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数控机床伺服系统的分类及应用

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-05-08  浏览次数:930
核心提示:控机床伺服系统又称为位置随动系统, 简称为伺服系统。数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构,在许多自动化控制领域广泛应用。数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色,这对其应用带来很大的困扰,本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。

数控机床伺服系统又称为位置随动系统, 简称为伺服系统。数控机床伺服系统是把数控信息转化为机床进给运动的执行机构,在许多自动化控制领域广泛应用。数控机床伺服系统的种类繁多、技术原理各具特色,这对其应用带来很大的困扰,本文就数控机床伺服系统的分类及其应用要求做简单介绍。

 

一、数控机床伺服系统的分类

数控机床伺服系统按其用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统;按其控制原理和有无位置检测反馈环节分为开环系统和闭环系统;按驱动执行元件的动作原理分为电液伺服驱动系统和电气伺服驱动系统。电气伺服驱动系统又分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。

1进给驱动与主轴驱动

进给驱动是用于数控机床工作台或刀架坐标的控制系统,控制机床各坐标轴的切削进给运动,并提供切削过程所需的转矩。主轴驱动控制机床主轴的旋转运动,为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。一般地,对于进给驱动系统,主要关心它的转矩大小、调节范围的大小和调节精度的高低,以及动态响应速度的快慢。对于主轴驱动系统,主要关心其是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围。

2开环控制和闭环控制

数控机床伺服驱动系统按有无位置反馈分两种基本的控制结构,即开环控制和闭环控制,如图5--1所示。由此形成位置开环控制系统和位置闭环控制系统。闭环控制系统又可根据位置检测装置在机床上安装的位置不同,进一步分为半闭环伺服驱动控制系统和全闭环伺服驱动控制系统。若位置检测装置安装在机床的工作台上,构成的伺服驱动控制系统为全闭环控制系统;若位置检测装置安装在机床丝杠上,构成的伺服驱动控制系统则为半闭环控制系统。现代数控机床的伺服驱动多采用闭环控制系统。开环控制系统常用于经济型数控或老设备的改造。

3.直流伺服驱动与交流伺服驱动

70年代和80年代初,数控机床多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机具有良好的宽调速性能,输出转矩大,过载能力强,而且,由于电机惯性与机床传动部件的惯量相当,构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置,比较适应数控机床对频繁启动、制动,以及快速定位、切削的要求。但直流电机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器,这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展,使其应用受到限制。

进入80年代,在电机控制领域交流电机调速技术取得了突破性进展,交流伺服驱动系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是交流电机容易维修,制造简单,易于向大容量、高速度方向发展,适合于在较恶劣的环境中使用。同时,从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看,采用交流电机比直流电机将更合理。

二、数控机床伺服系统的应用要求

(1)精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。包括定位精度和轮廓加工精度。

(2)稳定性好 稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下,能在短暂的调节过程后,达到新的或者恢复到原来的平衡状态。直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。

(3)快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标,它反映了系统的跟踪精度。

(4)调速范围宽 调速范围是指生产机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。0~30m/min。

(5)低速大转矩 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制,在整个速度范围内都要保持这个转矩;主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制,能提供较大转矩。在高速时为恒功率控制,具有足够大的输出功率。

三、数控机床伺服系统的故障及处理

1进给系统常见故障与维修

(1)进给伺服系统故障类型

进给伺服系统由于其涉及的元件较多且功能复杂,因而进给伺服系统的故障类型也较为多样。

通过对数控机床进给伺服系统故障的总结和分析,其故障主要有以下几种类型。

报警:报警主要是由于进给运动量超过软件设定的限位或限位开关决定的硬限位时发生的超程报警。另外,当系统进给运动的负载过大时,由于正反运动的过于频繁和进给传动链润滑状态不良也会发生报警。

当伺服系统发生报警时,预示着伺服系统的工作出现问题,工作人员需要及时进行停机检查,避免数控机床故障处理不及时造成零件质量问题并对数控机床带来物理性损坏。

窜动、爬行和振动:窜动、爬行和振动是数控机床伺服系统常见的故障,一旦窜动、爬行和振动现象发生,会直接导致机械加工精度和准确度的下降,给零件质量带来影响。

窜动大多是由于测速装置故障导致的测速信号不稳定或者速度控制信号不稳定导致的,除此之外接线端子的接触不良也会导致窜动现象的发生。

爬行发生的主要原因是传动链的润滑状态不良,伺服增益过低和外加负载过大等导致。

振动现象的发生大多是由于进给速度太快或进给加速度过大导致的。

位置误差和漂移:位置误差是由于伺服轴运动超过位置允许误差范围时导致,位置误差包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。

漂移是指数控机床的指令值为零时,坐标轴仍然继续移动的现象,位置误差和漂移不仅会影响工件的加工质量,严重时还会发生撞车事故,给数控机床带来物理损伤。

回参考点故障:机床回参考点故障一般表现为找不到参考点或者找不准参考点两类,回参考点故障大多是由于参考点减速开关接收信息故障或信号失效导致的。

(2)进给伺服系统常见故障的维修处理

进给伺服系统故障,一般可通过参考操作说明排除,如果遇到参考操作说明无法排除的故障则需要具体问题具体分析解决。

当振动故障发生时可以对机械安装进行检查和调整,并保证伺服电机速度和位置检测的准确性,由于数控伺服系统中电子元件较多,因此还需要检查有无外部干扰影响,并且对驱动单元的参数进行排查,通过检查确定故障类型;

如果是机械故障则对机械故障予以及时解决,如果是电气故障则需要具体确认发生问题的位置,通过维修或者元器件更换等手段对伺服系统故障进行维修处理。

如果发生无法回参考点的现象,首先可以检查回参考点减速开关信号是否准确有效,并根据回参考点减速开关信号的问题采用原理分析法或追踪法分析等方法判断位置并及时的维修和处理。

2主轴伺服系统故障及处理

(1)主轴伺服系统的故障类型

直流主轴伺服系统的故障主要表现为停转、速度异常、电机振动和主电路过电流报警等。

交流主轴伺服系统容易发生的故障主要表现为电机过势、熔丝熔断等,引发该类故障的主要原因时由于电机超载、接触不良或者冷却装置损坏导致的部分元件阻抗过高或者数控机床的浪涌吸收器发生故障。

(2)主轴伺服系统常见故障的维修处理

主轴伺服系统出现故障时首先要确定主轴系统出现故障的类型及位置。当主轴电机不运转时首先需要确定数控系统是否有信号输出,再对I/O状态进行观察,并确定是否满足主轴的启动条件。

如果伺服电机带有电磁制动,还需要确定是否释放了电磁制动。如果主轴出现转速异常,首先要对机械传动机构进行检查,确保机床的动作无异常。

如果机械传动机构无异常则需要对主轴驱动器的电缆连接、主轴驱动器的状态指示灯等进行检查,并分析是否主轴驱动器出现问题。

如果以上原因均被排除,则很有可能是控制板出现故障。

当主轴高速转动振动过大时,多数是由于主轴驱动系统的电气部分故障导致,针对这种问题我们要根据电气原理图对主轴驱动与各处电气连接进行全面检查,确定故障部位并予以维修和处理。

综上所述,数控机床伺服系统作为数控机床系统中最为复杂的系统,对数控机床的平稳运行和机械零件加工精度具有重要影响。

当数控机床伺服系统出现问题时,首先要根据故障现象判断故障类型,再通过一定的技术手段对故障位置进行排查,当确定故障原因和位置后,针对故障的类型进行合理的维修处理,提升数控机床运行的稳定性,保证数控机床所生产的工件质量,并提高数控机床的生产效率。

 
关键词: 智能机床 伺服
 
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