高建军
摘 要:在数控机床当中,伺服进给系统作为机床机械传动和数控装置的连接环节,需要负责机床运转的传统工作,因此伺服系统发生故障,影响范围极大。文章所进行的伺服进给系统研究,主要以故障诊断和故障排查维护为研究方向,首先论述了数控机床在实际运行环节中常见的伺服进给系统故障类型,并以目前的技术为导向,总结了常见的故障诊断方式,最后归纳汇总了关于常见典型故障的维修处理策略,提高伺服进给系统的应用稳定性。
关键词:数控机床;伺服进给系统;典型故障;维修
中图分类号:TG659 文献标志码:A 文章编号:2095-2945(2019)01-0109-02
Abstract: In CNC machine tools, servo feed system, as the machine tool mechanical transmission and CNC device link, need to be responsible for the traditional work of the machine tool operation, so once the servo system fails, the impact can be great. The research of servo feed system in this paper is mainly focused on fault diagnosis, troubleshooting and maintenance. Firstly, the common fault types of servo feed system in the practical operation of CNC machine tools are discussed, and the current technology is used as a guide. The common fault diagnosis methods are summarized. Finally, the maintenance treatment strategies of the common typical faults are summarized to improve the application stability of the servo feed system.
Keywords: CNC machine tools; servo feed system; typical faults; maintenance
前言
目前应用于数控机床传动机构当中的伺服进给系统,是数控装置CNC发布并运行指令的重要环节,通常情况由自动控制、自动检测、电气设备驱动以及机械传动等环节组成。在实际运行当中,伺服进给系统需要首先接受CNC所提供的脉冲指令,再有插补软件进行指令的分析,实现信号转变,完成电压和功率的放大,最终实现工作台精准作业。一旦伺服进给系统出现故障,则会直接影响刀具运动,造成机械加工失败。
1 数控机床伺服进给系统常见的故障类型
目前广泛应用于数控机床加工生产当中的伺服进给系统为主轴驱动下运行的伺服系统,因此这类伺服系统又被称为主轴伺服系统。笔者所进行研究的某数控机床在实际运行当中面对主轴伺服系统典型故障表现在以下方面。
(1)干扰过载故障。数控机床的伺服系统在实际运行当中受到外界环境的影响十分巨大,因此伺服系统会在外界环境影响下出现干扰故障和过载故障两种故障类型。其中干扰故障主要原因集中在电磁干扰、接地故障等方面,造成伺服系统的指令失灵,具体表现在CNC指令与伺服系统不协调,其中CNC指令无法通过脉冲形式完成向主轴的传达,导致伺服系统运作不符合CNC要求,此时伺服主轴会出现无规律律动现象;而在受到加工环境影响后,工作台的切削环节动作过大,还会造成伺服系统的过载问题。在系统当中,切削对象造成主轴需要频繁切换正反转方向,继而造成严重的过热问题[1]。
(2)执行偏离故障。CNC指令与伺服系统作业之间的偏差问题也是目前数控机床伺服系统面临的典型故障之一。常见的偏离故障主要体现在转速偏离进给、偏离指令数值以及准停方式错误等几个方面,其中,转速偏離进给故障一般表现在CNC切削指令当中,由于脉冲编码器无法进行工作配合,导致伺服进给与主轴转速之间不匹配;偏离指令数值故障则主要集中在电动机过载和驱动装置故障等方面,CNC在进行模拟量输出时,其测速装置无法完成对CNC指令的分析,导致反馈信号线路断开,无法进行转速控制;准停方式方面,由于伺服系统当中道具交换、退刀、换挡等场合需要运用主轴准停,因此CNC需要利用脉冲指令对于机械、编码器以及电气设备进行准停控制。在实现方式上,CNC的脉冲指令下达,伺服系统接受指令并完成分析,对具体运行的设备进行准停准备减速。但由于增益参数设置存在问题,会造成定位抖动故障。
2 数控机床伺服进给系统的故障诊断策略
(1)故障诊断方法。数控机床伺服进给系统出现故障之
后,进行有效的故障诊断一般分为三个主要的步骤。首先是针对故障进行检测,检查故障是否存在于机床之中。接下来针对故障的类型以及位置进行确定。在机床当中,故障判定需要结合故障的具体性质进行,以此来缩小故障存在的范围,并且在确定了故障产生的具体位置之后,能够将发生故障的部件进行分离[2]。最后针对已经定位了的故障模块进行检查,针对其中存在的故障进行排查,一些严重的故障则需要对部件进行彻底的更换。当前故障诊断所使用到的方法有很多,需要结合具体状况进行了解。一些常见的机床故障诊断方法,例如直观法,就是针对维修人员自身工作的经验来进行判断,首先针对故障发生部位的一些异常现象进行考察,或是工作运转的声音表达具有异常,又或是在工作时产生了异味,这都是判断并确定故障部位的一种方式。其他较为常见的判断方式还包含了程序测试法、替换法以及隔离法等,不同方法都能够展示出自身的特点与优势。
(2)故障诊断模型。当前的机床故障类型,较为常见的都已经得到了总结。数控机床伺服系统当中常见的几种故障现象分别为:主轴转速随机波动;主轴部分工作中异常抖动;主轴工作出现噪音与异常振动;主轴电机无法运转以及转速与指令值不相符等。而常见的故障原因则包含了以下几点:在主轴伺服系统当中出现了相关参数设置方面的故障、伺服系统之中出现屏蔽与接地故障、主轴电机与驱动装置故障或者是主軸编码器的故障。伺服进给系统当中,不同的故障现象以及原因之间,并没有固定的关联,因此也需要结合实际状况进行分析。故障的状况乃至成因之间具有较强的耦合性,一切仍需要以实地考察作为落脚点。
3 数控机床伺服进给系统故障的维修策略
在现实的数控机床伺服进给系统的应用和运行当中,其故障问题的出现和影响往往并非是独立现象,而是综合性故障,一般维修人员需要在明确诊断策略和维修原理后,对故障问题做出精确判断,并依据维修经验进行处理。
(1)外界干扰及过载故障维修处理。外界环境信号干扰下对于伺服进给系统影响十分强烈,系统在受到干扰后,会出现故障现象,其中不进行指令操作或者主轴误动现象是最常见的故障类型。在进行故障排查时,工作人员首先需要对故障问题进行判断,譬如可以通过调整零速电位计的方式,对参数值进行重新设定,观察系统是否在参数重置后改善故障,如果故障未能得到改善,则可以判定故障类型为外界干扰故障[3]。针对这一故障,维修人员首先应当进行净化处理。即通过在系统进线位置加装电源净化单元,并通过合理布线方式,在完成干扰源净化后,对信号线进行屏蔽,从而使故障问题得到解决。过载故障的出现,往往伴随着伺服系统内部设备出现过热问题,如果没能进行及时处理,会造成面积更为广泛的故障蔓延,影响机械加工的生产效率,同时造成严重的经济损失。与前者的判断方式不同,伺服进给系统在出现过载故障时,由于内部过热,CNC会立即显示警报信息,此时维修人员需要及时判断过载位置并进行维修处理。具体的处理方式以环境改善和快速降温两个方面为着手点,首先需要对伺服进给系统内部的电动机进行及时的通风,并对过滤网进行清洁,使伺服系统能够处于清洁低温环境运行。同时还需要对接线端子所处的接触状态进行分析,对于存有的高温问题进行第一时间降温,并改变原有机床操作方法,避免过载问题的再次发生。
(2)执行偏离故障维修处理。笔者在前文列举了三种常见的执行偏离故障问题,这些问题在伺服系统日常运行中频繁出现,也是故障维修的主要对象。其中CNC指令与伺服系统进给偏离问题,主要由于主轴脉冲检测出现了严重偏差,编码器无法进行信息的反馈,此时CNC脉冲指令无法精准传达。维修人员首先需要借助I/O接线状态数据的调用,来对编码器的运行状态进行观察,并关断主轴和进给的配合,通过分批次给定指令的方式,对程序执行情况进行观察,如果仍然出现故障,则表明为编码器存在问题[4]。此时维修人员可以采取更换全新编码器的方式对其进行处理,同时需要增设抗干扰措施。转速偏离问题往往集中在电动机运行故障、驱动装置故障以及CNC模拟量故障等方面,在发现故障问题后,维修人员需要利用空载运转、电缆线和反馈装置检查以及替换备件等方法对故障原因和故障位置进行判断,在明确了具体的故障原因后,通常情况下需要采用调整应用参数、更换受损部件的方式进行维修,其中由于部件受损问题较为常见,因此维修人员可以直接进行部件的更换,来实现快速的故障排除。准停故障影响下的定位方式错误,往往来自于执行机构无法精确到位或者检测信息存在误差等方面,受到故障因素的影响,主轴定位的减速过程中,还会存在增益参数的误差问题,造成故障的持续恶化。维修人员在判断故障时首先应当对减速元件以及定位元件进行判断,通过直观法对其固定安装以及运行状态进行分析,通常情况下,维修人员可以通过对限位开关或者霍尔元件进行检查,直接判断故障类型和故障诱因。随后,维修人员需要重新调整执行元件的安装位置和运行策略,保证其拥有灵活运转能力,再重新调节增益参数,经过测试保证其定位准确后,完成维修工作。
(3)数控机床伺服进给系统维修实例。笔者在参与某加工中心数控机床伺服进给系统的定位故障检修工作中,通过运用常规的更换编码器策略对主轴定位故障进行处理,发现伺服进给系统在完成编码器更换后仍然存在定位震荡以及定位不准现象,无法完成CNC指令的精确定位。笔者分析得到结论,认为伺服系统已经完成了编码器的更换,其所实现的准停减速动作精准无误,仍然存在震荡问题可能与其内部的反馈极性存在关联,通常情况下,反馈极性设置错误,也会导致震荡问题。因此再维修当中笔者首先完成了编码器的更换,在对编码器当中所形成的输出信号Ua1/Ua2进行搜集,统一交由CNC进行控制和调整,从而实现了对于反馈极性的有效调控。通过CNC信号控制,伺服系统定位震荡问题消失,定位准确,故障排除。
4 结束语
综上所述,目前应用于机械加工的数控机床伺服系统在实际应用中受到内外部环境的影响会出现误动以及过载、过热等故障,严重影响机组运行,为了能够解决故障恢复生产,维修人员首先应当具备对于故障的判断能力和诊断水平,通过精准的故障现状归纳和故障原因分析,发掘出深层次的故障问题和故障内核,并制定相应的故障维修策略,使伺服进给系统存在的故障问题能够得到完美解决。
参考文献:
[1]於成业,杨春洋.伺服驱动器MECHATROLINK-Ⅲ总线在多轴联动数控机床上的应用[J].机械工程师,2018(06):162-164.
[2]赵秀芹.数控机床机械加工精度提升中误差补偿法的实践研究[J].山东工业技术,2017(18):25.
[3]陈婷.基于模糊PID控制的数控机床伺服系统建模与仿真研究[J].广西职业技术学院学报,2017,10(03):28-31.
[4]张海波,黄洋洋.基于随机时间序列的数控机床伺服系统故障频率预测[J].东北电力大学学报,2014,34(01):62-66.