數控機床運動質量特性故障分析

任楊鋒

（山西平陽重工機械有限公司，山西 侯馬 043002）

數控機床的故障大多是通過系統自診斷功能，以報警文本的形式指示出故障內容及故障產生的可能原因，給維修人員提供了一些分析判斷故障部位和原因的線索。而運動質量故障卻不同，大多數情況故障現象往往從表面上看不出來，機床既不會報警也不會停機，但加工出來的產品卻不合格。診斷這類故障必須結合不合格零件的特性或運動誤差大小的程度及誤差的特點，從運動傳動的原理及傳動鏈中傳動副的特點來分析原因，繼而有針對性地進行檢查并找出故障原因。檢查這類故障時，必須配合使用有關的檢測儀器，而排除故障時一般是通過對機械系統、控制系統及伺服系統進行調整來排除。

1.位置偏差過大

這一類故障是屬于機械運動質量問題，實際就是進給伺服系統位置環中的問題。位置偏差是通過位置環中位置偏差計數器輸出的，即由來自光電編碼器反饋的工作臺實際運行距離的脈沖（包括脈沖個數和頻率） 與來自數控系統向各傳動軸發出的指令脈沖（個數和頻率）比較得出的。這個偏差數的大小反映數控系統要求某軸運行的距離還有多少沒有走或走過了多少。為使位置偏差不至于超出機床各軸需要的形狀位置公差，所以數控機床對這個參數的大小進行了限制。這要靠參數的設定來解決，而這個設定的參數值與加工零件的位置與形狀的精度有密切關系。這個參數值是可以修改的，這種情況往往是在參數設置不合理或參數丟失時才采用這種修改參數的辦法。出現位置偏差過大而報警的可能原因有以下幾點。

（1）進給伺服電機轉速不夠。如果伺服系統的給定速度是不變的，而電機轉速不夠，那可能是電源電壓不夠，或伺服變壓器給出的電壓不夠。若電動機給定電壓小，這時應考慮電源電壓是否缺相，是否電壓值已超出了10%～-15%的運行范圍，三相電源是否對稱等，這可以通過萬用表測量。

如不是上述問題，那應考慮電動機是否有問題。如電動機電刷是否接觸良好、電動機換相器表面是否光滑、電動機是否有轉動不靈活的地方、軸承是否破碎、潤滑是否良好等。

（2）負載是否有問題。如切削量過大或機床本身機械摩擦力過大等都會造成電動機丟步。

（3）伺服板和觸發板故障。伺服板的速度調節器的輸出值是否有問題，能不能通過調節速度增益來解決。因為速度增益加大就是比例積分調節器的比例放大系數加大，這樣就可以在相同的給定值下使電動機轉速加大一些，但同時也要考慮整個調節器板是否有問題，可通過換板法來確定調節器是否有問題。

（4）光電編碼器的反饋電纜是否正常。這可以通過把編碼器的反饋脈沖送入示波器觀察而定。

（5） 檢查各接線端子、插頭是否松動。

2.零件的加工精度差

加工復雜曲線零件時發現加工精度差，這主要是各軸之間的進給動態跟隨誤差沒有調好。機床使用一段時間后，機床各軸傳動鏈發生變化（如絲杠間隙、螺距誤差、軸向竄動等），這幾種原因可通過重新調試及改變間隙補償量等來解決。

如果各軸動態因誤差太大而報警，可從以下方面檢查：伺服電動機的轉速是否過高；相應的模擬量輸出鎖存器是否正常；位置反饋電纜插接是否良好；該軸模擬量輸出增益電位器是否良好；脈沖編碼器是否良好；該軸伺服模塊是否正常等。

3.在兩軸聯動銑削圓周時圓度超差

圓度超差有兩種情況：一是圓的軸向變形，二是出現斜橢圓，即在45°方向上的橢圓。

（1）圓的軸向變形。其原因是機械未調整好而造成的軸向定位精度不良或是絲杠間隙補償不當等，從而導致每當過象限時就產生橢圓。

（2）斜橢圓誤差。對這種故障要按下述方法診斷排除：各軸的位置偏差太大，可調整位置環增益來排除；旋轉變壓器或感應同步器用的接口板沒有調整好；機械傳動副間隙太大或間隙補償不合適。

4.機床運動時超調引起位置精度和加工精度不良

可能的原因有：加減速時間太短。如果電機電流已飽和，可適當延長速度變化時間，即適當增加加減速時間常數；伺服電機與絲杠間的聯結松動或剛性太差，可適當減小位置環增益。

5.故障實例分析

機床類型：數控車床

故障現象：數控車床在工作過程中，被加工零件的尺寸有規律地逐漸變化（由小到大或由大到小），每次的變化量基本是一個定值，但如果調整機床快速進給速度后，這個變化量的值也會改變。

故障診斷：這種現象往往產生在伺服電動機與滾珠絲杠間用連軸器直接連接的機床上。由于伺服電動機與滾珠絲杠之間的彈性聯軸器沒有鎖緊，使絲杠軸頭與電機軸頭之間產生相對滑移扭轉，這樣就造成進給尺寸或小于或大于程序的規定值，使零件尺寸逐漸變化。

解決方法：設法鎖緊聯軸器。目前大部分機床都采用彈性錐形套聯接，如果錐形套漲開后摩擦力不足，就會產生滑動扭轉現象。此時數控系統并不產生報警。因為電動機轉動正常，編碼器反饋也正常。一旦機床出現這種情況，僅僅依靠擰緊螺釘的方法未必有效，建議將錐形套切開一條縫再裝入，這樣會立即見效。

[1]李誠人.現代機電控制系統 [M].西北工業大學出版社.

[2]張魁林.數控機床故障診斷 [M].機械工業出版社.