1 故障現(xiàn)象
W200HD是武鋼公司于1994年從捷克進(jìn)口的一臺(tái)數(shù)控鏜銑床，在一次使用中，發(fā)現(xiàn)機(jī)床無論走多遠(yuǎn)的距離，其坐標(biāo)顯示的距離和實(shí)際檢測的距離總有一定的誤差，有時(shí)達(dá)到幾毫米，甚至十幾毫米。這種定位誤差較大的現(xiàn)象，使數(shù)控機(jī)床無法正常加工。
2 故障分析及處理
1) 故障分析
鏜銑床W200HD所配的數(shù)控系統(tǒng)是德國西門子公司的SINUMERIK系統(tǒng)，它是一種中檔數(shù)控系統(tǒng)，具有三個(gè)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)功能，分辨率是1μm。對于這種系統(tǒng)，出現(xiàn)上述誤差不正常。該系統(tǒng)本身具有自診斷功能，然而上述故障在顯示器上沒有顯示出來，需要人為判斷并加以排除。
定位誤差作為位置控制中的重要指標(biāo)，可較全面地判斷位置控制是否正常。由故障現(xiàn)象可以判定出機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的位置控制部分出現(xiàn)了問題，使整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的定位誤差過大，影響機(jī)床的正常加工。在圖1所示閉環(huán)位置控制的原理框圖基礎(chǔ)上，對進(jìn)給位置控制的原理進(jìn)行簡要分析。
圖1 進(jìn)給位置控制原理框圖
安裝在機(jī)床工作臺(tái)上的位置傳感器(這里是光柵)將機(jī)械位移轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖，該脈沖送至數(shù)控系統(tǒng)的位置測量接口，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，計(jì)算機(jī)以固定的時(shí)間周期對該反饋值采樣，采樣值與插補(bǔ)程序輸出的結(jié)果(即當(dāng)前指令位置)進(jìn)行比較，得到位置誤差，該誤差經(jīng)軟件增益放大(Kc)，輸出給數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)，為伺服單元提供控制電壓，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)向減小誤差的方向移動(dòng)。如果插補(bǔ)程序不斷有進(jìn)給量產(chǎn)生，工作臺(tái)就不斷地跟隨該進(jìn)給量運(yùn)動(dòng)，只有在位置誤差為零時(shí)，工作臺(tái)才停止在要求的位置上。由此可見，位置控制功能是由軟件和硬件兩部分共同實(shí)現(xiàn)的，軟件負(fù)責(zé)位置誤差和速度環(huán)給定值的計(jì)算，硬件則接受給定值數(shù)字量，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，為速度環(huán)提供控制電壓，驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，并將機(jī)床工作臺(tái)的位置反饋給數(shù)控系統(tǒng)。
根據(jù)故障現(xiàn)象分析問題的出處。該機(jī)床是全閉環(huán)控制系統(tǒng)，位置傳感器安裝在工作臺(tái)上，理論上定位誤差不受絲杠間隙和螺距誤差的影響。機(jī)床能夠正常移動(dòng)，說明機(jī)床伺服單元工作正常。在機(jī)床反饋回路中，如果反饋線斷路，系統(tǒng)實(shí)際上變成開環(huán)，沒有位置反饋，增量從命令增量中減去，跟隨誤差會(huì)累積得越來越大，直至溢出，使驅(qū)動(dòng)裝置失控，這時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的自診斷功能會(huì)發(fā)揮作用，發(fā)出反饋回路斷開的報(bào)警信息。綜合以上分析可以看出，位置控制的硬件部分沒有問題，因而故障可能出在軟件部分。
該機(jī)床的伺服單元可完成電流環(huán)和速度環(huán)的控制。而位置環(huán)(即位置控制)則由數(shù)控系統(tǒng)軟件完成。數(shù)控系統(tǒng)軟件有數(shù)百個(gè)參數(shù)可由用戶設(shè)置，以利于數(shù)控系統(tǒng)與機(jī)床本體配接的二次開發(fā)，這些參數(shù)均保存在CMOS存貯器中，機(jī)床掉電后，參數(shù)不會(huì)丟失，一旦電池不足(低于額定值的85%)或外部干擾可使參數(shù)丟失而發(fā)生混亂。但沒有出現(xiàn)電池不足的報(bào)警，說明電池的能量還充足。如果數(shù)控系統(tǒng)的控制參數(shù)全部丟失，則機(jī)床根本不可能運(yùn)行，因此很可能是外部的某種干擾，使位置控制的部分參數(shù)發(fā)生混亂，位置控制的軟件計(jì)算出現(xiàn)較大誤差，使定位誤差超出所允許范圍。從圖2看出，機(jī)床的位置反饋測量系統(tǒng)的精度和位置環(huán)增益Kc影響到位置誤差的輸出。位置環(huán)增益反映了整個(gè)伺服系統(tǒng)的靈敏度，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，增益越高，定位誤差越小，但機(jī)床容易振蕩，不易調(diào)整；系統(tǒng)的增益越低，定位誤差越大，但機(jī)床容易調(diào)整，不易振蕩。現(xiàn)調(diào)出數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)，檢查位置環(huán)的增益是否選得太低，使定位誤差較大。經(jīng)校對，位置環(huán)的增益和機(jī)床調(diào)試好后的增益一致。因此，該機(jī)床的問題可能在機(jī)床的位置反饋測量系統(tǒng)的精度和控制裝置的位置調(diào)節(jié)精度不匹配上。
圖2 數(shù)控系統(tǒng)位置控制軟件流程
由于該機(jī)床采用全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，是直接從機(jī)床移動(dòng)部件(工作臺(tái))上獲得位置實(shí)際移動(dòng)值，因此其檢測精度不受機(jī)械傳動(dòng)精度的影響。要使位置環(huán)能夠正常工作，必須具有正確的位置調(diào)節(jié)閉環(huán)回路。為此必須使位置測量系統(tǒng)的脈沖與控制裝置的位置調(diào)節(jié)精度相互匹配。在該系統(tǒng)中有一個(gè)可設(shè)置參數(shù)MD5002(共8位)，表示反饋輸入分辨率和位置控制分辨率，只有當(dāng)反饋輸入精度的設(shè)置和位置控制精度的設(shè)置相互匹配時(shí)，位置環(huán)才可能正確運(yùn)算，使機(jī)床正常移動(dòng)，在誤差允許的范圍內(nèi)準(zhǔn)確到達(dá)指定位置。
在CNC系統(tǒng)中，定位誤差的計(jì)算是以伺服分辨率為單位的，如果位置反饋輸入的精度和位置控制的精度不一致，位置誤差的計(jì)算就在非統(tǒng)一單位下進(jìn)行的，其結(jié)果就不是真正意義上的指令位置和實(shí)際位置的誤差，因而工作臺(tái)就不能到達(dá)指令所要求的位置。
1) 故障處理
根據(jù)以上故障分析，調(diào)出系統(tǒng)參數(shù)，校對參數(shù)單元MD5002的內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)與原來調(diào)試好的參數(shù)有出入，可能是外部某種干擾，使RAM中的參數(shù)發(fā)生混亂。現(xiàn)將該參數(shù)進(jìn)行正確修改后，使機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)復(fù)位，再開動(dòng)機(jī)床，經(jīng)檢測，機(jī)床的定位精度達(dá)到了正常要求，機(jī)床恢復(fù)了正常生產(chǎn)。
3 小結(jié)
通過這次故障維護(hù)可見，為了能夠充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床功能多、柔性強(qiáng)、加工精度高、自動(dòng)化程度高的優(yōu)勢，生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品，以適應(yīng)市場競爭的需要，就必須注意加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的維護(hù)工作。具體應(yīng)做到如下幾點(diǎn)：(1)保證數(shù)控設(shè)備的使用環(huán)境良好，符合產(chǎn)品規(guī)定的要求。(2)注意數(shù)控設(shè)備使用電源的維護(hù)。特別當(dāng)增減旁邊共用交流電源的大容量設(shè)備時(shí)，必須觀察是否產(chǎn)生瞬時(shí)干擾信號(hào)，防止它破壞機(jī)內(nèi)的程序或參數(shù)，甚至造成死機(jī)，影響機(jī)床的正常運(yùn)行。(3)數(shù)控設(shè)備應(yīng)有操作規(guī)程。特別防止機(jī)床操作員隨意修改內(nèi)部參數(shù)。(4)應(yīng)有維修記錄。一般機(jī)床故障都具有規(guī)律性(如常發(fā)故障)，維修記錄對今后工作具有指導(dǎo)意義。(5)要加強(qiáng)有關(guān)數(shù)控設(shè)備技術(shù)人員和操作員的培訓(xùn)工作，結(jié)合理論和實(shí)踐來提高他們的綜合業(yè)務(wù)素質(zhì)。
