數控刀架范文第1篇
關鍵詞：數控車床,電動刀架,故障,診斷
數控機床是集機械制造技術、自動控制技術、計算機信息處理技術、伺服驅動技術和液壓氣動技術于一體的現代技術設備, 具有高精度、高效率、高自動化和高柔性的特點, 越來越被廣泛地應用于機械加工行業, 但由于數控設備的復雜性、先進性、智能性等特點, 故其故障診斷、排除工作對數控維修人員提出了更高的要求, 企業生產中數控機床的大量使用必然引起維修的問題。數控機床發生故障分為機械故障和電氣故障, 從日常實踐中遇到的數控機床故障來看, 數控機床有很大一部分是由于機械部件失效、精度下降引起的。
數控車床常見的故障有電源類、數控加工類、操作類、系統顯示類、數控系統軟件類、回參考點、編碼器類、急停報警類及刀庫、刀架類, 其中刀架類故障在日常生產中占有相當大的比例, 刀架故障多為有機械方面、電氣方面、液壓方面以及數控系統方面。因此, 本文結合日常實踐中遇到的刀架常見故障, 認真剖析電動刀架出現的故障, 提出相應的排除解決方案。
1 電動刀架工作原理
操作者向數控系統輸入換刀指令, 數控裝置通過內部的邏輯電路或控制軟件進行編譯、運算和處理, 輸出換刀信號, 數控車床控制回路正轉繼電器動合觸點閉合, 從而使刀架電動機強電回路中正轉接觸器線圈得電主觸頭閉合, 刀架電動機正轉, 電動機通過蝸桿、蝸輪、螺桿將刀架上刀體提升至一定高度時, 由離合盤帶動定位銷, 定位銷帶動上刀架體轉位, 當上刀體轉到所需刀位時, 在磁鋼作用下霍爾元件發出開關信號給數控系統刀架刀位信號, 數控系統執行刀架反轉控制繼電器動合觸點閉合, 反轉接觸器線圈得電主觸點閉合, 電動機反轉, 反靠銷初定位, 上刀體下降, 齒牙盤嚙合, 完成精定位動作, 刀架鎖緊。刀架反轉鎖緊時間到, 繼電器斷電動合觸點復位, 電動機停止, 并向數控系統發出刀位反饋信號, 加工程序開始。
2 電動刀架發信盤內部結構和工作原理
電動刀架發信盤是固定在刀架內部中心固定軸上, 由尼龍材料作為封裝的圓盤部件。發信盤內部根據刀架工位數設有四個或六個霍爾元件, 并與固定在刀架上的磁鋼共同作用來檢測刀具的位置。四工位發信盤共有六個接線端子, 兩個端子為直流電源端, 紅線接+, 綠線接-, 其他四個端子根據刀位號以順時針黃, 橙, 藍, 白接, 根據霍爾傳感器的輸出信號來識別和感知刀具的位置狀態。當程序指令輸出3號刀具時, 刀架電機驅動刀架順時針旋轉;當刀架上的磁鋼到達發信盤的3號位置時, 霍爾元件就會向數控系統發出刀位到達開關信號, 確定刀架換刀已到達, 確定指定位置并反轉鎖住刀架。發信盤的主要器件構成是磁鋼、霍爾元件。
3 電動刀架典型故障診斷與維修
3.1 故障現象:刀架換刀定位不準確
分析原因:系統PMC換刀超時、時間參數設置過小;磁鋼在霍爾元件圓周方向超前或滯后;在刀架裝配過程中, 由于積累誤差的存在造成離合銷、反靠銷的裝配尺寸過短, 造成刀架鎖緊定位誤差。
排除方法:更改系統PMC換刀超時時間參數一般設置為10;重新調整磁鋼與霍爾元件的相對位置;增加反靠銷或離合銷的長度。
3.2 故障現象:刀架轉位不停
分析原因:霍爾元件損壞;霍爾元件與磁鋼間隙過大;系統PMC正轉延時時間參數設置過大;霍爾元件無24V輸入;連接信號電纜有斷路現象。
排除方法:查看PMC狀態顯示圖, 若相應刀位無低電平輸出, 則霍爾元件損壞;調整霍爾元件與磁鋼間隙值;更改系統PMC正轉延時時間參數一般設置為0.1s;利用萬用表直流電壓檔, 檢查霍爾元件+、-端子, 是否有電壓, 若電壓不存在, 則為霍爾元件無24V電源輸入;斷電采用電阻法測量線路通斷情況。
3.3 故障現象:刀架無法鎖緊
分析原因:系統PMC刀具鎖緊時間參數設置過小;在刀架裝配過程中, 由于積累誤差的存在造成離合銷、反靠銷的裝配尺寸過長;絲杠螺母副卡死;刀架電機無反轉信號輸入。
排除方法:更改系統PMC刀具鎖緊時間參數, 設置一般設置為1s;修磨離合銷或反靠銷的尺寸使其長度縮短;檢查、調整刀架機械結構—絲杠螺母副;檢查刀架反轉接觸器。
3.4 故障現象:操作面板發出換刀指令, 刀架靜止
分析原因:控制刀架電機正反轉的繼電器損壞;接觸器線圈損壞;主觸點斷路;接線端子虛接;電動機相序接線錯誤, 因為刀架只能作順時針旋轉, 若刀架電機三相電源線位接錯會造成刀架電動機一通電就逆時針旋轉, 再加上刀架內部的機械結構—反靠銷、彈簧、離合銷所組成的機構, 就好比棘輪機構只能作單向運動, 刀架逆時針旋轉處于制動狀態;刀架電動機電源三相電缺相輸出轉矩過小;刀架電機損壞。
排除方法:檢查機床強電、控制回路;檢查刀架機械機構;使用替換法檢查刀架電機。
4 結束語
電動刀架的故障主要由系統PMC參數設置、位置反饋裝置、PLC輸入輸出模塊、低壓電器、機械等多種因素有關, 這就要求數控機床維修人員不僅要熟悉刀架的機械傳動結構、電氣控制原理, 還要根據其故障現象分析原因, 最終確定合理的排除方法, 以便能夠迅速排除故障。
參考文獻
[1]鄭小年、楊克沖.數控系統故障診斷與維修[J].湖北:華中科技大學出版社, 2011.
數控刀架范文第2篇
電動刀架是數控車床非常重要的部件,一旦出現故障將使整臺數控機床不能正常工作,甚至會出現機床或人身傷害事故。數控車床用戶在使用中會碰到故障,大部分用戶是不能正確地診斷并排除故障,在沒有掌握電動刀架的結構與工作原理情況下對刀架進行拆卸極容易造成故障的擴大化,甚至會造成不可修復的故障?，F以HNC-21TD系統及LDB4系列刀架為例,深度剖析電動刀架故障的診斷與排除方法。
1 數控車床電動刀架的機械結構
1.1 數控車床電動刀架的工作原理
當系統發出換刀指令后,刀架電機正轉,通過蝸桿、蝸輪、螺桿上的離合盤聯動銷轉動一個角度,在彈簧的推力下離合銷進入離合盤的槽中,在螺桿的傳動作用下,刀架銷盤上升一定高度,端齒與反靠盤分離,然后離合盤帶動離合銷,再帶動刀架銷盤,銷盤帶動上刀架體轉動。當上刀架體轉到指令的刀位時,霍爾元件發出到位信號,電機反轉,反靠銷進入反靠盤的槽中,離合銷從離合器盤中的槽中爬出,完成粗定位,同時刀架銷盤下降與端齒嚙合完成精定位,刀架鎖緊后電機停轉,完成換刀過程。
1.2 數控車床電動刀架常見機械故障診斷與排除
1)離合盤聯動銷斷
這種故障主要是在換刀過程中產生強烈撞刀所致。故障現象是上刀架體不能正常轉動,被切斷的離合盤聯動銷一段留在離合中,另一段留在螺桿中,要仔細看才會發現。處理方法是拆開刀架,把被切斷的銷拿出來,找廠家買兩個安裝上就解決了,還可根據銷孔的尺寸,自己配作兩個銷也行。
2)離合銷與反靠銷之間的彈簧彈力不足
刀架的頻繁換刀,日久之后,彈簧的彈力不足,使離合銷不能靠緊離合盤,致使換刀不能順利換刀。處理方法是將刀架拆下,換上相同規格的彈簧即可。
2 數控機床電動刀架電氣控制
刀架的電氣控制原理圖分為三相異步電動機的正反轉控制電路及刀位信號檢測電路兩部分。刀架電動機正反轉的電路原理圖如圖2所示。
當數控系統發出換刀指令時,由PLC的Y0.6輸出電機正轉的信號,使中間繼電器KA1得電,常開觸頭閉合;接觸器KM1得電,主觸頭閉合,刀架電動機正轉。當數控系統檢測到目標刀號時,停止正轉,并由PLC的Y0.7輸出反轉信號,中間繼電器KA2得電,常開觸頭閉合,接觸器KM2得電,主觸頭閉合,刀架反轉,反轉的時間由數控系統的刀架控制參數進行設定(約1500ms左右)。當刀架反轉時間到,刀架被鎖緊,換刀過程結束。電路中的KA1與KA2,KM1與KM2實現了電氣互鎖,避免刀架電動機在正、反轉切換過程中產生短路。
2.1 數控車床電動刀架電氣控制故障診斷與排除
1)刀架電動機主電路電源相序接錯的故障診斷與排除
故障現象是,發出換刀指令時,中間繼電器KA1與接觸器KM1動作,但是上刀架體不轉動,出現換刀超時報警信息,連續換刀操作幾次后,刀架電動機的外殼發熱。故障的特點是數控PLC能發出刀架正轉信號(Y0.6接通),控制KM1動作,而數控系統未檢測到目標刀號,PLC不發出刀架反轉的信號(Y0.6未接通),接觸器KM2不動作。故障原因是刀架的三相交流異步電動機相序接錯。根據電動刀架換刀的原理,先是刀架正轉選刀,等刀架到位后,動機反轉鎖緊刀架。因電源相序的接錯,換刀開始時應正轉的電機,變成了反轉,刀架被鎖得更緊了,看不到刀架轉動。新購買的數控車床初次上電、機床搬遷重新接電及電源變壓器供電相序改變等均可能發生此類故障。排除方法是將刀架電動機主電路的三條相線任意對換兩條即可。
2)刀架電動機過載保護熱繼器故障診斷與排除
刀架電動機過載保護熱繼器在電機被卡死或電源相序接錯時可能會發生動作而不能自動復位,使電機斷電。故障現象是系統發出換刀指令時,繼電器KA1與接觸器KM1動作,但是電動刀架不轉動,出現換刀超時報警信息,刀架電動機外殼不發熱。故障的診斷方法是在接觸器KM1動作時測量刀架電機是否得電。故障原因是熱繼電器不復位或損壞。故障排除方法是對熱繼電器進行手動復位或更換熱繼電器。
3)中間繼電器故障的診斷與排除
數控機床控制刀架用的中間繼電器是24V的直流繼電器。加工過程要頻繁地換刀,時間長了,繼電器觸頭會產生磨損或變形,造成接觸不良。故障現象是中間繼電器的線圈得電,指示燈LED也亮,但刀架電動機不得電。故障診斷方法是在的線圈得電時測量動合觸頭是否接通。故障排除方法是換另一對動合觸頭或更換中間繼電器。
2.2 刀位號檢測電路故障的診斷與排除
LDB4系列刀架的刀位號檢測傳感器使用霍爾元件。將4個霍爾元件封裝在一個環形的塑料盤中,稱為刀架發信盤。如圖1所示,發信盤安裝在刀架底座的中軸上,永久磁鋼是安裝在磁鋼座中,換刀時隨刀架一起轉動。刀架發信盤內部將4個霍爾元件的1腳(+24V)連在一起,把3腳(GND0也連在一起,然后將電源線+24V、GND、T1、T2、T3及T4引到接線端子。對應標上+、-、1、2、3及4,引出線顏色對應為紅、黃、白、橙、藍及綠。工作原理是:接通電源后,當永久磁鋼靠近霍爾元件時,霍爾元件的輸出端(2號腳)輸出為低電平0V;當永久磁鋼離開霍爾元件時,霍爾元件的輸出端(2號腳)輸出為高電平24V;數控系統根據指令的刀號與四個霍爾元件輸出的低電平是否相同來判斷電動刀架是否到位。下面剖析常見故障的診斷與排除方法。
1)不管換哪一號刀,系統發出換刀指令,刀架一直正轉,直到換刀超時報警才停止,找不到相應的刀號,刀架無反轉鎖緊動作。
故障原因是發信盤中的4個霍爾元件均沒有信號到達數控系統。故障診斷方法:第一步檢查發信盤的24V電源是否接通或極性是否接反,極性接反很容易燒壞霍爾元件。如果電源正確,第二步檢查永久磁鋼與霍爾元件的相對位置是否合適,過高、過低或水平距離太大也不能產生信號。第三步檢查磁鋼的磁性及極性。磁性太小也不能產生信號,用螺絲柸靠近磁鋼試一下,吸力大磁性就好。磁鋼的極性接反也不能產生信號,將磁鋼正對霍爾元件的一面換成另一面進行試驗。故障排除方法是,經過第一到第三步的檢查還不能排除故障的話,確定是4個霍爾元件燒壞了,應更換同型號的發信盤,要正確接線。
2)數控系統顯示的刀號與刀架上實際刀號不對應。
故障原因是發信盤中T1,T2,T3,T4的輸出線錯亂造成的,比如將T1與T2的輸出線錯誤連接,則會造成系統換2號刀時,刀架會停在1號刀的位置,系統換1號刀時,刀架會停在2號的位置。故障診斷方法是檢查刀架實際的刀號與系統中PLC的X輸入的刀號是否一至。故障排除方法是重新按發信盤說明正確接線。
3)只有換某一號刀(如2號刀)時,刀架一直正轉,直到換刀超時報警才停止,而換其它刀正常。
故障原因是發信盤中的某個(如2號刀)霍爾元件沒有發出信號。故障診斷方法是將發信盤中2號刀與1號刀(前提是換1號刀是正常的)的連接線對調進行測試,如果系統換2號刀時,刀架準確停在1號的位置,而換1號刀時,刀架一直正轉,直到換刀超時報警才停止,則說明發信盤中2號霍爾元件損壞;對調后如果系統換1號刀時,刀架準確停在2號的位置,而換2號刀時,刀架一直正轉,直到換刀超時報警才停止,則說明2號霍爾元件到數控系統的連線斷開或數控系統的接口損壞。故障排除方法是接通2號霍爾元件到系統的連線。
查看數控系統PLC的刀位,可通過面板的故障診斷→PLC→輸入輸出狀態進行觀察與診斷。HNC-21T系統中,T1、T2、T3、T4對應的PLC輸入分別為:X3.2、X3.3、X3.4、X3.5,當某一號刀到位時(如T1到位),則對應的PLC輸入(如X3.2)會顯示紅色點或“1”,其余刀號對應的輸入不顯示紅色點或顯示為“0”。
3 數控車床電動刀架控制參數故障診斷與排除
數控系統的參數是數控機床非常重要的組成部分,參數設置不合理會造成機床不能發揮最大的性能甚至不能正常工作。數控車床電動刀架主要的參數有:
1)工位數,一般為4工位。
2)換刀時間(ms):是指換刀必須在本參數設置的時間內完成,否則會出現換刀超時報警。本參數的設置一般是在刀架正常轉動兩圈所用時間。
3)刀架反轉延時時間(ms):是指當系統檢測到目標刀號到刀架開始反轉的時間。本參數設置不能過大,否則會使刀架反轉的角度過大。
4)刀架反轉鎖緊時間(ms):是指刀架從反轉開始到反轉停止的時間。本參數的設置要合適,過小會使刀架鎖不緊,過大會容易燒壞刀架電動機,要與刀架反轉延時時間配合設置。
案例:故障現象是刀架正轉選刀、反轉鎖緊動作正常,但是刀架鎖不緊,用手去搖刀架感覺明顯的松動。故障的原因是刀架反轉延時時間過大,刀架反轉鎖緊時間過短。故障方法應適應地減小刀架反轉延時間,同時適當增大刀架反轉鎖緊時間。
摘要：電動刀架是數控車床非常重要的部件,電動刀架出現故障將使整個數控車床無法正常工作。深度剖析數控車床電動刀架的故障現象及診斷的方法,能高效快捷地排除故障。
關鍵詞：數控車床,電動刀架,故障診斷
參考文獻
[1]鄭小年,金健,周向東.華中數控系統故障診斷與維護手冊[M],北京:機械工業出版社,2010.
[2]世紀星數控裝置連接說明[Z].武漢華中數控股份有限公司,2010.
數控刀架范文第3篇
隨著數控技術的日益發展,數控機床在機械加工行業的使用更加廣泛,然而數控機床的大量使用及數控機床維護工作和設備管理不到位,機床故障的維修工作就成了數控機床使用者最為關注的問題。根據數控機床的構成、工作原理和特點劃分,數控機床常見的故障現象包括:數控系統故障、進給伺服系統故障、機械故障等。在所有故障現象中,刀架故障占有相當大的比例,且具有典范性,在故障的排除過程中,不僅涉及到機械故障,而且要結合電氣和系統參數等方面的知識,本文重在分析刀架的常見故障及常見刀架故障的排除方法。
1 刀架工作原理
數控機床電動刀架常見的有四工位或六工位刀架,主要包括電動機、機械換刀結構,其中機械換刀結構由刀體、活動銷、蝸輪蝸桿機構、霍爾元件、發信盤、磁鋼、發信盤等組成[1]。電動刀架的機械結構圖1所示:
刀架換刀的控制分為:松開、換刀、定位、鎖緊四個步驟。當程序運行到換刀指令或者按下換刀鍵時(如正轉),控制系統發出換刀信號,由此控制特定的刀架正轉繼電器閉合,同時刀架正轉接觸器動作,三相異步電機正向旋轉。當電動機旋轉時,蝸桿副帶動螺桿轉動,上刀體逐漸抬起,上刀體與下刀體之間的端面齒慢慢脫開,松刀動作完成。當螺桿帶動上刀架上升至一定高度時,離合銷進入離合盤的槽中,進而實現上刀架體的轉位。當上刀體轉到系統所設定的刀位時,刀架對應刀位上的霍爾元件(用永磁鐵做的感應器)發出刀位信號,電動機反轉,進而刀架完成粗定位。在刀架鎖緊過程中,刀架不能動作,絲杠帶著壓板向下運動將刀架鎖緊,刀架反轉時間到,延時繼電器斷開,切斷電源,電動機停止轉動。向微機發出回答信號,換刀完畢。在鎖緊的過程中,電動機的反轉時間是系統參數設定的,不能過長也不能太短,太短刀架不能鎖緊,太長電動機容易燒壞。刀架的控制電路中使用中間繼電器加接觸器的控制方式。中間繼電器用于繼電保護與自動控制系統中,以增加觸點的數量及容量,在控制電路中傳遞中間信號。中間繼電器的結構和原理與交流接觸器基本相同,與接觸器不同之處在于:接觸器的主觸頭可以通過大電流,而中間繼電器的觸頭只能通過小電流。所以,中間繼電器只能用于控制電路。而接觸器兼可高頻率操作,作為電源的開啟與切斷控制,最高操作頻率可達每小時1 200次。接觸器的使用壽命很高,機械壽命通常為數百萬次至一千萬次,電壽命一般則為數十萬次至數百萬次[2]。
2 電動刀架發信盤的工作原理
電動刀架發信盤上1.2.3.4號刀號上正常電壓是24 V。電動刀架發信盤固定在刀架內部中心固定軸上,根據刀架工位數設有四個或六個霍爾元件,四工位發信盤裝有六個接線端子,其中兩個端子為直流電源端,其余四個端子按照順序接四個刀位所對應的霍爾元件的控制端,霍爾元件與固定在刀架上的磁鋼共同作用來檢測刀具的位置,根據霍爾傳感器的輸出信號來識別和感知刀具的位置狀態。當程序發出指令T0202,更換2號刀具時,刀架電動機驅動刀架旋轉,當刀架上的磁鋼到達發信盤的2號位置時,霍爾元件發出開關信號傳送給CNC系統刀架位置控制接口,確定刀具已到達確定位置并鎖住刀架。
3 刀架常見故障分析
3.1 刀架常見故障
1)面板按鍵損壞失效,按下按鍵后無換刀信號導致沒有換刀動作;2)控制回路線路虛接或導線失效,造成繼電器不得電,沒有換刀動作;3)控制回路中繼電器或接觸器損壞,無法正常工作或連接線路不正確,造成接觸器不得電,沒有換刀動作;4)刀架電動機驅動電源順序接反或刀架電機正反轉信號接反,造成刀架換刀方向反向,沒有換刀動作;5)刀架電機驅動電源缺相,造成刀架電機無法正常工作,沒有換刀動作;6)刀架機械部件損壞,造成傳動系統卡死導致沒有換刀動作[3]。
3.2 刀架常見故障分析
由于數控機床結構復雜、裝配精密,維修人員在故障檢測中應盡量避免隨意地啟封、拆卸,先在機床斷電的靜止狀態情況下,通過了解、觀察測試、由外向內逐一進行排查,而對破壞性故障,必須先排除安全隱患后,方可通電。一般來說,機械故障較易發覺,而數控系統故障的診斷則難度較大些。在故障檢修之前,首先注意排除機械性的故障,往往可達到事半功倍的效果。數控機床刀架的故障檢測步驟包括以下方面:
1)首先排除程序錯誤?？梢圆捎门懦?選擇程序鍵,在MDI方式下,輸入一段換刀程序T0101的刀具指令,按循環啟動。依次輸入T0202、T0303、T0404。2)檢查與某一刀位對應的通信線路,對于通信線路的檢查可以采用換接線方法,將故障刀位的接線連到正常刀位的接線柱上進行測試,以此判斷是線路問題還是發信盤的問題。發信盤的內部結構并不復雜,對于簡單故障可以根據情況自行維修,但是找出發信盤中的故障點和如何更換元件也是一項關鍵問題。3)觀察刀架上的磁鋼位置是否正確,刀架上每一個刀位都配備一個霍爾元件,固定在刀架上的磁鋼與霍爾元件共同作用來檢測刀具換刀是否到位,再將刀架位置狀態發送到PLC數字輸入,確定刀架到位。4)檢查發信盤是否存在短路故障或斷路故障,使用指針式萬用表的電阻檔。首先,將發信盤接入小于24 V的直流穩壓電流源,紅表筆接發信盤的負極(標志位“-”),黑表筆接發信盤上四個霍爾器件輸出接線柱上的任意一個點,將磁鐵貼近該霍爾傳感器外側,觀察指針偏轉情況,若指針不偏轉則可判斷該霍爾器件斷路損壞,若四個位置都不偏轉可能是短路故障或者是電路中電阻、穩壓二極管出現故障。發信盤短路故障需要檢查電阻和穩壓二極管是否損壞,對于斷路故障只要更換霍爾器件就可以了。5)電路故障。電動機采用三相異步電動機驅動,采用的電氣控制方法為中間繼電器加接觸器的控制方式,進而實現刀架的正轉和反轉。由于電氣原因引起的故障較為復雜,需根據電路圖逐一進行排查,如檢查繼電器的工作狀態、檢查接觸器的工作狀態、檢查空氣開關的輸出電壓、檢查接觸器輸入端的電壓、檢查刀架電機輸入端的電壓等。6)數控車床換刀時間過長報警處理,首先排除機床刀架機械問題和系統穩定性的問題,如果系統重新起動后,故障依然出現,就應該檢查參數里換刀時間選項。如:從刀架開始正轉計時,經過某一時間后指定的刀架到達信號是否接收到,如未接收到則產生報警。因此可適當延長Ta的值,但延長后仍然會產生報警,則需檢查換刀過程中刀架到位信號問題[4]。
4 結語
數控機床刀架故障很多,不僅包括電氣故障,機械故障也是刀架故障的重要一部分,如機械卡死、刀架軸被撞彎曲、異物卡死等現象。我們應該綜合各方面原因和情況,從機械和電氣兩個方面逐一排除、靈活分析。在日常生產中,要進行設備的正確維護,并在出現故障時迅速診斷,確定故障部位,排除故障,保證生產的正常使用。
摘要：研究數控機床在使用過程中電動刀架經常出現的機械和電氣故障,對數控機床刀架的結構與工作原理進行闡述,分析了刀架常見故障現象及原因,并提出相應的解決方案。
關鍵詞：數控機床,刀架,發信盤
參考文獻
[1]周宏甫.數控技術[M].廣州:華南理工大學出版社,2005.
[2]馬西秦.自動檢測技術[M].北京:機械工業出版社,2007.
[3]黃衛.數控機床與故障診斷技術[M].北京:機械工業出版社,2014.
數控刀架范文第4篇
數控機床是技術密集型和知識密集型機電一體化產品,其技術先進、結構復雜、價格昂貴,在生產上往往起著關鍵作用。通過科學的方法、行之有效的措施,迅速判別故障發生的原因,隨時解決出現的問題,既是保證數控機床安全可靠運行、提高設備使用率的關鍵所在,也是當前數控機床使用過程中亟待解決的問題之一。
由于數控機床技術越來越先進、復雜,因此維修人員必須具有較深的專業知識和豐富的維修經驗,才能及時排除數控機床出現的故障。本文對數控車床電動刀架常見的一些故障進行了分析,以供參考。
1 基礎知識
刀架故障是數控車床比較常見的故障之一,數控車床配有的刀架有電動刀架、液壓刀架和伺服刀架。這3種刀架的換刀過程基本相同,即:刀架鎖緊松開→刀架旋轉選刀→刀架鎖緊。刀架常見的故障有刀架不轉、找不到刀位和刀架鎖不緊等。
2 故障案例
2.1 案例1
一臺FANUC-0TC數控車床配有山東煙臺環球機床附件廠的12工位電動刀架,在換刀中刀架一直轉不停,最后因找不到刀號而報警。
該機床的刀架是就近換刀的12工位電動刀架,其刀位信號PMC輸入見圖1。
通過故障分析發現:刀位信號(X20.0、X20.1、X20.2、X20.3)由安裝在刀架主軸后的絕對編碼器檢測,刀架找不到刀位,可能是刀架編碼器刀位輸出信號出現故障。在急停狀態下,用內六角扳手轉動刀架在顯示器上觀察刀位信號,發現刀位能夠從1號依次變到12號,說明編碼器的刀位信號輸出正常。而刀架編碼器除了輸出刀位信號還輸出奇偶檢驗信號(X20.4)和選通信號(X20.5),換刀時編碼器輸出信號見圖2。
查看換刀的梯形圖發現:選通信號的上升沿到來時,當前刀號和目標刀號才進行比較。當當前刀號和目標刀號一致時選刀電機停轉,預分度電磁鐵得電后,電機反向運轉鎖緊刀架。正常情況下,每選一個刀位選通信號會發生一次變化(高電平→低電平→高電平),而本機床在換刀中觀察發現選通信號(X20.5)一直沒有變化,故系統不進行當前刀號和目標刀號比較,當超過系統設定的時間沒有找到目標刀號就發生找不到刀號報警的現象。通過以上分析可以斷定是編碼器的選通信號輸出故障。通過更換一個同型號的編碼器,故障得以解決。
2.2 案例2
一臺SIEMENS 802S數控車床配有山東煙臺環球機床附件廠的4工位電動刀架,換刀刀架不能鎖緊,但系統沒有報警。
通過故障分析發現:機床換刀能找到刀位,但刀架沒有反轉鎖緊,系統也沒有報警。換刀時發現刀架反轉交流接觸器吸合但刀架沒有鎖緊,用扳手手動能夠鎖緊刀架,故排除了刀架機械卡死故障。用萬用表檢查刀架電機的三相繞組,發現有相繞組斷路。本機床換刀的過程為:刀架電機正轉找刀,系統找到目標刀位后,正轉交流接觸器斷電;經過幾毫秒延時后,反轉交流接觸器閉合刀架反轉鎖緊,經過反轉鎖緊延時后,斷開反轉交流接觸器,換刀完成。由于電機缺相運行輸出力矩變小導致電機堵轉不能鎖緊刀架,雖然刀架電機有過流保護電路,但由于刀架鎖緊時間短,故保護電路沒有來得及動作,在鎖緊中系統不檢測鎖緊到位信號,因此沒有報警。通過更換一臺新電機,故障排除。
3 結論
電動刀架故障有機械故障和電氣故障,我們可通過一些方法來判斷故障類型:電動刀架發生故障后,用扳手(或螺絲刀)轉動刀架,觀察刀架能否轉動和鎖緊,如果能轉動和鎖緊則說明不是機械故障,而是電氣故障;否則就是機械故障。電氣故障需根據電路圖和機床PLC梯形圖來查找分析故障,而機械故障就需根據機械裝配圖分析故障原因。
因此,維修人員要想及時快速地排除數控車床的刀架故障,首先必須熟練掌握刀架的結構、工作原理和動作順序,針對故障現象做出準確的判斷;其次要熟練運用廠方提供的診斷參數或梯形圖,利用NC系統的狀態顯示功能監測PC的運行狀態,根據梯形圖確定故障點。
摘要：分析了數控車床電動刀架的兩個典型故障,并提出了維修方法。
關鍵詞：數控車床,電動刀架,故障,維修
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數控刀架范文第5篇
在傳統的驅動系統中,電機和負載之間連接著減速器或齒輪箱等傳動機構進行伺服控制,此種方式增加了系統的損耗,影響控制精度,而且增加了安裝維護成本[1]。作為直驅技術的一個應用,直驅力矩電機能夠克服上述缺點,具有控制精度高、運行效率高、機械結構簡單、免維護、可靠性高、過載能力強、使用壽命長等優勢。在直驅式力矩伺服系統中,永磁同步力矩電機正逐步取代直流力矩電機和異步力矩電機,表現出優越的控制性能和更加廣闊的應用前景。
1 直驅力矩電機數學模型及矢量控制
1.1 機床用數控回轉刀架直驅力矩電機
伺服電機驅動系統的控制目標取決于控制對象的功能設計。該電機位于機床數控回轉刀架后端,電機轉子與主軸連接,直接帶動刀盤轉位。當電機轉到指定刀位后,發送脈沖信號,啟動鼠牙盤等壓緊裝置固定電機位置,完成換刀動作。力矩電機直驅刀架結構如圖1所示[2]。
在結構方面,電機與運動部件實現無傳動環節的回轉運動,相比于傳統的力矩電機節省了傳動機構,很大程度上縮減了總體尺寸,節省了數控機床空間。在控制方面,該回轉刀架集成了運動機構、電機、運動控制三項技術,在控制系統設計時,綜合平衡和優化了直驅力矩電機的設計,相比于機械傳動刀架具有更高的控制精度和更快的響應速度。該刀塔用直驅力矩電機參數如表1所示。
1.2 永磁同步電機的數學模型
從電機本身的結構和工作原理來看,該力矩電機為永磁同步電機。依據直流電機的控制思路,需要對電機控制參數進行解耦以便達到線性化控制的目的。
由于永磁同步電機轉子磁鏈不對稱,A、B、C坐標系中的電壓方程為帶有周期性變系數的微分方程,求解比較困難,因此,一般都采用d、q坐標系。在忽略磁滯、渦流損耗、轉子無阻尼繞組,并近似認為電機磁路不飽和情況下, 電壓、磁鏈、電磁轉矩方程分別表示為[3]:
其中,ud、uq為定子繞組d、q軸電壓,id、iq為定子繞組d、q軸電流,ψd、ψq為d、q軸定子磁鏈,ψr為轉子磁鏈,Ld、Lq為定子繞組直、交軸電感,Rs為定子電阻,ω為轉子角速度,p=d/dt表示微分算子,Pn為電機極對數,Te為電磁轉矩,TL為負載轉矩,B為系統轉子粘滯摩擦系數,J為系統轉動慣量。
1.3 永磁同步電機的仿真分析
電機的數學模型中含有時變參數,給分析和計算帶來困難。為了通過使用數學模型描述其物理特性,依據1.2節對電機假設。并采用id=0的矢量控制算法,根據三相永磁同步電機轉子磁場定向矢量控制系統框圖組成環節,伺服系統MATLAB/Simulink仿真由以下模塊組成:調節器模塊、位置速度檢測模塊、坐標變換模塊、函數發生模塊、SVPWM發生模塊、整流和逆變模塊、電機模塊、電流采樣模塊[4,5]。如圖2為直驅力矩電機位置伺服系統仿真模型。
該電機的基本參數為:額定功率PN=0.75k W,額定電壓UN=380V,額定電流IN=4A,額定轉速n=60r/min,定子電阻R=2.875?,交軸、直軸電感分別為Ld=Lq=0.056H,轉動慣量為J=4.79kg·m2,極對數為pn=33,額定轉矩Te=120N·m,轉子磁通φ0=0.00036Wb,額定頻率fN=33Hz。
電機位置控制仿真系統的設計采用位置環、轉速環、電流環三閉環控制,id=0的矢量控制策略,SVPWM脈寬調制技術。其中位置環控制器采用比例調節,轉速環和電流環調節器采用PI調節,并且PI調節器進行了積分分離、死區控制等算法改進,大大提高了控制效果[5]。仿真選取參考位置為30°時位置、速度、轉矩響應曲線,仿真結果如圖3所示。
從仿真結果可以看出,位置變化按時間可以分為三個過程:0~0.04s內轉子位置以加加速的速度增加,電磁轉矩輸出最大,轉子速度呈線性增長。在0.04s~0.4s時間段內,轉子位置以減加速的速度增加,電機制動轉矩逐漸減小,轉子速度加速下降后緩慢減小。0.4s以后,轉子位置穩定在30.2°,輸出轉矩和轉子轉速幾乎為零。由此可以看出,仿真波形和理論設計一致,基本驗證了電機所采用的控制方法的正確性。
2 電機驅動系統的軟硬件設計
數控回轉刀架的位置精度要求為1.05°,驅動器位置控制精度為0.55°,滿足設計要求;為了快速響應換刀指令,相鄰刀位換刀時間設計指標為不超過0.5s;驅動器具有電源過壓、電源欠壓、過溫、過流、短路等保護電路;驅動器I/O口信號輸入電平為24V,需要進行電平轉換、光耦隔離等,且設計CAN通訊接口電路進行軟件調試。
根據驅動器技術指標的要求和電機結構特點來選擇電子元器件,且所有的元器件、接插件均選用工業級器件。
2.1 電機驅動器硬件電路設計
驅動器的硬件設計主要包括控制板和功率板兩大結構。在控制板設計的過程中,考慮到可靠性、硬件外設資源、性價比以及配套的功率模塊等因素,最終選擇了英飛凌成熟的C166架構的16位單片機XC2267。為了縮小驅動器的整體設計體積,控制板由Infineon最小系統板和轉接控制板組成[6]?？刂瓢謇棉D接控制板將轉子位置信號、轉速信號和定子相電流信號進行分析處理,通過轉接接口傳遞給Infineon最小系統板,最終產生控制驅動板的六路脈沖信號?？刂瓢褰邮镇寗影骞┙o的12V電源信號,IPM故障信號,IGBT溫度信號,輸出六路驅動信號,驅動板復位信號等,該板同時具有通訊接口電路、CAN調試接口電路、保護電路等[7]?？刂齐娐返腜CB板實物如圖4所示。
對于驅動功率板,外部輸入的三相工頻交流電首先經過由三相不可控整流橋和電容電阻組成的整流濾波電路,得到平滑的直流電輸送到逆變器模塊。功率逆變器接收控制板輸出的六路PWM信號,控制開關器件輸出直驅力矩電機需要的三相電壓,激勵三相交變電流,從而產生旋轉磁場,驅動電機轉動。A、B、C三相電流信號,整流濾波后的直流電壓信號,IGBT的過熱、過壓等故障信號通過端口傳遞給控制板,及時反饋電機的運行狀況,確保驅動系統的安全正常工作。驅動板電路主要包括整流濾波電路、開關電源電路、功率驅動電路以及保護電路[8]。
驅動板的實物如圖5所示。圖中只給出了驅動板正面的電路布局,功率模塊FP35R12KT和散熱板分布在電路板的背面。
2.2 電機驅動系統軟件設計
根據1.2~1.4節的控制算法對驅動系統的軟件進行了設計?？刂葡到y采用的軟件平臺是keil u Vision4和DAVE2.0,使用C語言進行編程。通過keil u Vision4和DAVE2.0的配合使用,減少了用戶編寫配置文件、初始化寄存器設置等工作,使軟件開發更加方便快捷。
直驅力矩電機驅動系統設計目標是能夠實現精確、快速的位置伺服控制,最終完成換刀動作。軟件設計中,根據系統需要,采用面向過程的分析方法和模塊化的設計思路。根據實現位置控制的過程將系統軟件分為以下幾個部分:初始化模塊、偏移量測量模塊、轉子位置判斷模塊、相電流采樣模塊、SVPWM模塊和CAN通訊模塊等。交流驅動系統的控制具有很高的實時性,要求對被控狀態量能做出快速、及時的反應。系統軟件結構如圖6所示。
系統中,初始化程序分為主初始化子函數和FOC參數初始化兩部分。主初始化子函數主要完成時鐘設置和各個外設模塊的初始化,FOC初始化完成各環路調節器參數的設定。當中斷條件滿足時,中斷程序開始執行。直驅力矩電機的位置矢量控制在主中斷程序中完成,通過將計算的位置誤差經各環調節器調制最終輸出六路脈沖波,改變逆變器的輸出電壓達到控制要求。
3 電機驅動系統性能測試實驗
首先需要對設計的驅動器硬件電路部分進行調試,驅動板主要完成開關電源輸出電壓帶載情況下性能測試以及相電流采樣準確與否測試?？刂瓢逯饕獪y試部分芯片是否正常供電。在此基礎上設計直驅力矩電機的實驗。
3.1 實驗臺搭建
整個實驗系統主要由直驅力矩電機、驅動器(驅動板、控制板兩部分)、光電編碼器、CAN卡、PC機等設備連接而成。驅動器性能測試主要是驗證直驅力矩電機對給定位置信號的響應情況,需要觀察轉子位置變化情況、電機轉速的變化趨勢以及產生的電磁轉矩是否符合電機特性要求[9,10]。整個測試系統連接如圖7所示。
3.2 實驗結果分析
通過上述實驗測試,我們得到了在給定位置為30度時電機的位置曲線、速度曲線、轉矩曲線,如圖8所示。
在圖8(a)中,對比仿真同樣可以看到直驅力矩電機位置變化可以分為以下幾個區段:0~0.3s,直驅電機轉子位置從0度開始增加;0.3s時電機位置第一次到達30度的設定位置;轉子位置繼續增大,但增加很小角度后又很快回落減小,此過程時間大約0.08s,證明該系統的超調量比較小。在0.4s以后電機轉子位置保持在30.4度。整個位置變化過程符合設計的指標要求。因為該直驅電機轉動慣量很大,所以電機轉動到給定位置后經歷一個波動的過程才穩定下來也符合該控制系統的基本特性。
圖8(b)的轉速曲線和圖8(c)的轉矩曲線均與轉子的位置變化相吻合,當電機啟動時,因為直驅電機具有較大的轉動慣量,啟動轉矩大于額定轉矩120N·m。啟動后,轉矩逐漸減小至0,轉速逐漸增加,對應于轉子位置由0度增加到30度的過程。當轉矩繼續減小表現為制動力矩時,電機轉速逐漸減小,其中一小段時間轉速為負值即為反向轉動,對應于轉子位置超調和回落的波動過程。制動力矩逐漸減小接近于0,電機轉速也接近于0,對應于轉子位置穩定在參考位置附近很小范圍內。
通過測試實驗進一步證明整體上該直驅力矩電機驅動系統設計基本合理,具有比較好的動態性能,能夠滿足系統的設計要求。
4 結束語
在對數控回轉刀架直驅力矩電機驅動系統建模仿真的基礎上,進行了基于矢量控制算法的直驅力矩電機驅動系統軟硬件設計和性能測試。
仿真結果表明,該系統所建數學模型正確,采用的矢量控制方法能夠實現對電機的精確控制。
驅動系統的硬件設計從工程應用的角度展開,分別設計了以英飛凌公司的XC2267芯片為核心的控制板和智能功率模塊FP35R12KT4為核心的驅動板,軟件編制部分采用矢量控制策略和SVPWM脈寬調制技術來產生驅動信號。
進行硬件測試和軟硬件整合完成直驅力矩電機驅動器樣機的設計,性能測試結果表明驅動系統的位置精度和動態響應性能符合系統設計的基本要求。
摘要：對機床數控回轉刀架用直驅力矩電機驅動系統的軟硬件設計進行了研究。直驅永磁同步電機(PMSM)采用矢量控制策略,在MATLAB/Simulink環境下建立基于id=0控制策略的位置、轉速和電流三閉環永磁同步電機調速系統的仿真模型,并進行仿真實驗分析。以刀塔用0.75KW的三相永磁同步直驅力矩電機為研究對象,設計了基于位置傳感器矢量控制算法的直驅力矩電機驅動器,通過硬件測試和軟硬件整合完成直驅力矩電機驅動器樣機的設計。測試結果證明該直驅力矩電機驅動系統軟硬件設計合理,并且具有良好的動態性能,能夠滿足系統的設計要求。
關鍵詞：直驅力矩電機,矢量控制,驅動器,性能測試
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