數控機床進給伺服系統故障仿真

石秀敏，戴 怡，馬紀孝

（天津職業技術師范學院，天津 300222）

0 引言

進給系統的精度是影響數控機床的精度主要因素，而數控機床的進給系統出現故障的機會相對多一些，根據經驗，伺服系統故障要占整個CNC系統故障的三分之一，而且伺服系統故障所造成的后果也比較嚴重，為此在維修伺服系統方面的故障時也應特別重視。

在分析進給伺服系統故障的部分典型案例的基礎上，建立了進給伺服系統的仿真模型。并通過此模型對部分故障進行仿真，從而可以更加直觀的看到故障現象以及故障所造成的后果，為數控機床故障診斷及維修提供理論依據。

1 伺服系統常見故障

1.1 超程

當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關設定的硬限位時，就會發生超程報警。

1.2 過載

當進給運動的負載過大，頻繁正、反向運動以及傳動鏈潤滑狀態不良時，均會引起過載報警。

1.3 竄動

在進給時出現竄動現象。

1.4 爬行

發生在啟動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良、伺服系統增益低及外加負載過大等因素導致。

1.5 機床出現振動

機床以高速運行時，可能產生振動，這時就會出現過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以就應去查找速度環。

1.6 伺服電動機不轉

1.7 位置誤差

當伺服軸運動超過位置允差范圍時，數控系統就會產生位置誤差過大報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。

1.8 漂移

當指令值為零時，坐標軸仍移動，從而造成位置誤差。

1.9 機械傳動部件的間隙與松動

在數控機床的進給傳動鏈中，常常由于傳動元件的鍵槽與鍵之間的間隙使傳動受到破壞。

2 進給伺服系統建模

數控機床進給系統一般為兩個部分：一部分是伺服驅動系統，另一部分是機械傳動系統。系統組成框圖如圖1所示。

在整個伺服控制結構三環結構中，以矢量控制的交流伺服電動機（PMSM）驅動，電流環和速度環為內環，位置環為外環。工程實踐中，電流環和速度環均采用PI調節器，位置環采用P調節器。

機械傳動機構由驅動電機、聯軸器、滾珠絲杠、絲杠支撐軸承、移動部件組成。電機通過聯軸器與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠螺母副驅動執行部件作直線運動，如圖2所示。

圖1 伺服系統結構框圖

圖2 機械傳動結構圖

圖3 伺服系統傳遞函數框圖

進給系統數學模型如圖3所示，其中Gp(s)、Gv(s)、Gi(s)、Gb(s)分別表示位置調節器、速度調節器、電流調節器及電流反饋回路傳遞函數。θ*、θ分別代表給定的角位移及電機轉過的角位移，ω*、ω分別代表給定角速度和電機角速度，iα*代表給定電流，Te*、Te代表給定電磁轉矩和電機的轉矩，x代表工作臺位移量。框圖中伺服驅動系統結構部分，Ld、Lq代表轉子和定子的等效電感，R是電機內部等效電阻，為轉矩常數，ψf是永磁體產生的恒定磁通，J為電機的轉動慣量； 為電機的等效阻尼系數；

其中Ks為機械傳動部件折算到絲杠上的扭轉剛度為執行部件與各傳動部件折算到絲杠上的轉動慣量，為系統的等效粘性阻尼系數，（P為絲杠導程）為滾珠絲杠螺母副的傳動比，稱為阻尼比，ωn稱為進給系統的無阻尼固有頻率。

進給電機參數：額定轉速nn=3000r/min，額定電流IN=11.6A，額定轉

矩TN=16.5N.m，電機轉動慣量為J=0.01323kg.m2，電樞繞組電阻Rα=0.15?，電機轉子與定子的等效電感Ld=Lq=0.00033H，ψf=0.5033Wb，Bm=0。

電流環還需增加SPWM逆變器環節，一般簡化為一階慣性環節，其傳遞函數為在 此KPWM=7.78，TPWM=0.000167s。另外，由于SPWM輸出電壓（或者電流）和來自電流檢測單元的反饋信號中常含有交流高次諧波分量，容易造成系統的振蕩，需要低通濾波器加以濾波，故增加電流反饋濾波器在 此選 取Tif=0.001。

進給機構參數：工作臺質量m=3500kg，絲杠直徑d=0.08m，絲杠導程L=0.012m，絲杠總長l=0.963m，絲杠支承軸向剛度KB=1.12×108N/m，絲杠螺母的接觸剛度KN=2.02×108N/m。采用直聯方式。

計算出等效轉動慣量Js=0.043kg.m2，計算等效扭矩剛度Ks=119507.75N.m/rad，計算阻尼系數fs=1.4332。

3 故障仿真

3.1 定位超調的故障維修

3.1.1 故障現象

在X軸定位時，發現X軸存在明顯的位置“過沖”現象，最終定位位置正確，系統無報警。

3.1.2 故障分析

機型：采用SIEMENS 810M的龍門加工中心。

理論原因分析：由于系統無報警，坐標軸定位正確，可以確認故障是由于伺服驅動器或系統調整不良引起的。

3.1.3 故障診斷

X軸位置“過沖”的實質是伺服進給系統存在超調。引起超調的原因有多種，如：加減速時間過長、速度環比例增益太低、速度環積分時間過長等等。

通過檢查，確認該機床是由于速度環比例增益過低和速度環積分時間過長引起的超調。

圖4 速度環積分時間過長時系統階躍響應

3.1.4 故障仿真

此故障是由于系統速度環P-I控制器中的比例環節比例增益過低、速度環積分時間過長引起的。

根據以上故障現象，取速度環積分時間增大5倍后進行仿真，見圖4所示。其中曲線1代表給定輸入信號，曲線2為系統正常時位置輸出信號，信號3為速度環積分時間過長時位置輸出信號。由仿真結果可以看出，速度環積分時間過長時，會引起系統的過沖，從而造成定位超調。

3.2 驅動器過電流報警

3.2.1 故障現象

某配套SIEMENS 810系統的立式加工中心，在自動運行過程中，出現Y軸驅動器過電流報警，驅動器V4燈亮。

3.2.2 故障分析

機床結構：配套SIEMENS 810系統的立式加工中心。

理論原因分析：驅動器出現過電流報警的原因很多，機械傳動系統的安裝、調整不良，切削力過大，驅動器設定不良，伺服電動機不良等都可能引起驅動器的過電流。但在本機床上，當自動運行時，出現以上故障后，再次開機，故障依然存在，因此可以排除切削力引起的過電流。

3.2.3 故障診斷

為了盡快確定故障部位，維修時通過更換驅動器的調節器板、功率板進行了試驗，發現故障依然存在于Y軸，從而確定故障是由于Y軸伺服電動機或電動機與驅動器的連接不良引起的。

仔細檢查Y軸連接電纜，發現由于機床工作臺運動時，拉動了Y軸反饋電纜，使得Y軸的位置反饋線出現了連接松動引起的報警；重新連接反饋電纜后，故障排除。

3.2.4 結論

由于機床工作臺運動時，拉動了Y軸反饋電纜，使得Y軸的位置反饋線出現了連接松動，引起過電流報警。

仿真結果見圖5所示，其中曲線1為給定電流信號，曲線2為正常時輸出電流信號，曲線3代表位置反饋線松動時的輸出電流信號，圖中可以看出位置反饋線出現連接松動后。圖中，可以看出系統的階躍響應電流保持很大的數值，因此會引起驅動器過電流報警。

圖5 位置反饋線松動后電流輸出曲線圖

3.3 尺寸存在不規則的偏差

3.3.1 故障現象

由龍門銑削中心加工的零件，在檢驗中發現工件Y軸方向的實際尺寸與程序編制的理論數據存在不規則的偏差。

3.3.2 故障分析

機床結構：該機床數控系統為采用SINUMERIC810M的龍門銑削加工中心。

理論原因分析：從數控機床控制角度來判斷，Y軸尺寸偏差是由Y軸位置環偏差造成的。

3.3.3 故障診斷

電氣方面故障診斷：檢查Y軸有關位置參數，發現方向間隙、夾緊允差等均在要求范圍內，故可排除由于參數設置不當引起故障的因素。

機械方面故障診斷：檢查Y軸進給傳動鏈。若傳動鏈中連接部分存在間隙或松動，可引起位置偏差，從而造成加工零件尺寸超差。

圖6 阻尼比減小與正常時系統階躍響應圖

3.3.4 故障仿真

與轉子軸聯接的帶輪錐套有松動，等同于傳遞函數中 的下降，從而導致 的減小，最終影響電動機性能和系統的穩定，造成零件加工尺寸的不規則。

系統階躍響應如圖6所示，其中1為給定信號，2為阻尼比正常是輸出信號，3為阻尼比減小時信號。由仿真結果可以看出，阻尼比減小后系統仿真曲線與正常時相比，出現超程。那么被加工的零件就會被多切削了一部分，零件就有可能報廢。

4 結論

利用Matlab軟件對數控機床進給系統建立仿真模型，進而研究數控機床進給系統的故障產生機理，通過此模型對部分故障進行仿真，從而可以更加直觀的再現故障現象以及故障所造成的后果，為研究數控機床故障產生機理及診斷維修提供理論依據。

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