关键词： 机床
机床进给（精选九篇）
机床进给 篇1
关键词：大型机床,进给系统,机构创新,双轴输出
0引言
机床进给系统一般采用齿轮传动、同步带轮传动、丝杠联接三种方式来完成电机与机床间的运动传递。齿轮传动传动比稳定,效率高,结构紧凑,工作可靠,寿命长,缺点是要求较高的制造和安装精度,不适宜远距离两轴之间传动;同步带轮传动传动比准确,但其制造和安装精度要求较高,中心距要求较严格;丝杠联接传动精度高,运动平稳。
对于大型机床而言,机床进给拖板行程长,采用丝杠联接,需要制造长丝杠。丝杠长度越长,为保障拖板全行程上的传动精度,丝杠单位长度上的精度要求也就越高,其制造费用必然相应增加。同步带轮传动同样受限于安装长度,一般较少采用。在此研究使用齿轮与齿条传动的方式实现长行程进给系统的传动。
1大型机床进给系统研究现状
大型机床尤其是数控机床,对机床进给传动精度要求高,大量的研究着眼于提高机床的进给系统传动精度,包括进给系统消除齿轮传动间隙的方法、提高定位精度的研究、选择进给系统滚珠丝杠副的方法、数控化改造普通机床的效益、进给系统双丝杠驱动间隙补偿方法研究、进给系统爬行分析、数控机床进给系统热特性分析等等,而着眼于提高系统经济性及针对进给系统齿轮传动的研究较少。
进给系统齿轮传动方式通常采用减速器传动降速,带动齿条传动最终带动机床进给拖板。对于大型机床而言,一般加工零件体大,输出端转矩需求大,使用减速器能够达到增大转矩的作用。大型机床使用减速器一般为达到输出端大承载力、大转矩的要求,需加大齿轮模数,增加传动级数,这样处理的结果是减速器的体积非常大,效率低,且费用随之增加[1]。大型减速器由于制造工艺上的缺陷,普遍存在寿命不长的缺点,且有非常高的设计与研究要求。
体积变小,传动速度变快,传动噪声降低,可靠性增强是国际齿轮装置的发展方向[2]。德国、日本等工业发达国家在减速器的材料处理、可靠性、制造工艺等方面研究建树多,而在减小体积、减轻重量方面的研究较少[3]。在此将从经济性、机构改进角度着手开展对大型机床进给系统的研究。
2大型机床双轴输出进给系统研究
大型机床具有输出最大扭矩大,进给行程长,移动速度要求高,定位精度及重复定位精度等级高等特点。进给行程长度长,若使用丝杠传动,对丝杠制造精度等级要求非常高,考虑使用进给齿轮箱来实现传动。传动系统设计时,需提高传动齿轮模数,增加齿轮传动级数来提高系统承载力,但如此处理,将大大增加齿轮箱的体积,受限于工作台下的安装空间,甚至会出现无法正常装入的情况。齿轮箱输出端采用斜齿轮输出并与齿条啮合,齿条固定安装在机床导轨侧面。
为了减少齿轮模数,缩小齿轮箱体积,在此提出双轴输出进给系统方案,并研究方案的可行性及需要解决的问题。双轴输出进给系统采用单根轴联接电机从齿轮箱输入,两根轴输出作为承载力端,与齿条啮合用于拖动机床进给拖板。
2.1大型机床进给系统承载要求
一般大型机床输入扭矩可达100 N·m,最大输入转速达1 000 r/min,输出最大扭矩可达12 000 N·m,X向进给移动速度需达3 m/min。以此作为基础数据,以减小减速器尺寸为基本原则进行估算,可得进给系统主要输出零件参数。输出前一级齿轮:mn=7,齿轮1直径接近200 mm,齿轮2直径接近500 mm。输出级齿轮:mn=10,直径接近200 mm。可见,输出齿轮尺寸大,造成齿轮箱尺寸随之增大。对受力进行估算,齿轮箱的输出轴需采用悬臂梁结构,悬臂梁受力合力超过130 000 N。巨大力的作用会使得输出轴产生很大的挠度和转角,啮合齿轮载荷集中,承载能力下降,造成啮合精度降低。采用高刚度悬臂梁,会进一步增加齿轮箱尺寸。
2.2双轴输出进给系统方案
如图1所示,使用两根输出轴啮合一根齿条,可由两根输出轴均分机床工作拖板所需承载力,从而大大减小输出轴的承载力。双轴输出进给系统两根输出轴可使用两种结构进行布置,一是两根输出轴承载作用完全一致,二是两根输出轴在承载力上有主次之分。有主次之分的结构,两根输出轴受力不均,有一主输出轴承担更多的承载力,对结构设计不利,一般考虑较少。
2.3双轴输出进给系统难点问题
双轴输出进给系统可极大减少输出轴的承载力,但在应用过程中需解决一些实际问题。两根输出轴共同啮合同一根齿条,必须保证两个啮合点之间的距离完全相同,但实际上齿轮和齿条均有制造误差。齿轮加工精度等级一般为5~6级,经过专门工业处理的齿轮,也可最高达到4级精度[4],但价格昂贵。若按6级精度计,齿距累积偏差可达0.04 mm。齿条加工精度等级一般为6~7级,按照6级精度计,齿距累积偏差可达0.04 mm。在机床长导轨安装齿条时,无需采用一根齿条安装到底,对比丝杠,节省了大量的制造费用,但同时使其产生了安装误差。综合制造误差和安装误差,误差累计后会增大两根输出轴与齿条两个啮合点之间的距离变化。
因此,由于误差的作用,双轴输出进给系统无法保证两根输出轴与齿条啮合的两个啮合点之间的距离完全一致,轻者会由于弹性形变造成的附加力长期作用,影响系统寿命,重者发生断齿。
2.4双轴输出进给系统难点问题解决
(1)提高齿轮、齿条的制造精度。但使用高精度齿轮、齿条会大大增加制造费用,与双轴输出进给系统研究初衷违背。
(2)安装差速装置。在减速器传动轴中安装差速装置,差速装置可由成对锥齿轮、轴套等基本零件构成,差速装置公转承担承载力,差速机构锥齿轮对之间的相对转动可平衡两根输出轴与齿条啮合的两个啮合点之间的距离变化,从而平衡弹性形变产生的力。
3双轴输出进给系统使用场合
双轴输出进给系统对于提高系统设计经济性有重要意义。
中国多数中小型企业都面临设备升级,旧有普通设备已经无法满足现代零件体的精度要求,但报废普通设备,直接购买数控设备显然不可取。本文研究系统可用于旧有设备的数控化改造。
4结语
双轴输出进给系统着力于创新机械传动机构。市场调研后发现,现有的双轴输出机构均为两根输出轴完全同步联动,各自带动独立的下设结构运动,相当于两台机构的合二为一,并未起到降低输出轴承载力的作用。双轴输出进给系统在经济性、进给系统体积等方面都很有前景。
参考文献
[1]张锦桥.滤波减速器的设计与分析[D].重庆:重庆大学,2006.
[2]Blankenship G W,Singh R.Dynamic force transmissibility in helical gear pairs[J].Mechanism and Machine Theory,1995,30(3):323-339.
[3]鳌头传动.减速机与减速器在工业发展中的作用[EB/OL].[2008-7-13].http://www.aotoudrive.com/?contentid=150.
机床进给 篇2
摘 要：数控机床和数控系统在工作时常出现由于伺服进给系统原因造成的机床故障，此类故障出现的常见形式有超程、过载、工件尺寸无规律偏差等。针对这些典型故障现象，采用一定的机床维修技术，减少此类故障的发生率。
关键词：伺服进给系统；精度；伺服电动机伺服进给系统常见故障形式
1.1 超程
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除超程。
1.2 爬行
一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。
1.3 窜动
在进给时出现窜动现象，其可能原因有：
1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；
2、位置控制信号受到干扰；
3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。
1.4 过载
当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以自行诊断出来，并在 CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。
1.5 伺服电动机不转
当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床 PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，观察如润滑、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。伺服进给系统常见故障典型案例分析
（1）一台配套FANUC 7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。
为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：
①电动机负载过重；②机械传动系统不良；③位置环增益过高；④伺服电动机不良，等等。
维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。
（2）一台配套FANUC 6ME系统的加工中心。轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。
分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。
检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。
在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。
（3）一台数控铣床，采用FUNAC 6M系列三轴一体型伺服驱动器，开机后，X轴工作正常，但是手动移动Z轴，发现在较小范围内，Z轴可以运动，但继续移动Z轴，系统出现伺服报警。
分析和处理过程：根据故障现象，检查机床实际工作情况，发现开机后Z轴可以少量运动，不久温度迅速上升，表面发烫。
分析引起以上故障的原因，可能是机床电气控制系统故障或机械传动系统不良。为确定故障部位，考虑到本机床采用半闭环结构，维修时首先松开伺服与丝杠的连接，并再次开机实验，发现故障现象不变，故确认报警是由于电气控制系统不良引起。由于机床Z轴伺服带有制动器，开机测量制动器的输入电压正常，在系统、驱动器关机的情况下，对制动器单独加入电源进行试验，手动转动Z轴，发现制动器松开，手动转动轴平稳、轻松，证明制动器工作良好。
为了进一步缩小故障部位，确认Z轴伺服的工作情况，维修时利用不同规格的 X轴在机床侧进行互换实验，发现换上的同样出现发热现象，且工作时故障现象不变，从而排除了伺服本身原因。
为了确认驱动器的工作情况，维修时在驱动器侧，对Z轴的驱动器进行互换实验，即将X轴驱动器与Z轴伺服链接，Z轴驱动器与X轴连接。经实验发现故障转移到X轴，Z轴工作恢复正常
根据以上实验，乐意确认以下几点：
①机床机械传动系统正常，制动器工作良好；
②数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警；③Z轴伺服工作正常，因为将它在机床侧与X轴互换后，工作正常；
④Z轴驱动器工作正常，因为通过X轴驱动器在电柜侧互换，控制Z轴后，同样
发生故障。
综合以上判断，可以确认故障是由于Z轴伺服的电缆连接引起的。
仔细检查伺服的电缆连接，发现该机床在出厂时电枢线连接错误，即驱动器的L/M/N端子未与插头的 A/B/C连接端一一对应，相序存在错误，重新连接后，故障消失，Z轴可以正常工作。
（4）一台配套FUNAC 6ME系统的加工中心，X轴在静止时机床工作正常，无报警；但在X轴运动过程中，出现振动，伴有噪声。
分析与处理过程：由于机床在X轴静止时机床工作正常，无报警，初步判定数控系统与驱动器无故障。考虑到X轴运动时定位正确，因此，进一步判定系统X位置环工作正常。检查X轴的振动情况，经观察发现，振动的频率与运动速度有关，运动速度快振动频率较高，运动速度慢则振动频率低，初步认为故障与速度反馈环节有关。分析引起以上故障可能的原因有：
①测速发电机不良；②测速发电机连接不良；③直流伺服电动机不良。
数控机床进给系统常用消隙结构分析 篇3
【关键词】消隙；进给系统；齿轮齿条；滚珠丝杠
在使用数控机床进行零件加工时，虽然工作效率及零件统一性均有所提高，但是也存在着一些问题，机床间隙就是严重影响零件加工精度的重要因素，因此要采取合理的措施进行机床消隙，提高加工精度。现今的机床消隙结构可大致分为滚球丝杠传动和齿轮齿条传动方式两种，下文将对各种方式中不同结构的消隙原理及特点进行阐述。
一、滚珠丝杠传动
做为一种较为常用的传动方式，滚球丝杠传动通常情况下具有传动效率高、运动更加平衡、灵活性高、使用寿命长等诸多的特点，但是在其本身DN参数值及极限转速等因素的局限，这一技术通常只在中小行程的数控机床中得到使用。
1.双螺母消隙丝杠
双螺母消隙丝杠结构属于滚珠丝杠范畴之内，其结构由两个螺母及一个调整垫片共同构成，如图1所示。以预知机床运动精度、切削抗力等因素的前提下，将预紧力提前计算出来，并通过对调整垫片厚度的选配，使得两上螺母之前产生方向本反的预紧力，从而使两个螺母、丝杠以及滚球均实现轴向移动，从而实现消除丝杠间隙的最终目的，也相应的提高了丝杠的刚性。
该结构是我国现用的丝杠传动机床中较为常用的一种消隙结构，其具有结构简单、调整方便、便于维修等诸多优点，特别是当丝杠使用的时间较长，产生了一定程度的磨损，且间隙有所增大时，也不用重新更换设备，只要将垫片进行重新配制后，使可继续使用，并能够保证原有的精度。但其也存在一定的缺点，由于相较于其它结构多出了中间垫片这种结构，使得这种消隙结构的螺母长度在诸多的丝杠类结构中是最长的一种。
2.复合螺母消隙丝杠
复合螺母消隙丝杠的工作原理十分接近于双螺母丝杠预紧结构，只有其使用的是变位导程预紧方式。该预紧方式是在由CNC控制的高精度外圆磨床磨削工作进程中，在对分界面处导程△P值进行控制的过程中，使滚球的两个循环与一个螺母及丝杠形成反向位移，从而得到预紧力而消除间隙。该结构有效的消除了双螺母结构存在的形位误差，使得整体的螺母结构更为紧凑，质量变轻，结构较为简单，可以满足一定的加工精度要求。但是这种结构不适用于加工精度要求较高的数控机床设备，长时间使用造成磨损后精度下降，维修复杂，且只有更换螺母才能完成维修。
3.低预紧无间隙单螺母丝杠
这种结构丝杠滚道截面为双圆弧型式，丝杠滚珠尺寸比螺母和丝杠滚道所构成的双圆弧直径稍大，这时滚珠会与螺母和丝杠产生小过盈配合，有四个接触点，通常称这种接触为“X式接触”。为保证装配的方便，这个过盈值一般不会很大，因此螺母的预紧力小于前两种结构，结构也比较简单，螺母长度最小。由于这种丝杠接触点多，运行时温升和磨损较大，一般常用于机床垂直轴或者倾斜轴。
二、齿轮传动
齿轮传动方式的消隙结构的应用范围更为广泛，其不但可以应用于大行程直线进给系统的消隙工作中，也能够完成回转系统的消隙任务。该结构的理论设计中本应该不存在侧隙，但在实际的加工中，为了达到补偿加工及安装等工序带来的尺寸误差，避免卡死情况的发生，必须在轮齿的非工作面上预置一定的齿间侧隙，以避免因误差或热变等而造成的轮齿卡死现象的发生，除了这项作用外，这些侧隙的存在还能够为润滑油膜提供存在空间。侧隙的存在虽然起到了一定的有利作用，但使用机构反转时会存在空程，使得机构无法实现准确定位，因此要采用一定的消隙机构来消除或缩小侧隙，使侧隙带来的不利影响降到最低。齿轮消隙的一般原理是，使用两组齿轮分别接触齿条的前后齿面，消除传动间隙。
1.双片斜齿轮轴向弹簧消隙
本结构是在传动轴上同时安装齿轮和齿轮，两齿轮通过平键轴向固定，两齿轮中间装有弹簧，将两个齿轮涨开，使两齿轮间留有余量。然后通过端面弹簧和螺母调整预载。装配时先调整好齿轮和齿条的中心距，使齿轮和齿条的间隙不大于0.1mm，这时调节螺母，控制齿轮和齿轮的轴向位移，使两齿轮啮合处齿面分别砥柱齿条前后齿面，消除齿侧间隙，达到适当的预加载扭矩。这种消隙方式结构简单，调整方便。
2.机械预载双齿轮消隙
该消隙结构是由伺服电机同时驱动减速箱和，两组减速箱安装在同一箱体上，并通过传动轴中间的扭力联轴器使两个齿轮间产生相反方向的预加载荷，使两齿轮分别与相啮合齿条的前后面接触实现消隙。这种方式安装方便，并且只需一个电机传动，对数控系统要求较低，但对齿轮齿条精度要求较高。
3.电气预载双齿轮消隙
电气预载消隙方式，是随着电气控制技术和功能部件的快速发展而产生的。其消隙原理和机械预载方式基本一致，都是利用两个齿轮的反向预载扭矩分别作用于齿条正反两面消除间隙。不同厂家数控系统中控制的方式有所差别，西门子数控系统中双电机消隙是由主从轴控制功能实现的。机床静止状态时，驱动轴和制动轴之间产生张力，使两个齿轮分别作用于齿条正反两面实现消隙；机床加速运动时，驱动轴在出力的过程中，制动轴张力减小直至为零，然后反向与驱动轴同时供给机床动力。
结语
本文中介绍了多种常用的消隙结构，这些结构的有效使用大大缓解了因进给间隙而造成的误差，在进行数控机床进给系统设计时，设计者要全面的结合机床的加工精度要求、用途及加工成本等多个方面因素，进行综合设计，从而使得所使用的数控机床的进给系统及相应的消隙结构在满足使用要求的前提下，设备投入资金较低，进而降低生产成本投入。此外，除了以上的有隙进给方式外，还有直线电机传动、双导程蜗杆传动等多种无间隙进给，但这些方式存在结构及经济投入大等多种问题，在日常生产中较少使用。
参考文献
[1]刘志兵，孙志强.双电动机消隙驱动在大重型机床上的应用[J].制造技术与机床，2010（04）.
[2]易刚.数控机床进给系统的精度分析[J].金属加工（冷加工），2011（04）.
数控机床进给轴振动故障分析 篇4
关键词：数控机床,振动,故障分析,机械传动,伺服系统
数控机床是一种自动化程度高、结构较复杂的先进加工设备, 具有机电一体化、高技术、高精度、高效率的特点, 在机械制造业中获得了广泛应用。在数控机床使用过程中, 进给轴速度不稳定、振动、抖动的现象时有发生。机床进给轴的振动对机械加工的精度、工件的表面质量、机床的有效使用寿命等有着不容忽视的影响。本文针对常见的几种数控机床进给轴振动情况, 结合实例进行分析, 并提出对策。
1 机械传动方面的原因
1.1 导轨副运动阻力大
移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副, 如果导轨副的动、静摩擦系数大, 且其差值也大, 将容易造成爬行和振动。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨或塑料导轨, 但是若调整不好, 仍会造成爬行和振动。对于静压导轨应着重检查静压是否建立, 塑料导轨应检查是否有杂质或异物阻碍导轨副运动, 滚动导轨则应检查预紧是否良好。
导轨副的润滑不良也是引起爬行和振动主要原因之一, 有时出现爬行就是因导轨副润滑不良造成的。采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施, 这种导轨润滑油中有极性添加剂, 能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜, 从而改善导轨的摩擦特性。
例:某机床在加工圆弧时, 圆弧插补后出现走刀过渡痕迹, 加工质量不合格。经检查发现X轴有爬行现象。经对速度环、位置环调整均无效。检查机械机构时发现工作台未从静压导轨上浮起。进一步检查液压系统, 发现工作台支路有泄漏环节, 调整修复泄漏环节后, 工作台正常浮起, X轴爬行现象消失, 加工质量合格, 故障排除。
1.2 进给传动链故障
在进给系统中, 伺服驱动装置到移动部件之间必须要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。提高整个传动链的传动刚度, 是消除振动和爬行的有效手段。
(1) 丝杠预紧力不足、弯曲。丝杠预紧力不足, 容易造成运行过程中丝杠弯曲。丝杠如果弯曲, 摇动机床手轮的同时, 用手紧握丝杠, 会感受到丝杠受力较大, 并且有轻微颤动。
(2) 丝杠轴向有窜动间隙。丝杠在其轴向方向出现窜动间隙, 容易引起加减速时产生振动与速度不稳现象。
(3) 丝杠轴承磨损。丝杠轴承磨损后, 机床运动时除了会振动外, 还会发出很大的噪声。例:1台台湾产VMC1300HD加工中心, 在机床左端有轻微振动, 并伴有异常响声, 检查丝杠的预紧力、丝杠的弯曲程度、丝杠与导轨的平行度, 都在合格范围内, 拆开左端丝杠轴承 (非电机端, 已排除电气故障) , 发现3个轴承其中的一个钢球保持架因使用时间长已磨损, 更换新轴承后故障消除。
(4) 丝杠与导轨不平行。丝杠与导轨不平行时, 在两端或一端的间距相差是最大的, 如果仅在端头出现振动, 则有可能就是此原因造成的。
(5) 电机与传动轴间连接松动。在某些半闭环系统中, 位置反馈元件安装在伺服电动机内部, 这时伺服电动机对驱动电动机仍带动位置反馈元件一起运动, 于是会出现进给轴定位的不准确, 从而引起爬行和振动。
1.3 主轴电机故障
1.3.1 电机转子轴承磨损
主轴电机转子轴承或轴承挡磨损, 会造成电机转子偏心转动, 从而引起机床进给主轴的振动。例:某加工中心, 主轴电机在主轴转速600 r/min时, 振动特别大, 整个主轴头都在振动;在1 500 r/min时振动幅度反而变小, 但振动频率变大;在主轴高速旋转时切断电源, 电机在滑行过程中继续振动, 可以判断并非电气故障;把电动机与主轴之间的传动皮带断开, 启动电动机, 振动仍然存在。综合上述现象, 初步判断为转子偏心松动。拆开电动机, 发现电动机转子轴承挡磨损了0.02 mm以上, 因没有现成转子更换, 采用喷涂法修复轴承挡, 同时更换轴承。重新开机后, 工作正常, 故障排除。
1.3.2 电机电枢线圈不良
电动机电枢线圈不良会引起系统振动。这种情况可以通过测量电动机的空载电流进行确认, 若空载电流随转速成正比增加, 则说明电动机内部有短路现象。出现本故障一般应首先清理换向器、检查电刷等环节, 再进行测量确认。如果故障现象依然存在, 则可能是线圈匝间有短路现象, 应对电动机进行维修处理。
1.3.3 三相输入不平衡
若因某些原因引起输入主轴电机的三相电源不平衡, 则会导致电机作周期性的运动不平衡, 从而造成机床主轴周期性振动。
2 电气伺服系统方面的原因
2.1 速度环不良引起振动
机床振动问题与进给速度密切相关, 所以应分析检查伺服进给系统的速度环。对速度环的故障, 主要检测给定信号、反馈信号和速度调节器本身是否存在问题。给定信号可以通过由位置偏差计数器出来, 经D/A转换给速度调节器送出的模拟信号VCMD的检测实现, 这个信号是否有振动分量可以通过对伺服板上的插脚用示波器来观察。如果就有一个周期的振动信号, 那毫无疑问机床振动是正确的, 速度调节器这一部分没有问题, 而是前级有问题;然后向D/A转换器或偏差计数器去查找问题, 如果测量结果没有任何振动的周期性的波形, 那么问题肯定出在反馈信号和速度调节器。
2.2 位置环不良引起振动
数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。闭环、半闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统定位不准确、不稳定或失效, 特别是会造成输出电压不稳, 从而引起机床振动。
2.3 编码器故障
编码器作为闭环系统的检测元件, 它的反馈信号直接影响到各轴电动机 (包括主轴电动机) 的速度调整, 当编码器由于脏污或损坏, 或者连接线出现问题使反馈信号不稳时, 变频器或伺服驱动部分会根据信号不停地调整频率与电压, 这样电机不停地加速和减速, 使机床产生振动。例:1台CK61125数控车床, 配置西门子810T数控系统。工作中发现Z轴在某一段位置进给时发生振动, 而其他位置没有这种现象。根据这一现象, 初步怀疑是这一段机床床身导轨的摩擦系数变大引起振动。机械维修人员检查调整后故障依旧。经过一段时间观察, 发现Z轴在故障段进给时, 位置显示变化不稳定, 有时还会乱显示, 怀疑Z轴位置检测单元有问题。该机床配置HEIDENHIN公司的LB326光栅尺, 打开后发现该段光栅尺的密封条破损, 冷却液在加工时溅入光栅尺腔内, 造成光栅尺污染。抽出金属带式尺体, 用绸布蘸无水酒精清洗后重新装好, 并更换破损的密封条, 故障解除。
3 系统参数设置不当和加工程序问题
3.1 系统参数设置不当
一个闭环系统可能由于参数设定不合理而引起系统振荡, 如位置环的增益、速度环的增益、电流环的增益、加速度等参数。若加速反馈的增益过大, 在加减速期间会产生异常的声响和振荡。在电机不转动时, 很小的偏移会被速度环的比例增益放大。在加减速期间电动机和机械之间的连接有可能出现差动 (弹性变形) , 从而在电动机和丝杠间引起微小的速度差, 容易产生振荡。消除振荡的最佳方法就是减少放大倍数。在FUNAC的系统中调节RV1, 逆时针方向转动, 降低整个调节器的放大倍数, 可以看出振动会立即明显变好。
在实际操作中, 要了解振荡的原因才能采取相应的消除方式进行调整, 不可盲目进行参数修改, 以免影响到整个系统的稳定性与可靠性。
3.2 加工程序问题
3.2.1 较少过滤或者不过滤, 点位密集
加工较为复杂的曲面时, 一般采用CAM编程软件, 如Pro/E、UG、Master CAM等编程。在编程时, 有些技术人员为了追求较高的精度或者为了避免走圆弧出错, 采用了较小的过滤甚至不过滤, 生成的程序是很密集的点位, 在加速性能不是很好的机床上加工时会产生一抖一抖的振动现象。比如加工一个圆, 由于抖动, 会加工成很多棱边, 反而影响了加工精度。因此在编程时, 要结合机床的特性采用合适的过滤公差, 避免加工时的振动。
3.2.2 曲线由很多小段圆弧组成
1台FANUC9系统的立式铣床在自动加工某一曲线零件时出现爬行现象, 表面粗糙度极差。在运行测试程序时, 直线、圆弧插补时皆无爬行, 由此确定原因在编程方面。对加工程序仔细检查后发现该曲线由很多小段圆弧组成, 而编程时又使用了正确定位检查G61指令, 每加工一段就要进行一次到位停止检查, 从而使机床出现爬行现象。将程序中的G61取消, 改用G64指令连续切削, 爬行现象消除。
4 结语
机床在使用过程中, 上述原因引起的故障不是孤立的, 经常出现电气系统故障和机械故障共同引起的振动。因此在实践中, 我们要结合具体情况, 结合数控机床本身的特点, 尽可能作出准确的判断, 综合全面考虑各种情况, 才能有效排除故障。
参考文献
[1]韩益建.数控机床的振动故障分析.制造技术与机床, 2009 (5)
[2]赵中敏.数控机床爬行与振动分析.重型机械科技, 2006 (1) :33
[3]曲海波.数控机床系统产生振动爬行的原因及消除措施.国内外机电一体化技术, 2008 (1) :25
数控机床伺服进给系统故障处理三例 篇5
查看FANUC 0I-TD维修手册, 故障原因可能是X轴停止中的位置偏差量超过参数1829 (各轴停止时的最大允许位置偏差量) 的设定值。确认参数1829设定值为1000, 和其他正常运行机床一样未被改动, 据此排除参数1829问题。据FANUC 0I-TD伺服报警手册说明, 出现4开头的报警时可通过DGN200诊断参数 (表1) 进行检查。切换到诊断画面调出DGN200诊断参数, 发现bit5=1, 其他几位均为0, 表明驱动器过电流, X轴伺服电机短路或过载。单独拆下伺服电机, 测试电机旋转, 判断是机械部分的问题。手旋丝杆无法旋动, 检查发现丝杆头上角接触球轴承锈死, 回装一个新的、同型号轴承, 故障排除。
(2) 设备同上, 由于操作人员未将工件夹紧, 车工件时一受力工件飞出。关机再开机后, 连续加工几个工件, 发生Z轴方向加工尺寸不稳定, 时大时小, 有时相差4mm左右。
工人误操作引起机床撞刀, 导致机床受到很大冲击力, 可能使Z轴机械传动部分出现松动。该数控车床Z轴交流伺服电机与滚珠丝杠通过轴套和锥销联接, 拆开Z轴护盖, 检查机械部分, 发现轴套与Z轴丝杆联接的锥销被切断, 导致轴套与滚珠丝杠产生滑动, 回装一根新的、10mm锥销, 故障排除。
(3) 采用西门子801系统的沈阳一机数控车床CAK3663qi, 交流伺服电机与滚珠丝杠通过联轴器直接联接。机床运行一年后, 发现Z轴方向加工尺寸不稳定, 尺寸超差且无规律, LCD液晶屏及伺服放大器无任何报警显示。
机床进给 篇6
高速高精度数控加工技术是制造业发展的重要方向。在高速高精度的切削加工中,空间轮廓误差会因为进给速率的增大而增大,并且多轴之间的参数匹配不当也会造成轮廓的变形。为保证轮廓形状精度,除了要求机床有较高的定位精度外,还要求进给系统有良好的动态响应特性,能稳定而灵活地跟随指令信号,即要求系统具有高的轮廓跟随精度,而轮廓跟随精度与CNC机床伺服驱动系统的稳态、动态特性有关。
为了分析进给系统位置跟踪误差引起的轮廓误差,国内外学者对数控机床的进给系统动态性能以及误差进行了分析。Keron等[1]分析了两轴联动运动的伺服跟踪误差并提出交叉耦合控制方法;孙建仁[2]分析了闭环控制系统中进行连续切削加工时,轮廓跟随精度与伺服驱动系统的稳态、动态特性关系,推导了跟随误差与轮廓误差之间的数学描述;朱年军等[3]分析了数控加工中轴跟踪误差和轮廓误差之间的关系,指出了多轴加工中轮廓误差建模和误差控制方法的理论意义和应用价值;李宏胜[4]给出了一种综合位置误差控制的方案,指出沿跟随误差方向进行补偿能减小高速运动和参数扰动时的轮廓误差;朱建忠等[5]针对误差补偿技术中精度模型与误差测量的难题,提出了基于神经网络的机床精度快速建模方法;陶涛等[6]用球杆仪和光栅尺同时测量了两轴联动精密工作台的走圆运动。上述研究中基于平动轴的跟踪误差研究较为深入细致,而针对五轴联动数控机床的转动轴引起的误差则研究较少。Erkorkmaz等[7]建立了五轴机床运动误差模型,利用刀尖位置与加工系统转换矩阵,将加工系统各运动轴误差转换成刀尖误差用以评判空间轮廓误差。
本文在建立转动轴进给系统模型的基础上,针对转动轴的联动运动考察空间轮廓误差,找出空间误差特征点与空间轮廓之间的关系,以评价数控机床转动轴动态性能。
1 数控机床进给系统的数学模型
数控机床进给系统的数学模型已经较为成熟,文献[2]较详细地介绍了平动轴进给系统的模型,文献[8]在矢量控制的基础上建立了永磁同步伺服电机直接驱动方式下的旋转进给系统模型。为了便于分析,本文采用一般的传递函数模型进行分析,不对模型建立过程进行过多论述。
一般情况下,数控机床的进给控制系统采用三环控制结构,即电流控制环、速度控制环以及位置控制环。如图1所示,进给系统接受计算机给出的角位移指令θi,经过变换及放大后,驱动刀具相对于工作台移动,得到角位置输出θo。数控机床进给系统的性能决定了机床的工作性能,为了保证进给系统的输出能够满足零件加工速度以及位置指令的精度要求,进给系统应具有定位精度高、速度调节快的能力。
为分析问题方便,将进给系统相应的环节作了一些简化:位置调节器、速度调节器简化成一个比例环节,功率放大器通常是一个延迟环节,由于滞后时间很短,也把它视为比例环节,与速度调节器合为一个环节,用速度放大器表示;电流环节等效为二阶环节,机械传动等效为一个二阶环节。这样得到一个简化的系统传递函数,如图2所示。
单一轴的进给系统传递函数用如下传递函数关系式表示:
式中,K1为位置增益;Ka为速度增益;KA为电流环增益;Kn为机械刚度;ξ为机械传动部分等效阻尼系数;ωn为机械传动部分固有频率;TA为电机电流时间常数;TM为机电时间常数。
对于单一运动轴来说,在稳态情况下,实际位置总是滞后于指令位置一个e值,根据传递函数的推导,单一轴的跟踪误差为
式中,v为指令速度;Kv为进给系统速度增益,它反映了进给系统速度变化快慢的程度。
2 两个转动轴联动的空间圆弧误差分析
为了便于分析空间圆弧的误差,利用两个转动轴的插补运动得到空间圆弧轨迹来考察它们协调工作的能力。使用带A、C两个转动轴的立式加工中心,将刀杆倾斜α角度,先只做C轴的旋转运动,则在XY平面内得到半径为R的圆弧轮廓;再将该圆弧和刀具初始位置绕Y轴旋转β角度,就可得出空间圆弧。通过刀具方向矢量推导出空间圆弧方程来求解转动轴的角位置指令和角速度曲线。
2.1 空间圆弧方程的表达及其方向矢量
假设刀具中心在O点,刀尖在P点,刀杆长度为L,刀杆初始偏移α,只做C轴旋转运动时,得到一个圆心在O′、半径R=Lsinα,与XY平面平行的圆弧轮廓,如图3所示,此圆弧轮廓方程为
若刀杆的倾斜角度α保持不变,设圆弧轮廓加工轨迹以恒定的角速度ω转动,则上述圆弧的方程可描述为
由于刀杆OP为一直线,其空间方程为
则在P点有对应的方向矢量(xi,yi,zi),其对应的单位方向矢量(i,j,k)为
将XY平面内的圆弧加工轨迹做绕Y轴的转动,转角为β,得到一个新的空间圆弧曲线C*,利用两个转动轴的插补运动,就可以实现这个空间圆弧轮廓的加工,如图4所示。通过空间圆弧的运动轨迹来考察只有两个转动轴引起的空间轮廓误差。
由空间坐标变换可知,当绕某一指定轴做旋转时,可利用其旋转变换的矩阵做旋转变换,本文采用绕Y轴旋转,其变换矩阵为
空间圆弧方程可由式(7)经旋转变换得到,即
式中,P*为新位置点;P为旋转前的位置点。
P*的坐标为
刀杆倾斜角度不变即OP直线的方程保持不变,则新圆弧C*的单位方向矢量(i*,j*,k*)为
式(9)为得到的空间圆弧方程,式(10)为刀杆的方向矢量。
2.2 求解A、C轴的位置控制指令
将方向矢量映射到加工坐标系中,求得A、C轴转角位置指令。由于本文只考察转动轴运动情况所产生的伺服跟踪误差对轮廓误差的影响,将平动轴设为不工作的状态,故工作轴只有A、C轴两个转动轴。将空间圆弧曲线的方向矢量的值(i,j,k)直接映射到加工系统中[9?10],由刀杆方向矢量变化得到对应的转动轴转角位置指令θA、θC:
将(i*,j*,k*)代入式(11)、式(12),则A、C轴的转角位置指令为
将A、C轴指令θA和θC对t进行微分即可得到转动轴运动的转角速度指令:
2.3 空间圆弧插补运动的轮廓误差
圆弧插补运动的轮廓误差主要包括进给系统有限带宽引起的圆弧半径误差和运动轴性能不匹配引起的椭圆误差。考虑沿半径为R的圆弧进行角速度为ω的运动,圆心坐标为(Lcosαsinβ,0,-Lcosαcosβ),设初始位置为
则A、C轴的起始角θA0和θC0为
刀具转动达到稳定时实际的转角分别为
式中,θAR、θCR为实际转角输出;ΔθA、ΔθC为稳态时的跟随误差。
则实际轨迹的方向单位矢量(iR,jR,kR)为
由于设置刀具中心在原点处,利用刀杆长度L得到刀尖的实际位置(xR,yR,zR),这里忽略刀具半径的影响,则实际得到的圆弧半径为
它与理论半径值之差为轮廓半径方向上的误差,即
3 空间圆弧误差仿真实验
以一个空间圆弧的仿真切削实验为研究对象,如前所述,只控制两个转动轴做旋转运动在空间上画出圆弧轨迹。
机床结构为刀具运动且A、C轴转动的形式,刀具中心在原点处(0,0,0),刀杆长度设为100mm,被加工圆弧如图4所示,与XY平面夹角为45°,刀具初始偏角α为30°,刀尖初始位置坐标为(-25.882mm,0,-96.593mm)。
3.1 建立仿真数学模型
利用MATLAB的Simulink建立两个转动轴的伺服控制系统传递函数的模型,如图5所示。
将A、C轴的转角位置指令送入建立的伺服进给系统模型中,得到输出位置指令,将其反转换到刀尖位置系统中,得到仿真的刀尖位置轨迹。仿真参数的取值见表1。仿真输出的空间圆弧如图6所示。
3.2 转动轴增益不匹配对圆弧运动精度的影响
实际使用中数控机床位置环增益通常设置为1,本文主要调整速度增益来考察它对轮廓误差的影响(下文所述增益均指速度增益)。当两个轴做联动运动时,其增益和惯量的匹配对最后轮廓的影响是较为明显的,通过调整增益可以减小轮廓误差。但在实际中,两个轴的增益不可能被调整得非常一致,这必然导致轮廓误差出现。仿真实验表明,A、C轴增益之间的匹配度为50%~100%,其圆弧半径误差比较情况如图7~图10所示。
图7所示是A、C两轴增益匹配情况下的仿真结果,可以看出,当增益匹配时,其轮廓误差很小,这时轴转向位置的反向间隙引起的轮廓误差表现明显。
由图8~图10可看到,增益不匹配对误差的影响是较大的,当不匹配度加大时,其轮廓误差也随之增大;A、C轴增益不同对轮廓误差的作用方向完全相反,这为利用轮廓误差判断和调整机床的增益和惯量提供了很好的依据,如表2所示。
注:KA、KC分别为A轴、C轴增益。
3.3 空间圆弧位置对圆弧运动精度的影响
空间圆弧位置的不同使得刀具指令不同,其转动轴的运动速度和联动关系也将发生较大的变化,仿真实验考察了不同空间位置上轮廓误差情况,如图11所示,从而发现在何种空间位置,两轴联动运动会带来最大的误差,以便揭示误差来源。
仿真实验采用绕Y轴旋转不同的角度(β分别为18°,22.5°,36°,45°)得到4个空间位置,比较了4个不同空间位置的误差情况,如图12和表3所示。
从图12和表3可看出,小于刀杆初始偏置角30°的两个位置β=18°和β=22.5°,只有1个轴做反向动作,误差均值较小;而大于刀杆初始偏置角的两个位置β=36°和β=45°,误差曲线上有2个轴两次反向动作,机械传动间隙引起的误差表现突出,若精度要求高,则会出现超差,特别是β=36°位置的圆弧,由于其与初始角摆角α=30°接近,刚开始转动时速度很快,即C轴运动速度值很大,最终导致轮廓误差很大。
3.4 进给角速度对圆弧运动精度的影响
这里的进给角速度是指刀尖做圆弧运动的进给速度。一般,对于一个轮廓来讲,为了达到较高的表面光洁度,在连续的切削加工中要求刀具的进给速度保持均匀一致。但各个控制轴的速度的变化是不同的,甚至在个别地方会有突变,因此多轴联动运动的结果将导致轮廓误差的产生。
当进给速度增大时,单一轴的跟踪误差也将同时增大,但两轴联动情况下的轮廓误差将是单一轴跟踪误差的合成,综合考虑,直接用实际轮廓与理想轮廓进行比较,见式(20)。仿真实验中,设置4种进给角速度,即ωa分别为1/6.28r/s、1/3.14r/s、1/1.57r/s、1/0.8r/s,仿真结果如表4、图13所示。
从表4、图13中可以看到,当角速度增大时,圆弧半径误差也会随之增大,即加工速度提高后,跟踪误差将十分显著地影响轮廓误差,甚至会使得其中某一个轴的速度达到其极限值,引起零件加工精度下降。
4 结论
本文对五轴联动数控机床的两个转动轴的伺服跟踪误差引起的轮廓误差进行了研究,通过理论推导和仿真实验寻找转动轴引起轮廓误差的规律,找出轮廓误差的特征点与空间位置关系,利用空间轮廓误差最大值出现的特征来评判机床的伺服运动误差。仿真实验得到以下结论:
(1)两个转动轴联动运动时,增益惯量的匹配状况是伺服跟踪系统产生轮廓误差的一个重要因素,可以利用零件外形误差的变化曲线来分辨相关轴的不匹配特性。
(2)从仿真结果可以看出,不同位置上的圆弧,由于A、C轴的指令不同,甚至会有完全相反的运动,使其轮廓误差有很大差异。A、C轴指令速度越大,对应的空间位置出现的轮廓误差越大。
(3)通过不同空间位置的轮廓误差判别数控机床的动态参数对最终加工精度的影响,运用两转动轴联动运动,当刀具初始摆角与空间轮廓绕Y轴的转角接近时,会有最大轮廓误差产生。在机床动态精度校验中,按照此位置的空间轮廓设计刀具轨迹即可使机床动态误差充分表现出来。
事实上,还有许多因素均会对进给运动精度产生重要影响,如导轨的非线性、摩擦特性等。另外,单从零件精度评判机床精度的角度来看,除了伺服运动轴的动态性能外,机床的机械运动精度的影响因素包括各轴间运动关系等因素是不可忽视的,在排除工艺和环境因素外,找出最能表现机床精度影响加工误差的型面有重大意义。
摘要：在五轴联动数控机床中,转动轴进给系统的动态精度对轮廓误差的影响是不可忽视的。采用不同空间位置上的外形轮廓,对五轴联动数控机床转动轴的联动运动产生的轮廓误差进行分析。在建立转动轴进给系统模型的基础上,利用刀具位置系统到加工系统的转换得到转动轴指令,通过进给系统动态误差模型得到仿真输出指令,再将输出指令从加工系统转换回刀具位置系统,比较刀具位置的偏差,从而得到轮廓误差。找出轮廓误差点与外形轮廓空间位置之间的对应关系,利用这种关系可快速通过轮廓误差来考察转动轴进给系统的动态性能,为机床快速调整和维修提供一种手段。
关键词：数控机床,转动轴,动态误差,轮廓误差
参考文献
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[3]朱年军,王文,季国顺.数控伺服系统跟踪及轮廓误差分析[J].机床与液压,2006(10):20-23.
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[5]朱建忠,田江红,李圣怡.数控机床精度快速建模技术研究[J].中国机械工程,2001,12(6):709-711.
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机床进给 篇7
1 进给伺服系统的结构原理
图1为采用全闭环控制的数控机床的进给伺服系统的结构图, 目前大部分高速机床都采用此类控制结构。此种闭环进给系统包括位置控制单元、位置检测单元和速度控制单元等部分。位置检测单元测得执行部件的实际位置DA, 位置控制单元将位置指令D0与DA的差值!D乘以增益常数kN, 经变换后, 得到速度指令电压UP。将UP与测速发电机的反馈电压Uc的差值!U通过速度控制器乘以增益常数KA, 得到伺服电机的电枢电压U, 它控制电机旋转速度。指令位置D0与实际位置DA相等时, 即位置偏差值!D为0时, UP与U均为0, 系统停止工作, 执行部件到达指令所要求的位置。所以整个系统在偏差不为0时, 始终处于不断调整阶段, 因此, 增益系数在整个进给过程中, 对系统快速到达指定位置起着至关重要的作用。
2 系统增益对进给伺服系统的影响
如果考虑系统各组成环节的固有频率, 往往比整个系统固有频率高很多, 则该系统可以简化成如图2所示。其传递函数为:
式中, T为系统的时间常数, T=1/ks
若系统执行一个速度为F的恒速位置指令, 则有xc (t) =Ft且xc (S) =F/S2。
两边进行拉氏反变换得速度和加速度分别为:
2.1 系统增益对加速度的影响
根据定义, T为时间常数, 且T=1/ks, 可见系统的增益ks越大, 则时间常数越小, 达到指令速度的时间越短。即系统响应快或灵敏度高。但是由式 (5) 可知, 系统在刚启动的一瞬间, 即t=0时的加速度为Fks。可见系统的加速度与系统的增益ks成正比例, 即系统增益大, 则加速度大。当然启动时, 系统所受的惯性力也就越大, 因此, 系统的增益不能太大。
2.2 系统增益对位置误差的影响
令系统的位置误差为xe′,
xe′ (S) =xc (S) -x0 (S) =F·S-2-F·S-2· (1+TS) -1
则xe′ (t) =xc (t) -x0 (t) =FT (1-e-t/T)
当t→∞时得稳态位置误差为xe′=FT=F/ks
可知当速度F一定时, 系统增益ks越大则稳态位置误差越小, 即系统的跟随误差越小。
综上所述, 在确定系统的灵敏度、系统增益和系统的加速度这3个因素的数值时, 要综合考虑。
3 结语
伺服系统中的增益系数大都是预先设定好的, 在系统进给过程中不能随着其它系统参数的变化而合理地调节, 例如, 全闭环时, 由于机械连接的刚性不好, 在移动时, 特别是加减速的时候, 会产生振动, 主要是机械检测的位置反馈和电动机测得的速度反馈之间不一致, 必须减小位置增益, 但位置增益减小了则系统的响应时间就会增加, 必然会影响系统的速度和加速度, 系统的稳态误差也会随位置增益的减小增大, 使得系统的跟随精度下降。因此, 单纯使用传统的PID控制方法进行控制时, 在参数的选定上只能折衷处理, 很难达到高速高精度的控制要求。
机床进给 篇8
1 现行定位检测的基本方法
现代机械工程领域里应用的传感器种类繁多,一种物理量可应用多种类型的传感器来检测,同一种传感器也可以测量多种物理量。关于数控机床工作台的定位检测问题,实际上也就是工作台在工作状态下的位置检测,属于在线测试的范畴,即与实际情况更接近一致的测试方法,特别是实现自动化过程的控制与检测系统,往往要求很高的真实性与可靠性,因此必须在现场实时条件下才能达到检测要求。特别注意的是位移传感器选择恰当与否,对测试精度影响很大。对于位移测量在理论上可以设计出不同的测量方法来完成,如电容检测方法;同步感应器检测方法;激光干涉仪检测方法;电涡流检测方法等。
2 工作台滑板定位检测方法的应用研究
2.1 测量原理及测试系统的构成
实验室中,我们设计的实验方案是采用电涡流式电感传感器进行测量。该传感器可用于动态非接触式测量,它是能把被测量转换为电感量变化的一种装置。其变换原理是利用金属导体在交流磁场中的涡流效应,这就决定了被测对象应为金属。电涡流式传感器的测量范围约0-1500μm,分辨率可达1μm。该传感器结构简单、使用方便、不受油污等介质的影响。因此,在机械、冶金等工业部门得以广泛应用。电涡流式传感器的测量电路一般采用由阻抗分压调幅式测量电路及调频电路。一般常用分压调幅式测量电路,图1是分压调幅式测量电路的工作原理[3]。
机床进给工作台定位精度的检测是确定其工作性能的一项重要措施。定位精度检测主要采用动态、实时、多信息通道地对高速运动变化和微观动态过程的检测方式。也就是在试验台适当的位置固定一传感器,当伺服电机控制工作台做往复运动时,我们可实时地测量工作台的定位精度。目前最好的测量手段应以激光测量为佳(激光干涉仪),但根据实际情况,选择了实验室现有的电涡流传感器及其测量系统。该传感器的重复定位性能及使用方法相对来说比较熟悉,被检测的工作台滑板又为金属材质,符合电涡流传感器的测量要求[2]。
定位精度检测试验装置组成框图确定如图2,其中各组成部分为:
电涡流传感器部分是将进给工作台定位信号取出并装换成相应的电信号,定位信号的大小与输出的被测量满足对应关系。
中间转换装置是把定位信号进行再加工,如将阻抗电压或电流,信号放大或衰减、滤波、调制及解调等,变换为数据采集分析系统能够接收处理的信号。
2.2 数据的采集及处理
采用SDY2400数据采集分析系统,该系统软件是众多信号处理软件之精华,集各种信号处理软件功能程序模块为一体,以输入最简单的窗口命令选择方式来调用各种已置入系统的信号处理功能。且本软件是多功能的信号处理软件,配合相应的信号采集装置(传感器、转换电路等)完成被测信号从采集、时域或频域分析到信号处理的全过程。
在进给工作台恒速状态下初始状态时,伺服电机转速为2000r/min,移动量脉冲为±100000pulse,放大器位置增益1为PG1=30rad/s。进给工作台重复20次到达指定位置,通过位置检测装置可测得误差值。数据经处理后得到图3。增大位置增益1使其值为PG1=150rad/s后,重复20次到达指定位置,通过位置检测装置可测得误差值实验数据。数据经处理后得到图4所示的实验曲线。
2.3 数据分析
由图3、图4我们可以看到位置误差随着采样的变化而变化。在图3中我们可以看出第16次采样所得到的位置误差是此次实验的误差最大量,第5次采样所得到的位置误差值是此次实验的误差最小量。另外,我们可以得到在此次实验中位置增益为30rad/s的平均位置误差值为13.73μm。在图4中我们可以看出第12次采样所得到的位置误差是此次实验的误差最大量,第9次采样所得到的位置误差值是此次实验的误差最小量。另外,我们可以得到在此次实验中位置增益为150rad/s的平均位置误差值为12.3μm。
3 结论
通过对测量结果分析表明,位置增益大的控制系统的位置误差,整体上小于位置增益小的控制系统的位置误差。即通过对实验台滑板工作过程中的位置的实时检测,得到了理想的检测结果,说明定位精度测试系统设计合理,能够为模拟数控机床工作台的位置控制提供依据。
摘要：对于数控机床工作台的定位检测问题,实际上也就是工作台在工作状态下的位置检测。我们通过对自制的模拟数控机床工作状态的实验台,在某一特定时刻的特定位置转化成位移量加以测量,用以研究数控机床进给系统工作台定位精度检测的方法。
关键词：定位精度检测,测试系统,数据采集分析
参考文献
[1]陈思羽.数控机床系统增益对进给伺服系统的影响[J].机械工程师,2008(1):40-41.
[2]常健生.检测与转换技术[M].北京:机械工业出版社,1996.
机床进给 篇9
随着市场竞争日趋激烈,数控机床制造商在注重提高产品品质的同时,更希望可以缩短产品研发周期和节约研发成本。虚拟仿真技术正是达到这一目的的关键技术之一[1]。在新产品设计初期,伺服进给系统仿真技术可以用于伺服进给系统动态性能分析和主要性能参数改进。
本文详细分析了数控机床伺服进给系统结构,考虑了延时和摩擦等非线性因素,建立了整体数学模型。使用Simulink进行仿真,得出了动态响应结果,这些结果可用于伺服进给系统的分析和改进。
1 伺服进给系统介绍
数控机床伺服进给系统一般包括控制系统、驱动器、伺服电机和机械传动系统。输入为位置给定值,输出为负载的位置实际值。整个系统采用全闭环控制,其结构如图1所示。
其中一般的单轴直连式机械传动系统结构如图2所示[2]。滚珠丝杠与伺服电机转子通过联轴器相连,将电机轴的旋转运动转换成工作台的直线运动。
2 伺服进给系统动力学建模
根据图1中所示,对伺服进给系统各个部分进行研究,并建立各自数学模型。之后考虑了延时和摩擦等非线性因素,建立了整体数学模型。
2.1 控制系统数学模型
西门子数控系统的伺服控制系统采用三闭环控制。为保证控制效果,每个控制环均设置控制器,并设置了低通电流滤波器。其结构如图3所示。
其中电流环和速度环控制器采用比例积分(PI)控制,传递函数为,Ki,Ti与Kp,Tn分别为电流环和速度环的比例增益和积分时间常数。位置环采用比例(P)控制,比例增益为Kv。电流滤波器形式为二阶低通,传递函数为,wd和Dd为无阻尼自然震荡频率和阻尼比。
2.2 驱动器与伺服电机数学模型
目前数控机床常用的伺服电机为永磁交流同步伺服电机(PMSM),采用的驱动器形式为正弦波脉宽调制(SPWM)。
其中SPWM驱动器一般简化成一阶惯性环节,其时间常数为TPWM,通常取式中f(35)为SPWM三角波载波频率。SPWM逆变器的放大系数。式中ud为SPWM逆变器输出电压幅值,A(35)为三角波载波的幅值。
由于SPWM输出电压(或者电流)和来自电流检测单元的反馈信号中常含有交流高次谐波分量,容易造成系统的振荡,需要低通滤波器加以滤波。由于电流中的谐波分量主要来源于SPWM逆变器,其边带谐波主要集中在(7)2pf(35)±nw(8),而一般情况w(27)(27)f(35),所以电流滤波器时间常数iT通常选择为:i
在推导PMSM的数学模型时,有以下假设:
1)忽略铁心饱和、不计涡流和磁滞损耗、认为磁路线性;
2)转子上没有阻尼绕组,且永磁体也没有阻尼作用;
3)感应电动势(反电势)是正弦的,定子电流在气隙中只产生正弦分布磁势,忽略高次谐波。
基于以上假设,针对永磁交流同步电动机,取永磁体基波磁场的方向为d轴,顺着旋转方向超前于d轴90°电角度的方向为q轴,PMSM的数学模型为其中qi为q轴电流;rw为转子角速度;aR为绕组等效电阻;aL为电枢电感;eK为感应电动势系数;tK为转矩系数;J为电动机转子和负载总转动惯量;B为粘滞摩擦系数;lT为电动机负载转矩。qu为q轴电压。
2.3 机械传动系统数学模型
图2给出了一般的传动系统结构。通过查阅论文和技术资料发现机械传动部分常用的建模方法是将整个机械传动装置的刚度、惯量、阻尼以及作用在它上面的干扰转矩,都归算到丝杠上[3]。但这种方法用于实际数控机床伺服进给系统建模时,精度较低。因此我们采用更精确的建模方法:根据机械传动结构,将其细分为若干独立部分,考虑每个部分间的连接刚度,再根据动力学原理建模。
以图2中的结构为例,将电机转子和与其相连的联轴器轴套视为一个整体,将滚珠丝杠和与其相连的联轴器的另一个轴套视为一个整体,考虑联轴器两个轴套之间弹性体的扭转刚度。将工作台和丝母视为一个整体,考虑其与滚珠丝杠间的连接刚度。
这样整个机械传动系统的简化的动力学模型就如图4所示。其中Jm为电机转子及其轴套的总转动惯量,Tm为电机输出力矩,θ1为电机转子旋转角度,Ks为联轴器两个轴套间弹性体的扭转刚度,θ2为滚珠丝杠旋转角度,Js为滚珠丝杠及其轴套的总转动惯量,X1为将滚珠丝杠旋转角度按照导程(P)折算出的直线位移,Km为丝母与滚珠丝杠间的连接刚度,X2为工作台的直线位移,M为工作台与丝母的总质量。
由图4可得出机械传动系统动力学方程为:
2.4 非线性环节数学模型
本文主要考虑了延时和摩擦等非线性因素。
西门子数控系统中的电流环、速度环和位置环控制器均有各自的循环周期,在每个循环周期中就会产生延时,这种延时在仿真模型中是不可以忽略的,否则仿真结果与实测结果不一致。在仿真模型中延时可以考虑成纯滞后环节e-Ts。
机械系统中的摩擦力会影响整个伺服进给系统的动态性能,因此在仿真模型中必须考虑。本文采用静摩擦+库仑+粘滞摩擦模型,摩擦力方程为:
其中fe是外力,fs是最大静摩擦力,fv是粘性摩擦系数,v是物体移动速度,sgn()是符号函数。
3 伺服进给系统仿真实例
根据之前的分析和研究,以我公司某型三轴立式加工中的Y轴为例,介绍以Simulink为仿真平台的伺服进给系统整体模型,如图5所示。模型参数可以在西门子数控系统MD参数、机械图纸和部件样本中查到。
其中需要说明的是:延时环节使用的是Simulink中的Transport Delay模块;由于Simulink中没有我们需要的摩擦模块,因此利用Embedded MATLAB Function模块,使用M语言按照图4中的模型开发出摩擦模块。
整体仿真模型建立好之后,使用Simulink对其电流环、速度环和位置环的阶跃响应和频率响应特性进行了仿真测试,并使用IBN_TOOL软件在实际机床上进行相同项目的实物测试。
1)电流环测试结果
西门子数控系统使用电机的力矩特性来描述电流环特性,因此在做电流环仿真测试时,以图5中A点为输入点,B点为输出点进行测试。仿真和实测曲线如图6所示,Ki=8.325V/A,Ti(28)2000ms。
2)速度环测试结果
速度环测试以速度给定点为输入,以电机编码器检测的速度为输出。速度环仿真和实测曲线
如图7所示。其中Kp=4Nms/rad,nT=10.2ms,Ki=8.325V/A,2000iT(28)ms。
3)位置环测试结果
位置环测试以位置给定点为输入,以光栅尺检测的位置为输出。位置环仿真和实测曲线如图8所示。其中Kp=4 N m s/r a d,nT=1 0.2 m s,Ki=8.325V/A,2000iT(28)ms。
由以上测试结果可知,仿真曲线与实际曲线基本一致,说明仿真模型比较准确。应用这个准确的模型可以分析机械传动部分的自然频率[1]。以电机轴转速为输入点,如图5 C点,工作台移动速度为输出点,如图5 D点,测量这两点之间的频率特性曲线,如图9所示。
4 结论
本文分析研究了伺服进给系统各部分的数学模型,尤其是机械传动系统的数学模型。考虑了非线性因素,以实际数控机床为例建立了整体数学模型,并使用Simulink进行仿真,由仿真结果可以看出,本文建立的伺服进给系统模型可以很好地模拟实际系统的动态特性,这验证了本文介绍的建模方法的准确性。
准确的仿真模型可以用于设计完成之后样机生产之前,大致估计伺服进给系统动态特性,检验设计方案。在样机生产完成后,可以应用仿真模型较准确地分析伺服进给系统的各项性能和主要参数。使用模型可以分析观察伺服进给系统任一点的状态和任意两点间的动态特性,这是使用实际样机进行测试分析所不容易做到的。
摘要：针对采用西门子数控系统的数控机床,对其整个伺服进给系统的各环节进行分析和研究,建立了各环节数学模型,其中给出了机械传动系统的精确建模方法。考虑了延时和摩擦等非线性因素,最终建立了整体数学模型。使用Simulink进行仿真,得出了电流环、速度环和位置环的阶跃响应曲线和频率响应曲线。将仿真结果与实测结果相比较,验证了模型的正确性。使用仿真模型分析了机械传动系统的自然频率。
关键词：机床,伺服进给系统,仿真,Simulink
参考文献
[1]Jochen Bretschneider,Thomas Menzel.DevelopmentReport:Virtual Optimization of Machine Tools andProduction Processes[J].International Journal ofAutomation Technology,2007,1(2):136-137.
[2]刘丽兰,刘宏昭,吴子英,张明洪.考虑摩擦和间隙影响的机床进给伺服系统建模与分析[J].农业机械学报,2010,41(11):212-218.
