華北機(jī)電學(xué)校 （山西長(zhǎng)治 046000）焦連岷

數(shù)控系統(tǒng)的“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警是最為常見(jiàn)和頻繁的報(bào)警之一，由于此報(bào)警涉及數(shù)控機(jī)床的整個(gè)環(huán)路，涉及面廣（機(jī)械、電氣等），查找原因復(fù)雜，也成為數(shù)控維修人員最為頭痛和棘手的報(bào)警之一。筆者根據(jù)自己的維修經(jīng)歷，就此類報(bào)警現(xiàn)象做如下交流。

1.相關(guān)概念

跟蹤誤差指的是數(shù)控機(jī)床在移動(dòng)過(guò)程中的誤差，即在移動(dòng)過(guò)程中，理論移動(dòng)量和實(shí)際移動(dòng)量的差值（這里是和位移量“相當(dāng)”的一個(gè)量值，大多數(shù)情況下是一個(gè)電量，因?yàn)榇藭r(shí)經(jīng)過(guò)了反饋環(huán)節(jié)），是動(dòng)態(tài)的概念范疇，即E(S)=R(S)－B(S)。

這里，還要特別提及另外一個(gè)概念——定位誤差。定位誤差指的是數(shù)控機(jī)床移動(dòng)停止后產(chǎn)生的誤差，即位移結(jié)束后，理論位移量和實(shí)際位移量的差值，是靜態(tài)概念范疇，即E′(S)= C(S)理論－C(S)實(shí)際。

一般通用閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中R(S)為輸入信號(hào)，C(S)為輸出信號(hào)，E(S)為輸入端定義的誤差信號(hào)，G(S)為前向通道傳遞函數(shù)，H(S)為反饋通道傳遞函數(shù)，B(S)為反饋信號(hào)。

圖1 通用閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

而對(duì)于全閉環(huán)數(shù)控機(jī)床，其控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

參照?qǐng)D1、圖2并進(jìn)行比對(duì)，我們不難發(fā)現(xiàn)數(shù)學(xué)模型中的各個(gè)環(huán)節(jié)在實(shí)際機(jī)床內(nèi)包含的部件和機(jī)構(gòu)。

圖2 全閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床控制結(jié)構(gòu)框圖

2.故障理論根源

跟蹤誤差過(guò)大報(bào)警產(chǎn)生的原因是機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，實(shí)際坐標(biāo)位置與反饋?zhàn)鴺?biāo)位置不相符，且其值超過(guò)系統(tǒng)規(guī)定的允許值，此時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)產(chǎn)生“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，即E(S)=R(S)－B(S)≥給定規(guī)定值。圖3為數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖，從系統(tǒng)的控制回路看，凡是和跟蹤誤差數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式相關(guān)的量都有可能成為造成此類報(bào)警的原因。詳細(xì)來(lái)說(shuō)有以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：

圖3 數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程結(jié)構(gòu)示意圖

（1）控制器（數(shù)控系統(tǒng)）環(huán)節(jié) 數(shù)控機(jī)床的控制器環(huán)節(jié)是用數(shù)控系統(tǒng)完成的，此環(huán)節(jié)包含了數(shù)控系統(tǒng)硬件本身和相關(guān)的軟件控制。

（2）放大驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié) 放大驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)主要由伺服驅(qū)動(dòng)模塊完成，現(xiàn)在的驅(qū)動(dòng)模塊也往往有自己的CPU，所以除了硬件外同樣也會(huì)有軟件參數(shù)設(shè)置不合理及錯(cuò)誤的故障原因。

（3）執(zhí)行環(huán)節(jié)和反饋環(huán)節(jié) 執(zhí)行環(huán)節(jié)一般是伺服電動(dòng)機(jī)或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，反饋環(huán)節(jié)一般由相關(guān)的檢測(cè)元部件組成?？傊?，此類報(bào)警現(xiàn)象的原因眾多，在檢修中要認(rèn)真仔細(xì)地一一排查。

3.故障原因類型

（1）機(jī)械故障 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床進(jìn)行正常加工工作的首要條件，機(jī)械部分出現(xiàn)了故障，后續(xù)的控制將“無(wú)從談起”。機(jī)械故障主要發(fā)生在進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)中，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的主要任務(wù)是完成各坐標(biāo)軸的定位與切削進(jìn)給，其傳動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性直接影響被加工工件的最后輪廓精度和加工精度，為此，對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的要求是：低慣量、低摩擦力、高剛度、高諧振和無(wú)傳動(dòng)間隙等。

此類故障常見(jiàn)的原因有：①電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠之間的聯(lián)軸器連接松動(dòng)。②軸承、導(dǎo)軌以及滾珠絲杠等傳動(dòng)裝置長(zhǎng)期缺乏潤(rùn)滑劑潤(rùn)滑造成摩擦力過(guò)大。③帶有制動(dòng)抱閘裝置的驅(qū)動(dòng)軸抱閘未打開(kāi)。④軸向傳動(dòng)間隙過(guò)大。

（2）電氣故障 ①驅(qū)動(dòng)器斷電或沒(méi)有使能信號(hào)而未正常工作。驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有正常被供電，或是外部運(yùn)行條件不滿足。此類故障可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)器本身的狀態(tài)指示及結(jié)合其他報(bào)警信息進(jìn)行判斷驅(qū)動(dòng)器工作是否異常。②電動(dòng)機(jī)不良或負(fù)載過(guò)重等其他原因造成電動(dòng)機(jī)有“失步”現(xiàn)象，如果執(zhí)行機(jī)構(gòu)（電動(dòng)機(jī)）狀態(tài)不良，驅(qū)動(dòng)器的指令信號(hào)沒(méi)有完全被執(zhí)行，經(jīng)反饋裝置檢測(cè)發(fā)現(xiàn)“運(yùn)行位置與指令位置不符”且超過(guò)了規(guī)定值，系統(tǒng)就會(huì)報(bào)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警。此類故障常見(jiàn)的是電動(dòng)機(jī)繞組絕緣電阻下降（可通過(guò)兆歐表檢測(cè)電阻或是電流表檢測(cè)電流檢查出結(jié)果）或電動(dòng)機(jī)由于某種原因產(chǎn)生了“失步”現(xiàn)象。③編碼器不良或反饋線斷線。編碼器作為數(shù)控機(jī)床中常用的反饋檢測(cè)裝置之一，其主要任務(wù)是為數(shù)控控制器提供理論控制依據(jù)，并決定插補(bǔ)方向，其性能優(yōu)劣直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的判斷，如果位置信號(hào)不能被正常檢測(cè)或誤差過(guò)大，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警。

（3）數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不合理 一般在調(diào)試機(jī)床或更換元部件之后要進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，此類故障一般有以下幾種情況：①跟蹤誤差參數(shù)值設(shè)置過(guò)小。跟蹤誤差參數(shù)值要根據(jù)機(jī)床類型、不同配置進(jìn)行合理設(shè)置，不可設(shè)置得過(guò)小，否則會(huì)頻頻出現(xiàn)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，機(jī)床甚至不能工作。②電子齒輪比設(shè)置不正確。此項(xiàng)參數(shù)要根據(jù)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠的連接形式（傳動(dòng)比）、絲杠螺距大小及驅(qū)動(dòng)器的變比等進(jìn)行合理設(shè)置。（機(jī)床出廠時(shí)已經(jīng)設(shè)置完畢，此項(xiàng)一般不需修改）。③編碼器參數(shù)設(shè)置不正確。此項(xiàng)參數(shù)重點(diǎn)檢查編碼器的類型和每轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)與實(shí)際值是否相符。④加減速時(shí)間常數(shù)設(shè)置不合理。加減速時(shí)間常數(shù)主要影響到控制系統(tǒng)在啟動(dòng)和停止時(shí)響應(yīng)曲線的過(guò)渡過(guò)程時(shí)間及相關(guān)性能指標(biāo)，其值通常是結(jié)合經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試進(jìn)行設(shè)置。⑤增益環(huán)參數(shù)設(shè)置不合理。增益環(huán)參數(shù)是設(shè)置控制傳遞函數(shù)中的回路環(huán)增益參數(shù)，其值太小會(huì)由于“回路環(huán)增益”不夠產(chǎn)生“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警；如果太大，在啟動(dòng)和停止時(shí)會(huì)產(chǎn)生“過(guò)沖和超調(diào)”，同樣會(huì)產(chǎn)生“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，以致產(chǎn)生“自激振蕩”，系統(tǒng)不能正常工作。

（4）加工參數(shù)設(shè)置不合理 不合理之一為切削參數(shù)設(shè)置過(guò)大。切削速度的選取一般按以下公式選取

式中，vc為切削線速度（m/min）；D為待加工工件直徑（mm）；n為工件轉(zhuǎn)數(shù)（r/min）。

首先根據(jù)《加工工藝切削手冊(cè)》確定切削速度，再由切削速度選取主軸轉(zhuǎn)速及進(jìn)給量。另外，切削速度、進(jìn)給量、主軸轉(zhuǎn)速是和工件材料硬度、刀具材料硬度、工件直徑、機(jī)床功率與剛性，以及不同加工工藝等因素有關(guān)且相互影響，不能只靠簡(jiǎn)單公式來(lái)計(jì)算，需要結(jié)合實(shí)際情況及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

不合理之二為負(fù)載過(guò)重：在粗加工過(guò)程中，對(duì)一些鑄件通常要進(jìn)行“去毛刺”修理，以防刀具瞬間切削阻力過(guò)大，電動(dòng)機(jī)“失步”，產(chǎn)生報(bào)警。

4.解決問(wèn)題的基本思路

判斷的基本原則是先檢查軟件后檢查硬件，先機(jī)械后電氣，即首先判斷是軟件故障還是硬件故障，然后判斷是機(jī)械故障還是電氣故障。軟件參數(shù)部分一般在調(diào)試機(jī)床階段應(yīng)該重點(diǎn)檢查核對(duì)，及在檢修之后，特別是更換元部件之后要重點(diǎn)檢查，看設(shè)定參數(shù)與實(shí)際元部件是否相符（如果參數(shù)菜單項(xiàng)設(shè)定了密碼，而其他人也未改動(dòng)過(guò)相關(guān)項(xiàng)，一般情況下參數(shù)不會(huì)出錯(cuò)。異常斷電有時(shí)也會(huì)引起，不過(guò)幾率比較?。?；檢查機(jī)械部分應(yīng)重點(diǎn)檢查機(jī)械連接部位是否有明顯松動(dòng)，滾珠絲杠、軸承是否有裂紋、斷裂及其他明顯損壞情況，反向間隙是否明顯過(guò)大等；如果確定了是電氣系統(tǒng)故障，可再結(jié)合其他報(bào)警判定是出在執(zhí)行環(huán)節(jié)，反饋環(huán)節(jié)，還是伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，逐漸縮小范圍，直至查找到故障原因所在。

5.維修實(shí)例一

（1）機(jī)床情況 沈陽(yáng)CAK36s型數(shù)控車床，華中數(shù)控CNC21—TD系統(tǒng)。

（2）故障現(xiàn)象 Z軸移動(dòng)出現(xiàn)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警且伴有Z軸電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)熱。

（3）分析過(guò)程 該機(jī)床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，在Z軸移動(dòng)時(shí)出現(xiàn)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，由于Z軸電動(dòng)機(jī)溫度過(guò)熱所以故障定位初步判斷是電動(dòng)機(jī)本身的故障，或是負(fù)荷過(guò)重。經(jīng)過(guò)對(duì)電動(dòng)機(jī)繞組進(jìn)行檢測(cè)，并未發(fā)現(xiàn)“局部短路”和“絕緣電阻降低”的情況，最終懷疑問(wèn)題出現(xiàn)在機(jī)械部分。

對(duì)機(jī)械部分檢查一般按以下步驟進(jìn)行：①檢查機(jī)床Z坐標(biāo)軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與絲杠聯(lián)軸器是否松動(dòng)，如果松動(dòng)則擰緊聯(lián)軸器上的螺釘。②檢查Z軸工作臺(tái)導(dǎo)軌與壓板間的間隙是否有研傷，卸下壓板，調(diào)整間隙保證為0.02～0.03mm。③檢查Z軸工作臺(tái)鑲條松緊是否合適，松開(kāi)鑲條止退螺釘，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)鑲條調(diào)節(jié)螺栓，使坐標(biāo)軸能靈活移動(dòng)且保證0.03mm塞尺不能塞入，然后鎖緊止退螺釘。④檢查工作臺(tái)的潤(rùn)滑狀況。

當(dāng)檢查至②項(xiàng)，Z軸工作臺(tái)導(dǎo)軌與壓板間的間隙時(shí)發(fā)現(xiàn)間隙不到0.01mm，判斷是由于壓板壓得太緊而導(dǎo)致摩擦力太大，使得Z軸移動(dòng)受阻，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)電流過(guò)大而發(fā)熱，移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生“丟步”而造成“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警。

（4）故障處理 松開(kāi)壓板，使得壓板與導(dǎo)軌間間隙調(diào)整在0.02～0.03mm，鎖緊螺母，重新運(yùn)行，機(jī)床故障排除。

（5）心得體會(huì) 出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，要結(jié)合其他故障現(xiàn)象一并診治。本故障除了“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警外，還伴有電動(dòng)機(jī)發(fā)熱現(xiàn)像。而電動(dòng)機(jī)發(fā)熱一般是長(zhǎng)期過(guò)載運(yùn)行的結(jié)果，一般和負(fù)載過(guò)重及電動(dòng)機(jī)本身繞組局部短路有關(guān)。

6.維修實(shí)例二

（1）機(jī)床情況 沈陽(yáng)CAK36s型數(shù)控車床，華中數(shù)控CNC21—TD系統(tǒng)。

（2）故障現(xiàn)象 在自動(dòng)加工過(guò)程中，零件加工表面尺寸明顯超差，X軸出現(xiàn)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警；關(guān)閉系統(tǒng)，隨后重新啟動(dòng)，手動(dòng)移動(dòng)Z軸、X軸離開(kāi)工件表面，然后再次移動(dòng)X軸，一切正常；當(dāng)再次調(diào)入程序，重新運(yùn)行，工件加工到上次出現(xiàn)報(bào)警位置附近時(shí)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警再次出現(xiàn)。

（3）分析過(guò)程 此報(bào)警為X軸“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，但卻和Z軸相關(guān)，特別是程序運(yùn)行到某個(gè)固定區(qū)域時(shí)就會(huì)產(chǎn)生，因此判定該故障應(yīng)該和位置相關(guān)。首先懷疑機(jī)床參數(shù)是否被改動(dòng)，經(jīng)過(guò)詢問(wèn)，機(jī)床操作人員并未改動(dòng)過(guò)；對(duì)編碼器、加減速時(shí)間常數(shù)、回路環(huán)增益參數(shù)等進(jìn)行檢查，并通過(guò)和同型號(hào)機(jī)床進(jìn)行比對(duì)也未發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題；然后懷疑是機(jī)械故障，對(duì)X軸工作臺(tái)、滾珠絲杠及聯(lián)軸器等進(jìn)行了相關(guān)檢查并未發(fā)現(xiàn)有何異常；最后懷疑加工程序參數(shù)錯(cuò)誤，但該程序在同型號(hào)的其他機(jī)床上運(yùn)行良好。問(wèn)題一再陷入僵局。經(jīng)過(guò)反復(fù)“勘驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)”后發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)狀態(tài)只移動(dòng)X軸方向機(jī)床一切正常，而只有同時(shí)按下X軸和Z軸進(jìn)給，當(dāng)Z軸到達(dá)某固定區(qū)域時(shí)故障才再次出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析論證，認(rèn)為問(wèn)題出現(xiàn)在和X軸相關(guān)的電氣部件，首先懷疑是編碼器，把其電纜插頭從伺服驅(qū)動(dòng)器上拔下，通過(guò)一個(gè)轉(zhuǎn)接插頭再連接好，并引出測(cè)量輸出信號(hào)接入示波器，單手動(dòng)移動(dòng)X軸時(shí)，編碼器測(cè)量信號(hào)A項(xiàng)和B項(xiàng)信號(hào)輸出正常，機(jī)床工作也正常，當(dāng)同時(shí)手動(dòng)移動(dòng)Z軸且到某區(qū)域時(shí)，故障再次出現(xiàn)，而此時(shí)編碼器測(cè)量信號(hào)A項(xiàng)和B項(xiàng)輸出全無(wú)，最后懷疑是編碼器的連接電纜接觸不良或編碼器本身性能不良所致。隨后，把編碼器電纜從拖鏈中取出，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其中一處有明顯的“壓痕”（估計(jì)是出廠時(shí)所致），然后用萬(wàn)用表歐姆檔測(cè)量，發(fā)現(xiàn)其“時(shí)通時(shí)斷”接觸不良，至此，原因找到。

（4）故障處理 重新?lián)Q上同型號(hào)的連接電纜，再次運(yùn)行，機(jī)床故障排除。

（5）心得體會(huì) 由于X軸的編碼器電纜是通過(guò)Z軸拖動(dòng)的拖鏈進(jìn)入到電氣柜的，因?yàn)楸旧斫佑|不良，在平直區(qū)域信號(hào)電纜連接“完好”，而到了拖鏈彎曲部分電纜就出現(xiàn)了“接觸不良”， 反饋信號(hào)不能得以正常饋送，因此出現(xiàn)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警，此問(wèn)題和Z軸的移動(dòng)位置相關(guān)，有一定的“迷惑性”，需要認(rèn)真仔細(xì)的分析，抓住問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，少走彎路，及早查找到問(wèn)題的根源。

7.結(jié)語(yǔ)

數(shù)控系統(tǒng)“跟蹤誤差過(guò)大”報(bào)警涉及內(nèi)容廣泛，原因復(fù)雜，機(jī)床的類型不同、廠家不同與檔次配置不同，原因可能不盡相同，這就需要我們“細(xì)致耐心”，認(rèn)真“總結(jié)和梳理”，直至查找到故障原因所在，從而保證數(shù)控機(jī)床的良好運(yùn)行狀態(tài)，為廠礦企業(yè)數(shù)控機(jī)床的正常加工生產(chǎn)提供良好的前提保證。