第2講數控工具機電氣維修技術(上)
沒有理論指導的實踐是盲目的實踐，沒有實踐的理論是空洞的理論。
我國從事數控工具機電氣設計、應用與維修技術工作的工程技術人員數以萬計，然而由於此項技術的複雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環境因素的制約，在數控工具機電氣維修技術方面還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。當今控制理論與自動化技術的高速發展，尤其是微電子技術和計算機技術的日新月異，使得數控技術也在同步飛速發展，數控系統結構形式上的pc基、開放化和效能上的多樣化、複雜化、高智慧型化不僅給其應用從觀念到實踐帶來了巨大變化，也在其維修理論、技術和手段上帶來了很大的變化。因此，一篇講座形式的文章不可能把已經形成了一門專門學科的數控工具機電氣維修技術理論完整地表述出來，本文僅是將多年的實踐探索及業內眾同仁的經驗總結加以適當的歸納整理，以求對該學科理論的發展及工程技術人員的實踐有所裨益。
一、數控技術
談到維修，首先必須從總體上了解我們的維修物件。
1.數控工具機電氣控制系統綜述
(1)資料輸入裝置將指令資訊和各種應用資料輸入數控系統的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(已很少使用)，3.5in軟盤驅動器，cnc鍵盤(一般輸入操作)，數控系統配備的硬碟及驅動裝置(用於大量資料的儲存保護)、磁帶機(較少使用)、pc計算機等等。
(2)數控系統數控工具機的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然後有序地發出各種需要的運動指令和各種工具機功能的控制指令，直至運動和功能結束。
數控系統都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按規定操作，而日常的維護則主要是對硬體使用環境的保護和防止系統軟體的破壞。
(3)可程式設計邏輯控制器是工具機各項功能的邏輯控制中心。它將來自cnc的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調有序地安全執行；同時將來自工具機的各種資訊及工作狀態傳送給cnc，使cnc能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個工具機的控制。
當代plc多整合於數控系統中，這主要是指控制軟體的整合化，而plc硬體則在規模較大的系統中往往採取分布式結構。plc與cnc的整合是採取軟體介面實現的，一般系統都是將二者間各種通訊資訊分別指定其固定的存放位址，由系統對所有位址的資訊狀態進行實時監控，根據各界面訊號的現時狀態加以分析判斷，據此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。
不同廠商的plc有不同的plc語言和不同的語言表達形式，因此，力求熟悉某一工具機plc程式的前提是先熟悉該工具機的plc語言。
(4)主軸驅動系統接受來自cnc的驅動指令，經速度與轉矩(功率)調節輸出驅動訊號驅動主電動機轉動，同時接受速度反饋實施速度閉環控制。它還通過plc將主軸的各種現實工作狀態通告cnc用以完成對主軸的各項功能控制。
主軸驅動系統自身有許多引數設定，這些引數直接影響主軸的轉動特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動機規格的引數等，有些是可根據執行狀態加以調改的，例
如零漂等。通常cnc中也設有主軸相關的工具機資料，並且與主軸驅動系統的引數作用相同，因此要注意二者取一，切勿衝突。
(5)進給伺服系統接受來自cnc對每個運動座標軸分別提供的速度指令，經速度與電流(轉矩)調節輸出驅動訊號驅動伺服電機轉動，實現工具機座標軸運動，同時接受速度反饋訊號實施速度閉環控制。它也通過plc與cnc通訊，通報現時工作狀態並接受cnc的控制。
進給伺服系統速度調節器的正確調節是最重要的，應該在位置開環的條件下作最佳化調節，既不過衝又要保持一定的硬特性。它受工具機座標軸機械特性的制約，一旦導軌和機械傳動鏈的狀態發生變化，就需重調速度環調節器。
(6)電器硬體電路隨著plc功能的不斷強大，電器硬體電路主要任務是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進口工具機櫃中還有使用自含一定邏輯控制的專用組合型繼電器的情況，一旦這類元件出現故障，除了更換之外，還可以將其去除而由plc邏輯取而代之，但是這不僅需要對該專用電器的工作原理有清楚的了解，還要對工具機的plc語言與程式深入掌握才行。
(7)工具機(電器部分)包括所有的電動機、電磁閥、制動器、各種開關等。它們是實現工具機各種動作的執行者和工具機各種現實狀態的報告員。這裡可能的主要故障多數屬於電器件自身的損壞和連線電線、電纜的脫開或斷裂。
(8)速度測量通常由集裝於主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉速匹配成電壓值送回伺服驅動系統作為速度反饋訊號，與指令速度電壓值相比較，從而實現速度的精確控制。
這裡應注意測速反饋電壓的匹配聯接，並且不要拆卸測速機。由此引起的速度失控多是由於測速反饋線接反或者斷線所致。
(9)位置測量較早期的工具機使用直線或圓形同步感應器或者旋轉變壓器，而現代工具機多採用光柵尺和數字脈衝編碼器作為位置測量元件。它們對工具機座標軸在執行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到cnc並與指令位移相比較直至座標軸到達指令位置，從而實現對位置的精確控制。
位置環可能出現的故障多為硬體故障，例如位置測量元件受到汙染，導線連線故障等。
(10)外部裝置一般指pc計算機、印表機等輸出裝置，多數不屬於工具機的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。
2.數控工具機運動座標的電氣控制
數控工具機乙個運動座標的電氣控制由電流(轉矩)控制環、速度控制環和位置控制環串聯組成 。
(1)電流環是為伺服電機提供轉矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調節已由製造者作好了或者指定了相應的匹配引數，其反饋訊號也在伺服系統內聯接完成，因此不需接線與調整。
(2)速度環是控制電動機轉速亦即座標軸執行速度的電路。速度調節器是比例積分(pi)調節器，其p、i調整值完全取決於所驅動座標軸的負載大小和機械傳動系統(導軌、傳動機構)的傳動剛度與傳動間隙等機械特性，一旦這些特性發生明顯變化時，首先需要對機械傳動系統進行修復工作，然後重新調整速度環pi調節器。
速度環的最佳調節是在位置環開環的條件下才能完成的，這對於水平運動的座標軸和轉動座標軸較容易進行，而對於垂向運動座標軸則位置開環時會自動下落而發生危險，可以採取先摘下電動機空載調整，然後再裝好電動機與位置環一起調整或者直接帶位置環一起調整，這時需要有一定的經驗和細心。
速度環的反饋環節見前面「速度測量」一節。
(3)位置環是控制各座標軸按指令位置精確定位的控制環節。位置環將最終影響座標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：
一是位置測量元件的精度與cnc系統脈衝當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發出的脈衝數目經過外部倍頻電路和/或cnc內部倍頻係數的倍頻後要與數控系統規定的解析度相符。例如位置測量元件10脈衝/mm，數控系統解析度即脈衝當量為0.
001mm，則測量元件送出的脈衝必須經過100倍頻方可匹配。
二是位置環增益係數kv值的正確設定與調節。通常kv值是作為工具機資料設定的，數控系統中對各個座標軸分別指定了kv值的設定位址和數值單位。在速度環最佳化調節後kv值的設定則成為反映工具機效能好壞、影響最終精度的重要因素。
kv值是工具機運動座標自身效能優劣的直接表現而並非可以任意放大。關於kv值的設定要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：
kv=v/δ
式中v——座標執行速度，m/min
δ——跟蹤誤差，mm
注意，不同的數控系統採用的單位可能不同，設定時要注意數控系統規定的單位。例如，座標執行速度的單位是m/min，則kv值單位為m/(mm·min)，若v的單位為mm/s，則kv的單位應為mm/(mm·s)。
其次要滿足各聯動座標軸的kv值必須相同，以保證合成運動時的精度。通常是以kv值最低的座標軸為準。
位置反饋(參見上節「位置測量」)有三種情況：一種是沒有位置測量元件，為位置開環控制即無位置反饋，步進電機驅動一般即為開環；一種是半閉環控制，即位置測量元件不在座標軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環節在位置閉環控制之外，這種情況要求環外傳動部分應有相當的傳動剛度和傳動精度，加入反向間隙補償和螺距誤差補償之後，可以得到很高的位置控制精度；第三種是全閉環控制，即位置測量元件安裝在座標軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機械傳動系統的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴重影響兩座標的動態精度，而使得工具機只能在降低速度環和位置精度的情況下工作。影響全閉環控制精度的另乙個重要問題是測量元件的精確安裝問題，千萬不可輕視。
(4)前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預加到後面的調節電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態響應特性從而提高位置控制精度。因為多數工具機沒有設此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個控制環均最佳除錯完畢後方可進行。
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