提高VMC100型加工中心系统稳定性的研究与分析

【摘要】本篇论文主要从VMC100型四坐标加工中心的电气控制系统方面论述，具体对加工中心的数控装置、PLC输入/输出系统、伺服驱动系统、位置检测反馈等机床组成系统进行阐述，应用加工中心出现的故障实例研究与分析各系统的稳定性与重要性，达到提高VMC100型四坐标加工中心的系统稳定性的要求。

【关键词】数控装置;伺服驱动;位置反馈

0.引言

VMC100型四坐标加工中心为全闭环，立式加工中心，它是具有自动换刀装置及CNC四轴联动控制系统的现代化加工机床，可进行精加工或粗加工，此机床在一次装夹后，可以自动连续完成对零件的铣、钻、镗、扩、铰及攻丝等多种工序加工，适用于中等批量生产的各种平面、孔、复杂形状表面的加工，能够节省工装，缩短生产周期，提高加工精度，但其工作久了，维护不当或操作者误操作等，机床的元器件或机械部件难免会出现一些损坏或各种故障（包括电气系统、机械系统、液压系统、系统等方面故障），为了有效的解决其在生产中频繁出现的各种故障，提高VMC100型四坐标加工中心的系统稳定性，我们主要从机床的数控装置、伺服驱动系统、位置反馈系统、线路器件等几大电气组成系统进行综合分析此机床。

1.数控装置

VMC100型加工中心选用了西门子840D数控系统，该数控系统的核心是数控装置（NCU），840D的NCK和PLC都集成在NCU上，它用于处理所有CNC、PLC通讯任务。数控装置接收、分类处理、运算来自机床的输入信号（包括NC程序、PLC输入信号、面板操作信号等），分别以脉冲的形式向PLC控制的辅助控制装置和伺服驱动系统发出控制指令和运动指令，控制机床按照输入的程序运动，完成零件的加工。但是机床工作久了，偶尔就会出现840D数控系统的系统故障，造成CNC、PLC通讯不正确，机床无法正常加工，影响数控系统工作的稳定性，现列举实例说明如何提高VMC100型四坐标加工中心的数控系统稳定性。

例如：机床在执行程序时，CNC、PLC通讯突然失败，机床无法进行加工。分析此现象为数控装置发生故障，分别从NCU的CNC、PLC的硬、软两方面进行研究，因为NCU的硬件控制板一般情况下不容易损坏，所以先从软件方面分析研究，对840D数控系统的CNC、PLC软件程序进行备份，然后将CNC、PLC的软件程序初始化，重新回装，观察CNC、PLC通讯是否正常，再对硬件控制板检测分析。具体步骤如下：

1.1 NCU RAM中的数据备份到MMC的硬盘中

1）在“Startup”区域中输入用户级别以上的密码，本机床为“SUNRISE”。

2）进入“Service”区域中“series ;start-up”选择垂直菜单“Make ;start-up ;archive”。

3）选择NC、PLC数据，输入文件名，选择垂直菜单“archive”，数据备份到硬盘。

1.2 NCU的软件初始化

NC初始化：NCU控制板的S3开关由0设置为1，然后按下控制板的RESET键等待NC清空完成，最后S3开关由1设置为0，NC初始化结束。

PLC初始化：NCU控制板的S4开关首先由0设置为2，然后由2设置为3，当看到PS灯慢速闪烁一次后，在接下来的3秒中之内设置S4开关为3、2、3，如PLC清空完成，NCU控制板上的PS灯就会快速闪烁，最后设置S4开关为0，PLC初始化结束。

1.3 数据恢复

将MMC硬盘中的备份数据恢复到NCU RAM中：

1）在“Startup”区域中输入用户级别以上的密码，同样为“SUNRISE”。

2）进入“Service”区域中“series ;start-up”选择垂直菜单“Read ;start-up ;archive”。

3）选择需要恢复的NC、PLC数据，选择垂直菜单“Start”启动回装。

定期的对机床NC、PLC数据进行备份，就可以通过系统软件的总清与恢复的方式解决数控装置因为软件问题而出现的各种类型故障（如伺服轴光栅尺被屏蔽、机床轴不生效等），从而提高了VMC100型四坐标加工中心的数控装置运行的可靠性。

2.伺服驱动系统

伺服驱动系统是接受数控装置CNC控制单元输出的脉冲运动指令并将其进行放大，通过直接驱动机床的伺服电机来间接驱动机床的移动部件按照CNC控制单元程序规定的轨迹和速度进行移动和精确定位，加工出符合程序要求的工件。伺服驱动系统是机床的机械移动部件和数控装置的联系环节，它的动态和静态性能直接影响到零件加工的质量，可见提高伺服系统的技术性能和可靠性对机床具有重大意义。现举例说明如下：

机床正常执行加工程序，当进给倍率低伺服轴运行速度慢时，机床正常运行，一旦进给倍率大伺服轴运行速度变快时，机床突然掉强电，停止加工。这说明机床的功率模块出现故障，它只能控制伺服电机在慢转速下运动，一旦倍率大轴速快时，功率模块无法提供轴快速运转的电流，造成故障，所以只能更换或修理功率模块。由此可见，伺服驱动系统对提高了VMC100型四坐标加工中心系统的稳定性具有非常重要的作用。

3.位置反馈系统

本机床中位置检测反馈系统与伺服驱动系统是相辅相成的，位置检测反馈系统是应用在伺服轴上的检测反馈元件检测伺服轴的位移和速度，发送反馈信号到CNC控制单元，与CNC控制单元发出的脉冲指令信号相比较，控制机床驱动伺服电机向着消除偏差的方向运动，这样机床就会按照要求加工出符合要求的零件。位置检测反馈装置与伺服驱动装置相同，它的精确度直接影响到零件的加工，所以提高位置反馈系统的性能是非常必要的。

现举例说明如下：机床运行工件程序走Y轴时，造成加工的零件超差，机床本身并无报警。

分析本机床采用增量式编码器，采用第一、第二两个测量系统，第一测量系统采用直线光栅尺，直接测量机床执行元件的实际位置，第二测量系统采用电机编码器，通过测量电机转数来测量执行元件的位置，当机床走Y轴时，编码器数值应跟随光栅尺数值保持在固定的差值范围内，但是在机床走Y轴时，刚开始编码器数值与光栅尺数值之间的差值超过了差值范围，但机床并为出现轮廓监控报警，经过观察，发现编码器数值与光栅尺数值时而保持在差值范围内，时而超出差值范围，机床都不出现报警，这就说明机床位置检测反馈系统或伺服驱动系统有故障，当机床CNC控制单元给出指令脉冲，伺服驱动系统驱动伺服电机运转，编码器、光栅尺开始计数，如果两个测量系统出现任何位置检测反馈不正确，就会造成轮廓监控报警，应急时解决。

具体步骤：

1）将机床“NCK”复位，检测机床Y轴伺服控制板和驱动模块，检测是否因为控制板或驱动模块损坏造成发送的运算指令脉冲不正确。

2）检测机床的第一与第二反馈系统，检测是否因为断线造成反馈不准确。

3）检测机床的第一与第二测量系统，是否因为测量系统故障或测量系统脏造成误差。经过上述检测，可以解决机床出现的故障，说明定期检测伺服系统与位置检测反馈系统可以消除一系列系统报警（如机床无法返回参考点等），同样提高了VMC100型四坐标加工中心的运行的可靠性。

4.线路器件

机床的各组成线路器件对机床的系统稳定性也是具有重要作用的，机床的强电系统和弱电系统都是通过各电器件，如断路器、接触器、继电器、航空插头等，任何器件的损毁都会影响机床的工作，所以定期的对电器件检测是非常必要的。

5.总结

根据以上分析，我们总结出VMC100型四坐标加工中心的数控装置、伺服驱动系统、位置反馈系统、线路器件对提高机床系统的稳定性具有非常重要的作用，数控装置、伺服驱动系统、位置反馈系统是数控机床的重要电气组成系统，三大系统相辅相成，缺一不可，定期的对机床数控装置的NC、PLC数据进行备份，定期的对伺服驱动系统元器件检修以及位置检测反馈系统的检测和反馈装置进行检修，定期更换机床老旧器件可以消除控制系统存在的隐患，保证机床正常运转，提高VMC100型四坐标加工中心的系统稳定性。

参考文献

[1]牛志斌，潘波.图解数控机床――西门子典型系统维修技巧[M].机械工业出版社，2008，1.

[2]高德文.数控加工中心[M].化学工业出版社，2003，8.

[3]刘战术，窦凯.数控机床及其维护[M].人民邮电出版社，2005，1.

[4]张吉平，蒋林敏.数控加工设备[M].大连理工大学出版社，2007，1.

作者简介：蔡丹（1978―），辽宁沈阳人，大学本科，工程师，现供职于中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，研究方向：数控技术。