2017畢業(yè)論文-數控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修

1、<p>　　[摘要]進給驅動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數控系統(tǒng)的性能，直接影響了加工工件的精度。對它做好良好的維護與維修，是數控機床的關鍵。</p><p>　　——介紹步進驅動系統(tǒng)的原理和主要特性作簡單介紹后，列出了步進驅動系統(tǒng)的主要故障及排除，并列出相應維修實例。</p><p>　　——簡介了進給伺服驅動系統(tǒng)，列出了進給伺服驅動系統(tǒng)的主要報警及處理、主要故障及排除，并列出

2、了維修實例。</p><p>　　關鍵詞；進給系統(tǒng)、診斷、維修。</p><p>　　數控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修</p><p><b>　　前言</b></p><p>　　進給驅動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數控系統(tǒng)的性能，決定了數控機床的檔次，因此，在數控技術發(fā)展的歷程中，進給驅動系統(tǒng)的研制和發(fā)展總是放在首要

3、的位置。</p><p>　　數控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令，是通過進給驅動系統(tǒng)來驅動機械執(zhí)行部件，最終實現機床精確的進給運動的。數控機床的進給驅動系統(tǒng)是一種位置隨動與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。</p><p>　　一、數控機床對進給驅動系統(tǒng)的要求&

4、lt;/p><p><b>　?。ㄒ唬┱{速范圍要寬</b></p><p>　　調速范圍rn是指進給電動機提供的最低轉速nmin和最高轉速nmax之比，即：rn=nmin/nmax。</p><p>　　在各種數控機床中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉速以及零件加工工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅動系統(tǒng)必須具

5、有足夠寬的無級調速范圍（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如<0.1r/min）時，要仍能平滑運動而無爬行現象。</p><p><b>　?。ǘ┒ㄎ痪纫?lt;/b></p><p>　　使用數控機床主要是為了：保證加工質量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率；解決復雜曲面零件的加工問題；解決復雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等。數控機床是按預定的程序自動進行加

6、工的，避免了操作者的人為誤差，但是，它不可能應付事先沒有預料到的情況。就是說，數控機床不能像普通機床那樣，可隨時用手動操作來調整和補償各種因素對加工精度的影響。因此，要求進給驅動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差（目前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同時進給驅動系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。</p&g

7、t;<p>　?。ㄈ┛焖夙憫瑹o超調</p><p>　　為了提高生產率和保證加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。一方面，在啟、制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。一般電動機的速度從零變到最高轉速，或從最高轉速降至零的時間在200ms以內，甚至小于幾十毫秒。這就要求進給系統(tǒng)要快速響應，但又不能超

8、調，否則將形成過切，影響加工質量；另一方面，當負載突變時，要求速度的恢復時間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。</p><p>　　要求進給電動機必須具有較小的轉動慣量和大的制動轉矩，盡可能小的機電時間常數和起動電壓。電動機具有4000r/s2以上的加速度。</p><p>　　(四)低速大轉矩，過載能力強</p><p>　　數控機床要求進給驅動系

9、統(tǒng)有非常寬的調速范圍，例如在加工曲線和曲面時，拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進給驅動系統(tǒng)在低速時保持恒力矩輸出，無爬行現象，并且具有長時間內較強的過載能力，和頻繁的起動、反轉、制動能力。一般，伺服驅動器具有數分鐘甚至半小時內1.5倍以上的過載能力，在短時間內可以過載4~6倍而不損壞。</p><p><b>　?。ㄎ澹┛煽啃愿?lt;/b></p><p>　　數

10、控機床，特別是自動生產線上的設備要求具有長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，同時數控機床的維護、維修也較復雜，因此，要求數控機床的進給驅動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力，具有很強的抗干擾的能力。</p><p>　　二、步進驅動系統(tǒng)常見故障及排除</p><p>　　步進驅動系統(tǒng)簡單來說，包括有步進電動機和步進驅動器。</p><p>　

11、?。ㄒ唬┎竭M電動機原理簡介及分類</p><p><b>　　步進電動機原理簡介</b></p><p>　　步進電動機流行于70年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控制為全數字化；是一種能將數字脈沖轉化成一個步距角增量的電磁執(zhí)行元件；能很方便地將電脈沖轉換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動機使

12、用。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅動電路之外，其它部分均可由軟件實現，從而進一步簡化結構。因此，至今國內外對這種系統(tǒng)仍在進一步開發(fā)?！　〉?，①由于步進電動機基本上是用開環(huán)系統(tǒng)，精度不高，不能應用于中高檔數控機床；②步進電動機耗能大，速度低(遠不如交、直流電動機)。因此，目前步進電動機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經濟型數控，打印機、繪圖機等計算機的外部設備。</p><p>　　步進電動機是一種同

13、步電動機，其結構同其它電動機一樣，由定子和轉子組成，定子為激磁場，其激磁磁場為脈沖式，即磁場以一定頻率步進式旋轉，轉子則隨磁場一步一步前進。</p><p><b>　　步進電動機分類</b></p><p>　　步進電動機按轉矩產生的原理可分為反應式、永磁式及混合式步進電動機；從控制繞組數量上可分為二相、三相、四相、五相、六相步進電動機；從電流的極性上可分為單極性和

14、雙極性步進電動機；從運動的型式上可分為旋轉、直線、平面步進電動機。</p><p>　　步進電動機的驅動電路控制方式</p><p>　　1.步進電動機的驅動電路控制方式</p><p>　　步進電動機繞組的驅動電路，單極性電流一般采用圖2-1<a>雙管串聯電路,雙極性電流一般采用圖2-1<b>的H橋電路;對于三相混合式步進電動機則采用三相逆

15、變橋電路,見圖2-1<c></p><p>　　圖2-1 步進電動機驅動電路</p><p>　?。ㄈ┎竭M驅動裝置常見故障及排除</p><p>　　正如前所述，步進驅動是開環(huán)控制系統(tǒng)中最常選用的伺服驅動系統(tǒng)。開環(huán)進給系統(tǒng)的結構較簡單，調試、維修、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機床上曾得到廣泛應用。</p>&l

16、t;p>　　使用過程中，步進驅動系統(tǒng)常見如下故障：</p><p>　　1.電動機過熱報警，可能原因及故障排除見表2-1。</p><p>　　表2-1：步進電動機過熱的報警綜述</p><p>　　2.工作過程中停車，在工作正常的狀況下，發(fā)生突然停車的故障。引起此故障的可能原因見表2-2。</p><p>　　表2-2 工作過程中停

17、車的故障綜述</p><p>　　3.無力或者是出力降低或稱“悶車”，即在工作過程中，某軸有可能突然停止，俗稱“悶車”，可能原因見表2-3。 </p><p>　　表2-3：“悶車”的可能原因及排除措施</p><p>　　4.步進電動機失步或多步，此故障引起的可能現象是工作過程中，配置步進驅動系統(tǒng)的某軸突然停頓，而后，又繼續(xù)走動。此故障的可能原因具體綜述見表2-4

18、。</p><p>　　表2-4：步進電動機失步或多步的可能原因及排除措施</p><p>　　（四）步進電動機常見故障及維修</p><p>　　常見故障見表2-5。</p><p>　　表2-5：步進電動機常見故障綜述</p><p>　　三、進給伺服驅動系統(tǒng)介紹</p><p>　?。ㄒ唬?/p>

19、進給伺服驅動系統(tǒng)的組成及分類</p><p>　　1.進給伺服驅動系統(tǒng)的組成</p><p>　　數控機床的伺服系統(tǒng)一般由驅動控制單元，驅動單元，機械傳動部件，執(zhí)行機構和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動單元組成伺服驅動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行機構組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件和反饋電路組成檢測裝置，也稱檢測系統(tǒng)。</p><p>　　進給伺服系統(tǒng)的任務就是要完成各

20、坐標軸的位置控制。數控系統(tǒng)根據輸入的程序指令及數據，經插補運算后得到位置控制指令，同時，位置檢測裝置將實際位置監(jiān)測信號反饋于數控系統(tǒng)，構成全閉環(huán)或半閉環(huán)的位置控制。經位置比較后，數控系統(tǒng)輸出速度控制指令至各坐標軸的驅動裝置，經速度控制單元驅動伺服電動機滾珠絲杠傳動實現進給運動。伺服電動機上的反饋裝置將轉速信號反饋回系統(tǒng)與速度控制指令比較，構成速度反饋控制。因此，進給伺服系統(tǒng)實際上是外環(huán)為位置環(huán)、內環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)。對進給伺服系統(tǒng)的維

21、護及故障診斷將落實到位置環(huán)和速度環(huán)上。組成這兩個環(huán)的具體裝置有：用于位置檢測的有光柵、光電編碼器、感應同步器、旋轉變壓器和磁柵等；用于轉速檢測的有測速發(fā)電動機或光電編碼器等。</p><p>　　2.進給伺服驅動系統(tǒng)的分類</p><p>　　按伺服進給系統(tǒng)使用的伺服類型，半閉環(huán)、閉環(huán)數控機床常用的伺服進給系統(tǒng)可以分直流伺服驅動系統(tǒng)和交流伺服驅動系統(tǒng)兩大類。下面將分別按直流伺服驅動系統(tǒng)、交

22、流伺服驅動系統(tǒng)來闡述其維修與維護的相關知識。</p><p>　?。ǘ┲绷鬟M給驅動系統(tǒng)的介紹</p><p>　　1.交流伺服系統(tǒng)的組成</p><p>　　交流伺服系統(tǒng)主要由下列幾個部分構成，如圖3-1所示。</p><p>　?。?）交流伺服電動機?？煞譃橛来沤涣魍剿欧妱訖C，永磁無刷直流伺服電動機、感應伺服電動機及磁阻式伺服電動機；

23、</p><p>　?。?）PWM功率逆變器?？煞譃楣β示w管逆變器、功率場效應管逆變器、IGBT逆變器（包括智能型IGBT逆變器模塊）等。</p><p>　　（3）微處理器控制器及邏輯門陣列?？煞譃閱纹瑱C、DSP數字信號處理器、DSP+CPU、多功能DSP（如TMS320F240）等；</p><p>　?。?）位置傳感器（含速度）?？煞譃樾D變壓器、磁性編碼器

24、、光電編碼器等；</p><p>　?。?）電源及能耗制動電路；</p><p>　　（6）鍵盤及顯示電路；</p><p>　　（7）接口電路。包括模擬電壓、數字I/O及串口通訊電路</p><p>　?。?）故障檢測，保護電路。</p><p>　　圖3-1 交流伺服系統(tǒng)組成</p><p&g

25、t;　　2.交流伺服電動機的簡介</p><p>　　交流伺服電動機可依據電動機運行原理的不同，分為感應式（或稱異步）交流伺服電動機、永磁式同步電動機、永磁式無刷直流伺服電動機、和磁阻同步交流伺服電動機。這些電動機具有相同的三相繞組的定子結構。</p><p>　　目前市場上的交流伺服電動機產品主要是永磁同步伺服電動機及無刷直流伺服電動機。</p><p>　　四、

26、進給伺服驅動系統(tǒng)常見故障及排除</p><p>　　（一）進給伺服系統(tǒng)常見的故障及處理</p><p>　　1.機床振動指的是機床在移動式或停止時的振蕩、運動時的爬行、正常加工過程中的運動不穩(wěn)等等。故障可能是機械傳動系統(tǒng)的原因，亦可能是伺服進給系統(tǒng)的調整與設定不當等等。</p><p>　?。?）開停機時振蕩的故障原因、檢查和處理方法見下表4-1。</p>

27、;<p>　　表4-1 機床振動的原因與檢查、處理方法</p><p>　　2.機床定位精度或加工精度差 機床定位精度或加工精度差可分為定位超調、單脈沖進給精度差、定位點精度不好、圓弧插補加工的圓度差等情況。其故障的原因、檢查和處理方法見表4-2。</p><p>　　表4-2 機床定位精度和加工精度差的原因與檢查、處理方法</p><p>　

28、　3.位置跟隨誤差超差報警 伺服軸運動超過位置允差范圍時，數控系統(tǒng)就會產生位置誤差過大的報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因及排除見表4-3。</p><p>　　表4-3：位置跟隨誤差超差報警的原因及處理</p><p>　　4.超程 當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關決定的硬限位時，就會發(fā)生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內容，根據數控系統(tǒng)說明書，即可排除

29、故障，解除超程。具體情況見表4-4</p><p>　　表4-4 超程故障的原因及排除</p><p>　　5.超過速度控制范圍（一般CRT上有超速的提示）速度控制單元超速的原因及排除見表4-5：</p><p>　　表4-5 超速的報警及處理</p><p>　?。ǘ┙涣魉欧妱訖C的故障診斷及維修</p><p

30、>　　1.交流伺服電動機的基本檢查 原則上說，交流伺服電動機可以不需要維修，因為它沒有損壞。但由于交流伺服電動機內含有精密檢測器，因此，當發(fā)生碰撞、沖擊時可能會引起故障，維修實應對作如下檢查：</p><p>　?。?）是否受到任何機械損傷？</p><p>　　（2）旋轉部分是否可用手正常轉動？</p><p>　?。?）帶制動器的，制動器是否正常？&l

31、t;/p><p>　　（4）是否有任何松動螺釘或間隙？</p><p>　　（5）是否安裝在潮濕、溫度變化劇烈和有灰塵的地方？等等。</p><p>　　2.交流伺服電動機常見的故障有：</p><p>　　轉子位置檢測裝置故障 當霍爾開關或光電脈沖編碼器發(fā)生故障時，會引起失控，進給有振動。</p><p>　　3.交

32、流伺服故障判斷的方法有：</p><p>　　(1)用萬用表或電橋測量電樞繞組的直流電阻，檢查是否斷路，并用兆歐表查絕緣是否良好。</p><p>　　(2）將與機械裝置分離，用手轉動轉子，正常情況下感覺有阻力，轉一個角度后手放開，轉子又返回現象；如果用手轉動轉子時能連續(xù)轉幾圈并自由停下，該已損壞；如果用手不動或轉動后無返回，機械部分可能有故障。 </p><p&

33、gt;　　4.脈沖編碼器的更換 如交流伺服的脈沖編碼器不良，就應更換脈沖編碼器。更換編碼器應按規(guī)定步驟進行（請參照相應安裝說明書）。注意，原聯接部分無定位標記的，編碼器不能隨便拆離，不然會使相位錯位；對采用霍爾元件換向的應注意開關的出線順序。平時，不應敲擊上安裝位置檢測裝置的部位。另外，伺服一般在定子中埋設熱敏電阻，當出現過熱報警時，應檢查熱敏電阻是否正常。</p><p>　　五、進給驅動系統(tǒng)的維護</

34、p><p>　　（一）直流伺服電動機的維護</p><p>　　1.存放要求 不要將直流伺服電動機長期存放在市外，也要避免存放在適度高，溫度有急劇變化和多塵的地方，如需存放一年以上，應將電刷從電動機上取下來，否則容易腐蝕換向器，損壞。</p><p>　　2.當機床長期不運行時的保養(yǎng) 當機床長達幾個月不開動的情況下，要對全部電刷進行檢查，并要認真檢查換向器表面是否生

35、銹。如有銹，要用特別緩慢的速度，充分、均勻的運轉。經過1～2h后再行檢查，直至處于正常狀態(tài)，方可使用機床。</p><p>　　3.電動機的日常維護 ①每天在機床運行時的維護檢查。在運行過程中要注意觀察的旋轉速度；是否有異常的振動和噪聲；是否有異常臭味；檢查電動機的機殼和軸承的溫度；②定期維護。由于直流伺服電動機帶有數對電刷，旋轉時，電刷與換向器摩擦而逐漸磨損。電刷異?；蜻^度磨損，會影響工作性能，所以對直流伺服

36、電動機的日常維護也是相當必要的。要每月定期對電刷進行清理和檢查。數控車床、銑床和加工中心的直流伺服應每年檢查一次，頻繁加、減速的機床（如沖床等）中的直流伺服應每兩個月檢查一次，檢查步驟如下：</p><p>　?。?）在數控系統(tǒng)處于斷電狀態(tài)且已經完全冷卻的情況下進行檢查。</p><p>　?。?）取下橡膠刷帽，用螺釘旋具刀擰下刷蓋取出電刷。</p><p>　?。?/p>

37、3）測量電刷長度，如FANUC直流伺服電動機的電刷由10mm磨損到小與5mm時，必須更換同型號的新電刷。</p><p>　?。?）仔細檢查電刷的弧形接觸面是否有深溝或裂痕，以及電刷彈簧上有無打火痕跡。如有上述現象，則要考慮的工作條件是否過分惡劣或本身是否有問題。</p><p>　?。?）用不含金屬粉末及水分的壓縮空氣倒入裝電刷的刷握孔吹凈粘在刷握孔壁上的電刷粉末。如果難以吹凈，可用螺釘

38、旋具尖輕輕清理，直至孔壁全部干凈為止，但要注意不要碰到換向器表面。</p><p>　?。?）重新裝上電刷，擰緊刷蓋。如果是更換了新電刷，要使空運性跑合一段時間，以使電刷表面與換向器表面溫和良好</p><p>　?。ǘ┙涣魉欧妱訖C的維護</p><p>　　交流伺服電動機與直流伺服電動機相比，最大的優(yōu)點是不存在電刷維護的問題。應用于進給驅動的交流伺服電動機多采

39、用交流永磁同步電動機，其特點是磁極是轉子，定子的電樞繞組與三相交流電樞繞組一樣，但它有三相逆變器供電，通過轉子位置檢測其產生的信號去控制定子繞組的開關器件，使其有序輪流導通，實現換流作用，從而使轉子連續(xù)不斷地旋轉。轉子位置檢測器與轉子同軸安裝，用于轉子的位置檢測，檢測裝置一般為霍爾開關或具有相位檢測的光電脈沖編碼器。</p><p><b>　　結論</b></p><p

40、>　　畢業(yè)論文是本學習階段一次非常難得的理論與實際相結合的機會，通過這次比較完整的進給系統(tǒng)診斷與維修，我擺脫了單純的理論知識學習狀態(tài)，同時也提高我查閱文獻資料、設計手冊、設計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經驗得到了豐富，并且意志品質力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提升。這是我們都希望看到的也正是我們進行畢業(yè)設計的目的所在。 雖然

41、畢業(yè)設計內容繁多，過程繁瑣但我的收獲卻更加豐富。和老師的溝通交流使我對進給系統(tǒng)有了新的認識也對自己提出了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，這必然會讓我在未來的工作學習中表現出更高的應變能力，更強的溝通力和理解力。從不知道畢業(yè)論文怎么寫，到順利如期的完成本次畢業(yè)論文，這給了我很大的信心，讓我了解專業(yè)知識的同時也對本專業(yè)的發(fā)展前景充滿信心，</p><p>　　只有發(fā)現問題面對問題才有可能解決問題，不足和遺憾不

42、會給我打擊只會更好的鞭策我前行，今后我更會關注新問題新技術的出現，并爭取盡快的掌握這些先進的知識，更好的為祖國的四化服務。</p><p><b>　　結束語</b></p><p>　　本次論文的編寫，由于經驗和知識的欠缺，難免有許多考慮不周全的地方，如果沒有張一老師的督促指導，以及同學們的幫助，我自己是很難單獨完成這個畢業(yè)論文的。</p><p

43、>　　在這里首先要感謝我的指導老師張一老師。張一老師平日工作很多，但在我做畢業(yè)論文的每個階段，從最初的選擇題材到論文的完成，張一老師給了我很大的幫助。不但認真給我講解在寫論文中間遇到的一些難題，還不定時的檢查并改正其中的錯誤。他的嚴謹治學和認真負責的精神也是我永遠學習的榜樣。然后，還要感謝大學三年來所有的老師，陪伴我走過即將踏上社會的日子，我的論文因為老師的重視和關心，才能順利完成。</p><p>　　謝

44、謝老師！祝老師工作順利！祝學院更加美好！</p><p><b>　　[參考文獻]</b></p><p>　　[1]孫漢卿.數控機床維修技術[M].北京:高等教育出版社，2005.</p><p>　　[2]曹琰.數控機床應用與維修[M].北京:電子工業(yè)出版社，1994.</p><p>　　[3]王兆義.電工電子技術