2 故障分析及处理

1. 故障分析
镗铣床W200HD所配的数控系统是德国西门子公司的SINUMERIK系统，它是一种中档数控系统，具有三个坐标轴联动功能，分辨率是1µm。对于这种系统，出现上述误差不正常。该系统本身具有自诊断功能，然而上述故障在显示器上没有显示出来，需要人为判断并加以排除。
 
图1 进给位置控制原理框图
定位误差作为位置控制中的重要指标，可较全面地判断位置控制是否正常。由故障现象可以判定出机床数控系统的位置控制部分出现了问题，使整个闭环系统的定位误差过大，影响机床的正常加工。在图1所示闭环位置控制的原理框图基础上，对进给位置控制的原理进行简要分析。
安装在机床工作台上的位置传感器(这里是光栅)将机械位移转换成数字脉冲，该脉冲送至数控系统的位置测量接口，由计数器计数，计算机以固定的时间周期对该反馈值采样，采样值与插补程序输出的结果(即当前指令位置)进行比较，得到位置误差，该误差经软件增益放大(Kc)，输出给数模转换器(D/A)，为伺服单元提供控制电压，驱动工作台向减小误差的方向移动。如果插补程序不断有进给量产生，工作台就不断地跟随该进给量运动，只有在位置误差为零时，工作台才停止在要求的位置上。由此可见，位置控制功能是由软件和硬件两部分共同实现的，软件负责位置误差和速度环给定值的计算，硬件则接受给定值数字量，进行D/A转换，为速度环提供控制电压，驱动坐标轴运动，并将机床工作台的位置反馈给数控系统。
根据故障现象分析问题的出处。该机床是全闭环控制系统，位置传感器安装在工作台上，理论上定位误差不受丝杠间隙和螺距误差的影响。机床能够正常移动，说明机床伺服单元工作正常。在机床反馈回路中，如果反馈线断路，系统实际上变成开环，没有位置反馈，增量从命令增量中减去，跟随误差会累积得越来越大，直至溢出，使驱动装置失控，这时数控系统的自诊断功能会发挥作用，发出反馈回路断开的报警信息。综合以上分析可以看出，位置控制的硬件部分没有问题，因而故障可能出在软件部分。
 
图2 数控系统位置控制软件流程
该机床的伺服单元可完成电流环和速度环的控制。而位置环(即位置控制)则由数控系统软件完成。数控系统软件有数百个参数可由用户设置，以利于数控系统与机床本体配接的二次开发，这些参数均保存在CMOS存贮器中，机床掉电后，参数不会丢失，一旦电池不足(低于额定值的85%)或外部干扰可使参数丢失而发生混乱。但没有出现电池不足的报警，说明电池的能量还充足。如果数控系统的控制参数全部丢失，则机床根本不可能运行，因此很可能是外部的某种干扰，使位置控制的部分参数发生混乱，位置控制的软件计算出现较大误差，使定位误差超出所允许范围。从图2看出，机床的位置反馈测量系统的精度和位置环增益Kc影响到位置误差的输出。位置环增益反映了整个伺服系统的灵敏度，在系统稳定的前提下，增益越高，定位误差越小，但机床容易振荡，不易调整；系统的增益越低，定位误差越大，但机床容易调整，不易振荡。现调出数控系统的系统参数，检查位置环的增益是否选得太低，使定位误差较大。经校对，位置环的增益和机床调试好后的增益一致。因此，该机床的问题可能在机床的位置反馈测量系统的精度和控制装置的位置调节精度不匹配上。
由于该机床采用全闭环位置控制系统，是直接从机床移动部件(工作台)上获得位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。要使位置环能够正常工作，必须具有正确的位置调节闭环回路。为此必须使位置测量系统的脉冲与控制装置的位置调节精度相互匹配。在该系统中有一个可设置参数MD5002(共8位)，表示反馈输入分辨率和位置控制分辨率，只有当反馈输入精度的设置和位置控制精度的设置相互匹配时，位置环才可能正确运算，使机床正常移动，在误差允许的范围内准确到达指定位置。
在CNC系统中，定位误差的计算是以伺服分辨率为单位的，如果位置反馈输入的精度和位置控制的精度不一致，位置误差的计算就在非统一单位下进行的，其结果就不是真正意义上的指令位置和实际位置的误差，因而工作台就不能到达指令所要求的位置。
2. 故障处理
根据以上故障分析，调出系统参数，校对参数单元MD5002的内容，发现与原来调试好的参数有出入，可能是外部某种干扰，使RAM中的参数发生混乱。现将该参数进行正确修改后，使机床数控系统复位，再开动机床，经检测，机床的定位精度达到了正常要求，机床恢复了正常生产。

3 小结