数控机床跟踪误差大故障分析与排除

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图 ２ 指 令 与 实际 速度 曲 线对 比 图 ４ 跟踪误差大故 障成 因分析 数控机床 中跟踪误差大是一个较为复杂的问题 ， 其故障原因多种多 样， 看似毫无规律可循。 但从 跟踪误差大报警机理出发， 可以知道跟踪误 差 大报警 条件可 以简单描 述为 ：控制 指令值 一实 际反馈值 ｌ Ｉ ＞允许 误 差， 确定排除此类 故障的三条主线 ： 指令值过 大 、 实际反馈值过小或允许 误差过小。 １是 否为允许误差过／ ） ｂ？
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２ １ 年第 １ 期 ０１ ２
民 科技 营
数控机床跟踪误差 大故障分析 与排除
张 勇 吕家 将 ｚ
（、 １ 九江职业技术 学院继续教 育部 ， 江西 九江 ３２ ０ ２ 九江职业技 术学院机械工程学院， ３００ 、 江西 九江 ３ ２０ ） ３ ０ ７
摘 要： 现从跟踪误差概念入手 ， 深入 浅出地 阐述 了跟踪误差产生机理 ， 并据此进行跟踪误差 大故 障成 因分析 ， 最后 用“ 排故五 步法” 示范跟 踪 误 差大故障排除过程 。 关键词 ： 跟踪误 差； 位置环 ； 故障诊 断； 步法 五 数控机床加工 时 ， 经常会出现跟踪误差过 大的报警 ， 探究其故 障机 所 以， 我们需要人 为的确定一个极 限值作 为最大跟踪误差 ， 超过此 极限 理 ，找到快速有效 的排除此故障的方法与思路就 是本 文所要讨论 的内 值 ， 机床就报警 ， 避免产 品的成批报废 ， 最大跟踪 误差 的设定 与加工 零件 容。 的位置与形状 的精度有密切关系。
１ 什 么是 跟 踪 误 差 ？
为了保பைடு நூலகம்加工精度 ， 目前的数控机床一般采取 了三环结构的伺服系 统， 系统实际位移值被反馈 到数控 装置或伺服驱动 中， 直接 与输 入的指 令位移值进行 比较 ， 用误差进行 控制 ， 最终实现移动部件 的精 确运动和 定位。所谓跟随误差 ， 是指伺服系统发 出的指令位置与系统输出的实际 位置之 间的动态误差 ， 其大小反映 的是当前采样周期 ， Ｃ指令位置值与 Ｎ 坐标轴实 际运行值之间的差值 。 到底 ， 说 跟踪误差与位置有关 ， 了 究 为 研 跟踪误差 ， 就少不得理解位置环 的工作原理。 位置环 的结构简图如图 １ 所示 ， 其核心为位置偏差计数器。Ｐ 来 自 ｚ 于Ｎ 。 Ｃ 这是 Ｎ Ｃ根据输入数据经过插补计算及刀补计算 ， 速度的均化等 处理 ， 向各轴发出的脉 冲， 个数代表距 离 ， 频率代表速度 ， 于位 置偏差 对 计算器而言， 是加计数。 ｆ 自于脉 冲编码器的反馈脉冲， Ｐ来 个数代表工作 台运行 的实际距离 ， 频率代表电机旋转速度。 它通过同步， 四分频等控制 和转换 后送到偏差计算器中去 ， 是减计数。 在每个采样周期 内， 置偏差 计数器得到一个数 ， 位 这个数就 是跟踪 误差 ， 表示 Ｎ Ｃ要求这个轴运行的距 离还有 多少 没有走 出去 。数 大表 明 实际运行距离与 Ｎ Ｃ要求 运行 距离差得远 ， 望坐标轴 走快 点 ， 以这 希 所 个数经过 ＤＡ转换 ， ／ 转换为模拟量去控制 电机速度。数小 表明 目前距离 目 标近 ， 就要慢慢接近 目 ， 标 最后准确停车。
图 １位 置 环 结 构 简 图
这很 简单 ， 直接检查参数【 最大跟踪误差 】 是否合理 ？ ２ 是否指令值过大？ ） 首先程序里速度值不能太大 ， 注意倍率开关是 否恰 当？ 另外 ， Ｎ Ｃ Ｃ装 置或控制器损坏或受干扰也有可能导致指令值受影响 。 ３ 实 际反馈值过小？ ）
从 图 ２可以知道 ， 加速度越小 ， 最大跟踪误差值越大 ， 如果报警发生
２ 跟踪误 差数值计算
就要考虑是 否加速度不够快 ， 调节相 应 当进给系统获得一个按恒速 Ｆ 进给的位移指令 时， 执行部件 的速度 在轴还 没有完全 转起 来的时候 ，
并不 能立即到达指定 的速度值 Ｆ， 而要从零逐渐上升 到 Ｆ值 ， 以后就稳 关加减速参数 ； 定在此速度上运行， 当到达位置指令位置 时， 指令速度马上下降为零 ， 但 当然 ， 如果反馈环节 出现问题 ， 例如反馈信 号线脱 落 、 信号线 连接 不 良、 传感器的污染或损坏将导致反馈信号 的丢失 、 等 ， 导致 跟踪 滞后 必然 实际速度 只能逐渐下降为零 ， 其速度轨迹线如图 ２ 所示 。 为了计算和控制方便 ， 跟踪误差 的大小一般按采样 周期的增 量方式 误差增长很快 ， 最终发出相关报警 ； 还有一种可 能是 ， 由于伺服驱动 、 电机 本身 的问题或者 由于负载 过 进行计算 ， 设在 ｔ ｉ 时刻开始进行第 ｉ 周期的迭代计算 ， 计算公式为 ： Ｅ． 一Ａ Ｄｎ ：Ｅ １ ＋Ａ Ｄ 大 ，出现 系统输 出正常 ，而 电机转速不够 的问题 ， 将会导致系统在 也 Ｐ＞ ｆ ｚ Ｐ 情况下稳定运行 ， 时间长 了， 也必然造成跟踪误差大报警 ； 式中Ｅ ——本次迭代 中所计算的跟踪误差 ； 当然 ， 坐标轴相关接线端子是否松动 ， 各 也不可忽略掉 。 Ｅ ——上一次 １ ． ｓ Ｏ ４ｍ （ ２ 采样周期） 迭代中所计算的跟踪误差 ； △Ｄ ——本 次迭代 中所 读取 的在 上一次 １ ． ｍｓ ０２ ４ 中运 动的实际位 还有一点不可忽略的是 ：因为跟踪误差 ＝进给速度 ／ 位置环增 益 ， 所 以在不引起振荡的前提下 ， 提高位置环增益参数 Ｋ 也可以达到减小 Ｖ， 置 增量 （ｎ 影 部分 ） ｆ阴 ； △ 上一次 迭代末为本 次 １ ． ｍ 周期算 得的坐标 轴位置增 跟踪误差的 目的。 ｎ一 ０４ｓ ２ 量（ａ ｆ 阴影部分 ） 。 ５ 跟踪误差大故障诊断实例 从 图中很容易看到 ， 速度 曲线分为加速区 、 稳定 区和减速区。 开始加 以维修某机床跟踪误差大故障实际过程为例 ， 按照 “ 勘察 （ 现场故 障 速阶段 ， ＞ ， ｆ ｆ 每个采样周期 Ｐ＞ ｆ ｏａ ｚ Ｐ， 跟踪误差不 断加 大 ； 稳定阶段 ， ＝ａ 调查 ） ｆ ｆ ｏ ， ～计划 （ 拟订排障方案 ） 一诊断（ 进行故 障定位 ） 一维修 （ 解决发现 一试机（ 校验机床是否正常 ）五步故障维修Ｔ作法进行排故 。 ” 每个采样周期 Ｐ＝ ｆ ｚＰ ， 跟踪误差保持不变 ， 速阶段 ， ＜ ， 而减 ｆ ｆ 每个采样周 故 障） ｏａ 期 Ｐ ＜ ｆ跟踪误差不断减小直至为零 。 ｚＰ ， 故障现象 ： 台处 于正常使用期 的配置 Ｆ Ｎ Ｃ Ｏ 系统 的立式 铣 一 Ａ Ｕ ｉ ３ 跟踪误 差大概念 床， 一驱动 Ｚ轴就出现 ３ 号报警。 １ 勘察 ： ） １ 查维修手册 ，３ 报警内容 ： ＃１ 跟踪误差大。２ 重复操作 ， ） 伺服 跟踪误差大是一种报警措施 ， 当某个采样周期 的跟踪误差大 于系统 故 ３ 周围无干扰源 、 电网正 常 ， 环境与机床外 设 定的允许误差 时 ， 系统就会 出现跟踪误差大报 警 ， 那么跟踪误差大 的 驱动器指示灯亮 ， 障依 旧 ； ） 貌无异常 。 界限是什 么呢？