進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置控制過(guò)程中的故障分析
在數(shù)控系統(tǒng)的伺服軸位置控制是由伺服系統(tǒng)完成，而進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置控制形式按有無(wú)分離型位置檢測(cè)裝置分為半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制，我們通過(guò)原理分析兩者的主要差別，然后分別舉例分析不同進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置控制過(guò)程中的故障及其排除過(guò)程。
1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置控制的原理分析
1．1 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件從最終運(yùn)動(dòng)部件——工作臺(tái)移到電機(jī)軸端或絲杠軸端，通過(guò)角位移的測(cè)量間接計(jì)算出工作臺(tái)的實(shí)際位移量。所謂半閉環(huán)控制是指數(shù)控機(jī)床的位置反饋為間接反饋，即絲杠的轉(zhuǎn)角作為位置反饋信號(hào)，而不是機(jī)床（工作臺(tái)移動(dòng)位置）的直接反饋，因此，進(jìn)給伺服電機(jī)的內(nèi)裝旋轉(zhuǎn)式編碼器的反饋信號(hào)必須具備電機(jī)速度的反饋信號(hào)，同時(shí)又作為絲杠的位置反饋信號(hào)。
位置反饋
圖1 進(jìn)給伺服的半閉環(huán)控制
1．2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的控制量是CNC 輸出的位移指令和機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際位移的差值，因此，需要有位置檢測(cè)裝置，該裝置放在工作臺(tái)上，測(cè)出各坐標(biāo)軸的實(shí)時(shí)位移量或?qū)嶋H所處位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較求得差值，CNC裝置控制機(jī)床向著消除差值的方向運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床采取了直線式位置檢測(cè)裝置作為唯一的位置反饋信號(hào)，所以機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)的實(shí)際速度反饋信號(hào)來(lái)自伺服電機(jī)的內(nèi)裝編碼器信號(hào)，而實(shí)際位置反饋信號(hào)是來(lái)自直線式位置檢測(cè)裝置的信號(hào)。
位置反饋 圖2 進(jìn)給伺服的全閉環(huán)控制
2 舉例排除伺服系統(tǒng)位置控制過(guò)程的故障
排除數(shù)控機(jī)床故障的常用診斷方法為：
2．1 動(dòng)態(tài)梯形圖診斷法
通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)梯形圖顯示畫(huà)面，對(duì)梯形圖信號(hào)的明暗或顏色變化來(lái)判斷數(shù)控機(jī)床故障的具體部位而取代用傳統(tǒng)的方法，該方法對(duì)機(jī)床生產(chǎn)廠家編制的報(bào)警號(hào)的故障診斷特別方便，但是必須理解數(shù)控機(jī)床的PMC具體控制原理。
2．2 功能參數(shù)診斷法
隨著數(shù)字伺服控制的廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的某些控制功能由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，通過(guò)參數(shù)維修機(jī)床也是常用的方法，通過(guò)修改系統(tǒng)參數(shù)來(lái)判定故障是系統(tǒng)內(nèi)部故障還是外部故障。
2．2．1 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)故障舉例
寶雞生產(chǎn)的SK50P 的數(shù)控車床是采用絲杠旋轉(zhuǎn)間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的機(jī)床，在機(jī)床工作過(guò)程中，發(fā)生下列故障：故障現(xiàn)象：寶雞生產(chǎn)的SK50P的數(shù)控車床在工作中無(wú)法回機(jī)械參考點(diǎn)。
[原理分析]
回參考點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，在顯示屏上顯示著以坐標(biāo)軸方向按規(guī)定的速度向參考點(diǎn)方向移動(dòng)變化，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)接觸到固定擋塊后，行程開(kāi)關(guān)觸頭回縮時(shí)，CNC接收到回零減速信號(hào)后伺服電機(jī)減速，并以某一設(shè)定的低速運(yùn)行，當(dāng)CNC 接收到返回零脈沖信號(hào)后，該坐標(biāo)軸返回參考點(diǎn)結(jié)束。如果行程開(kāi)關(guān)損壞，參考點(diǎn)的回零失去機(jī)械控制，參考點(diǎn)無(wú)法回零，工作臺(tái)的實(shí)際位置也得不到有效控制，而絲杠卻繼續(xù)移動(dòng)。
[解決辦法]
更換失去功能的行程開(kāi)關(guān)，機(jī)床恢復(fù)正常。
2．2．2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)故障舉例上海重型機(jī)床廠生產(chǎn)的CKQ61100—XIV*5 的數(shù)控臥式車床采取光柵尺直接測(cè)量工作臺(tái)
的實(shí)際位移的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在工作過(guò)程中發(fā)生故障： [故障現(xiàn)象] “25000 Axis Z hardware fault of active encoder”的報(bào)警內(nèi)容。
[原理分析及梯形圖分析]
通過(guò)報(bào)警信息分析，故障為硬件引起，以及檢查梯形圖，通過(guò)對(duì)位置反饋信號(hào)的檢測(cè)線路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該故障并非光柵尺的原因，于是重點(diǎn)檢查檢測(cè)線路（包括編碼器），發(fā)現(xiàn)線路插頭內(nèi)被切削液充實(shí)而引發(fā)短路。
[故障排除]
把切削液排除并用熱吹風(fēng)機(jī)把插頭烘干，恢復(fù)檢測(cè)線路的插頭線路的正常連接，故障排除后，機(jī)床恢復(fù)正常。
3 思考和啟發(fā)
對(duì)數(shù)控機(jī)床故障的診斷和排除，無(wú)論采取什么方法都只是一種途徑和措施，但是要真正解決故障也必須在熟練掌握數(shù)控機(jī)床的CNC裝置、主軸控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀庫(kù)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的前提條件下進(jìn)行。如果不了解數(shù)控機(jī)床的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，任何方法都是無(wú)法解決機(jī)床問(wèn)題，所以，必須在真正了解數(shù)控機(jī)床的原理和結(jié)構(gòu)特征的前提下，采取合理的方法可以快速、有效的排除故障。
總之，對(duì)機(jī)床維修人員必須進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的工作原理和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行必要的技術(shù)培訓(xùn)，而維修人員才能在工作中熟練針對(duì)發(fā)生故障的具體部位進(jìn)行相應(yīng)理論的分析，并結(jié)合實(shí)際情況，而后采取相應(yīng)合理方法和途徑快速排除機(jī)床所發(fā)生的故障，達(dá)到保證生產(chǎn)進(jìn)度和機(jī)床的工作效能，否則，不但無(wú)法正確排除故障，而且由于不當(dāng)?shù)木S修措施又引發(fā)更嚴(yán)重的其它故障，嚴(yán)重時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致機(jī)床軟硬件的癱瘓，其結(jié)果會(huì)造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。
1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)位置控制的原理分析
1．1 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)
半閉環(huán)伺服系統(tǒng)位置檢測(cè)元件從最終運(yùn)動(dòng)部件——工作臺(tái)移到電機(jī)軸端或絲杠軸端，通過(guò)角位移的測(cè)量間接計(jì)算出工作臺(tái)的實(shí)際位移量。所謂半閉環(huán)控制是指數(shù)控機(jī)床的位置反饋為間接反饋，即絲杠的轉(zhuǎn)角作為位置反饋信號(hào)，而不是機(jī)床（工作臺(tái)移動(dòng)位置）的直接反饋，因此，進(jìn)給伺服電機(jī)的內(nèi)裝旋轉(zhuǎn)式編碼器的反饋信號(hào)必須具備電機(jī)速度的反饋信號(hào)，同時(shí)又作為絲杠的位置反饋信號(hào)。
位置反饋
圖1 進(jìn)給伺服的半閉環(huán)控制
1．2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)
數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的控制量是CNC 輸出的位移指令和機(jī)床工作臺(tái)實(shí)際位移的差值，因此，需要有位置檢測(cè)裝置，該裝置放在工作臺(tái)上，測(cè)出各坐標(biāo)軸的實(shí)時(shí)位移量或?qū)嶋H所處位置，并將測(cè)量值反饋給CNC裝置，與指令進(jìn)行比較求得差值，CNC裝置控制機(jī)床向著消除差值的方向運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床采取了直線式位置檢測(cè)裝置作為唯一的位置反饋信號(hào)，所以機(jī)床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)的實(shí)際速度反饋信號(hào)來(lái)自伺服電機(jī)的內(nèi)裝編碼器信號(hào)，而實(shí)際位置反饋信號(hào)是來(lái)自直線式位置檢測(cè)裝置的信號(hào)。
位置反饋 圖2 進(jìn)給伺服的全閉環(huán)控制
2 舉例排除伺服系統(tǒng)位置控制過(guò)程的故障
排除數(shù)控機(jī)床故障的常用診斷方法為：
2．1 動(dòng)態(tài)梯形圖診斷法
通過(guò)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)梯形圖顯示畫(huà)面，對(duì)梯形圖信號(hào)的明暗或顏色變化來(lái)判斷數(shù)控機(jī)床故障的具體部位而取代用傳統(tǒng)的方法，該方法對(duì)機(jī)床生產(chǎn)廠家編制的報(bào)警號(hào)的故障診斷特別方便，但是必須理解數(shù)控機(jī)床的PMC具體控制原理。
2．2 功能參數(shù)診斷法
隨著數(shù)字伺服控制的廣泛應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的某些控制功能由系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，通過(guò)參數(shù)維修機(jī)床也是常用的方法，通過(guò)修改系統(tǒng)參數(shù)來(lái)判定故障是系統(tǒng)內(nèi)部故障還是外部故障。
2．2．1 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)故障舉例
寶雞生產(chǎn)的SK50P 的數(shù)控車床是采用絲杠旋轉(zhuǎn)間接測(cè)量工作臺(tái)的實(shí)際位移的半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)的機(jī)床，在機(jī)床工作過(guò)程中，發(fā)生下列故障：故障現(xiàn)象：寶雞生產(chǎn)的SK50P的數(shù)控車床在工作中無(wú)法回機(jī)械參考點(diǎn)。
[原理分析]
回參考點(diǎn)行程開(kāi)關(guān)隨著絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)而移動(dòng)，在顯示屏上顯示著以坐標(biāo)軸方向按規(guī)定的速度向參考點(diǎn)方向移動(dòng)變化，當(dāng)行程開(kāi)關(guān)接觸到固定擋塊后，行程開(kāi)關(guān)觸頭回縮時(shí)，CNC接收到回零減速信號(hào)后伺服電機(jī)減速，并以某一設(shè)定的低速運(yùn)行，當(dāng)CNC 接收到返回零脈沖信號(hào)后，該坐標(biāo)軸返回參考點(diǎn)結(jié)束。如果行程開(kāi)關(guān)損壞，參考點(diǎn)的回零失去機(jī)械控制，參考點(diǎn)無(wú)法回零，工作臺(tái)的實(shí)際位置也得不到有效控制，而絲杠卻繼續(xù)移動(dòng)。
[解決辦法]
更換失去功能的行程開(kāi)關(guān)，機(jī)床恢復(fù)正常。
2．2．2 全閉環(huán)伺服系統(tǒng)故障舉例上海重型機(jī)床廠生產(chǎn)的CKQ61100—XIV*5 的數(shù)控臥式車床采取光柵尺直接測(cè)量工作臺(tái)
的實(shí)際位移的全閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)，在工作過(guò)程中發(fā)生故障： [故障現(xiàn)象] “25000 Axis Z hardware fault of active encoder”的報(bào)警內(nèi)容。
[原理分析及梯形圖分析]
通過(guò)報(bào)警信息分析，故障為硬件引起，以及檢查梯形圖，通過(guò)對(duì)位置反饋信號(hào)的檢測(cè)線路進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該故障并非光柵尺的原因，于是重點(diǎn)檢查檢測(cè)線路（包括編碼器），發(fā)現(xiàn)線路插頭內(nèi)被切削液充實(shí)而引發(fā)短路。
[故障排除]
把切削液排除并用熱吹風(fēng)機(jī)把插頭烘干，恢復(fù)檢測(cè)線路的插頭線路的正常連接，故障排除后，機(jī)床恢復(fù)正常。
3 思考和啟發(fā)
對(duì)數(shù)控機(jī)床故障的診斷和排除，無(wú)論采取什么方法都只是一種途徑和措施，但是要真正解決故障也必須在熟練掌握數(shù)控機(jī)床的CNC裝置、主軸控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀庫(kù)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理的前提條件下進(jìn)行。如果不了解數(shù)控機(jī)床的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，任何方法都是無(wú)法解決機(jī)床問(wèn)題，所以，必須在真正了解數(shù)控機(jī)床的原理和結(jié)構(gòu)特征的前提下，采取合理的方法可以快速、有效的排除故障。
總之，對(duì)機(jī)床維修人員必須進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的工作原理和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行必要的技術(shù)培訓(xùn)，而維修人員才能在工作中熟練針對(duì)發(fā)生故障的具體部位進(jìn)行相應(yīng)理論的分析，并結(jié)合實(shí)際情況，而后采取相應(yīng)合理方法和途徑快速排除機(jī)床所發(fā)生的故障，達(dá)到保證生產(chǎn)進(jìn)度和機(jī)床的工作效能，否則，不但無(wú)法正確排除故障，而且由于不當(dāng)?shù)木S修措施又引發(fā)更嚴(yán)重的其它故障，嚴(yán)重時(shí)刻會(huì)導(dǎo)致機(jī)床軟硬件的癱瘓，其結(jié)果會(huì)造成無(wú)法挽回的經(jīng)濟(jì)損失。
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