數(shù)控機(jī)床及其伺服系統(tǒng)的研究

王桂龍

摘?要：本文主要從數(shù)控機(jī)床概述、數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障類型、完善數(shù)控機(jī)床及伺服系統(tǒng)的措施等方面進(jìn)行了全面的闡述。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;伺服系統(tǒng);故障

前言

隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用越來越廣泛，本文就數(shù)控機(jī)床及其伺服系統(tǒng)方面內(nèi)容進(jìn)行了探討。

1.數(shù)控機(jī)床概述

所謂數(shù)控機(jī)床，即數(shù)字控制機(jī)床（Computer?numerical?con-trol?machine?tools），是一種安裝了自動(dòng)化控制系統(tǒng)的機(jī)床。與普通機(jī)床相比較，數(shù)控機(jī)床帶有數(shù)控系統(tǒng)（程序控制系統(tǒng)），它可以按照事先編制的程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化加工過程，而普通機(jī)床卻沒有該特性。數(shù)控的機(jī)床的全面使用，可以降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少工裝和用工成本，能夠縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，有利于企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求做出快速反應(yīng)。除此之外，隨著科技的進(jìn)步，信息化技術(shù)不斷完善，F(xiàn)MC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）技術(shù)得到越來越廣泛的應(yīng)用。機(jī)床數(shù)控化是運(yùn)用上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)，數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。

2.數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求

數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出的數(shù)字控制指令，是經(jīng)過進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行部分，最終實(shí)現(xiàn)精確的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能決定了數(shù)控機(jī)床的許多性能，例如：最高移動(dòng)速度，輪廓跟蹤精度、定位精度等，數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)有以下要求：

2.1定位精度高、輪廓跟蹤精度高

進(jìn)給伺服系統(tǒng)要具有較好的靜態(tài)特性和較高的伺服剛度，從而達(dá)到較高的定位精度，以保證數(shù)控機(jī)床具有較小的定位誤差與重復(fù)定位誤差。同時(shí)，伺服系統(tǒng)還要具有較好的動(dòng)態(tài)性能，以保證數(shù)控機(jī)床具有較高的輪廓跟蹤精度。

2.2迅速響應(yīng)，無超調(diào)

為了提高生產(chǎn)效率和保證加工質(zhì)量，在系統(tǒng)啟動(dòng)、系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，要求加、減加速度足夠大，以縮短伺服系統(tǒng)的過渡過程時(shí)間，?減少輪廓過渡誤差。但是，一般電動(dòng)機(jī)從零變到最高轉(zhuǎn)速，或者從最高轉(zhuǎn)速降至零的時(shí)間應(yīng)該小于Zoom。。這就要求伺服系統(tǒng)要能夠快速響應(yīng)，但是又不能超調(diào)，否則將形成過切影響加工質(zhì)量。同時(shí)，當(dāng)負(fù)載突變時(shí)，要求速度的恢復(fù)時(shí)間盡量短，并且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的表面。

2.3調(diào)速范圍要寬

數(shù)控機(jī)床在加工過程中，?由于所需要的刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度等加工工藝要求各有不同，為了保證在任何情況下都能得到最佳的切削條件。

3.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障類型

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障類型既可按故障部位分類又可以按故障形式分類，具按故障部位可分為傳動(dòng)裝置故障、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障和檢測(cè)部件故障。傳動(dòng)裝置故障主要表現(xiàn)為電機(jī)等裝置的動(dòng)力不能傳遞到執(zhí)行元件，故障大多發(fā)生在聯(lián)軸器、絲杠、軸承、機(jī)床導(dǎo)軌等部件。當(dāng)這些部件發(fā)生如間隙過大，振動(dòng)、磨損等故障時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)床精度降低、爬行、過載等問題。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障是指伺服電機(jī)等驅(qū)動(dòng)裝置出現(xiàn)的故障，主要包括驅(qū)動(dòng)控制單元故障、伺服電機(jī)故障等。檢測(cè)部件故障主要是指編碼器、光柵尺等檢測(cè)部件出現(xiàn)故障，主要表現(xiàn)為反饋數(shù)據(jù)誤差過大或無反饋。

伺服系統(tǒng)常見故障按表現(xiàn)形式可分為：?伺服軸竄動(dòng)、伺服軸爬行、伺服軸振動(dòng)、過載、超行程、返回參考點(diǎn)故障、伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)等。伺服軸竄動(dòng)是指在切削加工過程中，進(jìn)給速度本應(yīng)保持均勻，卻突然出現(xiàn)加速的現(xiàn)象。當(dāng)機(jī)床的伺服進(jìn)給電機(jī)和絲杠勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作臺(tái)卻忽快忽慢甚至是忽跳忽停地運(yùn)動(dòng)，這種故障稱為“爬行”。機(jī)床爬行故障通常都發(fā)生在低速進(jìn)給或啟動(dòng)加速時(shí)期。振動(dòng)一般都發(fā)生在機(jī)床高速運(yùn)行時(shí)，一般都是由于進(jìn)給系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障引起的。超程故障一般分為軟件超程故障和硬件超程故障。硬限位有干擾，加工程序不妥都會(huì)造成超程故障。負(fù)載過大，參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤及進(jìn)給傳動(dòng)鏈潤(rùn)滑不良等情況都會(huì)引起過載報(bào)警。伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)一般都是由于電機(jī)沒有接到運(yùn)動(dòng)信號(hào)?（如數(shù)控系統(tǒng)沒有使能信號(hào)）?，機(jī)床處于鎖緊狀態(tài)或者電機(jī)自身故障造成的。

4.完善數(shù)控機(jī)床及伺服系統(tǒng)的措施

4.1加工精度

精度是機(jī)床必須保證的一項(xiàng)性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此位置精度是一個(gè)極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對(duì)位置檢測(cè)元件提出精度的要求。因?yàn)樵陂]環(huán)控制系統(tǒng)中，對(duì)于檢測(cè)元件本身的誤差和被檢測(cè)量的偏差是很難區(qū)分出來的，反饋檢測(cè)元件的精度對(duì)系統(tǒng)的精度常常起著決定性的作用。

4.2提高可靠性

數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大，所以提高數(shù)控機(jī)床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u(píng)價(jià)可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對(duì)數(shù)控機(jī)床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等，例如溫度、濕度、振動(dòng)、電源、干擾強(qiáng)度和操作規(guī)程等。這里的功能主要指數(shù)控機(jī)床的使用功能，例如數(shù)控機(jī)床的各種機(jī)能，伺服性能等.平均故障（失效）間隔時(shí)間（MTBF）是指發(fā)生故障經(jīng)修理或更換零件還能繼續(xù)工作的可修復(fù)設(shè)備或系統(tǒng)，從一次故障到下一次故障的平均時(shí)間，數(shù)控機(jī)床常用它作為可靠性的定量指標(biāo)。

4.3寬范圍調(diào)速

在數(shù)控機(jī)床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時(shí)滿足高速快移和單步點(diǎn)動(dòng)，要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。單步點(diǎn)動(dòng)作為一種輔助工作方式常常在工作臺(tái)的調(diào)整中使用。伺服系統(tǒng)在低速情況下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)進(jìn)給，則要求速度必須大于“死區(qū)”范圍。所謂“死區(qū)”指的是由于靜摩擦力的存在使系統(tǒng)在很小的輸入下，電機(jī)克服不了這摩擦力而不能轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，還由于存在機(jī)械間隙，電機(jī)雖然轉(zhuǎn)動(dòng)，但拖板并不移動(dòng)，這些現(xiàn)象也可用“死區(qū)”來表達(dá)。加強(qiáng)對(duì)其寬范圍的調(diào)節(jié)是非常必要的。

5.結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)床及其伺服系統(tǒng)的研究，可以延長(zhǎng)數(shù)控機(jī)床的使用年限，更好的保障其正常運(yùn)行，是非常具有現(xiàn)實(shí)意義的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]王濤.數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能探究[J].機(jī)械，2013（3）：166-168.

[2]盛文仲.淺談數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012（3）：16-18.

[3]王文鵬.數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)性能分析[J].經(jīng)驗(yàn)交流，2013（6）：66-69.