伺服控制示意图分析在数控机床维修中的应用

伺服控制示意图分析在数控机床维修中的应用
现代数控机床伺服系统常采用全闭环或半闭环控制系统，而且是三环控制。

由里向外分别是电流环、速度环、位置环。

图1为典型的全闭环伺服系统控制方式示意图。

图1典型的全闭环伺服系统控制方式示意图
通常，电流反馈由电流互感器或串在电动机电源上的电流检测器构成；速度反馈由测速电机或电机编码器构成；位置反馈由光栅尺、磁栅或旋转编码器构成。

在遇到机床各进给轴或主轴运动故障时，依据图1所示控制流程，并巧用交换法或排除法，可以判断大部分反馈或与反馈有关的前向通道的控制故障以及部分机械传动方面的故障。

以下通过我厂几台设备的故障实例来进行分析。

一、SA6/3000三米数控外圆磨床X轴、TZ2916数控镗铣床B轴产生轨迹误差监控报警
SA6/3000三米数控外圆磨床采用FAGOR8055数控系统，其故障现象是：手动移动X轴时，该轴高速移动，然后报警。

但是在利用操作面板上的1μm按键移动时，X轴平稳移动，但不停止，且跟随误差始终为1μm。

由此可推断，驱动装置及伺服电机均正常，由于跟随误差不能随X轴移动而消除，可大概确定无位置反馈信号。

至于故障现象，可以通过图1得到解释，由图1可知Δθ=θr-θf，手动移动X轴时，θf为0，θr不断增大，则Δθ不断增大，Vr=Kθ*Δθ就变得很大，造成电机快速移动，直至Δθ超出允许值，产生轨迹误差监控报警。

若
用1μm按键移动时，由于Δθ=θr=1μm，可知跟随误差始终不变，Vr=Kθ*Δθ= Kθ/100，因而X轴能平稳移动，且Δθ也未超出误差允许值，机床不会报警。

将Z轴位置编码器与X轴位置编码器互换后，X 轴恢复正常，Z轴出现相同故障，因而确定X轴位置编码器出故障。

同理，TZ2916数控镗铣床B轴是在厂方数控机床维修员维修B轴工作台齿圈时，出现B轴轨迹误差监控报警，运用上述方法，确定B 轴旋转编码器可能出故障。

经过向其修理人员询问，才知他们为了数控机床维修方便，将编码器拆了下来，但又想让B轴转动，便于数控机床维修，因此发生了此故障。

但是，为了让B轴转起来，在将电机编码器进行信号倍频后作为位置反馈信号提供给数控系统，如图1虚线①所示，从而满足了闭环要求（半闭环），使B轴转了起来。

二、BP200数控镗铣床X轴剧烈抖动，产生静态误差监控报警
某台进口BP200数控镗铣床X轴移动时剧烈抖动，产生静态误差监控报警。

从图1应该看出，其Δθ和ΔV应该是或大或小、或正或负的，而事实上也确实是这样，从实际状态值也反映了这一点。

首先从位置环考虑，由于θr是稳定的，且θf由于X轴的剧烈抖动，数据变化应该是无规律的，因而Δθ=θr-θf是异常的。

但是也不排除测量系统本身故障而输出异常数据，导致抖动产生。

我们采用代换法分别排除了钢尺及读数头的故障嫌疑，确定了测量系统没有问题。

分析图1控制原理，我们假设一开始Δθ过大，造成Vr=Kθ*Δθ很大，电机快速移动，又造成θf迅速增大，且超过θr，使得Δθ<0, Vr<0,电机又反向移动。

这样，就形成了抖动。

那怎样才能使得Δθ无端地变大呢？经过分析，只有齿轮间隙可造成Δθ变大，经检查传动部分，确实有不小的间隙存在，排除此间隙后，机床恢复正常。

三、EC-300数控镗铣床Z轴移动出现大的偏差，但没有报警
美国HAAS公司EC-300数控镗铣床Z轴曾经出现给出移动1mm 指令，实际只移动了0.3mm，再继续向前移动，又能保证1mm的移动距离，且机床没有报警。

初步分析，是由反向间隙造成的，但是，又怎么会有0.7mm这么大的反向间隙呢?若按照图1分析, Δθ如此之大,机床Z轴应以非常快的速度移动,并产生报警。

通过检查，我们发现
该机床是通过电机编码器给出的位置反馈，如图1虚线①所示。

通过此种半闭环控制方式以及机床无报警现象，我们分析，其控制前向通道及反馈系统应该没有问题，应该是闭环以外的部分出现问题，并根据其机械传动结构，判定滚珠丝杠有轴向窜动，用百分表测量，确实是滚珠丝杠出现轴向窜动，经处理后故障消失。

这就是半闭环与全闭环的不同之处，若该机床采用全闭环控制方式，如此大的位置偏差，机床是会报警的。

四、BP200数控镗铣床Y轴电机啸叫，而后产生电机编码器报警
该故障现象发生时，经常是发生在Y轴静止时，并且从实际状态值可以看到电机速度实际值大幅上升，然后报警。

由于是在静止状态，一开始，我们怀疑电机啸叫是由于电机速度实际值非正常上升引起，而电机速度实际值上升可能是由于编码器电缆受电磁干扰所致，因此另找一根屏蔽电缆试验，故障依旧，因而排除了电磁干扰的原因。

后来我们发现电机啸叫时，有高频振动现象。

因此，我们分析，电机编码器出错是由电机高频振动造成的，而电机速度实际值的非正常上升也是电机高频振动的实际反映。

由于该电机时而也能正常工作，故电机编码器应该没有问题。

我们又将电机脱开负载，改为半闭环工作，故障依旧，从而排除了机械方面的原因。

那么很有可能是速度环参数匹配的问题。

由图2可知，速度环参数速度增益值Kp过大（L1曲线），很容易造成速度在调节时间内稳定不下来。

在适当降低Kp值后，电机啸叫现象消失。

当然，若轴的增益做了大幅度调整后，可能会影响插补精度，需要将联动轴相同参数都作相应改动，方可保证加工精度。

五、PD16数控平面钻床Y轴偶而快移，并产生41#跟随误差报警
PD16数控平面钻床曾经发生Y轴快速移动，数控系统产生41#跟
随误差报警，但是伺服驱动器未产生任何报警。

该驱动器如图1虚线框所示，其接受NC系统给出的速度命令，并将电机编码器反馈的速度信号处理后送回NC系统作为位置反馈信号。

由故障现象可得: Vr增大是由于Δθ增大, Δθ增大是由于NC系统未接收到θf数据所致,由于伺服驱动器未产生任何报警，判定故障发生在速度信号倍频处理、反馈通道或NC系统位置信号接收或处理部分，即虚线①处。

经检查，为伺服驱动器θf数据输出接口处有接触不良现象，处理后故障不再发生。

六、结束语
综上所述，同样的现象，故障原因不尽相同。

虽然在闭环或半闭环系统中任何一个控制或反馈环节的错误、或者是机械方面的错误都可能造成上述类似现象，但是，只要认真思考，并充分利用伺服控制示意图，就能定性地将故障部位大致确定。

通常，如果是一台新设备，频繁出现某种运动故障，很有可能是参数匹配方面的问题。

若是一台旧设备，出现某种运动故障，极有可能是外部原因造成的。

根据从数控机床维修多年经验，遇到各种运动故障，切忌盲目动手，应先根据控制示意图进行分析，先易后难，先电气后机械，例如从接口→测量元件→驱动模块→机械部件的顺序进行检查，另外，电磁干扰、电源也可能造就此类故障。

当然，上述方法仅仅是控制理论与实践经验相结合的一个总结，不可能解决所有的问题。

这还需要数控机床维修人员对数控系统的运动控制方式有较深的认识，以及多方面的知识，而且更要善于归纳总结。