(huán)和速度環(huán)為內環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。工程實踐中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI調節(jié)器，位置環(huán)采用P調節(jié)器。

機械傳動機構由驅動電機、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、絲杠支撐軸承、移動部件組成。電機通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠螺母副驅動執(zhí)行部件作直線運動，如圖2所示。

圖1 伺服系統(tǒng)結構框圖

圖2 機械傳動結構圖

圖3 伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

進給系統(tǒng)數(shù)學模型如圖3所示，其中Gp(s)、Gv(s)、Gi(s)、Gb(s)分別表示位置調節(jié)器、速度調節(jié)器、電流調節(jié)器及電流反饋回路傳遞函數(shù)。θ*、θ分別代表給定的角位移及電機轉過的角位移，ω*、ω分別代表給定角速度和電機角速度，iα*代表給定電流，Te*、Te代表給定電磁轉矩和電機的轉矩，x代表工作臺位移量?？驁D中伺服驅動系統(tǒng)結構部分，Ld、Lq代表轉子和定子的等效電感，R是電機內部等效電阻，為轉矩常數(shù)，ψf是永磁體產(chǎn)生的恒定磁通，J為電機的轉動慣量； 為電機的等效阻尼系數(shù)；

其中Ks為機械傳動部件折算到絲杠上的扭轉剛度為執(zhí)行部件與各傳動部件折算到絲杠上的轉動慣量，為系統(tǒng)的等效粘性阻尼系數(shù)，（P為絲杠導程）為滾珠絲杠螺母副的傳動比，稱為阻尼比，ωn稱為進給系統(tǒng)的無阻尼固有頻率。

進給電機參數(shù)：額定轉速nn=3000r/min，額定電流IN=11.6A，額定轉

矩TN=16.5N.m，電機轉動慣量為J=0.01323kg.m2，電樞繞組電阻Rα=0.15?，電機轉子與定子的等效電感Ld=Lq=0.00033H，ψf=0.5033Wb，Bm=0。

電流環(huán)還需增加SPWM逆變器環(huán)節(jié)，一般簡化為一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為在 此KPWM=7.78，TPWM=0.000167s。另外，由于SPWM輸出電壓（或者電流）和來自電流檢測單元的反饋信號中常含有交流高次諧波分量，容易造成系統(tǒng)的振蕩，需要低通濾波器加以濾波，故增加電流反饋濾波器在 此選 取Tif=0.001。

進給機構參數(shù)：工作臺質量m=3500kg，絲杠直徑d=0.08m，絲杠導程L=0.012m，絲杠總長l=0.963m，絲杠支承軸向剛度KB=1.12×108N/m，絲杠螺母的接觸剛度KN=2.02×108N/m。采用直聯(lián)方式。

計算出等效轉動慣量Js=0.043kg.m2，計算等效扭矩剛度Ks=119507.75N.m/rad，計算阻尼系數(shù)fs=1.4332。

3 故障仿真

3.1 定位超調的故障維修

3.1.1 故障現(xiàn)象

在X軸定位時，發(fā)現(xiàn)X軸存在明顯的位置“過沖”現(xiàn)象，最終定位位置正確，系統(tǒng)無報警。

3.1.2 故障分析

機型：采用SIEMENS 810M的龍門加工中心。

理論原因分析：由于系統(tǒng)無報警，坐標軸定位正確，可以確認故障是由于伺服驅動器或系統(tǒng)調整不良引起的。

3.1.3 故障診斷

X軸位置“過沖”的實質是伺服進給系統(tǒng)存在超調。引起超調的原因有多種，如：加減速時間過長、速度環(huán)比例增益太低、速度環(huán)積分時間過長等等。

通過檢查，確認該機床是由于速度環(huán)比例增益過低和速度環(huán)積分時間過長引起的超調。

圖4 速度環(huán)積分時間過長時系統(tǒng)階躍響應

3.1.4 故障仿真

此故障是由于系統(tǒng)速度環(huán)P-I控制器中的比例環(huán)節(jié)比例增益過低、速度環(huán)積分時間過長引起的。

根據(jù)以上故障現(xiàn)象，取速度環(huán)積分時間增大5倍后進行仿真，見圖4所示。其中曲線1代表給定輸入信號，曲線2為系統(tǒng)正常時位置輸出信號，信號3為速度環(huán)積分時間過長時位置輸出信號。由仿真結果可以看出，速度環(huán)積分時間過長時，會引起系統(tǒng)的過沖，從而造成定位超調。

3.2 驅動器過電流報警

3.2.1 故障現(xiàn)象

某配套SIEMENS 810系統(tǒng)的立式加工中心，在自動運行過程中，出現(xiàn)Y軸驅動器過電流報警，驅動器V4燈亮。

3.2.2 故障分析

機床結構：配套SIEMENS 810系統(tǒng)的立式加工中心。

理論原因分析：驅動器出現(xiàn)過電流報警的原因很多，機械傳動系統(tǒng)的安裝、調整不良，切削力過大，驅動器設定不良，伺服電動機不良等都可能引起驅動器的過電流。但在本機床上，當自動運行時，出現(xiàn)以上故障后，再次開機，故障依然存在，因此可以排除切削力引起的過電流。

3.2.3 故障診斷

為了盡快確定故障部位，維修時通過更換驅動器的調節(jié)器板、功率板進行了試驗，發(fā)現(xiàn)故障依然存在于Y軸，從而確定故障是由于Y軸伺服電動機或電動機與驅動器的連接不良引起的。

仔細檢查Y軸連接電纜，發(fā)現(xiàn)由于機床工作臺運動時，拉動了Y軸反饋電纜，使得Y軸的位置反饋線出現(xiàn)了連接松動引起的報警；重新連接反饋電纜后，故障排除。

3.2.4 結論

由于機床工作臺運動時，拉動了Y軸反饋電纜，使得Y軸的位置反饋線出現(xiàn)了連接松動，引起過電流報警。

仿真結果見圖5所示，其中曲線1為給定電流信號，曲線2為正常時輸出電流信號，曲線3代表位置反饋線松動時的輸出電流信號，圖中可以看出位置反饋線出現(xiàn)連接松動后。圖中，可以看出系統(tǒng)的階躍響應電流保持很大的數(shù)值，因此會引起驅動器過電流報警。

圖5 位置反饋線松動后電流輸出曲線圖

3.3 尺寸存在不規(guī)則的偏差

3.3.1 故障現(xiàn)象

由龍門銑削中心加工的零件，在檢驗中發(fā)現(xiàn)工件Y軸方向的實際尺寸與程序編制的理論數(shù)據(jù)存在不規(guī)則的偏差。

3.3.2 故障分析

機床結構：該機床數(shù)控系統(tǒng)為采用SINUMERIC810M的龍門銑削加工中心。

理論原因分析：從數(shù)控機床控制角度來判斷，Y軸尺寸偏差是由Y軸位置環(huán)偏差造成的。

3.3.3 故障診斷

電氣方面故障診斷：檢查Y軸有關位置參數(shù)，發(fā)現(xiàn)方向間隙、夾緊允差等均在要求范圍內，故可排除由于參數(shù)設置不當引起故障的因素。

機械方面故障診斷：檢查Y軸進給傳動鏈。若傳動鏈中連接部分存在間隙或松動，可引起位置偏差，從而造成加工零件尺寸超差。

圖6 阻尼比減小與正常時系統(tǒng)階躍響應圖

3.3.4 故障仿真

與轉子軸聯(lián)接的帶輪錐套有松動，等同于傳遞函數(shù)中 的下降，從而導致 的減小，最終影響電動機性能和系統(tǒng)的穩(wěn)定，造成零件加工尺寸的不規(guī)則。

系統(tǒng)階躍響應如圖6所示，其中1為給定信號，2為阻尼比正常是輸出信號，3為阻尼比減小時信號。由仿真結果可以看出，阻尼比減小后系統(tǒng)仿真曲線與正常時相比，出現(xiàn)超程。那么被加工的零件就會被多切削了一部分，零件就有可能報廢。

4 結論

利用Matlab軟件對數(shù)控機床進給系統(tǒng)建立仿真模型，進而研究數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障產(chǎn)生機理，通過此模型對部分故障進行仿真，從而可以更加直觀的再現(xiàn)故障現(xiàn)象以及故障所造成的后果，為研究數(shù)控機床故障產(chǎn)生機理及診斷維修提供理論依據(jù)。

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