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机械毕业设计全套

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JCJD01-041@数控机床伺服系统故障诊断与分析,机械毕业设计全套

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常州轻工职业技术学院机械工程系 毕业设计（论文）指导记录表 学生姓名 吴新琴 学 号 0305641133 指导教师（签名） 茅启园 次 数 时 间 方 式 指导内容 评价 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次 第 5 次 nts 毕业设计用纸 共 页 第 页 毕业设计任务书 一、题目： 数控机床伺服系统故障与分析 二、目的： 本课题 是培养学生的综合运用专业知识和解决实际问题的能力、提高科学实验和实践的动手能力以及课题独立完成能力和协作配合能力， 使学生充分 掌握数控设备应用与维护的基本方法。为他们在以后的工作中打下坚实的基础。 三、技术要求： 1. 要求有完整的书面毕业设计报告。 四、说明书内容： 1、 X X X X X X（宋体四号） 五、图表内容： 1、 X X X X X X（宋 体四号） nts 毕业设计用纸 共 页 第 页 六、参考文献： 1、 邓昭铭 ,张莹 .机械设计基础 .北京 :高等教育出版社 ,2000（宋体小四） 任务书下发时间： X X X X X X（宋体四号） 毕业设计完成时间： X X X X X X（宋体四号） 指 导 老 师： X X X （宋体四号） 教 研 室 主 任： X X X （宋体四号） 七、指导教师评语： X X X X X X（宋体四号） 指导教师签名 年 月 日 八、答辩评审意见： X X X X X X（宋体四号） 答辩组长签名 年 月 日 nts常州轻工职业技术学院机械工程系 毕业设计答辩申请表 申请日期： 2006 年 06 月 06 日 姓名 吴新琴 学号 0305641133 年级 03 数维631 答辩时间 2006.06.19 课题 数控机床伺服系统故障诊断与分析 指导老师 茅启园 课 题 任 务 完 成情 况 已取得学分的课程 指 导 老 师 意 见 签名： 年 月 日 答辩委员会 意 见 签名： 年 月 日 说明： 凡参加 毕业设计 答辩的学生，必须提前一个月向机械系 毕业设计答辩委员会 提出申 请，经批准后，方可参加答辩。 申请答辩的学生，应在答辩前 1 周将论文和设计图纸交指导教师和评阅人评阅。 nts常 州 轻 工 职 业 技 术 学 院 毕 业 生 设 计 答 辩 情 况 记 载 表 2006 年 06 月 19 日 专业 班级 03 数维631 学生 姓名 吴新琴 设计 课题 数控机床伺服系统故障诊断与分析 评 语： （签名） 指导 教师 茅启园 自述情况： 指问 -回答情况： 答辩小组评定成绩： 组长（签名） 答辩委员会意见： 主任（签名） nts 常州轻工职业技术学院 毕业设计 （ 论文）课题审批表 机械工程 系 03 数维 631 班 设计 (论文 )课题 : 数控机床伺服系统故障诊断与分析 设计者 : 吴新琴 指导教师及专业技术职称 : 起讫日期 : 2006 年 03 月 16 日至 2006 年 06 月 06 日 设计地点 : 苏州和泰模塑有限公司 课题内容简介 (包括设计参数、设计任务等 )： 审 批 意 见 (盖章 ) 年 月 日 nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 1 页 开 题 报 告 一、题目名称 数控机床伺服系统故障诊断与分析 二、研究的目的及意义 数控设备应用与维护专业是工程技术分院的骨干专业，也是学院的品牌专业，是常州轻院教学改革试点示范专业。由于数控设备应用与维护专业的支撑，学院被劳动和教育部等命名为“专业数控培训基地”。 随着科技的发展和社会各行业专业化程度的提高 , 随着中国制造业的崛起 ,专业化的技术和技能型人才的重要性不断提升 ,知识技术层次要求逐步提高 ,高技能人才供给缺口巨大、结构失衡，各地制造业急需数控维修专业方面技能型人才，仅数控维修技术应用型人才紧缺，被 列为目前我国四大紧缺人才之一。因此，加快培养社会急需的技术、技能型人才，是加快中国成为世界制造业中心，振兴东北老工业基地，促进经济腾飞的强劲动力。 数控设备应用与维护专业，作为制造业的龙头和核心，必然在我国整个制造业中发挥积极的重要作用。因此，如何按照我国高职高专教育人才培养目标与规格要求，进行人才培养模式的建设和创新，设计适应人才培养目标的课程体系，更快适应科技快速发展和综合化的大趋势，并及时反映科技发展的最新成果，增强毕业生对岗位技术含量变动或岗位结构变动的适应性，为国民经济发展提供人力资源输送大批素质 高、应用型高技能人才，是摆在我们面前的重要课题。 论文介绍了数控伺服系统 的发展、结构与特点，伺服系统的现状，服系统的性能以及伺服系统中的典型故障诊断， 对了解数控机床结构，原理 伺服系统中 常出现的故障有一定帮助，对 伺服系统 故障诊断以及维修进行的了总结，国内学者主要对数控伺服系统方面进行了研究。 数控机床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点。但由于技术越来越先进、复杂，对维修人员的素质要求很高，要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控机床出现故障才能及时排除。我公司有几十台 数控设备，数控系统有多种类型，几年来这些设备出现一些故障，通过对这些故障的分析和处理，我们取得了一定的经验。 我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：人员素质较差，缺乏数字测试分析手段，数域和数域与频域综合方面的测试分析技术等有待提高等等。 nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 2 页 三、文献综述 现代数控系统维修工作的基本条件 3.1 维修工作人员的基本条件 维修工作开展得好坏首先取决于人员条件。维修工作人员必须具备以下要求： （ 1）高度的责任心与良好 的职业道德； （ 2）知识面广，掌握计算机技术、模拟与数字电路基础、自动控制与电机拖动、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与一定的外语水平； （ 3）经过良好的技术培训，掌握有关数控、驱动及 PLC 的工作原理，懂得CNC 编程和编程语言； （ 4）熟悉结构，具有实验技能和较强的动手操作能力； （ 5）掌握各种常用（尤其是现场）的测试仪器、仪表和各种工具。 3.2 在维修手段方面应具备的条件 （ 1）准备好常用备品、配件； （ 2）随时可以 得到微电子元器件的实际支援或供应； （ 3）必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机。最好有小型编程系统或编程器，用以支援设备调试； （ 4）完整资料、手册、线路图、维修说明书（包括 CNC 操作说明书）以及接口、调整与诊断、驱动说明书， PLC 说明书（包括 PLC 用户程序单），元器件表格等。 3.3 维修前的准备 接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场信息、现场情况及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。据此预 先分析可能出现的故障原因与部位，而后在出发到现场之前，准备好有关的技术资料与维修服务工具、仪器备件等，做到有备而去。 3.4 维修中应注意的事项 （ 1）从整机上取出某块线路板时，应注意记录其相对应的位置，连接的电缆号，对于固定安装的线路板，还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。拆nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 3 页 卸下的压件及螺钉应放在专门的盒内，以免丢失，装配后，盒内的东西应全部用上，否则装配不完整。 （ 2）电烙铁应放在顺手的前方，远离维修线路板。烙铁头应作适当的修整，以适应集成电路的焊接，并避免焊接时碰伤别的元器件。 （ 3）测量线路间的阻值时，应断电源，测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。 （ 4）线路板上大多刷有阻焊膜，因此测量时应找到相应的焊点作为测试点，不要铲除焊膜，有的板子全部刷有绝缘层，则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。 （ 5）不应随意切断印刷线路。有的维修人员具有一定的家电维修经验，习惯断线检查，但数控设备上的线路板大多是双面金属孔板或多层孔化板，印刷线路细而密，一旦切断不易焊接，且切线时易切断相邻的线，再则有的点，在切断某一根线时，并不能使其和线路脱离， 需要同时切断几根线才行。 （ 6）不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下只是凭感觉那一个元件坏了，就立即拆换，这样误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。 （ 7）拆卸元件时应使用吸锡器及吸锡绳，切忌硬取。同一焊盘不应长时间加热及重复拆卸，以免损坏焊盘。 （ 8）更换新的器件，其引脚应作适当的处理，焊接中不应使用酸性焊油。 （ 9）记录线路上的开关，跳线位置，不应随意改变。进行两极以上的对照检查时，或互换元器件时注意标记各板上的元件，以免错乱，致使好板亦不能工作。 （ 10）查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电。应注意高压，有的线路板直接接入高压，或板内有高压发生器，需适当绝缘，操作时应特别注意。 数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种 工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。 nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 4 页 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（ DC）伺服系统和交流（ AC）伺服系统。 50 年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 70 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代 从 70 年代后期到 80 年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技 术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 机床进给伺服系统在经历了开环的步进电动机系统、直流伺服系统两个分阶段之后，已进入了交流伺服系统阶段。这是由于交流电动机具有构造简单、坚固耐用的特点。随着电力电子器件的小型化和高性能化，以及计算机技术的迅速发展，过去在技术上和经济上都难以实现的交流电动机控制问题都已迎刃而解，从而使交流伺服系统取得了主导地位。 目前，在中小功率范围内，高性能的交流伺服系统的交流电动机主要采用异步电动机和永磁同步电动机两种。一般来说，异步电动机多用在功率较大、精度要求较低、投资费用要求低的场合；而永磁同步电动机则在精度要求高、容量较小的场合得到了广泛的应用。 从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐渐减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。 伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少 维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品 伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，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。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大 后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 5 页 术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。 数控系统的控制核心是对机床的进给部分进行数字控制，而进给是由伺服单 元控制伺服电机，带动滚珠丝杠来实现的，由旋转编码器做位置反馈元件，形成半闭环的位置控制系统。所以伺服系统在数控机床上起的作用相当重要。 而 伺服系统的故障一般都是由伺服控制单元、伺服电机、测速电机、编码器等出现问题引起的。 对于数控系统来说，一个易出故障的地方为伺服单元。由于各轴的运动是靠伺服单元控制伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。用旋转编码器作速度反馈，用光栅尺作位置反馈。一般易出故障的地方为旋转编码器与伺服单元的驱动模块。也有个别的是由于电源原因而引起的系统混乱。特别是对那些带计算机硬盘保存数据的系统。 四、 进度安排 第一周 集有关数控机床故障诊断资料 第二周 描述相关资料选择题目 第三周 对材料选择相应的方案，进行构思 第四周 用 AutoCAD 绘制数控伺服系统的结构图 第五周 对相关材料整理编写 第六周 编写论文，形成毕业设计全部文件，准备答辩 第七周 毕业答辩 nts 毕业设计用纸 共 6 页 第 6 页 附录：参考文献 1. 秦立高主编 . 机床维修手册 . 北京：国防工业出版社， 1997 2. 张世莹等编 . 加工中心应用与维修 . 北京：机械工业出版社， 1992 3. 刘希金主编 . 机床数控系统故障检测与维修 . 北京 . 兵器工业出版社， 1995 4. 李世综等编 . 机床现代诊断技术 . 北京 . 机械工业出版社， 1997 5. 王侃夫主编 . 数控机床故障诊断及维护 . 北京 . 机械工业出版社， 2000 nts 常州轻工职业技术学院机械工程系毕业设计 常常 州州 轻轻 工工 职职 业业 技技 术术 学学 院院 题 目 数控机床伺服系统 故障诊断与分析 姓 名 吴 新 琴 学 号 0305641133 班 级 03数维 631 指导教师 茅 启 园 职 称 日 期 2006年 06月 06日 CCZZIILLII 毕业设计 开题报告 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 1 页 摘 要 简要介绍了当今世界数控 伺服系统 发展的趋势 ， 我国数控 机床中伺服系统 的现状 及数控机床的伺服性能。 在此基础上讨论了 FANUC-15MB数控 龙门式镗铣床 伺服系统的故障诊断。 世界上各工业发达国家还将数控 维修 列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术 应用与维护 ，而且在 “高精尖 ”数控技术关键技术 应用与维护方面对我国实行封锁和限制政策 。 通过在设备维修、技术开发、生产等多部门多方面的接触和工作，并在 几个月的设备维修和设备管理工作中不断地学习与积累大量的工作经验，现就普遍存在数控机床电气设备维修的方 法与实践上做一剖析阐述 。 关键词 ：数控设备 ， 维护保养 ， 故障分析 ， 故障 维修 装 订 线 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 2 页 目 录 第一章 数控伺服系统 3 1 . 1 伺 服 系 统 的 发 展 3 1 . 2 数 控 系 统 的 构 成 与 特 点 3 第二章 数控机床中伺服系统的现状 5 2 . 1 概 述 5 2 . 2 伺 服 系 统 的 结 构 及 分 类 5 2 . 3 进 给 伺 服 系 统 的 现 状 与 展 望 6 第三章 数 控机床的伺服系统性能 8 3 . 1 加工精度 8 3 . 2 开环放大倍数 8 3 . 3 宽范围调速 9 第四章 FANUC-15MB 数控 伺服系统的故障诊断 10 4 . 1 F A N U C - 1 5 M B 数 控 进 给 轴 的 伺 服 控 制 原 理 及 故障 10 4 . 2 F A N U C - 1 5 M B 数控同步轴组的控制原理及 故障 12 4 . 3 F A N U C - 1 5 M B 数控 的自 诊断 13 第五章 结论与建议 14 参考文献 15 附录： 伺服系统结构图 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 3 页 第一章 数控伺服系统 1.1 伺服系统的发展 （ 1） 直流伺服系统 伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流（ DC）伺服系统和交流（ AC）伺服系统。 50 年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围设备和机械设备上获得了广泛的应用。 70 年代则是直流伺服电机的应用最为广泛的时代。 （ 2）交流伺服系统 从 70年代后期到 80年代初期，随着微处理器技术、大功率高性能半导体功率器件技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性能价格比的日益提高，交流伺服技术 交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。 （ 3）交直流伺服系统的比较 直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精 度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。 交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化（ FA）等各个领域得到了广泛的应用。 综上所述，伺服系统将向两个方向发展。一个是满足一般工业应用要求，对性能指标要求不高的应用场合，追求低成本、少维护、使用简单等特点的驱动产品，如变频电机、变频器等。另一个就是代表着伺服系统发展水平的主导产品 伺服电机、伺服控制器，追求高性能、高速度、数字化、智能型、网络化的驱动控制，以满足用户较高的应用要求。 1.2 数控系统的构成与特点 目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于 T系统和 M系统，同样也有很大nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 4 页 的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋 。例如，美国 Dynapath 系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本 FANUC系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制 的数控系统。 控制系统主要由总线、 CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入 /输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成 CNC、 PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。 数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有 在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 5 页 第二章 数控机床中伺服系统的现状 2.1 伺服系统的概述 伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，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。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具 体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。 2.2 伺服系统的结构及分类 从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机 。 控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机 转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。 伺服系统不同的结构形式，主要体现在检测信号的反馈形式上，以带编码器的伺服电动机为例： 1. 方式一（见附图 2-1） 转速反馈信号与位置反馈信号处理分离，驱动装置与数控系统配接有通用性。图 2-1为 SINUMERIK800 系列数控系统与 SIMODRIVE611A 进给驱动模块和 IFT5伺服电动机构成的进给伺服系统。 2. 方式二（见附图 2-2） 图 2-2为 FANUC 数控系统与用于车床进给控制的 a 系列 2轴交 流驱动单元的伺服系统，伺服电动机上的脉冲编码器降检测信号直接反馈于数控系统，经位置处理和速度处理，输出速度控制信号、速度反馈信号及使能信号至驱动单元 JV1B和 JV2B端口中。 3. 方式三（见附图 2-3） nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 6 页 伺服电动机上的编码器同样作为速度和位置检测，检测信号经伺服驱动单元一方面作为速度控制，另一方面输出至数孔系统进行位置控制，驱动装置具有通用性。如图 2-3为由 MR-J2 伺服驱动单元和伺服电动机组成的伺服系统。 4. 方式四（见附图 2-4） 图 2-4所示数字式伺服系统。在数字式伺服系统中，数控系统将位置控制指令以 数字量的形式输出至数字伺服系统，数字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能，能独立完成位置控制。 主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。考虑伺服系统在数控机床中的应 用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性 。 2.3 伺服系统的现状与展望 伺服 系统 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 （一）步进伺服系统 步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。如果停机后某些绕组仍保持通 电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，如 500 步、 1000步、 50 000 步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。 （二）直流伺服系统 直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。 （三）交流伺服系统 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 7 页 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。 （四）直线伺服系统 直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（ Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一 切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种 “ 零传动 ” 方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达 3g以上，为传统驱动装置的 10 20倍，进给速度是传统的 4 5倍。 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 8 页 第三章 数控机床的伺服系统性能 数控机床一般由 NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统 3 部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：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。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度 ，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述。 3.1 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 0.1祄，灵敏度为 0.05祄，重复精度 0.2祄；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。 3.2 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 K20 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。 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 9 页 3.3 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 Vmina ，由于 adK ， d为脉冲当量（ mm/脉冲）； K为开环放大倍数，则 VmindK 若取 d=0.01mm/脉冲， K=301/S ，则最低速度 Vmina=300.01mm/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=1祄的条件下，进给速度从 0 240m/min范围内连续可调。 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 10 页 第四章 FANUC-15MB 数控 伺服系统的故障诊断 由于 数控系统的控制核心是对机床的进给部分进行数字控制，而进给是由伺服单元控制伺服电机，带动滚珠丝杠来实现的，由旋转编码器做位置反馈元件，形成半闭环的位置控制系统。所以伺服系统 的故障 在数控机床上起的作用相当重要 。以下以 FANUC-15MB 数控龙门式镗铣床 为例。 4.1 FANUC-15MB 数控进给轴的伺服控制原理及 故障 (1)控制原理 FANUC-15MB 数控系 统是高品质、高性价比的 CNC 系统，具有丰富的控制功能，进给伺服轴采用数字量控制，能够实现多轴联动。机床的 FANUC-15MB 数控系统，控制机床的 8 根进给伺服控制轴，采用数字式全闭环伺服控制方式，其控制核心是进给伺服轴控制系统的位置环、速度环和电流环，机床的全闭环进给轴伺服控制系统的结构框图如图 4-1 所示。 图 4-1 全闭 环进给轴伺服控制系统结构图 全闭环进给轴伺服控制系统是一个双闭环伺服控制系统，内环是速度环，外环是 位置 环。速度环中用于速度反馈的检测装置装在伺服电机末端，与伺服电机同轴安装的光电式脉冲编码器直接进行数字测速，反馈至 CNC 系统的控制单元。位置控制环的位置检测传感器为高分辨率的金属反射光栅尺或玻璃盘圆光栅编码器，位置控制环主要对机床的运动坐标轴进行高精度的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格的要求，而且在多轴联动时，要求各运动轴之间有很好的动态配合，位置控制模块除了完成理论位置 (插补指令 )与 反馈的实际位置相比较的处理外，还要完成位置回路的增益调整，同时将位置偏差作为指令速度控制命令 (VCMD)发往速度控制单元，由速度控制单元按 VCMD 数值大小，控制伺服电机的速度。进给轴伺服控制系统采用计算机数字处理，输出也是数字量控制，机床的进给轴伺服控制，能够进行轴控制跟踪波形的屏幕显示，便于现场进行进给轴伺服控制的动态调试。 nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 11 页 (2) 常见故障 1） 工作台振动和爬行的 故障 数控龙门式镗铣床工作台 (X 轴 )的驱动系统采用双蜗杆、双齿轮和齿条驱动，工作台导轨的润滑采用有压力和温度补偿控制组成的液压轴承，液压轴承 的油膜厚度为 0.02 0.04mm ，工作台 (X 轴 ) 的 进 给 伺 服 控 制 系 统 ， 选 用 海 德 汉(HEIDENHAIN)LB301 增量式直线金属反射光栅尺作为 X 轴的全闭环伺服控制系统的位置反馈器件，此直线光栅尺的输出信号为 A、 B 两相的正弦波电流信号，相位差为 90，用于产生计数脉冲， A、 B 两相的相位次序用以辨别 X 轴的移动方向，并且增量式直线光栅尺全程有 1 个参考零点脉冲信号。 当机床在加工 50t重 (机床工作台最大载重量为 70t)的 6缸柴油机箱体过程中，每当工作台进给启动时 (有时在工件的加工切削过程中 )，工作台的运行会出现振动和爬行，直接影响了加工件的表面加工精度。 造成工作台启动时的振动和爬行，是与工作台负载的变化、工作台机械传动间隙、导轨润滑的液压轴承油膜厚度、轴伺服控制系统的控制参数等诸多因素有关。工作台重载时，会引起伺服电机轴上的转矩、导轨动静摩擦的变化，因此，要消除这些扰动力矩对启动时的影响和抑制工作台运行时的共振，必须对数控系统的伺服控制参数进行适当的调整，对进给轴伺服控制系统的前馈扰动力矩进行补偿。首先增加数控系统的轴伺服控制动静摩擦的补偿功能 (FANUC-15MB 数控系统的轴伺服控制动静摩擦补偿功能参数是 No1883、 1964、 1965、 1966 等 )；其次是增加伺服控制传动间隙补偿功能，即轴伺服控制 250s 加速反馈功能，数控系统的伺服控制参数是 No1894，以尽可能地消除前馈各种扰动力矩。调整数控系统的轴伺服控制参数No1825 位置增益数值 (此值可影响数控机床的轴控制精度，特别在多轴联动时 )，只有使每根联动轴伺服控制参数的位置增益数值保持一致，才能保证工件轮廓的加工精度。对轴伺服控制参数 No1855 积分增益的数值和 No1875 速度增益 (负载惯量比 )的数值进行适当调整，特别是负载惯量比的数值，对于工作台重载启动时 ，设定较小值可以避免出现工作台启动时的共振现象。经过以上数控系统轴控制参数的调整，工作台启动时振动和爬行状况明显减少。 当对工作台导轨的直线度和平行度等重新进行了机械调整后，使机床工作台全程的平面度达 0.04mm/8 000mm、直线度达 0.03mm/8 000mm；同时调整导轨润滑的流量控制开关，使机床工作台液压轴承的油膜厚度达 0.03mm，这时，机床工作台在 70t 工件重载启动和运行时， X 轴的伺服控制动态实时跟踪曲线较好，没有出现振动和爬行的现象，机床工作台的运行满足了机加工的切削要求。 2） 万能附件 头 B 轴 故障 数控龙门式镗铣床万能附件头 B 轴选用海德汉 (HEIDENHAIN)ROD250-18000nts 毕业设计用纸 共 15 页 第 12 页 增量式角度圆光栅编码器作为 B 轴全闭环伺服控制系统的旋转位置反馈器件，此增量式角度编码器的输出信号为 A、 B 两相的正弦波电流信号，相位差为 90，用于产生计数脉冲， A、 B 两相的相位次序用以辩别 B 轴的旋转方向， Z 相是一转脉冲信号，作为 B 轴机械参考零点的位置信号，位置角度编码器与万能附件头的旋转头同轴安装。 万能附件头主轴齿轮拆卸更换后，对 B 轴的旋转位置角度编码器进行了重新安装，当机床开机后， B 轴 回零 找不到机 械参考零点，并且系统屏幕上出现了 B轴脉冲编码器没有连接 (SV015 B PULSCODER DISCONNECT)、 B 轴脉编码器零点返回无效(PS200 B PULSCODER INVALID ZERO RETURN)等报警信息。经检查，数控机床内的相关伺服控制参数设置无误；在手动方式下，万能附件头 B轴能够进行旋转，并显示 B轴角度的坐标值。而产生报警的原因，一是由于位置角度编码器的反馈信号控制线中， Z相 1根信号控制线虚焊；二是在设定的低速旋转位置角度 (30 左右 )检测范围内，没有出现 Z 相一转零点脉冲信号。在 重新调整 B 轴位置角度编码器的 Z 相一转脉冲信号位置后，使其出现在设定的低速旋转位置角度的检测范围内，并将通过测试样棒和百分表测量出的 B 轴机械参考零点与机械垂直位置的角度误差数值，输入数控系统的 B轴伺服控制参数 No1850内，作为栅格偏移量 (GRID SHIFT)。于是机床开机后附件头 B 轴重新回零，其机械参考零点位置出现在机械垂直位置处，旋转角度也满足 100 的旋转行程范围，万能附件头 B轴恢复正常使用。 4.2 FANUC-15MB 数控同步轴组的控制原理及 故障 (1)控制原理 FANUC-15MB 数控系统 伺服同步轴组的控制轴一般由 2 根伺服控制轴 (主动轴和从动轴 )组成， 2 根伺服控制轴有同步激活、同步驱动的功能，一直处于激活的状态，有同步运动的模式，所有发送到主动轴的运动指令，在 JOG 手轮、增量运动、MDI 和启动等各种方式下，都将使从动轴同步移动，在系统屏幕上，有伺服同步轴组的轴位置数值和轴伺服动态跟踪数值显示等；在同步驱动控制中，数控系统一直检查 2 根伺服轴的