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第1页第4章数控机床进给系统的故障诊断与维修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，直接影响了加工工件的精度。对它做好良好的维护与维修，是数控机床的关键。本章主要内容：——对数控机床进给驱动系统作一半的介绍；——介绍步进驱动系统的原理和主要特性作简单介绍后，列出了步进驱动系统的主要故障及排除，并列出相应维修实例。——简介了进给伺服驱动系统，列出了进给伺服驱动系统的主要报警及处理、主要故障及排除，并列出了维修实例。4.1进给驱动系统概述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。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。4.1.1数控机床对进给驱动系统的要求1.调速范围要宽调速范围rn是指进给电动机提供的最低转速nmin和最高转速nmax之比，即：rn=nmin/nmax。在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象。脉冲当量为1μm/P情况下，最先进的数控机床的进给速度从0~240m/min连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在0~24m/min进给速度下工作就足够了。2.定位精度要高使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精第2页CNC步进驱动器机床工作台步进电动机指令电源图4-1开环控制的进给驱动系统传动机构度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。3.快速响应，无超调为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在200ms以内，甚至小于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量；另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有4000r/s2以上的加速度。4.低速大转矩，过载能力强数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进给驱动系统在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长时间内较强的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能力。一般，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。5.可靠性高数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，因此，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力。4.1.2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。1.开环数控系统无位置反馈装置的控制方式就称为开环控制，采用开环控制作为进给驱动系统，则称开环数控系统。一般使用步进驱动系统（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件。所以也叫步进驱动系统。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（一般为同步带，或直接连接）带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动，俗称位移量。图4-1为开环控制伺服驱动系统的结构框图。第3页采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，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。另外，步进电动机的步距角误差、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输出转矩时，将导致的“丢步”，使加工出错。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。2.半闭环数控系统图4-2所示为半闭环数控系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家安装好），用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠的精度足够高，间隙小，精度要求一般可以得到满足。而且传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，因而可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制得到了广泛的应用。图4-2：半闭环数控系统进给控制框图半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。例如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度与丝杠温度的变化所引起的丝杠螺矩误差也不能补偿。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。3.全闭环数控系统图4-3所示为全闭环数控系统进给控制框图。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须要降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生了不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式广泛应用在精度要求较高的大型数控机床上。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件实际位置反馈实际速度反馈第4页CNC进给驱动器机床工作台伺服电动机指令电源图4-4混合闭环控制的进给驱动系统位置反馈速度/位置反馈位置反馈位置反馈传动机构由于全闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途经是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度图4-3：全闭环数控系统进给控制框图4.混合式闭环控制图4-4所示为混合闭环控制。混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。4.2步进驱动系统常见故障及排除步进驱动系统简单来说，包括有步进电动机和步进驱动器。4.2.1步进电动机原理简介及分类1.步进电动机原理简介步进电动机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化；是一种能将数字脉冲转化成一个步距角增量的电磁执行元件；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。随位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈第5页着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，至今国内外对这种系统仍在进一步开发。但是，①由于步进电动机基本上是用开环系统，精度不高，不能应用于中高档数控机床；②步进电动机耗能大，速度低(远不如交、直流电动机)。因此，目前步进电动机仅用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经济型数控，打印机、绘图机等计算机的外部设备。步进电动机是一种同步电动机，其结构同其它电动机一样，由定子和转子组成，定子为激磁场，其激磁磁场为脉冲式，即磁场以一定频率步进式旋转，转子则随磁场一步一步前进。2.步进电动机分类步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；从控制绕组数量上可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；从电流的极性上可分为单极性和双极性步进电动机；从运动的型式上可分为旋转、直线、平面步进电动机。4.2.2步进电动机的驱动电路控制方式和应用举例1.步进电动机的驱动电路控制方式步进电动机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用图4-5a双管串联电路,双极性电流一般采用图4-5b的H桥电路;对于三相混合式步进电动机则采用三相逆变桥电路,见图4-5c图7步进电机绕组驱动电路(a)(b)(c)VDCVDCVDC图4-5步进电动机驱动电路第6页2.开环控制系统的应用举例以SH-50806A五相步进驱动器为例，步进进给驱动装置的基本接口如图4-6所示。图4-6进给驱动装置的基本接口（以SH-50806A五相步进驱动器为例）CP+CP-DIR+CNCXS3014715CNI/F步进驱动装置345CW+CW-CCW+屏蔽层驱动变压器AC1P380/80电机电源驱动电源步进电机伺服电机DIR-86CCW-AC80AC80A+A-B+B-C+C-D+D-E+E-FGSH-50806A13GND指令接口电源接口电动机驱动接口3.百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线图4-7。PULSE/CW+PULSE/CW-DIR/CCW+DIR/CCW-RESET+RESET-READYREADYRDYTEMPFLTMOT.CURRSTEP1STEP2CURR.REDPULSE.SYSDC+DC-UVWPELNPEWD3-007信号接口：PULSE+—电机输入控制脉冲信号；DIR+——电机转动方向控制信号；RESET+—复位信号，用于封锁输入信