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        數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)常見故障診斷與維護(hù)

        2011-08-15 00:54:11彭紅梅
        科技視界 2011年23期
        關(guān)鍵詞:伺服系統(tǒng)編碼器數(shù)控機(jī)床

        彭紅梅

        (徐州機(jī)電工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 徐州 221000)

        1 伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)介

        1.1 伺服系統(tǒng)的概念

        數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng),又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中,伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床本體的中間環(huán)節(jié),是數(shù)控機(jī)床的“四肢”。因?yàn)樗欧到y(tǒng)的性能決定了數(shù)控機(jī)床的性能,所以要求伺服系統(tǒng)具有高精度、快速度和良好的穩(wěn)定性。

        1.2 伺服系統(tǒng)的工作原理

        伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng),它以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調(diào)量進(jìn)行比較,利用比較后產(chǎn)生的偏差值對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié),以消除偏差,使被調(diào)量跟蹤給定值。所以伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)源于偏差信號(hào),必須具有負(fù)反饋回路,并且始終處于過(guò)渡過(guò)程狀態(tài)。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)了力的放大。伺服系統(tǒng)必須有一個(gè)不斷輸入能量的能源,外加負(fù)載可視為系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入。

        2 直流主軸伺服系統(tǒng)

        從原理上說(shuō),直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與通常的直流調(diào)速系統(tǒng)無(wú)本質(zhì)的區(qū)別,但因?yàn)閿?shù)控機(jī)床高速、高效、高精度的要求,決定了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):

        2.1 調(diào)速范圍寬。

        2.2 直流主軸電動(dòng)機(jī)通常采用全封閉的結(jié)構(gòu)形式,可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。

        2.3 主軸電控機(jī)通常采用特殊的熱管冷卻系統(tǒng),能將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速向外界發(fā)散。

        2.4 直流主軸驅(qū)動(dòng)器主回路一般采用晶閘管三相全波整流,以實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。

        2.5 主軸控制性能好。

        2.6 純電氣主軸定向準(zhǔn)??刂乒δ堋?/p>

        3 交流主軸伺服系統(tǒng)

        主軸驅(qū)動(dòng)交流伺服化是數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展趨勢(shì),交流主軸伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

        3.1 振動(dòng)和噪聲小

        3.2 采用了再生制動(dòng)控制功能

        3.3 交流數(shù)字式伺服系統(tǒng)控制精度高

        3.4 交流數(shù)字式伺服系統(tǒng)用參數(shù)設(shè)定 (不是改變電位器阻值)調(diào)整電路狀態(tài)

        4 主軸伺服系統(tǒng)的常見故障形式

        4.1 當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),通常有三種表現(xiàn)形式

        4.1.1 是在操作面板上用指示燈或CRT顯示報(bào)警信息;

        4.1.2 是在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上用指示燈或數(shù)碼管顯示故障狀態(tài);

        4.1.3 是主軸工作不正常,但無(wú)任何報(bào)警信息。

        4.2 常見數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)的故障有以下幾種

        4.2.1 外界干擾

        故障現(xiàn)象:主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)無(wú)規(guī)律性的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

        原因分析:主軸伺服系統(tǒng)受電磁、供電線路或信號(hào)傳輸干擾的影響,主軸速度指令信號(hào)或反饋信號(hào)受到干擾,主軸伺服系統(tǒng)誤動(dòng)作。

        檢查方法:令主軸轉(zhuǎn)速指令信號(hào)為零,調(diào)整零速平衡電位計(jì)或漂移補(bǔ)償量參數(shù)值,觀察是否因系統(tǒng)參數(shù)變化引起的故障。若調(diào)整后仍不能消除該故障,則多為外界干擾信號(hào)引起主軸伺服系統(tǒng)誤動(dòng)作。

        采取措施:電源進(jìn)線端加裝電源凈化裝置,動(dòng)力線和信號(hào)線分開,布線要合理,信號(hào)線和反饋線按要求屏蔽,接地線要可靠。

        4.2.2 主軸過(guò)載

        故障現(xiàn)象:主軸電動(dòng)機(jī)過(guò)熱、CNC裝置和主軸驅(qū)動(dòng)裝置顯示過(guò)電流報(bào)警等。

        原因分析:主軸電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)不良、動(dòng)力連線接觸不良、機(jī)床切削用量過(guò)大、主軸頻繁正、反轉(zhuǎn)等引起電流增加,電能以熱能的形式散發(fā)出來(lái),主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和CNC裝置通過(guò)檢測(cè),顯示過(guò)載報(bào)警。

        檢查方法:根據(jù)CNC和主軸驅(qū)動(dòng)裝置提示報(bào)警信息,檢查可能引起故障的各種因素。

        采取措施:保持主軸電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)良好,保持過(guò)濾網(wǎng)清潔;檢查動(dòng)力接線端子接觸情況;正確使用和操作機(jī)床,避免超載。

        4.2.3 主軸定位抖動(dòng)

        故障現(xiàn)象:主軸在正常加工時(shí)沒(méi)有問(wèn)題,僅在定位時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。

        原因分析:主軸定位一般分機(jī)械、電氣和編碼器3種準(zhǔn)停定位,當(dāng)定位機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)不到位,檢測(cè)裝置信息有誤會(huì)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。另外主軸定位要有一個(gè)減速過(guò)程,如果減速或增益等參數(shù)設(shè)置不當(dāng),也會(huì)引起故障。

        檢查方法:根據(jù)主軸定位的方式,主要檢查各定位、減速檢測(cè)元件的工作狀況和安裝固定情況,如限位開關(guān)、接近開關(guān)、霍爾元件等。

        采取措施:保證定位執(zhí)行元件運(yùn)轉(zhuǎn)靈活,檢測(cè)元件穩(wěn)定可靠。

        4.2.4 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配

        故障現(xiàn)象:當(dāng)進(jìn)行螺紋切削、剛性攻牙或要求主軸與進(jìn)給同步配合的加工時(shí),出現(xiàn)進(jìn)給停止主軸仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn),或加工螺紋零件出現(xiàn)亂牙現(xiàn)象。

        原因分析:當(dāng)主軸與進(jìn)給同步配合加工時(shí),要依靠主軸上的脈沖編碼器檢測(cè)反饋信息,若脈沖編碼器或連接電纜線有問(wèn)題,會(huì)引起上述故障。

        檢查方法:通過(guò)調(diào)用I/0狀態(tài)數(shù)據(jù),觀察編碼器信號(hào)線的通斷狀態(tài);取消主軸與進(jìn)給同步配合,用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令來(lái)執(zhí)行程序,可判斷故障是否與編碼器有關(guān)。

        采取措施:更換維修編碼器,檢查電纜線接線情況,特別注意信號(hào)線的抗干擾措施。

        4.2.5 轉(zhuǎn)速偏離指令值

        故障現(xiàn)象:實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速值超過(guò)技術(shù)要求規(guī)定指令值的范圍。

        原因分析:

        (1)電動(dòng)機(jī)負(fù)載過(guò)大,引起轉(zhuǎn)速降低,或低速極限值設(shè)定太小,造成主軸電動(dòng)機(jī)過(guò)載;

        (2)測(cè)速反饋信號(hào)變化,引起速度控制單元輸入變化;

        (3)主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障,導(dǎo)致速度控制單元錯(cuò)誤輸出;

        (4)CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量(±10V)沒(méi)有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令相對(duì)應(yīng)的值。

        檢查方法:

        (1)空載運(yùn)轉(zhuǎn)主軸,檢測(cè)比較實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速值與指令值,判斷故障是否由負(fù)載過(guò)大引起;

        (2)檢查測(cè)速反饋裝置及電纜線,調(diào)節(jié)速度反饋量的大小,使實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到指令值;

        (3)用備件替換法判斷驅(qū)動(dòng)裝置故障部位;

        (4)檢查信號(hào)電纜線連接情況,調(diào)整有關(guān)參數(shù)使CNC系統(tǒng)輸出的模擬量與轉(zhuǎn)速指令值相對(duì)應(yīng)。

        采取措施:更換維修損壞的部件,調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。

        4.2.6 主軸振動(dòng)或噪聲太大

        首先要區(qū)別噪聲及振動(dòng)發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是電氣部分。

        檢查方法:

        (1)在減速過(guò)程中發(fā)生,一般是由驅(qū)動(dòng)裝置造成的,如交流驅(qū)動(dòng)中的再生回路故障。

        (2)在恒轉(zhuǎn)速時(shí),可通過(guò)觀察主軸電動(dòng)機(jī)自由停車過(guò)程中是否有噪聲和振動(dòng)來(lái)區(qū)別,如存在,則主軸機(jī)械部分有問(wèn)題。

        (3)檢查振動(dòng)的周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān),如無(wú)關(guān),一般是主軸驅(qū)動(dòng)裝置未調(diào)整好;如有關(guān),應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否良好,測(cè)速裝置是否不良。

        電氣方面的原因:

        (1)電源缺相或電源電壓不正常。

        (2)控制單元上的電源開關(guān)設(shè)定(50/60Hz切換)錯(cuò)誤。

        (3)伺服單元上的增益電路和顫抖電路調(diào)整不好(或設(shè)置不當(dāng))

        (4)電流反饋回路未調(diào)整好。

        (5)三相輸入的相序不對(duì)。

        機(jī)械方面的原因:

        (1)主軸箱與床身的連接螺釘松動(dòng)。

        (2)軸承預(yù)緊力不夠或預(yù)緊螺釘松動(dòng),游隙過(guò)大,使之產(chǎn)生軸向竄動(dòng),應(yīng)重新調(diào)查。

        (3)軸承損壞,應(yīng)更換軸承。

        (4)主軸部件上動(dòng)平衡不好,應(yīng)重新調(diào)整動(dòng)平衡。

        (5)齒輪有嚴(yán)重?fù)p傷,或此輪嚙合間隙過(guò)大,應(yīng)更換此輪或調(diào)整嚙合間隙。

        (6)潤(rùn)滑不良,因油不足,應(yīng)改善潤(rùn)滑條件,使?jié)櫥统渥恪?/p>

        (7)主軸與主軸電機(jī)的連接皮帶過(guò)緊,應(yīng)移動(dòng)電機(jī)座調(diào)整皮帶使松緊度合適。

        (8)連接主軸與電機(jī)的連軸器故障。

        (9)主軸負(fù)荷太大。

        4.2.7 主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)

        CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般有速度控制模擬量信號(hào)和使能控制信號(hào),主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)應(yīng)重點(diǎn)圍繞著兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢查。

        電氣系統(tǒng)原因:

        (1)檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號(hào)輸出

        (2)檢查使能信號(hào)是否接通:

        通過(guò)CNC顯示器觀察I/O狀 態(tài);分析機(jī)床PLC梯形圖(或流程圖),以確定主軸的啟動(dòng)條件,如潤(rùn)滑、冷卻 等是否滿足。

        (3)主軸電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線斷裂或主軸控制單元連接不良。

        (4)機(jī)床負(fù)載過(guò)大。

        (5)主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障。

        (6)主軸電機(jī)故障。

        機(jī)械故障原因:

        機(jī)械方面,主軸不轉(zhuǎn)常發(fā)生在強(qiáng)力切削下,可能原因有:

        (1)主軸與電機(jī)連接皮帶過(guò)松或皮帶表面有油,造成打滑。

        (2)主軸中的拉桿未拉緊夾持刀具的拉釘。(在車床上就是卡盤未夾緊工件)

        [1]葛金印.數(shù)控設(shè)備管理和維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ).由高等教育出版社.

        [2]鄧三鵬.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修.由機(jī)械工業(yè)出版社.

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