第4章数控机床进给系统的故障诊断与维修.docx

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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。

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。

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4-5双管串联电路,双极性电流一般采用图4-5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4-5

图4-5步进电动机驱动电路

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。

3. 百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线图4-7。

图4-7：

WD3-007步进电动机的面板接线图

控制信号说明：

PULSE：

脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电动机转动一步。

DIR：

方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋转；“DIR”为高电平电机按逆时针方向旋转。

CW：

正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。

CCW：

反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。

RESET：

复位信号，如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作用，如果复位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无保持扭矩。

READDY:

输入报警信号：

READY是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器断开。

继电器允许最高输入电压和电流是：

35VDC，10mA≤I≤200mA，电阻性负载。

如用该继电器，要把他串联到CNC的某输入端。

当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。

注意：

PULSE+与CW+，PULSE-与CW-，DIR-与CCW-对应同一个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。

4.2.3 步进电动机的主要特性

1. 步距角和步距误差

转子每步转过的空间机械角度，即步距角β为

β=360°º/Z2*N

其中Z2-转子齿数，N-运行拍数。

步进电动机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。

连续走若干步时，上述误差形成累积值。

转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电动机步距的误差不会长期积累。

步进电动机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。

影响步距误差和积累误差的主要因素有:

齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。

2. 静态矩角特性和最大静转矩特性

所谓静态是指电动机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。

空载时，步进电动机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。

如在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电动机转子则按顺时针方向转过一个小角度θ，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载转矩相等。

矩角特性是描述步进电动机稳态时，电磁转矩与失调角θ之间关系的曲线，或称为静转矩特性。

见图4-7。

图4-7步进电动机矩角特性

3. 步进电动机矩频特性

矩频特性是用来描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。

矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。

动态转矩除了和步进电动机结构及材料有关外，还与步进电动机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。

如图4-8（a）所示的并联绕组和串联绕组的矩频特性图。

图4-8（b）是混合式步进电动机连续运行时的典型的矩频特性曲线。

图4-8（a）步进电动机矩频特性

4. 启动惯频特性

在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。

启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。

下图4-9表示启动频率与负载转动惯量之间的关系。

随着负载惯量的增加，起动频率下降。

若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降低。

在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。

4.2.4 步进驱动装置常见故障及排除

正如前所述，步进驱动是开环控制系统中最常选用的伺服驱动系统。

开环进给系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。

在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用。

使用过程中，步进驱动系统常见如下故障：

1. 电动机过热报警，可能原因及故障排除见表4-1。

用手摸电动机，会明显感觉温度不正常，甚至烫手

工作环境过于恶劣，环境温度过高

重新考虑机床应用条件，改善工作环境

参数选择不当，如电流过大，超过相电流

根据参数说明书，重新设置参数

电压过高

建议稳压电源

2. 工作中，尖叫后不转，具体情况为加工或运行过程中，驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声。

可能原因及排除措施见表4-2：

表4-2：

步进驱动器尖叫后不转的故障原因及排除综述

故障现象

可能原因

排除措施

驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声，然后电动机停止不转

输入脉冲的升速曲线不够理想引起堵转

调整输入脉冲的升速曲线

3. 工作过程中停车，在工作正常的状况下，发生突然停车的故障。

引起此故障的可能原因见表4-3。

表4-3 工作过程中停车的故障综述

4. 工作噪声特别大，仔细观察加工或运行过程中，还有进二退一现象。

可能原因及排除措施见表4-4：

表4-4：

工作噪声特别大的故障原因及排除综述

故障现象

可能原因

排除措施

低频旋转时有进二退一现象，高速上不去

检查相序

正确连接动力线

电动机运行在低频区或共振区

分析电动机速度及电动机频率后，调整加工切削参数

纯惯性负载、正反转频繁

重新考虑次机床的加工能力

电动机故障

磁路混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区

更换电动机

如永磁单向旋转步进电动机的定向机构损坏

更换电动机

5. 无力或者是出力降低或称“闷车”，即在工作过程中，某轴有可能突然停止，俗称“闷车”，可能原因见表4-5。

电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落

电动机轴断

更换电动机

电动机定子与转子之间的气隙过大

专业电动机维修人员调整好气隙或更换电动机

造成此故障的可能原因及排除措施见表4-6。

当动力线断线时，二线式步进电动机是不能转动的，但三相五线制电动机仍可转动，但力矩不足。

确保动力线的连接正常

驱动器报警（过电压、欠电压、过电流、过热）

最好用交换法，确定是否驱动器电路故障，更换驱动器电路板或驱动器

主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用

长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈

更换步进电动机

电动机故障

指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低

会出现尖叫后不转的现象，按尖叫后不转的故障处理

外部故障

安装不正确

一般发生在新机调试时，重新安装调成

电动机本身轴承等故障

重新进行机械的调整

7. 步进电动机失步或多步，此故障引起的可能现象是工作过程中，配置步进驱动系统的某轴突然停顿，而后，又继续走动。

此故障的可能原因具体综述见表4-7。

表4-7：

步进电动机失步或多步的可能原因及排除措施

负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲

可在不正式加工的条件下进行试运行，判断是否有此想象发生

有的严重的情况，听声音度可以感觉出来

更换电动机

8. 运转不均匀，有抖动，反映在加工中是加工的工件有振纹，表面光洁度差。

引起此故障的可能原因及排除措施见表4-8。

表4-8：

数控装置显示时有时无或抖动的故障综述

用万用表测量指令脉冲电平后比较，是否与驱动器匹配

反映在加工中的故障就是加工工件尺寸有问题。

可能原因及故障排除措施见表4-9

表4-9 电动机定位不准的故障综述

如果示波器显示，信号只是受到小幅度的变化，可加注磁环或抗干扰的元器件，同时处理好接地，做好屏蔽处理

系统屏蔽不良

4.2.5 步进电动机常见故障及维修

CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的

主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用

4.2.6 步进驱动系统维修实例：

例1：

加工大导程螺纹时，出现堵转现象。

故障诊断和处理过程：

开环控制的数控机床的CNC装置的脉冲当量一般为0.01mm，Z坐标轴G00指令速度一般为2000mm/min～3000mm/min。

开环控制的数控车床的主轴结构一般有两类：

一类是由普通车床改造的数控车床，主轴的机械结构不变，仍然保持换档有级调速；另一类是采用通用变频器控制数控车床主轴实现无级调速。

这种主轴无级调速的数控车床在进行大导程螺纹加工时，进给轴会产生堵转，这是高速低转矩特性造成的。

如果主轴无级调速的数控车床加工10mm导程的螺纹时，主轴转速选择300r/min，那么刀架沿Z坐标轴需要用3000mm/min的进给速度配合加工，Z坐标轴步进电动机的转速和负载转矩是无法达到这个要求的，因此会出现堵转现象。

如果将主轴转速降低，刀架沿Z坐标轴加工的速度减慢，Z坐标轴步进电动机的转矩增大，螺纹加工的问题似乎可以得到改善，然而由于主轴采用通用变频器调速，使得主轴在低速运行时转矩变小，主轴会产生堵转。

对于主轴保持换档变速的开环控制的数控车床，在加工大导程螺纹时，主轴可以低速正常运行，大导程螺纹加工的问题可以得到改善，但是光洁度受到影响。

如果在加工过程中，切削进给量过大，也会出现Z坐标轴堵转现象。

例2：

步进电动机驱动单元的常见故障——功率管损坏。

故障诊断和处

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