數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)故障仿真

石秀敏，戴 怡，馬紀(jì)孝

（天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院，天津 300222）

0 引言

進(jìn)給系統(tǒng)的精度是影響數(shù)控機(jī)床的精度主要因素，而數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)相對(duì)多一些，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，伺服系統(tǒng)故障要占整個(gè)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(yán)重，為此在維修伺服系統(tǒng)方面的故障時(shí)也應(yīng)特別重視。

在分析進(jìn)給伺服系統(tǒng)故障的部分典型案例的基礎(chǔ)上，建立了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的仿真模型。并通過此模型對(duì)部分故障進(jìn)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(jī)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(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過由軟件設(shè)定的軟限位或由限位開關(guān)設(shè)定的硬限位時(shí)，就會(huì)發(fā)生超程報(bào)警。

1.2 過載

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的負(fù)載過大，頻繁正、反向運(yùn)動(dòng)以及傳動(dòng)鏈潤(rùn)滑狀態(tài)不良時(shí)，均會(huì)引起過載報(bào)警。

1.3 竄動(dòng)

在進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象。

1.4 爬行

發(fā)生在啟動(dòng)加速段或低速進(jìn)給時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤(rùn)滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益低及外加負(fù)載過大等因素導(dǎo)致。

1.5 機(jī)床出現(xiàn)振動(dòng)

機(jī)床以高速運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過流報(bào)警。機(jī)床振動(dòng)問題一般屬于速度問題，所以就應(yīng)去查找速度環(huán)。

1.6 伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)

1.7 位置誤差

當(dāng)伺服軸運(yùn)動(dòng)超過位置允差范圍時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生位置誤差過大報(bào)警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。

1.8 漂移

當(dāng)指令值為零時(shí)，坐標(biāo)軸仍移動(dòng)，從而造成位置誤差。

1.9 機(jī)械傳動(dòng)部件的間隙與松動(dòng)

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

2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)建模

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)一般為兩個(gè)部分：一部分是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，另一部分是機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

在整個(gè)伺服控制結(jié)構(gòu)三環(huán)結(jié)構(gòu)中，以矢量控制的交流伺服電動(dòng)機(jī)（PMSM）驅(qū)動(dòng)，電流環(huán)和速度環(huán)為內(nèi)環(huán)，位置環(huán)為外環(huán)。工程實(shí)踐中，電流環(huán)和速度環(huán)均采用PI調(diào)節(jié)器，位置環(huán)采用P調(diào)節(jié)器。

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、滾珠絲杠、絲杠支撐軸承、移動(dòng)部件組成。電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件作直線運(yùn)動(dòng)，如圖2所示。

圖1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 伺服系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖

進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如圖3所示，其中Gp(s)、Gv(s)、Gi(s)、Gb(s)分別表示位置調(diào)節(jié)器、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)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(jī)轉(zhuǎn)過的角位移，ω*、ω分別代表給定角速度和電機(jī)角速度，iα*代表給定電流，Te*、Te代表給定電磁轉(zhuǎn)矩和電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，x代表工作臺(tái)位移量。框圖中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部分，Ld、Lq代表轉(zhuǎn)子和定子的等效電感，R是電機(jī)內(nèi)部等效電阻，為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，ψf是永磁體產(chǎn)生的恒定磁通，J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 為電機(jī)的等效阻尼系數(shù)；

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

進(jìn)給電機(jī)參數(shù)：額定轉(zhuǎn)速nn=3000r/min，額定電流IN=11.6A，額定轉(zhuǎn)

矩TN=16.5N.m，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為J=0.01323kg.m2，電樞繞組電阻Rα=0.15?，電機(jī)轉(zhuǎn)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(jiǎn)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(cè)單元的反饋信號(hào)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(jìn)給機(jī)構(gòu)參數(shù)：工作臺(tái)質(zhì)量m=3500kg，絲杠直徑d=0.08m，絲杠導(dǎo)程L=0.012m，絲杠總長(zhǎng)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(jì)算出等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=0.043kg.m2，計(jì)算等效扭矩剛度Ks=119507.75N.m/rad，計(jì)算阻尼系數(shù)fs=1.4332。

3 故障仿真

3.1 定位超調(diào)的故障維修

3.1.1 故障現(xiàn)象

在X軸定位時(shí)，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(bào)警。

3.1.2 故障分析

機(jī)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(bào)警，坐標(biāo)軸定位正確，可以確認(rèn)故障是由于伺服驅(qū)動(dòng)器或系統(tǒng)調(diào)整不良引起的。

3.1.3 故障診斷

X軸位置“過沖”的實(shí)質(zhì)是伺服進(jìn)給系統(tǒng)存在超調(diào)。引起超調(diào)的原因有多種，如：加減速時(shí)間過長(zhǎng)、速度環(huán)比例增益太低、速度環(huán)積分時(shí)間過長(zhǎng)等等。

通過檢查，確認(rèn)該機(jī)床是由于速度環(huán)比例增益過低和速度環(huán)積分時(shí)間過長(zhǎng)引起的超調(diào)。

圖4 速度環(huán)積分時(shí)間過長(zhǎng)時(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)

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(shí)間過長(zhǎng)引起的。

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

3.2 驅(qū)動(dòng)器過電流報(bào)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(dòng)運(yùn)行過程中，出現(xiàn)Y軸驅(qū)動(dòng)器過電流報(bào)警，驅(qū)動(dòng)器V4燈亮。

3.2.2 故障分析

機(jī)床結(jié)構(gòu)：配套SIEMENS 810系統(tǒng)的立式加工中心。

理論原因分析：驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)過電流報(bào)警的原因很多，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝、調(diào)整不良，切削力過大，驅(qū)動(dòng)器設(shè)定不良，伺服電動(dòng)機(jī)不良等都可能引起驅(qū)動(dòng)器的過電流。但在本機(jī)床上，當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)以上故障后，再次開機(jī)，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(shí)通過更換驅(qū)動(dòng)器的調(diào)節(jié)器板、功率板進(jìn)行了試驗(yàn)，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(dòng)機(jī)或電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)器的連接不良引起的。

仔細(xì)檢查Y軸連接電纜，發(fā)現(xiàn)由于機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)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(dòng)引起的報(bào)警；重新連接反饋電纜后，故障排除。

3.2.4 結(jié)論

由于機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)，拉動(dòng)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(dòng)，引起過電流報(bào)警。

仿真結(jié)果見圖5所示，其中曲線1為給定電流信號(hào)，曲線2為正常時(shí)輸出電流信號(hào)，曲線3代表位置反饋線松動(dòng)時(shí)的輸出電流信號(hào)，圖中可以看出位置反饋線出現(xiàn)連接松動(dòng)后。圖中，可以看出系統(tǒng)的階躍響應(yīng)電流保持很大的數(shù)值，因此會(huì)引起驅(qū)動(dòng)器過電流報(bào)警。

圖5 位置反饋線松動(dòng)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)工件Y軸方向的實(shí)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(jī)床結(jié)構(gòu)：該機(jī)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(jī)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(guān)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(nèi)，故可排除由于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)引起故障的因素。

機(jī)械方面故障診斷：檢查Y軸進(jìn)給傳動(dòng)鏈。若傳動(dòng)鏈中連接部分存在間隙或松動(dòng)，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(shí)系統(tǒng)階躍響應(yīng)圖

3.3.4 故障仿真

與轉(zhuǎn)子軸聯(lián)接的帶輪錐套有松動(dòng)，等同于傳遞函數(shù)中 的下降，從而導(dǎo)致 的減小，最終影響電動(dòng)機(jī)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(yīng)如圖6所示，其中1為給定信號(hào)，2為阻尼比正常是輸出信號(hào)，3為阻尼比減小時(shí)信號(hào)。由仿真結(jié)果可以看出，阻尼比減小后系統(tǒng)仿真曲線與正常時(shí)相比，出現(xiàn)超程。那么被加工的零件就會(huì)被多切削了一部分，零件就有可能報(bào)廢。

4 結(jié)論

利用Matlab軟件對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)建立仿真模型，進(jìn)而研究數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的故障產(chǎn)生機(jī)理，通過此模型對(duì)部分故障進(jìn)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(jī)床故障產(chǎn)生機(jī)理及診斷維修提供理論依據(jù)。

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