劉 寧 張 強 杜海龍

(沈陽機床股份有限公司，遼寧沈陽 110042)

決定數(shù)控機床穩(wěn)定性的重要指標(biāo)之一就是數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動的可靠性。以華中數(shù)控股份有限公司生產(chǎn)的HSV-160交流伺服驅(qū)動器為例，介紹該伺服在我單位機床上實際應(yīng)用中的調(diào)試經(jīng)驗、出現(xiàn)的問題和解決方法。

1 HSV-160性能特點

HSV-160采用專用運動控制數(shù)字信號處理器(DSP)，大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列(FPGA)和智能化功率模塊(IPM)等最新技術(shù)設(shè)計，具有操作簡單，可靠性高，體積小，易于安裝等特點，最高轉(zhuǎn)速可設(shè)為3000 r/min，最低轉(zhuǎn)速為0.3 r/min；調(diào)速比為1∶10000，并有五種控制方式：位置控制方式，速度控制方式，轉(zhuǎn)矩控制方式，JOG控制方式，內(nèi)部速度控制方式。

2 重要參數(shù)的調(diào)整

HSV-160參數(shù)分為兩類，一類為運動參數(shù)，一類為控制參數(shù)，分別對應(yīng)在運動參數(shù)模式和控制參數(shù)模式。在機床運行不理想時，用戶應(yīng)通過驅(qū)動器面板按鍵或計算機串口來設(shè)定和調(diào)整這些參數(shù)，以達到最佳的控制效果。幾個與機床基本控制動作密切相關(guān)的參數(shù)意義為：

(1)“2”號為是否允許反饋斷線報警，當(dāng)連接電纜損壞時對伺服起保護作用。建議將此值設(shè)為1，以起到保護目的。

(2)“6”號為加減速時間常數(shù)。該值是表示電動機從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速的啟動時間，或從最高轉(zhuǎn)速到最低轉(zhuǎn)速的減速時間。加速度時間越小，機床加工性能越好，但太小會產(chǎn)生伺服報警，應(yīng)按實際情況來調(diào)節(jié)，最佳值應(yīng)設(shè)為600。

(3)“12”號為是否允許伺服電動機過熱報警。有時電動機端監(jiān)測點為常開點時，可在0和1之間互換設(shè)置值，根據(jù)具體接法設(shè)置此值。

(4)“17”號為最高速度限制。最高速度為伺服電動機的最高速度限制值，用戶應(yīng)根據(jù)電動機的實際轉(zhuǎn)速進行設(shè)定，應(yīng)不大于電動機轉(zhuǎn)速的1.5倍。

(5)“25”號為編碼器分辨率，出廠值為2。2代表編碼器分辨率為每轉(zhuǎn)2500個脈沖。還有多種脈沖線數(shù)供選擇，用戶可按編碼器實際線數(shù)來設(shè)定此值。

3 電子齒輪比的調(diào)整方法

若要正確改變外部指令和所發(fā)位置指令的關(guān)系，必須合理設(shè)置伺服驅(qū)動裝置的電子齒輪比。HSV-160的反饋電子齒輪比計算方法為

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=WX1X2/(MB)

式中：W為電動機轉(zhuǎn)一圈所需脈沖數(shù)；M為伺服電動機的碼盤線數(shù)；X1為數(shù)控系統(tǒng)的細分數(shù)；X2為伺服驅(qū)動器的倍頻數(shù)或伺服驅(qū)動器的內(nèi)部電子齒輪比；B為數(shù)控系統(tǒng)對伺服電動機的碼盤反饋的倍頻數(shù)。對伺服電動機來說，W=M，所以：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=X1X2/B

通過這個公式我們可以很方便地設(shè)置出伺服端齒輪比。以一個例子來說明其設(shè)置。

例：電動機編碼器為2500線，驅(qū)動器內(nèi)部進行了4倍頻處理，計算系統(tǒng)的反饋電子齒輪比。

若采用HNC-21T系統(tǒng)，對伺服的反饋信號有4倍頻，X1X2為4，因此反饋電子齒輪比為：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=4/4=1/1

若采用HNC-18I系統(tǒng)，對伺服的反饋信號沒有倍頻，X1X2為4，因此反饋電子齒輪比為：

反饋電子齒輪分子/反饋電子齒輪分母=4/1

4 HSV-160伺服的優(yōu)化

機床要實現(xiàn)高精度加工，對伺服的優(yōu)化必不可少。伺服優(yōu)化就是調(diào)整伺服本身的增益，以輸出更好的脈沖特性。驅(qū)動器本身自帶的增益參數(shù)基本能滿足用戶加工的要求，但在以下情況時，應(yīng)適當(dāng)對相關(guān)控制參數(shù)作出調(diào)整，以保證高精度加工要求。以幾個我廠調(diào)試中總結(jié)的方法說明如下：

(1)機床運行中伺服電動機出現(xiàn)較大的電流噪聲或囂叫聲。這是因為電動機的增益設(shè)置的太大，應(yīng)降低PA-27(電流控制比例增益)參數(shù)值，最佳值為1560，增加PA-28(電流控制積分時間)參數(shù)值，最佳值為5。調(diào)到最佳值后，一般情況下問題就可以得到解決。若效果仍不明顯，可以設(shè)定參數(shù)PA-4(速度反饋濾波因子)為2(最佳值為2)。一般情況下不要調(diào)節(jié)PA-4參數(shù)，因為此值調(diào)整不當(dāng)會引起振蕩。

(2)機床伺服電動機在零速時，驅(qū)動器處于使能狀態(tài)，電動機軸有低頻振動的聲音，首先要降低PA-27(電流控制比例增益)參數(shù)值，最佳值為1560，增加PA-28(電流控制積分時間)參數(shù)值，最佳值為5。調(diào)到最佳值后，若效果不明顯，再調(diào)節(jié)PA-32(轉(zhuǎn)矩濾波指令時間常數(shù))參數(shù)值為12。另外，還可以設(shè)定參數(shù)PA-4(速度反饋濾波因子)為2。一般情況下不要調(diào)節(jié)PA-4參數(shù)。

(3)如果負載慣量在電動機轉(zhuǎn)子慣量5倍以上，也就是在大負載慣量下使用時，可能會發(fā)生在減速時主電路過電壓或制動異常。這時可以增加加減速時間(參數(shù)PA-6)值，設(shè)定為600(最佳值)，也可以先設(shè)得大一點，再逐步降低至最佳值；或者減小最大輸出轉(zhuǎn)矩(參數(shù)PA-5)值到最佳范圍內(nèi)，最佳范圍為15000～28000。如果要保證更好的效果，還應(yīng)安裝外加的再生制動裝置。

5 故障診斷與排除

當(dāng)伺服驅(qū)動器發(fā)生故障時，機床上相關(guān)的部件在執(zhí)行動作時就會表現(xiàn)出很多問題，這時可以通過發(fā)生的故障現(xiàn)象來查找原因。目前常見的診斷方法有直接觀察法，替換法，參數(shù)檢查法，隔離法，而通過報警形式來解決問題是最行之有效的辦法之一。

HSV-160型伺服驅(qū)動器驅(qū)動的機床進給伺服系統(tǒng)的故障按機床提供的報警形式大致可分為三類：

(1)通過CRT或操作面板顯示報警內(nèi)容，它是利用軟件的診斷程序來實現(xiàn)的。

(2)通過進給伺服驅(qū)動單元上的硬件(如發(fā)光二極管或數(shù)碼管指示，保險絲熔斷等)來顯示報警驅(qū)動單元的故障。

(3)機床進給運動機構(gòu)不能正常工作，但伺服驅(qū)動器上沒有任何報警顯示。

結(jié)合這三種報警形式就可快速地對故障進行分析與判斷，從而解決問題。

在第一種情況時，需進行機床上下電，伺服驅(qū)動器復(fù)位后，故障問題可自動消除。

例如：面板上出現(xiàn)驅(qū)動器未就緒報警，原因為PLC掃描周期未完成，經(jīng)按下急停按鈕，再旋開后，系統(tǒng)經(jīng)過復(fù)位，故障自動得以解除。

遇到第二種情況時，驅(qū)動面板上的數(shù)碼管會顯示對應(yīng)的報警信息，用戶可通過面板上的報警號來處理故障問題。

此類問題出現(xiàn)的原因大多為參數(shù)未設(shè)置好或部件損壞所致。處理這種問題時可以采用交換法。

例如：一臺數(shù)控車床，按下X軸正向按鈕后，X軸不移動，其他功能正常。

故障分析：首先，判斷故障可能由系統(tǒng)、驅(qū)動器或電動機引起的，這時可以采用交換法來排除故障。將伺服電動機驅(qū)動電纜交換一下以后，X軸工作正常，Z軸電動機不動，說明電動機是正常的，系統(tǒng)到驅(qū)動器信號也正常。由此可判斷出原X軸驅(qū)動器損壞，換上一個正常的驅(qū)動器試后，發(fā)現(xiàn)X軸能夠正常移動，故障排除。

當(dāng)遇到第三種情況時，大多是線路連接和參數(shù)未設(shè)置好的問題，也是最不容易查找與解決的，但只要采用合理的診斷方法，問題就可以迎刃而解。下面以幾個在我廠應(yīng)用中出現(xiàn)的問題與解決方法進行說明。

例1：數(shù)控機床在工作過程中，電動機在不停地振動，但幅度不大。

此故障屬于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)問題。

故障分析：經(jīng)過觀察，傳動環(huán)節(jié)間隙并不大，排除此原因。查看電動機負載端，電動機轉(zhuǎn)距可以滿足傳動的要求。由此大致可判斷出是驅(qū)動器速度環(huán)的設(shè)定和調(diào)整不當(dāng)。調(diào)出速度環(huán)比例增益參數(shù)PA-2，此值為6000。因為此參數(shù)設(shè)置越大，剛度越大，但過大會超調(diào)，正確范圍應(yīng)在1800～2560之間，所以將此值減小到2500以后，現(xiàn)象消失，故障排除。

例2：數(shù)控機床在上電后，伺服電動機立即自動旋轉(zhuǎn)起來，不受按鈕控制。

此故障屬于線路連接錯誤的問題。

故障分析：經(jīng)過觀察，機床坐標(biāo)軸的位置沒有發(fā)生變化，伺服電動機連接完好無損，排除電動機損壞的可能，并且位置編碼器安裝位置也沒有發(fā)生偏移。懷疑是編碼器的管腳線號接錯。拆開編碼器后，對照圖紙發(fā)現(xiàn)A、B、Z的線號焊錯。重新按正確的方法焊接完，機床上電以后，伺服電動機不自動旋轉(zhuǎn)，按下控制按鈕后才旋轉(zhuǎn)，故障排除。

例3：數(shù)控機床在加工過程中定位精度或加工精度差，達不到加工要求。

此故障屬于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)問題。

故障分析：造成此現(xiàn)象一是機械方面問題，另一個是伺服增益方面參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。首先觀察電動機與機床的連接部分，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)螺絲有些松動，用螺絲刀擰緊后實驗，效果改善不大。排除機械方面的故障。調(diào)出驅(qū)動器加減速時間參數(shù)PA-6，此值為3。因為此值設(shè)置太小會產(chǎn)生非線性，將此值設(shè)為6(最佳值)后觀察，加工精度好了很多。又調(diào)出驅(qū)動器位置比例增益參數(shù)PA-0，此值為2000。此值越小，位置滯后量越大。將此值稍微加大改為最佳值3000后，加工精度達到要求的范圍以內(nèi)，故障排除。

例4：數(shù)控機床在上電后，尚未執(zhí)行任何動作，伺服電動機便產(chǎn)生尖叫聲。

此故障屬于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)問題。

故障分析：首先發(fā)現(xiàn)位置檢測編碼器的電纜線有裂口，用萬用表量后，發(fā)現(xiàn)有一根線已斷。更換一根電纜線后，問題仍然存在。調(diào)出伺服驅(qū)動器參數(shù)查看，發(fā)現(xiàn)速度環(huán)比例增益PA-2值為6000，此值正常范圍應(yīng)在2600以內(nèi)，最佳值應(yīng)為2500，速度環(huán)積分時間常數(shù)PA-3值為40，此值正常范圍應(yīng)在20以內(nèi)，最佳值為20。將這兩個參數(shù)調(diào)整到最佳值后，電動機不再出現(xiàn)尖叫聲，故障排除。

例5：機床Z軸在做快速移動時，伺服電動機出力不足，無法進行加工操作。

此故障屬于參數(shù)設(shè)置不當(dāng)問題。

故障分析：電動機出力不足往往是電壓不足造成的。用萬用表量三相輸入電壓，發(fā)現(xiàn)輸入電壓在正常范圍內(nèi)。檢查接地線連接情況，接地線也連接很好，并無松動。調(diào)節(jié)伺服增益，問題也沒解決。最后檢查與電動機轉(zhuǎn)矩有關(guān)的參數(shù)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩限制參數(shù)PA-16設(shè)置值為20000。此值正常范圍應(yīng)在22000～28000以內(nèi)。改大此值到23000后，電動機動作恢復(fù)正常，能夠進行加工，故障排除。

例6：機床各個伺服軸運行時出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。

此故障屬于機械連接與參數(shù)調(diào)整不當(dāng)問題。

故障分析：首先查找連接伺服電動機和滾珠絲杠的聯(lián)軸器，因為聯(lián)軸器松動或存在缺陷的話，會造成滾珠絲杠與伺服電動機的轉(zhuǎn)動不同步，從而會使機床床鞍或載重物進給運動后速度不均勻。檢查后發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸器確實有些松動。擰緊后，再運行機床，效果好了很多，但速度還有些慢。調(diào)出伺服參數(shù)檢查速度比例增益參數(shù)PA-2，其值為1600，數(shù)值過小，最佳值為2500。將其改為最佳值后，觀察速度積分時間參數(shù)PA-3，其值為10，最佳值為20，改為最佳值后，運行機床，各個軸的速度恢復(fù)正常，故障排除。

6 結(jié)語

伺服驅(qū)動進給裝置是數(shù)控裝置與主機之間的連接環(huán)節(jié)，它是接收數(shù)控裝置插補生成的進給脈沖信號，經(jīng)過信號放大后，驅(qū)動機床主機的執(zhí)行機構(gòu)，實現(xiàn)機床的運動進給。同時對機床實際位置的信號進行采集，插補運算后帶動機床軸做加工操作。它的穩(wěn)定性和運算能力直接影響到機床的實際加工性能。操作者除了要對伺服驅(qū)動裝置進行深入的了解，還應(yīng)對其做好日常保養(yǎng)工作，從而保證機床能夠?qū)崿F(xiàn)良好的加工精度。

［1］畢承恩，等.現(xiàn)代數(shù)控機床［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1993.

［2］李超.設(shè)備控制基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2001.

［3］鄭小年，楊克沖.數(shù)控機床故障診斷與維修［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社出版，2005.

［4］孫海亮.數(shù)控電氣控制基礎(chǔ)及實訓(xùn)［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社出版，2008.