MTX數(shù)控機(jī)床偶發(fā)性丟失參考點(diǎn)的研究

謝欽 梁德重

摘 要：數(shù)控機(jī)床的加工精度主要受機(jī)械傳動(dòng)的精度和電氣伺服控制系統(tǒng)的影響，而伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，對(duì)設(shè)備的開(kāi)動(dòng)率要求很高，本文以Boehringer車車?yán)瓩C(jī)床為例介紹可能導(dǎo)致原點(diǎn)丟失的幾種可能性因素，問(wèn)題的主要表現(xiàn)為當(dāng)機(jī)床斷電或者上電的時(shí)候會(huì)偶發(fā)性的有原點(diǎn)丟失的現(xiàn)象，重點(diǎn)分析造成的原因和診斷方法。

關(guān)鍵詞：MTX 機(jī)床參考點(diǎn) 電磁干擾

1 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成原理

數(shù)控機(jī)床的加工精度主要受機(jī)械傳動(dòng)的精度和電氣伺服控制系統(tǒng)的影響，而伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)器組成，作為數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是處理NCU（Number Control Unit）的指令信號(hào)，控制傳動(dòng)部件的速度、方向和位置從而達(dá)到零件的加工過(guò)程，如圖1所示。

伺服系統(tǒng)主要有三種方式[1]：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、半閉環(huán)系統(tǒng)、全閉環(huán)系統(tǒng)，在閉環(huán)控制中需要有電流、速度、位置等測(cè)量裝置，直接或間接的輸出一些物理量信號(hào)，因此檢測(cè)元件是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)檢測(cè)元件的主要技術(shù)指標(biāo)為：高可靠性、高抗干擾性、滿足精度和測(cè)量速度的要求，符合機(jī)床運(yùn)行的環(huán)境需要求。

數(shù)控機(jī)床閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的工作原理[2]：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出位移指令時(shí)，由伺服驅(qū)動(dòng)裝置經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。此時(shí)由位置檢測(cè)裝置檢測(cè)工作臺(tái)的實(shí)際位移，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后反饋到輸入端與輸入信號(hào)比較，得到的差值經(jīng)過(guò)放大和D/A轉(zhuǎn)換，控制伺服驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件以給定的速度向著消除偏差的方向運(yùn)動(dòng)，如果輸入信號(hào)與反饋信號(hào)的差值存在，那么工作臺(tái)就不斷地跟隨輸入信號(hào)運(yùn)動(dòng)。只有在差值為零時(shí)，工作臺(tái)才靜止，即工作臺(tái)的實(shí)際位移量與指令位移量相等時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)。由于閉環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)有位置反饋，可以補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)裝置中的各種誤差、間隙和干擾的影響，因此可以達(dá)到很高的定位精度，同時(shí)還能達(dá)到較高的速度，但閉環(huán)伺服系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求較高。

2 參考點(diǎn)丟失的原因分析

機(jī)床伺服軸的參考點(diǎn)即在數(shù)控系統(tǒng)中的位置值丟失，本文以Boehringer車車?yán)瓩C(jī)床為例介紹可能導(dǎo)致原點(diǎn)丟失的幾種可能性因素，問(wèn)題的主要表現(xiàn)為當(dāng)機(jī)床斷電或者上電的時(shí)候會(huì)偶發(fā)性的有原點(diǎn)丟失的現(xiàn)象。該機(jī)床的控制系統(tǒng)架構(gòu)為德國(guó)Rexroth公司的數(shù)控產(chǎn)品，由基于PC的MTX CMP60卡作為NCU單元，提供11個(gè)伺服軸（XXA、XXB、SCE、SCF、AL1、WZF、WZD、CCA、CCB、ZZA、ZZB）組成，NC通訊采用Sercos光纖通信，同時(shí)集成有Profibus-DP接口通訊功能，主要完成軸類產(chǎn)品的加工。

2.1 伺服參數(shù)問(wèn)題[3]

該數(shù)控系統(tǒng)NUC單元在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的伺服控制是由CPM60卡中的SCS配置來(lái)實(shí)現(xiàn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，SERCOS卡主要對(duì)伺服軸實(shí)時(shí)控制，主要針對(duì)實(shí)時(shí)性控制，伺服參數(shù)是保存在CMP卡中，平時(shí)看到的很多*.par文件是SERCOS卡的軸驅(qū)動(dòng)備份，當(dāng)出現(xiàn)原點(diǎn)丟失的時(shí)候重點(diǎn)懷疑其usrfep區(qū)和CPL變量值存在錯(cuò)誤或者CMP60卡本身問(wèn)題，在遇到問(wèn)題的時(shí)候可以考慮將整個(gè)工程文件進(jìn)行還原，刷新存儲(chǔ)區(qū)的數(shù)據(jù)，以排除其問(wèn)題。

2.2 電磁干擾問(wèn)題

電磁兼容性EMC（Electro Magnetic Compatibility），是指設(shè)備或系統(tǒng)在電磁環(huán)境中符合要求運(yùn)行并不對(duì)其環(huán)境中的任何其他設(shè)備產(chǎn)生無(wú)法忍受的電磁干擾的能力。因此，EMC包括兩個(gè)方面的要求：一方面是指設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)所在環(huán)境產(chǎn)生的電磁干擾不能超過(guò)一定的限值;另一方面是指設(shè)備自身對(duì)所在環(huán)境中存在的電磁干擾具有一定程度的抗擾度，即電磁敏感性。

由于伺服系統(tǒng)的功率比較大，并且存在強(qiáng)電、弱電同時(shí)存在的問(wèn)題，當(dāng)遇到偶發(fā)性的原點(diǎn)丟失的時(shí)候，需要重要排查兩者的共同點(diǎn)，如果系統(tǒng)的抗干擾不好，斷電或者上電的瞬間產(chǎn)生的脈沖對(duì)反饋回路的擾動(dòng)會(huì)很大，因此針對(duì)地線端子排進(jìn)行重點(diǎn)排查。

以實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的一次案例進(jìn)行說(shuō)明，使用數(shù)字示波器對(duì)兩路編碼器反饋線的地線進(jìn)行測(cè)量，A通道為CCA/CCB伺服軸、B通道為XXA伺服軸，如圖3所示，可以測(cè)量發(fā)現(xiàn)A通道的擾動(dòng)電壓為6V，B通道的電壓為2V，而編碼器信號(hào)的電壓為5V，因此在開(kāi)關(guān)機(jī)床的瞬時(shí)產(chǎn)生的干擾電壓為更強(qiáng)，很可能會(huì)造成參考點(diǎn)的丟失。

可能接頭沒(méi)有接好，或者動(dòng)力線屏蔽層有破損等可能性。

對(duì)電機(jī)編碼器的反饋線進(jìn)行仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)，其屏蔽層的存在接觸不良的現(xiàn)象，對(duì)其進(jìn)行采用金屬鋁箔包裹后再進(jìn)行驗(yàn)證，如圖4所示干擾電壓只有0.6V，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間驗(yàn)證后機(jī)床再也未出現(xiàn)過(guò)丟參考點(diǎn)的現(xiàn)象。

3 結(jié)語(yǔ)

本文主要針對(duì)基于Rexroth MTX控制系統(tǒng)的機(jī)床偶發(fā)性丟失參考點(diǎn)的實(shí)際問(wèn)題進(jìn)行分析總結(jié)，提出了問(wèn)題解決的思路，對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備維護(hù)與管理提供一定的參考指導(dǎo)。同時(shí)在對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備布線時(shí)要格外注意電磁干擾的環(huán)境，基本上遵循對(duì)動(dòng)力線與編碼器線之間距離的要求為100mm; 按照要求動(dòng)力線和編碼器線交叉時(shí)，要90度交叉布置，以減少電磁干擾;避免線纜懸掛，這樣會(huì)形成類似天線的接收發(fā)射功能;對(duì)于模擬量信號(hào)的線纜，只能在近端有一個(gè)接地點(diǎn);對(duì)于數(shù)字量信號(hào)的線纜，需要在線纜兩端都做接地，目的是為了屏蔽電流補(bǔ)償產(chǎn)生的干擾作用; 對(duì)于無(wú)屏蔽層的線纜在安裝時(shí)，要將兩股線扭成雙絞線的形式。

參考文獻(xiàn)：

[1]潘超.數(shù)控機(jī)床直線電驅(qū)進(jìn)給系統(tǒng)控制技術(shù)及動(dòng)態(tài)特性研究[D].江蘇大學(xué)，2011.

[2]王列虎.高精度數(shù)控伺服驅(qū)動(dòng)檢測(cè)及接口與位置直接閉環(huán)控制研究[D].華南理工大學(xué)，2011.

[3]Bosch Rexroth產(chǎn)品手冊(cè)，Rexroth IndraDrive Supply Units HMV01 Instruction Manual，2009.