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  • 数控机床向高精度、高速度发展同数控机床电气驱动系统故障

      数控机床的各坐标轴采用智能化交流伺服系统驱动控制。

    <一>、数控机床向、高速度方向发展
      在现代工业社会中,效率、质量和成本依然是制造企业竞争的核心问题,所以各企业竞相采用的设备和技术,以提高自己的竞争能力,其中非常典型的就是数控机床的广泛应用,尤其是数控机床技术本身的革新与发展。
      1.数控系统和伺服系统的控制精度为数控机床向方向发展提供了核心技术支持
      的数控系统均采用位数、频率的处理器(如32位,64位机),以提高系统的基本运算速度,使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时,新一代数控机床采用规模的集成电路和多微处理器结构,以提高系统的数据处理能力。
      数控机床的各坐标轴采用智能化交流伺服系统驱动控制。智能化交流伺服系统由智能控制器、自动检测和自动识别技术与586或性能的微机、新型功率电子器件(IGBT)的逆变器、数字信号处理器(DSP)、数字式位置传感器、SPWM以及交流永磁同步电动机或笼型异步伺服电动机构成。利用知识工程、机器学习、人工智能技术、模糊控制技术的原理和方法,建立适合于复杂交流伺服系统的知识结构,广义知识表示及知识的自动获取方法,为综合智能控制提供信息基础,了伺服系统的控制精度。
      其他控制技术的应用,也是数控机床向方向发展的重要因素。前馈控制技术,在原来的控制系统上加上速度指令的控制方式,使追踪滞后误差减少,了拐角切削加工精度。机床静、动摩擦的非线性补偿控制技术了机床床鞍的爬行。高分辨率位置检测装置的应用,也是数控机床加工的重要。
      2.速切削技术为数控机床向高速度方向发展提供了理论依据和技术
      提高数控机床生产率归根到底是以加快空程运作的速度和提高零件生产过程的连续性,从而缩短辅助工时为目的的一种技术手段。
      但是,辅助运作速度的提高是有限度的。例如加工中心自动换刀时间已缩短到小于七,空程速度一般已提高到30~60m/min,再提高空程速度不但技术上有困难,经济上不合算,而且对提高机床的生产率意义也不大。于是在单位时间内材料切除率是常规切削的3~6倍的速切削(Ultra-HighSpeedMachining)技术在专家们的苦心研究下应运而生了。
      这种技术不但可以提高生产效率。还可以降低切削力的30%以上;切屑可以带走切削热的95%~98%以上。
      可以减少振动和残余应力。降低加工成本等等。关键是速切削技术的相关核心技术相继出现了,如高速切削刀具技术(具有、高熔度刀具材料的铁基硬质合金、聚晶金刚石(PCD)压层硬质合金、聚晶立方氮化硼(CBN),陶瓷等刀具材料技术);高速切削机床技术包括高速主轴、高速进给系统(高速滚珠丝杠、高速的直线电动机伺服驱动系统和虚拟轴机构)、高速CNC控制系统(关键技术包括处理刀具轨迹、预先前馈控制、反应的伺服系统等);高速加工的测试技术(主轴发热情况测试、滚珠丝杠发热测试、刀具磨损状态测试、工件加工状态监测)等等。现在,高速切削技术已经进人了工业应用阶段。
      3.多抽联动技术加速了数控机床向高速度方向发展
      由于在加工自由曲面时,3轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参与切削,进而对工件的加工质量造成破坏性影响,而5轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单,并且能使球头铣刀在铣削3维曲面的过程中始终保持合理的切速,从而显著加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率,因此,各大系统商不遗余力地5轴、6轴联动数控系统,随着5轴联动数控系统和编程软件的成熟和日益普及,5轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个热点。
      主要的系统商在6轴联动控制系统的研究上己经取得和很大进展,在6轴联动加工中心上可以使用非旋转刀具加工任意形状的三维曲面,且切深可以很薄。
      横梁主要起到联接两个立柱来形成工作台通过空间的作用,滑架在其上进行运动,所以机床横梁本身的刚性就直接决定机床的加工精度。由于滑架和滑枕以及横梁本身的重量都会使横梁安装在立柱上后产生向下的弯曲现象,相同截面下横梁越长弯曲现象越明显。
      <二>、数控机床电气控制与驱动系统故障分析
      针对收集到电气故障以及维修数据进行初步整理,确定故障判据和故障统计原则,然后对该系列数控机床电气控制与驱动系统故障部位和主要故障类型进行统计。从而找到故障频发部位和常见故障模式,并对其进行分析。
      1、故障部位分析
      对收集到故障数据进行分析,确定故障发生部位,并计算各个部位的故障频率,电气控制与驱动系统故障频发部位依次为:进给控制系统(25.64%)、主轴驱动控制系统(17.95%)、辅助装置控制系统(17.95%)、PLC输出系统(15.38%)、PLC输入系统(12.82%)、电源控制系统(10.26%)。
      2、故障模式分析
      机床电气系统主要故障类型为功能型故障、损坏型故障以及状态型故障。主要故障模式有元器件损坏、接触不良或断路、控制部件无/误动作、功能失效、回零不准、控制精度不稳、噪声、振动等。电气系统频繁的故障类型为损坏型故障(28.21%)、其次是状态型故障(20.51%)、功能型故障(15.38%)、失调型故障(15.38%)、松动型故障(12.82%)、其他故障(7.69%)。
      由以上数据可知:
      (1)主轴驱动控制系统和进给控制系统为故障频发部位。主轴驱动控制系统和进给控制系统对于数控机床实现正常的加工功能关键,其性在很大程度上影响着整个电气控制与驱动系统的性,后文将对主轴驱动控制和进给控制系统展开详细介绍和性分析。
      (2)电气故障的主要故障类型为损坏型,主要表现为:元器件损坏、开路、熔体熔断等。其次是状态型故障,主要表现为:示值异常、信号及测量精度不稳、振动、异响、灵敏度差等。因此,对于易发生开路、短路的元器件,定期检查更换,选用的材料。同时严格控制外购件的质量。定期做好除尘除污工作,防止灰尘、油污影响元器件正常工作。

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