数控机床位置精度误差分析及故障处理方法

闲庭信步

数控机床位置精度误差分析及故障处理方法
蒋  军
（江苏联合职业技术学院徐州技师分院  江苏省徐州技师学院，江苏 徐州 221151）

摘要  数控机床是基于计算机控制的高性能机电一体化产品，其位置驱动装置的特点是灵活、方便、准确、快速，但数控系统中时常出现位置精度误差的现象，已经成为数控系统位置环的共性问题。及时找出相关故障点并进行处理，方可保证生产及教学实训的顺利进行。
关键词  数控系统  位置精度  位置环  偏差计数器  电动机  伺服

　　数控系统参数发生变化或改动、机械故障、机床电气参数未优化电机运行异常、机床位置环异常或控制逻辑不妥，是生产和教学实训中影响数控机床加工精度异常故障的常见原因，找出相关故障点并进行处理，方可保证生产及教学实训的顺利进行。数控机床的加工过程中数控系统时常出现位置精度误差的现象，已经成为数控系统位置环的共性问题。针对此问题本人结合多年学习工作与实训教学经验谈谈分析和处理的方法。
　　1.故障内容
　　在 FANUC系统中出现有 3*0及 3*1（其中*代表轴号，代表N个轴）的报警。报警解释是N轴停止时位置精度偏差量的值比设定值大。在 SINUMERIK 8系统中有1*1报警号出现（其中*也是代表轴号），报警解释是位置精度偏差已达到了极限。这两个报警很相似，下面讨论这个报警产生的原因及处理办法。
　　2.故障分析
　　实际上这是位置环中的一个问题，要想解决位置环问题，那就要讨论偏差计数器。                                                                                                            
　　给定电压fg来自于NC，是经过插补运算后,由NC向各轴发出的脉冲，脉冲的个数代表NC要求此轴移动的距离。而脉冲的频率是NC要求此轴运行的速度。它向此位置精度偏差计数器进行的是加法计数。
    反馈电压fb来自于脉冲编码器的反馈脉冲，反馈脉冲的个数代表电机已经实际转过的角度，机床运行的实际距离。而fb的频率是代表脉冲编码器旋转的速度。它通过同步、四分频等控制和转换后送到偏差计数器中去，是减计数。
　　偏差计数器中的数若增大，一方面说明

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另外，这个数过大各轴不同时运动，也会产生形状的偏差。也就是形状，位置公差均可能超差。因此数控机床中对这个数的大小进行了限制。
根据工艺要求及加工精度在FANUC OTD的系统中设定参数25\26\27（30），该参数的内容就是偏差计数器的值一旦超过了这个值（即极限值）就报警。这个值对加工零件的位置与形状

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　　的精度有密切的关系，所以这种修改参数的办法，应是参数设置不合理或者是参数丢失才采用。
　　SINUMERIK 8系统对这个偏差计数器的限定是用 D／A转换器的极限来限定的，它的输出由速度调节器给定，因此它所用的机床参数是限定最大速度给定值，此系统所用的是MD140（141，142），MD140（141，142）是最大转速的额定值，输入范围0～8192，标准值8192，其单位为VELO（D／A转换的单位）。它的解释是：用这一输入确定转速额定值输出最大电压值，它根据转速调节器内可能有的额定值极限进行调节（通常10V），超出极限则停止插补，并发出报警101。
　　位置精度误差过大的原因
　　我们知道fg是加计数，fb是减计数，如果fg=fb，那么偏差计数器中的数就会不变，即使变也就是1个VELO。如果fg＞fb，那么在偏差计数器中的数会愈来愈大。不久，就可以超出参数中限定值。引起数值增大原因首先是加速过程。也就是当给定某轴速度时，电机还没有转起来，此时只有fg向偏差计数器中加数，而电机缓慢启动，反馈的fb很小，fb向偏差计数器中减计数少，那么偏差计数器中的值就不断增长；当电机转到正常所要求的转数时，偏差计数器中的值就不会再上升。如果fg=fb时，电机还在作加速度运转，很可能出现反馈脉冲频率大于给定的频率即fb＞fg，这时偏差计数器中的值由于减数大了还会下降，最后总会达到一个平衡即fb=fg，电机稳定运行，偏差计数器中的值经过D／A转换，恰好是以fb作为反馈频率的频率值等于给定fg的频率值。
　　故障处理方法
　　1.负载问题
　　启动某个轴还没旋转就出现该报警，在加减速时如果故障产生，可以对加减速机床参数进行调节，然后检查电机转速情况，另外再考虑负载是否有问题。例如负载过大，或者夹具夹偏而造成摩擦阻力过大，或者机械油压给电机带来负载过大等等问题。总之要检查电机的作用力是否过大，而使电动机丢转过多，检查工作一定要过细，避免事故扩大，以至出现受损面扩大的现象。通常可以采用机械和电机分离的办法来确定。
　　2.电机转速的问题
　　fg代表给定的速度，fb代表电机实际转速，如果fg＞fb，也会很快出现这类报警。
    关于电机转速低的原因如果是由NC发出来，而给定电压不变，也就是偏差计数器中的值是不变的，既伺服系统的给定电压是不变的，而电机的转速不够，有可能伺服系统输出的电压不够。电机的电枢电压小，当然转速就低。因此要从伺服系统外围考虑，如电源电压是否缺相，是否电压值已超出了+10％～-15％的运行范围，可以用万用表进行测量检查。
　　3.电动机问题

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　　上述问题如果都不存在，就得考虑电动机本身是否存在故障，如电机电刷是否接触良好，电机整流子表面是否良好，电机是否有转动不灵活的地方，轴承是否已经破碎，润滑是否适当。电机如果有故障，自然旋转起来也会丢转的。
　　4.伺服系统问题
　　如果上述检查都没有发生问题，这时就要考虑伺服板和触发板上的问题。伺服板的速度调节器输出的值是否有问题，能不能通过调节KV来解决问题，因为KV加大，就是比例积分调节器的比例放大系数加大，这样就可以使在相同的给定下，电动机转速加大一些。当然，也要考虑整个调节器板是否有问题，可以采用换板的方法试一下调节器板是否存在问题。
　　5.其它
　　此外，还应分析光电编码器的反馈是否正确，可以通过光电编码器的反馈脉冲送入示波器来观察。同时，还要注意各接线端子是否松动，反馈线是否良好，虽然这是最简单的检查方法，但不可忽视。
　　在这里，还要强调应测速发电机的信号，当然很多系统中已不再采用测速发电机来对速度采样，而是采用光电编码器进行采样速度做为系统的反馈信号。但速度反馈对速度调节器的输出有重大关系，如果测速发电机给出的值过高就会使电动机达不到所要求的速度。因此，一定要注意这个环节的调节，这个环节容易出现问题，特别是测速发电机存在着很多隐患。
　　结束语
　　以上简单介绍了对位置精度误差故障的原因分析以及对一些故障的处理方法，不同数控机床所表现的故障现象各异，工作中应从多方考虑，而处理故障时要耐心、细致、准确，以达到快速解决问题的目的。不足之处请各位老师读者指正。
　　
　　参考文献:
1.费业泰．精度理论若干问题研究进展与未来【J】．中国机械工程，2000(10)：257～261
2.王玉．机械精度设计与检测技术【M】．北京：国防工业出版社，2005
3.徐衡．数控机床故障维修[M].北京：化学工业出版社，2005
4.余仲裕．数控机床维修[M].北京：机械工业出版社，2001

作者简介：蒋军（1980－ ），男，汉族，江苏省徐州市人，南京工业大学机械工程及其自动化专业，本科，工学学士，中国矿业大学控制工程硕士在读，助理讲师，数控车床操作工技师、维修电工技师，徐州市数控机床维修工高级技能考评员，曾获得2011年全国职业院校数控机床装调维修技能大赛三等奖，并指导学生获得2011年江苏省职业院校数控机床装调维修技能大赛第三名。
联系电话:                      联系地址:江苏省徐州市九里区西郊丁楼江苏省徐州技师学院数控工程系
电子邮箱:                      邮编:  221151

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