数控机床进给精度典型故障维修方案设计西门子系统(802D)_图文

1、目录前言 (1第一章绪论 (21.1课题研究的目的和意义 (21.2 数控机床故障诊断 (21.3本文主要研究内容 (4第二章什么是数控机床进给精度 (52.1 数控机床故障诊断与维修基础 (52.2影响伺服系统进给精度原因 (52.3数控机床机械传动结构故障 (62.4 电气系统故障诊断方法 (8第三章数控机床的伺服系统 (93.1 伺服电机的分类 (93.2伺服电机的选型 (113.3伺服控制原理 (15第四章伺服调试与优化 (184.1 伺服驱动器的配置 (184.1.1 SIMODRIVE 611 U通用型驱动器 (184.2伺服调试工具SimoCom U (234.2.1 SimoC

2、om U软件的基本功能 (244.2.2 伺服驱动参数设定 (244.3伺服驱动器参数的优化 (284.4数控机床在线诊断 (304.4.1伺服系统跟随误差的产生 (314.4.2 位置环增益对加工轮廓的影响 (31第五章典型故障分析 (345.1机械传动故障检测和电机负载率 (345.2 配重和液压平衡缸 (395.3 静摩擦力对精度的影响 (415.4 抱闸故障 (415.5 结束语 (42第六章小结与展望 (436.1小结 (436.2创新与展望 (436.2.1创新 (436.2.2展望 (43致谢 (45参考文献 (46前言毕业设计是学生在校期间一个重要的综合型实验教学环节,是成的一

3、份总结性的大作业。它的目的在于培养学生综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力,拓宽和深化学生的知识; 帮助学生树立正确的设计思想,设计构思和创新思维,掌握工程设计的一般程序规范和方法,准确使用技术资料、国家标准等手册、图册工具书进行设计计算,数据处理,编写技术文件等方面的工作能力; 引导学生进行调查研究,面向实际,面向生产,向工人和技术人员学习的基本工作态度,工作作风和工作方法。通过四年多来对数控专业知识的学习和一段时间的实习,在一定程度上积累相关验和方法,可以实现基本的数控维修,利用这次毕业设计的机会可以更好的锻炼自己的才能,巩固所学的知识,发现并解决遗留下来的问题,弥补知识缺

4、陷,这样就达到了自己预期设定的目标。本课题能使数控技业学生得到较充分的锻炼。有利于提高毕业生的就业竞争力。毕业设计说明书是高等院校毕业生提交的一篇论文,是大学生完成学业的标志性作业,是对学习成果的综合性总结和检阅,是我院工科学生从事工程设计的最初尝试,是在教师指导下所取得的实际成果的文字记录,也是检验学生对知识的长我程度,分析问题和解决问题基本能力的一份综合答卷。因为是初次设计,所以其中难免会有疏漏和错误,恳请老师帮助指正。学生:王凯第一章绪论数控机床是机械制造业的基础设备,自上世纪八十年代以来,我国花巨资从美、口、德等世界发达国家引进了大量的数控机床,这些机床在我国能源装备、航空航天、国防军

5、事、机械工业及科学研究等国民经济建设的诸多领域用于加工制造大型、薄壁、复杂结构的精密零件,其应用大大提高了我国制造业的水平和企业的生产效率。然而数控机床长期在高速、变载、大位移等工况下运行,振动、冲击、摩擦、磨损等因素都会对其传动系统产生影响,严重时会导致主轴、轴承、丝杠及导轨等部件发生故障,甚至引发设备性能的异变。其结果一方面使数控机床的精度降低,影响工件的加工质量甚至出现废品;另一方面会造成机床可靠性降低、寿命缩短甚至报废,给国家和企业将造成巨大经济损失。因此,开展数控机床故障诊断技术与方法研究,为数控机床故障诊断系统的开发提供理论指导,实现对现有数控机床的预防维护和预知维修,保证其正常稳

6、定运转,是目前急待解决的热点和难点问题。目前数控机床日益向自动化、复杂化、大型化、连续化和高速化的方向发展,对数控机床的诊断技术的要求越来越高。开展数控机床故障诊断的应用基础理论与基本方法研究,使我国数控机床在状态监测、故障诊断、预防维护等方面的理论方法与设计制造同步发展,对于提高我国自主研发数控机床的科技水平和国际竞争力具有重要的理论意义和实用价值,符合我国基础装备发展的战略需求。综上所述,应用先进的故障诊断技术(或系统对数控机床进行诊断,可及时发现机器故障,消除事故隐患和预防设备恶性事故的发生,并目,随着高新技术的快速发展,数控机床故障诊断技术将不断完善和日趋成熟。1.2 数控机床故障诊断

7、生产中影响数控机床定位精度的因素有很多,本文主要对伺服进给系统、生产现场、热误差、机床设计、工艺及导轨几何精度等几个方而对精度的影响进行分析。近年来数控机床得到了广泛的应用,越来越多的加工任务由普通加床转到高速、高精度的数控机床上来完成。数控机床在生产过程中逐步起到了主导的作用,特别是在汽车工业,航天航空制造以及磨具制造中已成为必不可少的关键设备。一旦数控机床在使用过程中出现问题,导致停机,势必影响生产,不仅更换备件需要费用,更重要的是停机造成停产而带来的直接经济损失。如何快速诊断并排除故障,减少停机时间,已成为在数控机床使用过程中被普遍关注的问题。数控机床使用过程中,通常出现故障包括机械故障

8、和电气故障,有些故障可以恢复,而有些则不可恢复。当出现故障时,需要快速、准确地诊断、定位并解决故障。尽管数控系统具备诊断功能,并且机床制造厂也为机床关键部件设计了诊断功能,但要正确地解决某些故障,还是有一定的难度,需要具备较高的技术背景及综合分析能力,特别是当电气部件出现故障,数控系统的诊断功能不能发挥作用时,要确诊故障部位,往往更为复杂。数控机床出现了故障,检查机床的机械、电气系统,维修或更换机械、电气部件,使数控机床恢复运行是通常采用的故障诊断过程。在诊断过程中,各种线索对于确定故障的部位、分析故障的原因都是十分有益的。这些线索包括视觉观察的现象,如工件的表面粗糙度;测量的结果;数控系统提

9、供的文字报警信息;还有机床制造厂设计的用户报警信息。在上述各种线索中,感官信息的分析需要机床维护人员的实践经验。数控系统提供的报警信息只覆盖了数控系统中的智能部件,以及能够通信的电气部件,如编码器的位置、驱动器的电流、坐标轴的急速信息等。机床制造厂设计的诊断可覆盖机床各个电气部件,如接触器、继电器等。数控机床是一个精密的机电一体化产品。它是一个由精密机械部件,如滚珠丝杠、高精度导轨、精密轴承、主轴以及复杂电气部件(包括数控系统、驱动装置和伺服电机及精密测量系统。数控机床的诞生经历了设计、调试、样机的试制、定型设计、批量生产等过程,在上述每一个过程中,如果考虑不周,都有可能埋下故障隐患。而当机床

10、在用户的生产现场投入运行后,现场使用环境,如高温高湿、粉尘、电网质量、接地等环节,同样会产生故障隐患。所以,全面了解机床的技术参数、各种故障隐患的生成条件,就可以更加主动地避免故障的发生,确保数控机床能够最大限度地发挥其经济效益,使之创造更多的价值。本文在汲取国内外数控机床故障诊断研究成果的基础上,从以下几个方面进行了深入的研究:(1研究数控机床(西门子系统的进给的机械结构,位置控制原理,精度相关因素。(2学习伺服软件,调试和优化,分析传动链故障分析,伺服参数故障。(3提出数控机床故障诊断系统的总体设计方案,典型故障的模拟,设计诊断框图。论文的具体安排如下:第一章介绍本课题研究的目的和意义,分

11、析数控机床故障诊断,提出本文的主要研究内容。第二章介绍数控机床机械和电气系统等产生精度故障分析。第三章伺服原理,伺服电动机选型,位置控制理论。第四章伺服调试,速度环调试,位置环调试,利用在线检测和SIMOCOM U 软件进行诊断。第五章典型进给精度故障诊断、维修实例。第六章总结全文工作。第二章什么是数控机床进给精度2.1 数控机床故障诊断与维修基础数控机床作为一种典型机电液一体化的产品,要对其做到维修,必须要对其整体非常了解并且站在设计者的角度去思考,才会由一个故障现象很快想到最大可能引起故障的原因,从根本上解决故障。数控车床加工数控机床主轴运转过程中,因主轴润滑不足、润滑油太粘稠以及主轴加工

12、、安装等因素,都会引起主轴轴承温度升高.主轴轴承温度过高,会引起材料膨胀,导致机械间隙变小而出现噪音和机械损伤。的温升,来了解主轴轴承是否正常.轴承温度一般限制在温度升高不超过45,监测中若发现轴承的温度超过70-80,应立即停机检查。在机床的进给传动中总是存在有间隙,有间隙而未做补偿,会直接影响进给的伺服精度。在机床的进给传动中,NC指令移动值和运动部件的实际移动值的差值即间隙的存在一般是由下述几种原因造成的:1、轴承间隙;2、滚动丝杠付间的间隙及丝杠的弯曲振动。在数控车床加工出厂前,厂家都会仔细的测量进给系统的间隙值,并进行补偿,但是,机床在经长期使用后,由于磨损等原因,补偿量就不适当了。

13、当其影响到加工精度时,就需要用户自己重新进行间隙补偿量的设定。间隙补偿量可以根据记录在数控装置中的参数进行再设定,关于变更参数的详细说明,请参考数控系统的使用说明书。那么间隙测定的方法是怎样的呢?1、使运动部件从停留位置向负方向快速移动50mm;2、把百分表触头对准移动部件的正侧一方,并使表针对零;3、使运动部件从停留位置再向负方向快速移动50mm;4、使运动部件从新的停留位置再向正方向快速移动50mm;5、数控车床加工读出此时百分表的值,此值叫做反向偏差,包括了传动链中的总间隙,反映了其传动系统的精度。反向间隙误差与丝杠螺距误差数控机床基本都是以伺服电机直接驱动滚珠丝杠进行位置控制,因此滚珠

14、丝杠的传动误差就成为了影响机床定位精度的重要因素。而对于大多数数控进程采用的都是半闭环控制伺服进给系统,机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都属于系统以外。因此,对于同一方向的各定位点来说,由于不存在间隙误差的影响,他们之间的定位可以很好的反应出丝杠本身制造精度引起的螺距不等;在丝杠向其相反方向运动时,空隙会出现一段时间的空运转,此时丝杠与丝杠副之间、轴承与轴承座之间的空隙称为反向间隙误差。在外力的作用下,传动、运动部件会发生一定的弹性变形,造成的误差是其与反向间隙的总和,由于部件受力及运动过程的不均匀,都会导致弹性间隙发生大范围的变化,严重影响设备的精度。全闭环进给系统结构误

15、差理论上来讲,全闭环进给系统是不存在反向间隙误差和螺距误差的。但在实际中,这两种误差依然存在,只是形式发生了转化。在系统中传动部件的机械间隙,反应到实际的误差上就是使光栅等感应原件按照造成的反向失动,而由于滚珠丝杠制造误差以及机床加工工件不一致而导致的不均匀磨损而引起的丝杠螺距不均匀,在在光栅尺的精度中得到体现。致使机床位置检测回路用时过长而造成跟踪误差过大,从而影响定位的精度。生产现场的影响分析在车间,各种干扰对数控机床精度的影响也是一个不容忽视的问题,而这些干扰主要来自于电网电源的引入,主要包括如下几点。(1电磁波干扰。在工厂中,电火花、高频电源、震荡电路往往容易产生强烈的电磁波,而这种电

16、磁波所辐射的能力通过空间传播被附近的数控机床所接收,容易造成数控系统或机床本身的故障。(2电压波动的干扰。数控机床都有其所对应的电压输入范围,当超压或欠压时都会引起系统电源板中电压监控的报警,从而停止工作电压。(3大电感的干扰。电感器在断电时要将存储器的磁能释放出来,在电网中形成高频峰值脉冲,特别是高频窄脉冲干扰严重,而且因为速度快不会引起电压监控的反应,但却容易引起系统的数据出现错误。热误差对定位精度的影响在理论上,热误差是影响数控机床定位精度的最重要的原因之一,通过资料显示,由于热变形而引起的误差可以到达整个系统误差的40%70%。但在实际生产中,由于各种温度补偿措施的应用,热误差对定位精

17、度的影响却是微乎其微的。在这里简的介绍下其影响的原理,以便在遇到类似情况时,可以做出正确的选择。在工作中,不同部件之间发生相对位移时,会在接触区发生摩擦以及各种电器元件会产生大量热量,从而引起机床结构的变形。主要表现在两个力一面:一是构件受热膨胀导致线弹性尺寸的偏差;二是由于结构的不对称性而引起的机构扭曲变形。而且这种误差非常大,比如1600mm坐标行程上,由于温度变化的影响可以引起0.184mm的误差。导轨精度对机床精度的影响床身导轨是装在机床床身上的、是测量机床各项几何精度和反应加工精度的基准面。无论在任何时候,这个基准面都应保证刀具运动的直线性精度,使刀具获得均匀而平稳的直线送进,同时还

18、要保证其他各有关运动及有关安装表面同溜板运动保持相对位置的准确性。导轨的几何精度决定运动部件的运动精度,从而影响被加工零件的几何精度,因此,机床的许多性能都受到导轨精度的影响;同时,机床床身导轨还是承受刀架等工作部件的零件,在机床工作时,工作部件在导轨上来回移动。因此,导轨表面的制造质量及导轨副的摩擦性能,也将直接影响部件的运动性能,如果不能满足要求,势必会使运动部件难以实现平稳无爬行的低速运动和精确定位。当精度发生变化时就会引起导轨误差,误差的项目包括:(1导轨在水平面内和垂直面内的直线度误差;(2前后导轨在垂直而内的平行度(扭曲度误差。机床的设计对于数控机床的床身设计也是关乎机床进给进度的

19、重要因素。数控机床精度是指机床主要部件的形状、相互位置及其相对运动的精确程度。在设计阶段主要从机床的精度分配、原件材料选择等方面来提高机床的精度。特别对于机床电机要与机床所能带的载荷匹配等一系列机床设计。机床工艺对于比如电机安装位置,导轨位置等一系列机床工艺也是关系机床精度的重要问题。当电机不与主轴平行时,就会在联轴器上产生多余载荷是加工过程出现不稳定。2.4 电气系统故障诊断方法1.直观法这是分析故障最初采用的方法,就是利用感官的检查。它主要是利用人的感官对故障发生时的各种光、声、味等异常现象的观察以及察看系统的每一处,遵循“先外后内”的原则,诊断故障采用望、闻、问、摸等方法,由外向内逐一检

20、查,往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印刷线路板。这要求维修人员具有丰富的实际经验,要有多学科的较宽的知识和综合判断的能力。2.接口状态检查法现代数控系统多将PLC集成于其中,而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的,这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示,有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示,而所有的接口信号都可以用PLC编程器或者相应的PC调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本机床的接口信号,又要熟悉PLC编程器的应用。3.参数调整法众所周知,数控参数能直接影响数控机床的性能。数控系统、PLC及伺服驱动系统都

21、设置许多可修改的参数以适应不同机床、不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配,而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此,任何参数的变化甚至丢失都是不允许的;而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。此类故障多需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。这种方法对维修人员的要求是很高的,不仅要对具体系统主要参数十分了解,既知晓其地址熟悉其作用,而且要有较丰富的电气调试经验。4.交换法是一种简单易行的方法。当发现故障或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下,可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查。在交换前一定要注意所要模板是否完好

22、,而且状态是否一致,故不仅硬件接线要正确交换,还要将一系列相应的参数交换,否则不仅达不到目的,反而会产生新的故障造成思维的混乱,一定要事先考虑周全,设计好软、硬件交换方案,准确无误再行交换检查。第三章数控机床的伺服系统伺服系统由伺服电机、伺服驱动装置、机械传动装置、位置检测装置等组成。从控制的角度来说,一般电气伺服系统结构为三闭环控制。进给伺服驱动有以下几部分组成:位置控制单元、速度控制单元、驱动元件(电动机、检测与反馈单元和机械执行部件,如图3-1所示。 图3-1 数控机床进给伺服基本组成带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服驱动不仅是数控机床的一个重要组成部分,也是数控机床区别

23、于一般机床的特殊部分。数控机床进给伺服驱动系统的性能指标可归纳为:定位精度高,跟踪指令信号的响应要快,系统的稳定性要好。3.1 伺服电机的分类伺服电机是数控机床驱动坐标运动的执行部件。伺服驱动系统控制伺服电机驱动数控机床的传动系统因此驱动也是数控机床的性能保证。伺服电机不仅具有恒定输出转矩的特性,即在额定转速范围内可输出恒定转矩,而且具有非常强的过载能力。伺服主要靠脉冲来定位,基本上可以这样理解,伺服电机接收到1个脉冲,就会旋转1个脉冲对应的角度,从而实现位移,因为,伺服电机本身具备发出脉冲的功能,所以伺服电机每旋转一个角度,都会发出对应数量的脉冲,这样,和伺服电机接受的脉冲形成了呼应,或者叫

24、闭环,如此一来,系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机,同时又收了多少脉冲回来,这样,就能够很精确的控制电机的转动,从而实现精确的定位,可以达到0.001mm。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。有刷电机成本低,结构简单,启动转矩大,调速范围宽,控制容易,需要维护,但维护方便(换碳刷,产生电磁干扰,对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。无刷电机体积小,重量轻,出力大,响应快,速度高,惯量小,转动平滑,力矩稳定。控制复杂,容易实现智能化,其电子换相方式灵活,可以方波换相或正弦波换相。电机免维护,效率很高,运行温度低,电磁辐射很小,长寿命,可用于各种环境。交流伺服电机也是无刷电机,分

25、为同步和异步电机,目前运动控制中一般都用同步电机,它的功率范围大,可以做到很大的功率。大惯量,最高转动速度低,且随着功率增大而快速降低。因而适合做低速平稳运行的应用。伺服电机内部的转子是永磁铁,驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场,转子在此磁场的作用下转动,同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器,驱动器根据反馈值与目标值进行比较,调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度(线数。伺服电动机又称执行电动机,在自动控制系统中,用作执行元件,把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类,其主要特点是,当信号电压为零时无自转现象,转速随着转矩的增加而匀

26、速下降。交流伺服电动机定子的构造基本上与电容分相式单相异步电动机相似.其定子上装有两个位置互差90°的绕组,一个是励磁绕组Rf,它始终接在交流电压Uf上;另一个是控制绕组L,联接控制信号电压Uc。所以交流伺服电动机又称两个伺服电动机。交流伺服电动机的转子通常做成鼠笼式,但为了使伺服电动机具有较宽的调速范围、线性的机械特性,无“自转”现象和快速响应的性能,它与普通电动机相比,应具有转子电阻大和转动惯量小这两个特点。目前应用较多的转子结构有两种形式:一种是采用高电阻率的导电材料做成的高电阻率导条的鼠笼转子,为了减小转子的转动惯量,转子做得细长;另一种是采用铝合金制成的空心杯形转子,杯壁很

27、薄,仅0.2-0.3mm,为了减小磁路的磁阻,要在空心杯形转子内放置固定的内定子.空心杯形转子的转动惯量很小,反应迅速,而且运转平稳,因此被广泛采用。交流伺服电动机在没有控制电压时,定子内只有励磁绕组产生的脉动磁场,转子静止不动。当有控制电压时,定子内便产生一个旋转磁场,转子沿旋转磁场的方向旋转,在负载恒定的情况下,电动机的转速随控制电压的大小而变化,当控制电压的相位相反时,伺服电动机将反转。交流伺服电动机的工作原理与分相式单相异步电动机虽然相似,但前者的转子电阻比后者大得多,所以伺服电动机与单机异步电动机相比,有三个显著特点:1、起动转矩大,由于转子电阻大,与普通异步电动机的转矩特性曲线2相

28、比,有明显的区别。它可使临界转差率S0>1,这样不仅使转矩特性(机械特性更接近于线性,而且具有较大的起动转矩。因此,当定子一有控制电压,转子立即转动,即具有起动快、灵敏度高的特点。2、运行范围较广。3、无自转现象正常运转的伺服电动机,只要失去控制电压,电机立即停止运转。当伺服电动机失去控制电压后,它处于单相运行状态,由于转子电阻大,定子中两个相反方向旋转的旋转磁场与转子作用所产生的两个转矩特性(T1 -S1、T2-S2曲线以及合成转矩特性(T-S曲线。交流伺服电动机的输出功率一般是0.1-100W。当电源频率为50Hz,电压有36V、110V、220、380V;当电源频率为400Hz,电

29、压有20V、26V、36V、115V等多种。交流伺服电动机运行平稳、噪音小。但控制特性是非线性,并且由于转子电阻大,损耗大,效率低,因此与同容量直流伺服电动机相比,体积大、重量重,所以只适用于0.5-100W的小功率控制系统。如图3-2中描述了802D伺服电机的基本特性。可以看出,早额定转速范围内伺服电机可以输出基本恒定的转矩,另外,服电机具有很强的过载能力。在S3(25%的工作条件下,过载能力几乎达到了300%。但是过载运行的时间是有限的,就是说伺服电机过载都是短时的。图3-2只是伺服电机特性实例。 图3-2 伺服电机基本特性速度-功率图(1惯量匹配一般情况下电机惯量J1与丝杠惯量J2应满足

30、以下关系:3/21JJ(2伺服电机的端受力伺服电机对其轴端的径向受力有严格地要求。如果伺服电机需要在3000r/min的速度下长时间运行,那么在机械设计上,要考虑伺服电机轴端与丝杠的连接方式对电机轴端施加的径向力。如果超出了伺服电机允许的范围,伺服电机轴承的使用寿命就会缩短,而且可能导致伺服电机轴端损坏。 图3-3 1FK7永磁同步电机 图3-4 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服电机1FK7 HD1FK7 电机为永磁同步电机,结构极为紧凑。现有各种选件、减速器和编码器以及扩展的产品范围,意味着 1FK7 电机能够较为理想地适合于任何用途。因此它们同样能满足日益增长的、采用最先进技术的

31、机床要求。 图3-5 用于SIMODRIVE 611U的同步伺服电机1FK7 CT 图3-6 电机1PH7假如在应用过程中驱动器出现了电流过载报警,表明实际的电流已经超过了设定的过载极限和过载时间。想要排除报警,就必须查明过载的原因。在没有任何根根据的情况下,为了消除报警而放大过载极限和过载时间的做法是错误的,结果可能导致伺服电机或驱动器额损坏,因此在数控机床设计时,应根据机床的设计指标选择匹配的伺服电机,以避免伺服系统长期处于过载状态运行。总之,伺服电机选型的依据,首先是机床设计时定义的性能指标,如坐标轴最高速度和最大加速度,加工时作用在该坐标轴上的最大分力。其次是机械部件的数据,如伺服电机

32、与丝杠的连接方式(直连方式,减速方式等、工作台的质量和丝杠的惯量等,另外还需要考虑伺服电机的工作升温,通常数控系统的供货商会提供相应的工具软件,用于计算、分析,并确定合适型号的伺服电机。另外很多机床制造厂根据自己的经验选择伺服电机,这种经验建立在批量生产基础上的。对于新型号的机床则需要精密计算,或利用系统提供的软件工具选择匹配的伺服电机。目前,数控机床中交流伺服系统一般采用三环(电流环、速度环和位置环PID 调节控制技术,传统的 PID 参数整定方法存在效率低,误差大的缺点。为了进一步提高数控机床伺服系统性能,有必要深入研究数控伺服系统的 PID 参数整定及优化问题。矢量控制的三相永磁同步电机

33、伺服系统一般是由电流环、速度环和位置环组成的三环结构,其典型的结构框图如图3-7所示 图3-7 交流伺服进给驱动系统框图在三环结构中,电流环和速度环为内环,位置环为外环。三环结构可以使伺服系统获得较好的动态跟随性能和抗干扰性能。其中,电流环的作用是改造内环控制对象的传递函数,提高系统的快速性,及时抑制电流环内部的干扰;限制最大电流,使系统有足够大的加速扭矩,并保障系统安全运行。速度环的作用是增强系统抗负载扰动的能力,抑制速度波动。位置环的作用是保证系统静态精度和动态跟踪性能,使整个伺服系统能稳定、高性能运行。为了提高系统的性能,各环节均有调节器,工程实践中,电流环采用 PI 调节器(或者 P

34、调节器,速度环采用 PI 调节器,位置环采用 P 调节器。三环结构设计及其控制器的优劣直接关系到整个伺服驱动系统的稳定性、准确性和快速性。对于多环结构的控制系统,其调节器参数整定的过程如下:从内环开始,先设计好内环的调节器,然后把内环的整体当作外环中的一个环节,去设计外环的调节器,直到所有控制环的调节器都设计好为止。按照数控机床加工的运动方式不同,机床的伺服系统可分为点位控制、点位直线控制和轮廓控制三种方式。对于数控车床、数控铣床而言,需要进行轮廓插补加工,这就要求伺服系统除了能够进行精确定位以外,还要能够随时控制伺服电机的转向和转速,以保证数控加工轨迹能快速、准确地跟踪位置指令的要求。动态误

35、差是这一类机床伺服系统的主要品质指标,它直接影响了机械加工的精度。引入位置环以后,位置环将和速度、电流内环一起来保证伺服系统速度稳定,跟随误差尽可能小,在很宽的范围内有良好的稳态和动态性能。综上所述,无论对于哪一类控制方式的伺服系统,位置环都是很重要的一环,位置环的主要目标是迅速跟踪指令值的变化,其主要的性能指标是稳态位置跟踪误差和位置环增益。当系统对输入的瞬态响应过程结束以后,在稳定运行时伺服系统实际位置与指令目标值之间的误差被定义为系统的稳态位置跟踪误差。在数控机床的位置伺服系统中,当速度调节器采用 PI 调节器,而且位置环的截止频率远小于速度环的各时间常数的倒数时,速度环的闭环传递函数可

36、近似地等效为一阶惯性环节,这样处理在理论和实际中均能真实地反映速度环的特性,并且能使得位置环的设计大大简化,也易于分析伺服系统的稳定性。简化系统结构图如图3-8所示。 图3-8 位置环简化框图在数控机床应用中,一般采用斜坡输入指令信号来确定系统的位置跟踪误差,对单位斜坡函数的输入,位置环跟踪误差为: (3-1式中,p1n p pp K K K K 为位置环增益,p K 为速度环调节器比例系数,n K 为速度环增益,p1K 为光电编码器检测放大系数。式(3-1表明,位置环增益越大,位置跟踪误差越小,但是过大的位置环增益容易导致系统发生振荡。位置环增益不仅影响伺服系统的稳定性、系统刚度,还影响着机

37、械装置进给速度和稳态误差,是伺服系统的基本指标之一,一般的数控机床位置伺服系统增益在不考虑机械环节时,取 50100s -1,考虑机械环节时一般取 4050s -1。第四章伺服调试与优化伺服系统是数控机床最重要的组成部分之一,是数控装置与执行部件之间的联系钮带,它将数控装置发出的数字信号转换成为符合预定要求的方向、速度、位置的运动。数控机床对进给伺服系统性能要求包括:定位速度和轮廓切削进给速度、定位精度和轮廓切削精度、精加工的表面粗糙度、在外界干扰下的稳定性等。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性,如为保证轮廓形状精度,除了要求机床有较高的定位精度外,还要求伺服系统有良好的动态响应特性,

38、能稳定而灵活地跟随指令信号,即要求系统具有高的轮廓跟随精度,这与CNC机床伺服驱动系统的稳态、动态特性有关,而这些特性取决于进给伺服系统的主要参数,如电流环增益MD1120、电流环积分时间MD1121、速度环增益MD1407/MD1408、速度环积分时间MD1409/MD1410等。上述参数在数控系统出厂时就已设定,但与数控机床实际工作情况并不完全吻合,如加工时实际机械部件的拖动情况,因此需进行参数的调整和优化,以提高数控机床性能。参数的调整和优化分手工和自动两种方法,手工调整和优化对调试人员的要求较高,难以掌握。自动调整和优化具有简单,快速的优点,易迅速掌握。4.1 伺服驱动器的配置4.1.

39、1 SIMODRIVE 611 U通用型驱动器SIMODRIVE 611 u是SIMODRIVE 611驱动系统中的独立的、全数字的插入式控制模块,用于高动态响应的多轴联动控制。 它适用于以下情况的驱动系统中:转矩0.7 Nm 到 185 Nm的同步电机功率3.7 kW 到 100 kW的异步电机直线电机所有的模块都有相同的尺寸:高度480 mm深度288 mm宽度50 mm 或成倍增加硬件介绍与连接、维护包括三个方面:电源模块;功率模块;控制卡模块。控制卡模块可以直接插在功率模块上面 电源模块外部强电供电系统经过电源模块连接到各个驱动单元,将主电源(400/3AC, 415/3AC,480/

40、3AC变换为直流母线上的直流电压。另外,通过电源模块上的设备总线提供。功率模块和控制模块所需要的各种电源(+/-24V, +/-15V, +/-5V等等功率模块的组成有单轴功率模块和双轴功率模块之分。在功率模块上可以插入相应的控制板模块。 控制卡模块针对各种应用设计的不同插入式控制单元,客户可选择购买不同模块得到真正需要的功能 带有“SIMODRIVE 611U 通用”控制模块的SIMODRIVE 611 驱动变频器系统包含独立元器件和高级控制元件。数据在主控制模块和从控制模块之间按照“主- 从”原则进行传输,驱动总是从属的。 4.2伺服调试工具SimoCom USimoCom U伺服调试工具

41、是西门子公司开发的用于调试Simodrive611U的一个软件工具,具有直观、快捷、易掌握的特点。SimoCom U伺服调试软件主画面如图4-1所示,它能够设定驱动器与电机和功率模块匹配的基本参数,根据伺服电机实际拖动的机械部件,对 611UE速度控制器的参数进行自动调整与优化,能够监控伺服驱动器的运行状态,如电机实际电流和实际扭矩等。 图4-1 SimoCom U伺服调试软件主画面4.2.1 SimoCom U软件的基本功能在断电的情况下,用RS232电缆连接PC的COM接口与611U上的X471端口,再给驱动器上电,其611UE的液晶窗口显示“A1106”,表示驱动器没有数据、R/F红灯亮

42、、总线接口模块上的红灯亮。这时可从WINDOWS的“开始”中找到驱动器调试工具SimoCom U软件并启动。4.2.2 伺服驱动参数设定使用SimoCom U进行参数设定时,必须遵照以下步骤进行:a.启动SimoCom U软件,进入初始画面,如图4-2所示;b.命名将要调试的驱动器,如图4-3所示,然后选择“下一步”(NEXT;c.进入联机方式后,SimoCom U自动识别功率模块和611U控制板的型号,然后选择“下一步”(NEXT,如图4-4所示;d.选择输入电机的型号,如1FK6063-6AF71然后选择“下一步”(NEXT,如图4-5所示; 图4-2 SimoCom U后的初始画面 图4

43、-3 命名驱动 图4-4 图4-5e.根据电机的型号选择编码器的类型,如图4-6所示; 图4-6选择编码器的类型f.选择速度控制方式(Speed/torquesetpoint,然后选择“下一步”(NEXT,如图4-7所示; 图4-7g.SimoCom U列出所选择的数据,如果数据无误,选择“接收该轴驱动器配置”(Calculatecontrollerdata,save,reset,如图4-8所示。注意:如果这时PLC应用程序还没有调试,驱动器的使能信号不生效,电机不能旋转。在PLC功能生效(即驱动器使能控制生效后,并且设定了NC进给轴参数(MD30130和MD30240,才能移动进给轴,才能对

44、进给轴的动态特性进行优化。 图4-8在完成伺服驱动器的设定后,需要对伺服驱动器的速度环动态特性进行调试,然后才能进行位置环调试。西门子611U/Ue的交流伺服驱动器的速度环动态特性优化可通过SimoCom U软件自动进行。优化驱动器的速度给定,由PC机以数字量给出,无须CNC控制。驱动器速度环动态特性优化的操作步骤如下:a.利用“驱动器调试电缆”,将调试计算机与611UE的X471接口连接。如果需要对带制动的电动机进行优化,应设定对应的NC通用参数,如:对于802D, MDl4512的第2位为“1”(优化完毕后恢复为“1”;b.接通驱动器的使能信号(电源模块端子T48、T63和T64与T9接通

45、,并将坐标轴移动到工作台的中间位置,因为驱动器优化时,电动机将自动旋转大约两转;c.启动工具软件SimoCom U,选择联机方式,再选择“PC”控制方式,并通过“OK”确认。在弹出的对话框中选择“控制器子目录(Controller”,之后再选择“NoneOfthese”,弹出“速度控制画面”,如图4-9所示; 图4-9速度控制画面d.选择自动速度控制器优化,弹出“参数环优化画面”,如图4-10所示。选择“14步”自动执行优化过程:分析机械特性一(电机正转,带制动电机的抱闸应释放;分析机械特性二(电机反转,带制动电机的抱闸应释放;电流环测算(电机静止,带制动电机的抱闸应夹紧;参数优化计算。 图4

46、-10参数优化画面对垂直轴的伺服参数优化时,特别是在该轴没有平衡装置时,一定要注意优化过程中对抱闸释放和加紧的时机,避免出现由于坐标轴滑落导致机械的损坏! 优化结束后,务必退出PC机控制方式。注意优化的效果与电机和机械传动装置的联接方式有关,刚性连轴方式效果最好。弹性连轴方式,如弹性连轴节,或齿形带,对于滑动导轨的效果的不一定好;齿轮连接方式,由于齿轮之间存在间隙,效果不好。SimoCom U软件在几分种内,控制数控系统和数控机床完成参数的自动优化,具有快速、简单的特点,易被广大数控机床调试人员掌握,其优化后的参数符合数控机床实际工作情况,能有效地提高伺服驱动器的动态特性,从而提高数控机床的加

47、工精度。在802D数控系统中也可以通过机床的在线诊断来获得机床的相关信息。如下图4-11是实验过程。 图4-11黑色线表示实际位置,蓝色是跟随误差,青色是位置设定,红色是调节器输入。通过图形可以看出,系统给出实际位置,跟随误差先由小变大至稳定,然后再变小。所谓跟随误差,是指伺服系统发出的指令位置与系统输出的实际位置之间的稳态误差。当伺服系统发出一个按恒速v 进给的位置指令时,进给轴的实际速度并不会立即达到指令速度v ,而是从零逐渐上升到此值。在稳态情况下,实际位置总是滞后于指令位置一个e 值,其计算公式为V K v e / (1式中v 为指令速度,e 为跟随误差,v K 为伺服系统速度增益。v

48、 K 是数控机床伺服系统特性的一个重要参数,它反映了伺服系统速度变化快慢的程度。从式(1中可以看出,速度增益v K 越大,跟随误差e 越小,但v K 过大,会使系统稳定性变差。当系统稳定时,进给速度v 越小,跟随误差越小。4.4.2 位置环增益对加工轮廓的影响数控机床通过多个坐标轴联动合成刀具的运动轨迹,完成零件轮廓加工,由于各个坐标轴自身存在跟随误差,因此合成曲线轮廓时会产生零件的轮廓误差。轮廓误差是指任意位置处,实际轮廓轨迹与理论轮廓轨迹之间的最短距离。轮廓误差不仅仅是由伺服系统的动态特性和联动轴之间的参数不匹配引起的,而且还与机床的几何精度、热变形等因素有关。本文结合三轴联动数控机床,分

49、析在加工圆弧轮廓时跟随误差对零件加工轮廓的影响。如图4-12所示,当数控系统发出圆弧加工指令后,在空间三维坐标系中,各进给轴的运动应满足下面关系式:2222R z y x =+ (2 图4-12式中R 为圆弧半径。对式(2求导,得x 轴、y 轴、z 轴的进给速度x v 、y v 、z v ,满足下列约束关系: (3 设x 轴、y 轴、z 轴所采用的速度增益相同,即:v z v y v x v K K K K =,合成运动的进给速度222z y x v v v v +=。当理论轮廓位置在点A(z y x ,处时,由于跟随误差的影响,实际轮廓点在B(''',z y x 处,

50、B 点坐标位置, (4式中z y x e e e ,分别为x 轴、y 轴、z 轴的跟随误差。根据跟随误差的计算公式(4可知: (5设轮廓误差为R ,则B 点到圆心的距离满足: (6展开、整理,得: (7 将式(25、代入式(7,整理后,得: (8由于R 很小,所以上式展开后,可忽略2R 的值,即: (9式(9即为加工圆弧轮廓时的轮廓误差表达式。根据式(9可以得出如下结论:(1在保证伺服系统稳定的前提下,增大v K 值,可以减小轮廓误差;(2对于精度要求较高的圆弧,在零件设计时,应考虑尽量加大半径R 值;(3在加工过程中,通过适当降低进给轴的速度v 值,可以减小轮廓误差。第五章典型故障分析在数控

51、机床的安装调试过程中,当 CNC 安装连接完毕,在机床维修过程中,当更换数控装置和因为某种原因导致系统的 PLC 程序丢失或参数丢失,都需要对CNC 系统进行重新调试。为了较快恢复 CNC 系统参数及调整,在机床各项性能正常时要注意定期对其系统参数进行备份。CNC 的各项功能调整及参数设置是维修人员必须掌握的技能。典型故障主要包括机械传动方面、电机负载率、配重方面、抱闸和静摩擦等。在第二章已经介绍过了数控机床的机械传动结构,很多机械故障都是通过数控系统或者其他电气报警显示出来的。易出故障大多是与运动系统或者液压气动系统有关的机械部件。对于其他常见一般故障在此不予过多分析,以典型精度故障为主。当

52、Z轴立柱出现电机法端面与丝杠不垂直、或是配重(也有的是液压平衡杠不对、润滑有问题时。都会使得电机的电流过大。当Z轴电机正常运行时,平滑后的电流值应该是小于50%的。如出现过大现象当是要排除可能出现故障的上述原因。 图5-1 Z轴静止时的平滑后的实际电流值 图5-2 Z轴下降时平滑后的实际电流值 图5-3 Z轴上升时平滑后的实际电流值以上图1图3是一机床平滑后的实际电流值,与下图4图6可以对比。 图5-4 Z轴静止时平滑后的实际电流值 图5-5 Z轴下降时平滑后的实际电流值 图5-6 Z轴上升时平滑后的实际电流值通过对比可以发现前两台机床(以802D为例前者电流大于后者电流,那么就是说前者存在一

53、定的问题需要一一排除。电机负载率的修正如果电机工作环境温度过高,电机散热困难,其温升加剧,就有可能超过电机绝缘材料的允许温度,使电机烧毁。因此,在这种情况下我们要把电机的额定功率减少来使使用,以保电机不超过允许温度。相反,如果电机工作环境温度较低,电机散热容易,工作时电机的温度比允许温度低许多,那么我们还可以把电机的额定功率扩大米使用,以保证电机的容量能得到充分的利用、表1列出了电机在不同环境温度下,电动机额定功率的修正情况,以利于我们使用时参考。应该说明,如果环境温度低于30,电机的额定功率还可以以扩大使用,但扩大的比例要减少;如果环境温度高于55.电机的额定功率还要减少使用,且减少的比例要

54、增加。电机所处位置的海拔高度对电机的温升也有影响,海拔高度大,环境温度低,但空气稀薄,散热条件恶化,在海拔低于1000m以下这两方面的因素可以互补。如果电机所处位置海拔高于1000m,散热条件恶化的程度就会大干低温带来的效益,因此电机要减少其额定功率来使用。表1 5.2 配重和液压平衡缸 图5-7 采用配重 5-8 采用液压平衡缸图7图8是立柱上面的配重和液压平衡缸。配重在数控机床上是非常重要的,当机床垂直进给轴(Z轴作为主轴时,例如在大型龙门镗铣加工中心中,若主轴过重必须采用配重来平衡,而采用配重的方式有多种多样,常见的有重锤配重,液压和气压配重。用重锤配重(采用链条连接时存在和进给轴不同步

55、,当主轴到位时而重锤还要运动,如果进给轴电机的力量较小,进给轴电机会被向上提的现象。若Z轴频繁的上升下降(提刀进刀由于重锤的滞后作用,使得刀子在工件表面留下间断的凸凹小面,影响工件的表面粗糙度和加工质量。重锤的重量计算受影响的因素较多,如镶条的松紧,润滑的充分成度,导轨面的粗糙度等。在重锤做成后对其重量的调整不易,如何把重锤,镶条,导轨,丝杠调在一个合适的范围内比较难,检测的手段也有限;重锤上下运动时会左右摆动,虽有导向装置效果不太明显对Z轴影响较大。若采用液压和气压配重,气压和液压单独的作一个控制部分,同样也存在重锤配重的问题,当Z轴上升下降时气缸或油缸跟随运动,但是配重总是滞后于Z轴的进给

56、运动,当上升时气缸或油缸跟随上升,若气缸或油缸跟随上升中跟不上Z轴的进给运动反而成为Z轴的负载,Z轴下降时同样存在这样的问题。虽然通过机床参数可作适当的调整,但是不能从根本上解决这个问题。Z轴进给运动和液压配重机构要做到同步,必须由同一个CNC系统同时发指令控制协调它们,并且Z轴进给驱动和液压控制驱动在插补中要匹配(快慢协调,才能保证一致。5.3 静摩擦力对精度的影响在导轨运动中,静摩擦力对精度的影响也是很大的,目前国外已大量研究出并使用滚珠导轨。滑动导轨有其独特优势就是可以承受非常大的载荷,但其静摩擦力有着无法避免的缺点,如处理不好会打打影响机床加工精度的误差。而滚珠导轨的灵敏性和现在发展形

57、势来看已渐渐以自身的优势取代滑动导轨。 图5-9滚珠导轨5.4 抱闸故障在数控铣床、斜床身数控车床中,为了锁住与伺服电机相连的垂直或倾斜工作台,防止机床工作台下滑,须对伺服电机进行抱闸控制。一般来说,伺服电机采用带制动器的伺服电机。但在实际应用中,在机床上电、下电、伺服报警时,偶尔会出现工作台下滑的现象。抱闸故障主要有接线方法不正确、参数设置不合理、电机选型不当(制动器额定力矩偏小等原因引起。参数设置不合理、电机选型不当等原因引起的问题比较好处理。总体要求:机床上电后正常工作时,伺服电机抱闸释放;机床断电或伺服报警后,伺服电机制动并保持工作台。而且,在机床上电、下电、伺服报警时,不允许工作台出现瞬时下滑的现象。因此,在机床上电、下电、伺服报警等情况时,还必须满足:机床上电:伺服电机先激励,延时后再松开抱闸。运行时报警或突然掉电:高速运转下的电机先减速(由于在高速下制动会严重影响制动器的寿命,甚至会损坏电机,此点在下文“失电控制器”原理介绍时会给予说明后再抱紧电机,延时后再关闭电机激励。机床下电:先抱紧电机,由于制动器动作需要时间,因此,