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1、第五章 数控机床典型结构与维修,第4节 数控机床伺服驱动系统故障维修,教师：李爽时间：2014/11/13,目 录,一、伺服系统概述二、主轴驱动系统 主轴驱动系统、故障形式、故障诊断三、进给伺服系统 进给驱动系统、伺服系统结构形式、故障诊断四、位置检测装置,一、伺服系统概述,1.1伺服系统概念 数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称随动系统。如果说数控系统是数控机床的大脑，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确地执行由数控系统发来的命令，控制数控机床的运动部件的位置和速度，加工出所需工件的外形和尺寸。,伺服
2、系统,机床,CNC系统,指令,动作,脉冲频率脉冲数量,速度位置,伺服系统的作用示意图,伺服控制系统的性能直接影响数控机床的精度、稳定性、可靠性和生产效率，因此伺服系统的性能决定了数控机床的性能。在实际应用中，数控机床伺服系统出现故障的概率较高，因此充分认识伺服系统的重要性，掌握伺服系统的故障诊断与维修方法是很有必要的。,1.2伺服系统组成 数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件（如电机）、机械传动部件、执行元件和检测反馈装置等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统；机械传动部件和执行元件组成机械传动系统；检测元件和反馈电路组成检测系统。,一、伺服系统概述,1.3伺服系统的分类 数
3、控机床伺服系统分类方法有多种。按控制方式的不同，可分为开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统和混合控制系统4种。按其作用和控制功能的不同，伺服驱动系统可分为主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统。按电气控制原理和伺服电机类型的不同，还可分为直流伺服系统和交流伺服系统。根据控制信号的不同形式，伺服系统可分为模拟控制和数字控制两种；按反馈比较控制方式不同，可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。,一、伺服系统概述,二、主轴驱动系统,2.1 主轴驱动系统概述 主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切
4、削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。,二、主轴驱动系统,随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求：（1）调速范围宽并实现无极调速 对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。（2）恒功率范围要宽,2.2数控机床对主轴驱动系统的要求,（3）具有4象限驱动能力 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加
5、、减速时间要短。（4）具有位置控制能力 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。（5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低（6）良好的抗振性和热稳定性。,二、主轴驱动系统,2.2数控机床对主轴驱动系统的要求,1、FANUC（法那科）公司主轴驱动系统 从80年代开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.537KW；H系列电动机，额定输出功率范围1.522KW；P系列电动机，额定输出功率范围3.737KW。该公司交流主轴驱动系统的特点为：采用为处理器控制技术，进行矢量计
6、算，从而实现最佳控制。主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。,二、主轴驱动系统,2.3常用的主轴驱动系统介绍,2、SIEMENS（西门子）公司主轴驱动系统 SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE 611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管
7、SPWM变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。,二、主轴驱动系统,2.3常用的主轴驱动系统介绍,驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统，即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器控制的方式。,二、主轴驱动系统,2.4主轴驱动系统的分类,（1）直流主轴驱动装置 直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同，要求能输出大
8、的功率，所以一般是他磁式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。（2）交流主轴驱动装置 交流异步伺服系统 交流同步伺服系统,二、主轴驱动系统,当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有：(1)过载(2)转速偏离指令值(3)主轴定位抖动(4)主轴振动或噪声太大(5)主轴转速与进给不匹配(6)外界干扰,2.5主轴伺服系统故障诊断,二、主轴驱动系统,（1）外界干扰 故障现象：主轴在运转过程中出现随机和无
9、规律性的振动或转动。原因分析：主轴速度指令信号或反馈信号受到电磁波、供电线路或信号传 输干扰而出现误动作。检查方法：令主轴转速指令为零，观察主轴是否有往复摆动，或通过调整零速平衡和漂移补偿看故障能否消除。,2.5主轴伺服系统故障诊断,（2）过载 故障现象：主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等 原因分析：切削用量过大，主轴频繁正、反转，主轴润滑不良造成轴承咬死或轴承预紧力过大、电动机冷却系统不良或内置温控元件失效、动力连线接触不良等，主轴伺服系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。检查方法：采用常规检查法针对上述部位逐一进行检查。采取措施：保持主轴电机通风系统良好，保持过滤网清洁；检查动
10、力线接线端子接触情况，按设备操作规程正确合理操作和维护保养设备。,2.5主轴伺服系统故障诊断,（3）主轴定位抖动 故障现象：主轴在准停时发生抖动 原因分析：产生原因因实现准停的方式不同而异，主轴准停有三种实现方式：（1）机械准停控制，定位抖动多为定位机械执行机构不到位，定位盘松动或有间隙引起；（2）磁性传感器的电气准停控制，定位抖动多为传感器和发磁体之间间隙发生变化或传感器失灵引起。（3）编码器型的准停控制，由于编码器的污染引起灵敏度下降或连接松动也会造成定位抖动。此外主轴定位有一个减速过程，如果减速或增益系数设置不当，会引起主轴定位抖动。检查方法：根据定位方式不同，主要检查各定位、减速检测元
11、件的工作状况和安装固定情况，核对减速或增益系数设置值等 采取措施：保证定位元件运转灵活，检测元件稳定可靠。,2.5主轴伺服系统故障诊断,（4）主轴转速与进给不匹配 故障现象：当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障或加工螺纹出现乱牙现象。原因分析：进行螺纹加工要求主轴与进给严格保持主轴转一圈刀具进给一个螺纹导程的关系，而这必须依靠主轴上的脉冲编码器进行检测反馈信息。若编码器或连接电缆有问题，会引起上述故障。检查方法：1.CRT画面有报警显示。2.通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号线的 通断状态。3.取消主轴与进给的同步配合，即用每分钟进给指令
12、代替每 转进给来执行程序，观察故障是否消失。采取措施：更换、维修编码器，检查电缆接线情况及编码器安装是否松 动，特别注意信号线的防干扰措施。,2.5主轴伺服系统故障诊断,（5）转速偏离指令值故障现象：主轴转速超过技术要求所规定的指令值范围原因分析：电动机负载过大引起转速降低或低速极限值设定太小，造成主轴电机过载。CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0+-10V）没有达到与转速指令对应的值。测速装置有故障或速度反馈信号断线。主轴驱动装置故障，导致速度控制单元错误输出。检查方法：（1）空载运转主轴，检测比较实际转速值与指令值，判断故障是否由负载过大引起。（2）检查速度反馈装置及电缆，调节速度反馈
13、量的大小，使实际主轴转速达到指令值。（3）检查信号电缆的连接情况，调整有关参数使CNC系统输出的模拟量与转速指令值相对应。采取措施：更换、维修损坏的部件、调整的关参数,2.5主轴伺服系统故障诊断,（6）主轴异常噪声及振动原因分析：首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。在减速过程中发生一般是又驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪音和振动的来区别，如存在，则主轴机械部分有问题 检查方法：检查振动周期是否与转速有关。如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。,2.
14、5主轴伺服系统故障诊断,（7）主轴电动机不转 原因分析：CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压；主轴驱动装置故障；主轴电动机故障。检查方法：检查CNC系统是否有速度控制信号输出；检查能使信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC图形（或流程图），以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。,2.5主轴伺服系统故障诊断,三、进给伺服系统,3.1 进给驱动系统概述 进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。数控系统所发
15、出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。,3.2 数控机床对进给驱动系统的要求（1）调速范围要宽；（2）定位精度要高；（3）快速响应，无超调；（4）低速大转矩，过载能力强；（5）可靠性高；,三、进给伺服系统,3.3 进给驱动系统的分类按执行元件的类别，可分为：步进电动机、直流电动机、交流电动机进给驱动系统；按有无检测元件和反馈环节，可分为为开环
16、、闭环控制两类。开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成了反馈系统。开环控制一般采用步进电动机作为驱动元件，没有位置和速度反馈控制回路。闭环控制一般采用伺服电动机作为驱动元件，根据位置检测元件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。,三、进给伺服系统,步进驱动系统简单来说，包括有步进电动机和步进驱动器。步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带动机械移动一小段距离。特点:(1)来一个脉冲，转一个步距角。(2)控制脉冲频率，可控制电机转速。(3)改变脉冲顺序，可改变转动方向。,
17、（1）步进电动机驱动的进给系统,步进电动机驱动的进给系统,优点：能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用。缺点：由于步进电动机基本上是用开环系统，精度不高，不能应用于中高档数控机床；步进电动机耗能大，速度低(远不如交、直流电动机)。因此，目前步进电动机仅用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经济型数控，打印机、绘图机等计算机的外部设备。,（2）伺服电动机驱动的进给系统,伺服电动机可分为两类：,伺服电动机又称执行电动机。其功能是将输入的电压控制信号转换为轴上输出的角位移和角速度，驱动控制对象。,伺服电动机可
18、控性好，反应迅速。是自动控制系统和计算机外围设备中常用的执行元件。,伺服电动机驱动的进给系统,3.4 进给驱动系统的组成驱动装置接受CNC等发出的指令，经过功率放大后，驱动 电动机旋转。转速的大小由指令控制。执行元件步进电动机/直流电动机/交流电动机。传动机构减速装置和滚珠丝杠检测元件及反馈电路速度反馈和位置反馈，有旋转变压器、光电编码器和光栅等。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例常见故障 当进给伺服系统出现故障时,通常有三种表现形式：在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息，在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元故障；进给运动不正常，但无任何报警信息。,（1）超程当进给运
19、动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警。产生原因常见有三种：编程不当，当工件坐标系没设定或没调用刀补，应运行如G00X100.Y100；容易出现起程。操作不当，如在JOG方式回参考点，对刀错误，刀补值设定错误，刀架离参考点太近就进行手动反回参考点容易出现超程。出现减速开关失灵、参数设置不合理等造成回不到参考点故障也会出现超程。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（2）过载 当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电动机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上、指示灯或数码
20、管会提示驱动单元过载、过电流等信息。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（3）窜动在进给时出现窜动现象：测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰；接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（4）爬行发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是：伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动与
21、伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（5）机床出现振动机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（6）伺服电动机不转伺服电动机不转，常用诊断方法有：检查数控系统是否有速度控制信号输出；检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机
22、床PLC梯形图(或流程图)，以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；进给驱动单元故障；伺服电动机故障。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（7）位置误差 当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因有：系统设定的允差范围小；伺服系统增益设置不当；位置检测装置有污染；进给传动链累积误差过大；主轴箱垂直运动时平衡装置(如平衡液压缸等)不稳。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,（8）漂移 当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过误差补偿和驱动单元的
23、零速调整来消除。（9）机械传动部件的间隙与松动 在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构之外，对加工和装配必须进行严查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。,3.5 进给伺服系统的常见故障及诊断实例,四、位置检测元件,4.1 数控机床对检测元件要求 位置检测装置是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测位移和速度，发送反馈信号，构成闭环或半闭环控制。数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。不同类型的数控机床，对位置检测元件，检测系统的精度要
24、求和被测部件的最高移动速度各不相同。,2023/3/10,42,对检测元件的要求：（1）寿命长，可靠性要高，抗干扰能力强。（2）满足精度、速度和测量范围的要求。（3）使用维护方便，适合机床的工作环境。（4）易于实现高速的动态测量和处理，易于实现自动化。（5）成本低。,2023/3/10,44,4.2 位置检测装置的分类,1、从检测的信号分,直线型,回转型,2、从传感器输出信号分,直线感应同步器、长光栅、长磁栅、激光干涉仪,旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅、编码盘,光栅检测装置、脉冲编码盘,旋转变压器、感应同步器,（1）直接测量 直接测量是将直线型检测装置安装在移动部件上，用来直接测量工
25、作台的直线位移，作为全闭环伺服系统的位置反馈信号，而构成位置闭环控制。其优点是准确性高、可靠性好，缺点是测量装置要和工作台行程等长，所以在大型数控机床上受到一定限制。（2）间接测量 它是将旋转型检测装置安装在驱动电机轴或滚珠丝杠上，通过检测转动件的角位移来间接测量机床工作台的直线位移，作为半闭环伺服系统的位置反馈用。优点是测量方便、无长度限制。缺点是测量信号中增加了由回转运动转变为直线运动的传动链误差，从而影响了测量精度。,3.直接测量和间接测量,（1）增量式测量 在轮廓控制数控机床上多采用这种测量方式，增量式测量只测相对位移量，如测量单位为0.001mm，则每移动0.001mm就发出一个脉冲
26、信号，其优点是测量装置较简单，任何一个对中点都可以作为测量的起点，而移距是由测量信号计数累加所得，但一旦计数有误，以后测量所得结果完全错误。（2）绝对式测量 绝对式测量装置对于被测量的任意一点位置均由固定的零点标起，每一个被测点都有一个相应的测量值。测量装置的结构较增量式复杂，如编码盘中，对应于码盘的每一个角度位置便有一组二进制位数。显然，分辨精度要求愈高，量程愈大，则所要求的二进制位数也愈多，结构就愈复杂。,4.增量式测量和绝对式测量,用于位置检测的有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等；用于转速检测的有测速发电动机或光电编码器等。,4.2 常用的位置检测元件,（1）光栅 光栅利
27、用光的透射、衍射原理，通过光敏元件测量莫尔条纹移动的数量来测量机床工作台的位移量。一般用于机床数控系统的闭环控制。光栅主要由标尺光栅和光栅读数头两部分组成。透射光栅测量系统原理如图所示，它由光源、透镜、标尺光栅、指示光栅、光敏元件和信号处理电路组成。,2023/3/10,48,（2）旋转变压器 旋转变压器又称分解器，是一种控制用的微电机，它将机械转角变换成与该转角呈某一函数关系的电信号的一种间接测量装置。,（3）光电脉冲编码器 工作原理：当光电码盘随工作轴一起转动时，光源通过聚光镜，透过光电码盘和光栏板形成忽明忽暗的光信号，光敏元件把光信号转换成电信号，然后通过信号处理电路的整形、放大、分频、计数、译码后输出或显示。,2023/3/10,51,（4）感应同步器 感应同步器与旋转变压器一样，是利用电磁耦合原理，将位移或转角转化成电信号的位置检测装置。按其运动形式和结构形式的不同，可分为旋转式（或称圆盘式）和直线式两种。前者用来检测转角位移，用于精密转台，各种回转伺服系统；后者用来检测直线位移，用于大型和精密机床的自动定位，位移数字显示和数控系统中，两者工作原理和工作方式相同。,2023/3/10,52,（5）磁尺 磁尺由磁性标尺，磁头和检测电路组成，其结构如图所示。,祝大家学习愉快！,
