数控机床故障诊断与维修项目8 数控车床进给轴抖动故障诊断与排除.ppt

1,项目八 数控车床进给轴抖动故障诊断与排除,2,项目分析,项目实施,知识拓展,项目作业,项目导入,项目导航,3,学 习 目 标,*知识目标熟悉进给驱动系统的组成，控制方式。2.熟悉进给伺服系统各类故障的表现形式，机床振动类故障的原因及分析、排除的方法。*能力目标通过相关知识的学习和实际故障的诊断分析操作，达到初步具备准确地诊断与排除相关故障的能力。,4,【项目导入】,华中世纪星数控车床在加工过程中 X 轴自动抖动，加工出来的工件有振纹，表面粗糙度差。现对数控车床进给轴自动抖动故障进行诊断与维修，使其能够正常运行。,5,【项目分析】,数控机床进给轴抖动故障一般属于进给伺服驱动系统的故障。一、相关知识 1.进给驱动系统的组成 进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。,6,数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。,7,数控机床的进给驱动系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行部件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置(或称作检测系统)。,8,伺服系统一般是一个反馈控制系统，通过输入给定值与反馈值进行比较，利用比较后产生的偏差对系统进行自动调节，从而达到消除偏差、使被调节量与给定值一致的目的。伺服系统通常是一个双闭环系统，内环是速度环，外环是位置环。速度环中用作速度反馈的检测装置为测速发电机、脉冲编码器等。速度控制单元是一个独立的单元部件，它由速度调节器、电流调节器及功率驱动放大器等各部分组成。位置环是由 CNC 装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及反馈控制等各部分组成。位置控制主要是对机床运动坐标轴进行控制，坐标轴控制是要求最高的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格要求，而且在多轴联动时，还要求各移动轴有很好的动态配合，才能保证加工效率、加工精度和表面粗糙度。,9,2.进给驱动系统的基本形式 进给驱动系统分为开环和闭环控制两种控制方式，根据控制方式，我们把进给驱动系统分为步进驱动系统和进给伺服驱动系统。开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成了反馈系统。闭环控制一般采用伺服电动机作为驱动元件，根据位置检测元件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。,10,1）根据控制方式分类（1）开环控制系统。开环控制系统的驱动元件主要是功率步进电动机或电液脉冲马达。这两种驱动元件工作原理的实质是数字脉冲到角度位移的变换，它不用位置检测元件实现定位，而是靠驱动装置本身，转过的角度正比于指令脉冲的个数，运动速度由进给脉冲的频率决定。采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本低，但是由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。步进电机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差,最终都将影响被加工零件的精度；特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。,11,开环控制系统,12,（2）半闭环控制系统。位置检测元件不直接安装在进给坐标的最终运动部件上，而是中间经过机械传动部件的位置转换，称为间接测量。,13,采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与机械传动间有明显的分界，因此调试维修与故障诊断较方便，且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统的稳定性较好。伺服电机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数（电子齿轮比）进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到广泛应用。,14,（3）闭环伺服控制系统。闭环系统是误差控制随动系统。数控机床进给系统的误差是 CNC 输出的位置指令和机床工作台（或刀架）实际位置的差值。闭环系统位置检测装置测出实际位移量或者实际所处位置，并将测量值反馈给 CNC 装置，与指令进行比较，求得误差，依此构成闭环位置控制,15,闭环控制系统,16,由于闭环伺服系统是反馈控制，从理论上说，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，系统传动链的误差环内各元件的误差以及运动中造成的误差都可以得到补偿，而且它可以对传动系统的间隙、磨损自动补偿，其精度保持性要比半闭环系统好得多。目前闭环系统的分辨率多数为 1m,定位精度可达(0.0l0.05)mm,高精度系统分辨率可达 0.1m。系统精度只取决于测量装置的制造精度和安装精度。,17,2）按使的用电动机分类（1）步进驱动系统 步进驱动系统简单来说，包括有步进电动机和步进驱动器。步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。,18,按转矩产生的原理可分:为反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机；从控制绕组数量上可分为:二相步进电机、三相步进电机、四相步进电机、五相步进电机、六相步进电机。,19,步进电动机的工作方式和一般电动机的不同，是采用脉冲控制方式工作的，且各相需按一定规律分配脉冲，只有按一定规律对各相绕组轮流通电，步进电动机才能实现转动。目前的机床数控系统，步进驱动系统的控制为全数字化，脉冲分配、脉冲产生、插补运算、升降速控制等都可以由计算机完成。数控机床所用的功率步进电动机，要求控制驱动系统，所以驱动系统还要求有功率驱动部分，保证步进电动机不失步地起停。,20,步进驱动装置的基本接口,21,（2）直流伺服系统 直流伺服系统常用的伺服电动机有小惯量直流伺服电动机和永磁直流伺服电动机(也称为大惯量宽调速直流伺服电动机)。小惯量伺服电动机最大限度地减少了电枢的转动惯量，所以能获得最好的快速性。在早期的数控机床上应用较多，现在也有应用。小惯量伺服电动机一般都设计成有高的额定转速和低的转动惯量,所以应用时，要经过中间机械传动(如齿轮副)才能与丝杠相连接。,22,永磁直流伺服电动机能在较大过载转矩下长时间工作，电动机的转子惯量较大，能直接与丝杠相连而不需中间传动装置。此外，它还有一个特点是可在低速下运转，如能在 lr/min 甚至在O.lr/min下平稳地运转。因此，这种直流伺服系统在数控机床上获得了广泛的应用。自 20 世纪 70 年代至 80 年代中期，直流伺服系统在数控机床上的应用占绝对多数，至今，许多数控机床上仍使用这种电动机的直流伺服系统。永磁直流伺服电动机的缺点是有电刷，限制了转速的提高，一般额定转速为1000150Or/min,而且结构复杂，价格较贵。,23,（3）交流伺服系统 交流伺服系统使用交流异步伺服电动机(一般用于主轴伺服电动机)和永磁同步伺服电动机(一般用于进给伺服电动机)。由于直流伺服电动机存在着一些固有的缺点，使 其应用环境受到限制，交流伺服电动机没有这些缺点，且转子惯量较直流电动机小，使得动态响应好。另外在同样体积下，交流电动机的输出功率可比直流电动机提高 10%70%,且交流电动机的容量可以比直流电动机大，因此可达到更高的电压和转速。所以，交流伺服系统得到了迅速发展，从 20 世纪80年代后期开始，大量使用交流伺服系统。,24,二、故障分析,1.进给伺服系统各类故障的表现形式 当进给伺服系统出现故障时，通常有以下三种表现形式：1）在 CRT 或操作面板上显示报警内容和报警信息，这是利用软件的诊断程序来实现的；2）利用进给伺服驱动单元上的硬件(如报警灯或数码管指示，保险丝熔断等)显示报警驱动单元的故障信息；3）进给运动不正常，但无任何报警信息。,25,前两类都可根据生产厂家或公司提供的产品维修说明书中有关各种“报警信息产生的可能原因”的提示进行分析判断,一般都能确诊故障原因、部位。对于第 3 类故障,则需要进行综合分析。诊断伺服系统的故障一般可利用状态指示灯诊断法、数控系统报警显示诊断法、系统诊断信号检查法、原理分析法等。,26,2.机床振动的分析 机床振动指机床在启动或停止时的振荡、运动时的爬行、正常加工过程中的运动不稳等等。可能是机械传动系统的原因，也可能是进给伺服系统的调整与设定不当等引起。,27,1)开停机时振荡的故障原因及检查、排除。（1）位置控制系统参数设定错误。对照系统参数说明检查原因。（2）速度控制单元设定错误。对照速度控制单元说明书或根据机床生产厂家提供的设定单检查设定。（3）反馈装置出错。反馈装置本身是否有故障或反馈装置连线错误。（4）电动机本身有故障。用替换法检查电动机是否有故障。（5）机床、检测器不良，插补精度差或检测增益设定太高。检查与振动周期同步的部分,并找到不良部分，更换或维修不良部分,调整或检测增益。,28,例如，当机床高速运行时，如果产生振动，这时就会出现过流报警。这种振动问题一般属于速度问题，所以应检查速度环，而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的。所以凡是与速度有关的问题，应该查找速度调节器。因此振动问题应查找速度调节器，且主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。,29,（1）检查输入速度调节器的信号，即给定信号。这个给定信号从位置偏差计数器出来经 D/A 转换器转换成模拟量送入速度调节器。应检查这个信号是否有振动分量，如它只有一个周期的振动信号，可以确认速度调节器没有问题，而是前级的问题，即应向 D/A 转换器或位置偏差计数器去查找问题。如果正常，就转向查测速发电机或伺服电动机的位置反馈装置是否有故障或连线错误。,30,（2）检查测速发电机及伺服电动机。机床振动说明机床速度在振荡，所以反馈回来的波形一定也在振荡，观察它的波形是否出现有规律的大起大落。这时，最好能测一下机床的振动频率与旋转的速度是否存在一个准确的比例关系，如果振动频率为电动机转速的四倍，这时就应考虑电动机或发电机是否有故障。因振动频率与电动机转速成一定比例，所以首先要检查电动机有无故障，如果没有问题，就再检查反馈装置连线是否正确。,31,（3）位置控制系统或速度控制单元上的设定错误，例如系统或位置环的放大倍数过大，最大轴速度、最大指令值等设置错误。（4）如采用上述方法还不能完全消除振动，甚至无任何改善，就应考虑速度调节器本身的问题，应更换速度调节器板或换下后彻底检测各处波形。,32,（5）检查振动频率与进给速度的关系，如二者成比例，除机床共振原因外，多数是由 CNC 系统插补精度太差或位置检测增益太高引起的，须进行插补调整和检测增益的调整。如果与进给速度无关，可能是速度控制单元的设定与机床不匹配，或是速度控制单元调整不好，或是该轴的速度环增益太大，或是速度控制单元的印制线路板不良。,33,考虑到振动无论是在运动中还是在静止的均发生，与运动速度无关，放基本上可以排除测速发电机、位置反馈编码器等硬件损坏的可能性。分析该振动可能是 CNC 中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的，且由于机床振动频率很高，因此时间常数较小的电流环引起振动的可能性较大。维修时调出伺服调整参数页面，并与机床随机资料中提供的参数表对照，发现参数 PARM1852、PARM1825 与提供值不符将上述参数重新修改后，振动现象消失，机床恢复正常工作。,34,2）在工作过程中，数拉机床坐标轴振动或爬行的原因和处理（1）负载过重。减轻负载,让机床工作在额定负载以内。（2）机械传动系统不良。保持庭好的机械润滑,并排除传动故障。（3）位置环增益过高。查看相关参数，重新调整伺服参数。（4）伺服驱动器不良。通过交换法检查，更换不良的伺服驱动器。,35,3.本项目故障分析 机床由于X轴的驱动系统有步进电动机和步进驱动器组成，为开环控制系统。用目测法观察故障现象，发现 X 轴电动机转速不均匀，会发生自动抖动。X 轴电动机为五相步进电动机，步进电动机的转速是由指令脉冲的频率决定的，所以初步判断故障出现在 CNC 指令脉冲上。,36,可能的故障原因有以下几种：（1)CNC 指令脉冲不正确。（2)指令脉冲与步进驱动器不匹配。（3)脉冲信号中存在干扰噪声。（4）脉冲频率与机械发生共振。,37,CNC 指令脉冲不正常可能是由软件故障、硬件故障和干扰故障引起的，现从这三方面 进行分析。1）进给轴自动抖动干扰故障分析 按照数控机床上故障诊断的先简单后复杂一般原则，应首先判断是否具有干扰故障。检查方法：用示波器观测脉冲信号，注意观察电平的变化是否频繁，如果是，则为干扰故障。这时，检查系统接地是否良好，是否采用屏蔽线，注意应正确接地。,38,2）进给轴自动抖动硬件故障分析 在数控加工的过程中，程序中的位置指令经过 CNC 装置中央处理器的插补运算后，根据数控系统接口的类型，从而产生指令脉冲并输送到步进驱动器中，由步进驱动器发出脉冲信号控制步进电动机的动作，从而带动机床工作台到达程序中指定的位置。,39,XS31 引脚信号说明,40,脉冲指令信号是由数控装置内部电路计算完成，通过进给轴接口电路输送到步进伺服系统，如果指令产生的脉冲不均匀、指令脉冲太窄以及指令脉冲电平不正确，都可能使数控机床进给轴运转抖动，从而使加工出来的工件出现振纹，表面粗糙度差。,41,检测方法：用示波器观察指令脉冲，判断指令脉冲是否呈现不均匀分布、指令脉冲的脉宽是否很小，如果出现上述情况，确定为数控系统主印制电路板故障或接口电路故障，应进一步确定主印制电路板故障或更换电路板。也可用万用表检测指令脉冲的电平，如果指令脉冲电平不正确，确定故障为数控系统主印制电路板故障，可重点检查放大电路故障，需维修或更换主印制电路板。,42,3）进给轴自动抖动软件故障分析除硬件故障外，步进驱动器工作方式设置不当或数控系统内部参数设置不当，也有可能引起进给轴在加工过程中的自动抖动。（1）步进驱动器参数设置引起的故障分析从数控装置发出的指令脉冲信号进入到步进驱动器中，在其中经过环形分配和电平放大，才能控制步进电动机的正常工作，而指令脉冲的电平输入应与驱动器的工作方式相对 应，否则进给轴将无法正常工作。,43,进给轴的一些性能参数需要在步进驱动器上进行设置，如果设置不当，将会引起如进给轴抖动等的故障。在M355步进驱动器中，可进行下面参数的设定：1步进驱动器细分数的设定。由步进驱动器提供的一排拨码开关中的SW5、SW6、SW7、SW8，从而改变进给轴的脉冲当量。2电流的选择。通过拨码开关中的SW1、SW2、SW3选择驱动器电流的大小。3半流功能的选择。通过拨码开关中的SW4，选择是否启用半流功能。,44,（2）数控系统参数设置引起的故障分析CNC 内部参数设置不当也可能引起进给轴在加工过程中的自动抖动故障，这主要是由与坐标轴有关的系统参数决定的。与坐标轴有关的参数可在轴参数与硬件配置参数中进行设置。具体设置参看项目四的相关部分。,45,【项目实施】,1.项目实施路径,46,2.项目实施步骤1）布置项目任务，对项目实施时间、最终质量、安全生产、文明生产、环保意识做出具体要求。2）从步进伺服系统的结构和工作原理出发，得出可能的故障原因，并对干扰引起的进给轴自动抖动故障进行分析。,47,3）依据数控机床上步进伺服系统控制信号的产生原理和传输路径，对由硬件引起的进给轴自动抖动故障进行分析。4）从步进伺服系统中步进驱动器的工作方式设定与数控系统参数设置两个方面，对进给轴自动抖动故障进行分析。5）用示波器观测脉冲信号电平的变化是否频繁，如果是，则为干扰故障，这时，检查系统接地是否良好是否采用屏蔽线注意应正确接地。,48,6）用示波器观察指令脉冲。判断指令脉冲是否呈现不均匀分布、指令脉冲的脉宽是否 很小。如果出现上述情况。确定为数控系统主印制板故障或接口电路故障。应进一步确定主印制板电路故障或更换电路板；用万用表检测指令脉冲的电平，如果指令脉冲电平不正确，确定故障为数控系统主电路印制板故障，重点检查放大电路故障，应对主印制板进行维修或更换。,49,7）使用万用表测量指令脉冲电平，检查是否与驱动器的工作电平匹配，并采用拨码开 关选择合适的细分数以及相电流大小；查看 HNC-21T 数控系统参数中“部件 0”的参数设置是否正常，如果不正确，则要根据数控系统说明书上的参数，对坐标轴参数与硬件配置参数进行重新设置，重点检查电动机每转脉冲数、外部脉冲当量分子与外部脉冲当量分母，如果参数设置不当，可能会使脉冲频率与外部机械发生共振，进而引起进给轴自动抖动故障。,50,8）对学生的项目完成情况进行评价，按照评分表的标准给出成绩。9）关闭电源，将实训台恢复原样，清点并归还工具；认真填写实训设备使用情况，对废品、废料进行分类处理，打扫实训室卫生；组织学生对此次项目进行总结，项目完成。,51,【知识拓展】,HNC-21 数控装置提供了三类轴控制接口：脉冲接口、模拟接口、串行接口，可与目前流行的大多数驱动装置连接。1.连接脉冲接口伺服驱动装置 使用脉冲接口伺服驱动装置需选用 HNC-21 D 脉冲型或 HNC-21F全功能型世纪星数控装置通过XS30XS33脉冲接口连接伺服驱动装置最多可控制4个伺服驱动装置。,52,脉冲指令,53,连接脉冲接口伺服驱动的一些基本概念 1）采用脉冲接口连接伺服驱动装置时位置闭环在伺服驱动器内部而不在数控装置内。2）脉冲接口串的位置反馈信号仅用于位置监视而不用于位置闭环。3）需构成全闭环控制时必须选用带全闭环接口的伺服驱动装置。4）伺服调节器参数须在驱动装置内设置。,54,HNC-21采用脉冲接口伺服驱动器的总体框图,55,HNC-21 采用脉冲接口伺服驱动器的连接图,56,2.连接模拟接口伺服驱动器装置使用模拟接口伺服驱动装置，需用HNC-21 A或HNC-21 F数控装置通过XS30XS33轴接口连接伺服驱动装置最多可控制4台伺服驱动装置。,57,HNC-21 采用模拟接口模拟伺服驱动器的半闭环总体框图,58,HNC-21 采用模拟接口伺服驱动器组成半闭环结构连接图,59,当使用多个伺服驱动器时，通常将各伺服驱动器的 SRV-RDY-、SRV-RDY+首尾串起来通过一个中间继电器作为“伺服准备好”信号提供给系统或其他电路使用；将各伺服驱动器的 ALM-、ALM+首尾串起来通过一个中间继电器作为“伺服报警”信号提供给系统或其他电路使用。,60,HNC-21采用模拟接口伺服驱动器组成全闭环结构的总体框图,61,HNC-21 采用模拟接口伺服驱动器组成全闭环结构连接图,62,本项目结束，谢谢！,