发布时间 : 星期日 文章FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断与维修 毕业设计论文更新完毕开始阅读e312964ba4e9856a561252d380eb6294dd8822cb
一、引言
数控机床是机电一体化的产物，技术先进、结构复杂。数控机床的故障也是多种多样、各不相同，故障原因一般都比较复杂，这给数控机床的故障诊断和维修带来不少困难。本文主要讨论数控机床伺服系统的故障诊断分析 二、数控机床
（一）数控机床的简介
数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。 （二）数控技术的发展趋势
数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工
三、数控伺服系统
（一）伺服系统的发展
伺服系统是以驱动装置—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。 （二）数控系统的结构与特点
数控装置是数控系统的控制核心，简称数控系统。它是由计算机通过执行其存储器内的程序实现部分或全部控制功能。数控装置有两种类型：一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置即NC装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。数控装置常由专用软件和硬件在逻辑上是等价的，所以在CNC装置中由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成，丹软件、硬件
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各有其不同的特点。
四、数控机床中伺服系统的现状
(一)伺服系统的结构及分类
伺服系统的结构
伺服系统主要有三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。 伺服系统的分类
1.开环控制数控系:这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电／断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱，丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。
2.半闭环控制数控系统： 位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。
3.全闭环控制数控系统： 位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态调试比较麻烦。 (二)伺服系统的现状与展望
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。但当要求机床有螺纹加 工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的 位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段 及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。与进给伺服 一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
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五、数控机床的伺服系统性能
（一）加工精度
精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达±0.0001mm，即0.1μm，灵敏度为0.05μm，重复精度0.2μm；而圆型感应同步器的精度可达0.5N，灵敏度0.05N，重复精度0.1N。 （二）开环放大倍数
在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）
-1/2
，速度稳态误差e（∞）＝1/K，
其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。
一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为20～30（1/S）。通常把K<20 范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20 的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。
假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些；若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数～增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。
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（三）宽范围调速
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。 单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。所谓“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克服不了这摩擦力而不能转动。此外，还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用“死区”来表达。
设死区范围为a，则最低速度Vmin，应满足Vmin≥a，由于a≤dK，d为脉冲当量（mm/脉冲）；K为开环放大倍数，则 Vmin≥dK
若取d=0.01mm/脉冲，K=30×1/S，则最低速度 Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min
伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。此外，从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。 由于fmax=fmax/d
式中：fmax为最高速度的脉冲频率，kHz；vmax为最高进给速度，mm/min；d为脉冲当量，mm。
又设D为调速范围，D=vmax/vmin，得 fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK
由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间，对应于最高频率fmax的倒数则为最小的间隔时间tmin，即tmin=1/DK。显然，系统必须在tmin内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。对最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的约束。
一个较好的伺服系统，调速范围D往往可达到800～1000。当今最先进的水平是在脉冲当量d=1μm的条件下，进给速度从0～240m/min范围内连续可调。
六、FANUC-15MB数控伺服系统的故障诊断
（一）FANUC-15MB数控进给轴的伺服控制原理及故障
(1)控制原理
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