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数控铣床伺服运动失控的故障检查

数控铣床伺服运动失控的故障检查

2012/8/8 10:50:33

    1 伺服运动系统的组成     所改造的是一台三坐标铣床 ,采用具有90年代先进水平的美国AVTOCON DELTA 20数控系统,该数控系统最多可控制5个坐标 ,给出了一个坐标的伺服运动控制单元结构框图,其中旋转编码器、测速电机及伺服电机三者同轴安装。这是一个具有内层电流反馈环、中间电压反馈环、外层位置反馈环的典型半闭环数控伺服单元。

    2 伺服运动失控故障现象     该数控伺服控制系统,在按设计图纸连线及设定好数控伺服运动有关参数的基础上进行联机调试时,出现了伺服运动失控的现象,表现为;一接通伺服驱动系统的电源后,不管CNC伺服控制系统处在何种初始状态 ,伺服电机均带动工作台以间歇振荡方式向一方向快速移动,同时数控系统的控制屏幕上出现“伺服控制出错”提示。     3 故障检查     为找到、造成上述失控现象的原因,对该数控铣床从软、硬件两方面进行了分析及参数调试。

    3.1软参数调整     从 “软”件方面来看,可能会由于数控系统的一些参数设置不当而造成“伺服控制出错”或伺服系统振荡等问题的出现。该数控系统内部对应于每一坐标均有与伺服运动有关的参数单元,可在现场进行参数修改逐一调试均未缓解问题的现象,因此认为问题可能出在组成伺服环的硬件环节上。     3.2 检查位五闭环电路     为分离故障源,编码器与系统伺服单元,点的连线,即取消位置反馈控制环。按照数控原理分析,此时若有一设定 的距离值转换为脉冲经位置控制器控制后,再经D/A转换以电压形式输出,则伺服驱动器将这个信号放大后 ,就会驱动伺服电机以某一转速转动,由于没有位置反馈环,初始设定的脉冲值不会减少,因此该转动将不会停止。接通电源后,情况确实如上所述,通过手动按钮设定正向距离或负向距离值后,伺服电机均能正向转动或反向转动转动速度 随距离设定值的增大而加快,屏幕上显示设定的距离值不变,同时显示已移动的距离,由此说明数控系统工作正常。      连接数控系统与伺服驱动器并组成位置,反馈控制环的一个关键器件是装在测速电机轴上的旋转编码器,将旋转编码器卸下后,测试结果表明,该旋转编码器工作正常,恢复位置控制环电路.但旋转编码器并不安装在测速电机的轴上,开机后未出现伺服运动失控的现象。设定距离值后,伺服电机开始转动,这时用手按照伺服电机的旋向和速度转动旋转编码器轴模拟旋转编码器安装在测速电机轴上的情况 ,工作台可在移动给定距离值后停止运动。

     由此断定;CNC 数控系统的伺服运动参数、PWM月收伺服驱动器的电参数及旋转编码器的参数正常。整个半闭环数控系统处于一种平衡、稳定的状态。而将旋转编码器装上测速电机后出现的伺服运动失控现象,表明问题就是出在旋转编码器与系统的连接上,二者连接后,一定有某一因素在起作用,导致数控系统失稳。旋转编码器以两种形式 与数控系统连接,一种是用机械连接的方式将其固定在测速电机的外壳及轴上,另一种就是电脉冲信号的连接。从机械连接方面看,旋转编码器与测速电机同轴安装,二者转动方向与速度相 同,上述的模拟试验表明它们之间是 协调的,同步运行不会导致伺服运动失控?从电气方面来看,上述的模拟试验也表明,旋转编码器接人数控系统后不会造成伺服运动失控,但用一根导线将旋转编码器外壳与测速电机的外壳连接后,伺服运动失控的现象立刻出现,断开连线后,系统又恢复正常。这表明;导致伺服运动失控的因素来自测速电机。一定有一个来自测速电机的干扰信号经旋转编码器馈人数控系统位置控制器的脉冲输人比较端,导致伺服运动失控。       测速电机和伺服电机从外表上看,两者连接为一体,但两者之间实际上是绝缘的,接通伺服驱动器后 ,测速电机外壳与伺服电机外壳(地线)间有一约5mV 的高频干扰信号。

      4 故障排除及原因分析       将测速电机的外壳妥善接地后,这个高频干扰信号被旁路,安装好旋转编码器后 ,数控系统即能正常工作 ,伺服运动不出错。从接通伺服驱动器后才有干扰信号这个现象可断定 ;干扰源来自伺服驱动器,该伺服驱动器采PWM控制方式,其调制频率为20KHz控制器本身还产生高次谐波 。这个高频调制信号及产生的高次谐波信号加在伺服电机线圈上后通过空间藕合到与其集成为一体的测速电机外 壳上 形成一高频干扰源从示波器上观察,这个高频干扰信号的正向及负向均有一条边界模糊的干扰信号带这个干扰信号从测速电机外壳传到旋转编码器外壳,又通过旋转编码器外壳馈人旋转编码器的信号线,进人数控伺服单元的位置控制器。      以初始设定距离值零为例,干扰信号进人伺服单元的位置控制器脉冲输人比较端后,向伺服驱动器发出进给指令 ,本系统中干扰信号,实际产生的是正向进给指令得到进给指令的伺服电机带动旋转编码器正向旋转,这时旋转编 码器的脉冲信号也正常进人位置控制器,这些正向脉冲与距离设定值(脉冲个数)零比较,就使位置比较环输出一个反向指令,以逼近设定值。但随之而来的干扰信号又向伺服驱动器发出正向进给指令,导致故障发生,造成伺服运动失控,使数控系统的位置 比较环输出发生振荡,伺服电机带动工作台以间歇振荡方式向正方向快速移动,同时数控系统的控制屏幕上出现“伺服控制出错”提示。       结 论       数控系统在接地设计时,既要考虑到一个导体应采取一点接地方式,又要细致地考虑系统内应接地的每一部件,不遗漏接地点。从上述伺服运动失控问题来看,笔者认为宜从闭环伺服控制的原理着手,分别从伺服控制的“软”参数和控制环节的硬件电参数两方面去查找原因 ,并将闭环先改为开环控制进行调试,确定故障的是开环时就存在的,还是引人闭环后才产生的,以找到问题的根源。

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王静
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