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1、精选优质文档-倾情为你奉上第 3 章伺服系统的故障分析与维修31 伺服系统概述数控机床的伺服驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。 前者控制机床各坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。 它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运转速度和准确的位置控制。数控机床的伺服驱动系统分直流与交流两类不同的装置。1、伺服系统的概念 伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。在数控机床中， CNC 控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。 伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴
2、间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动速度、运动精度和定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动、静态性能。 研究与开发高性能的伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。早期的数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。 从八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。2、伺服系统的基本技术要求 （1）精度高 伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负载扰动能力。即对静、动态精度要求都比较高。 （2）稳定性好 稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，
3、达到新的或者恢复到原来的平衡状态。 随伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。 稳定性直接影响数控价格的精度和表面粗糙度。（3）快速响应 快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。 这一方面要求过渡过程时间要短，一般在 200 ms 以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。（4）调速范围宽 调速范围Rn 指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax 和最低转速nmin之比：Rn=nmax/nmin 。通常，nmax和nmin一般对指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，
4、也可以是实际负载的转速。1）进给伺服系统的调速要求 数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的分辨率有关。 一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0-24m/min。进给伺服系统的调速可分为以下几种： 在1-24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。 在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。 在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求，即处于伺服锁定状态。2）主轴调速范围要求 主轴主要考虑速度控制，其调速系统一般要求1:100-1000范围内的恒转矩调速和1:10以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。（5）
5、低速大转矩 机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。 进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。3、电气伺服系统的控制结构 典型的电气伺服系统框图如下。从控制角度讲，电气伺服系统一般结构为三闭环控制，即有电枢电流闭环，速度闭环，位置闭环。为了满足三环伺服控制反馈信号，要求有多种传感元件可供选择。 电流反馈一般采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。速度反馈一般采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。 位置反馈采用光电编码器,旋转变压器,光栅等。 在一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而
6、位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。从器件上来说，电气伺服系统包括执行部件、伺服驱动器、CNC中的位置控制器三部分。 关于PID调节器（ PID regulator）的解释 比例积分微分调节器的简称。利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大惯性，提高精度，加快动态响应速度。 在调节系统中，其过程控制方式就是将被测量，如温度、压力、流量、成分、水位等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。P调节就是调节器的输出和输入成比例。调比例带，也就是调比例系数，比例带就是输出与输入之比（放大
7、倍数）的倒数。I调节就是输出是输入量（即偏差）的积分，只要有偏差，调节器就会不断积分，使输送到执行器的信号变化，校正被控量，直到达到无偏差为止，所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。但要注意单独的积分调节往往是不能 工作的。所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。D调节就是微分调节，也就是输出对输入的微分。微分调节的优点在于它的超前性，当输入 发生变化时，马上就有微分信号产生，使被控量得以提前校正，然后再由P、I进行校正，这样可以使整个调节的过渡过程时间缩短，有利于调节质量的提高。PID调节应用最广，技术最成熟，控制结构简单，参数调整容易，是目前过程控制中使用广泛的调节方式。32
8、 主轴伺服系统的故障分析与维修一般主轴要求：速度大范围连续可调、恒功率范围宽伺服主轴要求：有进给控制和位置控制主轴变速形式：电动机带齿轮换档（降速、增大传动比、增大主轴转矩）；电动机通过同步齿带或皮带驱动主轴（恒功率、机械传动简单）32 1 常用主轴伺服系统FANUC 公司主轴驱动系统 主要采用交流主轴驱动系统，有S，H，P 三个系列（ 1.537， 1.522 ，3.737 千瓦） 主要特点： 1）采用微处理控制技术 2）主回路采用晶体管 PWM 逆变器 3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入 SIEMENS公司主轴驱动系统 直流主轴电动机：有 1 GG5 ， 1 GF5 ， 1 GL5 和
9、1 GH5 四个系列及配套的 6 RA24,6 RA27 系列驱动装置（晶闸管） 交流主轴电动机：有 1 PH5 和 1 PH6 两个系列（ 3100 千瓦）及配套的 6 SC650,6 SC611A 系列的主轴驱动模块32 2 通用变频器（一） 6 SC650 系列主轴交流驱动系统1. 驱动装置的组成（原理图）驱动装置的组成（主轴驱动系统）2. 故障诊断故障代码当交流主轴驱动变频器在运行中发生故障，变频器面板上的数码管会以代码的形式提示故障的类型。辅助诊断除故障代码外，在控制和输入输出模块还有测试插座，作为辅助诊断的手段通过测试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障 变频器的操作和显示
10、面板输入输出模块上的测试插座1 接线端子 2 输入输出模块 3 电流测试插孔测电机相电流测直流回路电流测电机总电流6SC650 系列变频器部分代码表故障代码 故障名称故障原因 F11 转速控制开环 1 编码器电缆未接好； 无实际转速值 ; 4 电机缺相工作；等 F12 过电流 1 变频器有短路故障； ; 5 转矩设定值过高；等 F14 电动机过热 1 电动机过载；2 电动机电流过大；等（二）主轴通用变频器32 3 主轴伺服系统常见故障分析与排除主轴伺服系统发生故障时，有三种表现形式：在图像管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故障无任何故障报警信息主轴伺服系统
11、常见故障有：外界干扰：屏蔽和接地措施不良时，主轴转速或反馈信号受电磁干扰，使主轴驱动出现随机和无规律的波动。判别方法，使主轴转速指令为零再看主轴状态过载：切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等主轴定位抖动： 主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合，有三种实现形式： 1）机械准停控制（ V 形槽和定位液压缸）2）磁性传感器的电气准停控制（图）3）编码器型的准停控制（准停角度可任意） 上述准停均要经减速，减速或增益等参数设置不当；限位开关失灵；磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动磁性传感器主轴准停装置1. 磁性传感器 2. 发磁
12、体 3. 主轴 4. 支架 5. 主轴箱 主轴转速与进给不匹配: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、主轴仍然运转的故障。主轴有一个每转一个脉冲的反馈信号，一般为主轴编码器有问题。可查图像管报警,输入输出编码器状态或用每分钟进给指令代替转速偏离指令值：主轴实际转速超过所规定的范围时要考虑，电机过载， CNC 输出没有达到与转速指令对应值，测速装置有故障,主轴驱动装置故障主轴异常噪声及振动：电气驱动（在减速过程中发生、振动周期与转速无关）；主轴机械（恒转速自由停车、振动周期与转速有关）主轴电动机不转： CNC 是否有速度信号输出；使能信号是否接通， CTR 观察输入输出状态，分析
13、 PLC 梯形图以确定主轴的启动条件（润滑,冷却）；主轴驱动故障；主轴电机故障33 进给伺服系统的故障分析与维修任务完成 CNC 对各坐标轴的位置控制组成进给驱动、位置检测及机械传动装置工作过程程序指令经插补运算得位置指令 同时将检测到的实际位置信号反馈数控系统构成半或闭环控制系统，是外环为位置环内环为速度环的控制系统位置检测光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等速度监测测速发电机和光电编码器等33 1 步进伺服步进驱动系统 802S 数控系统配 STEPDRIVE 步进驱动装置及 IMP5 五相步进电动机33 2 FANUC 进给驱动系统以及 3 3 3 SIEMENS进给驱动系统
14、一、常见进给驱动系统1. 直流进给驱动系统FANUC 公司直流进给驱动系统 小惯量 L,中惯量 M 系列直流伺服电动机 采用 PWM 速度控制单元 大惯量 H 系列直流伺服电动机，采用晶闸管速度控制单元 均有过速、过流、过载等多种保护功能姆欧的新项目公司直流进给驱动系统 1匈牙利系列多种规格的永磁式直流伺服电动机，与电机配套的速度控制单元有 6 RA20 （晶体管 PWM 控制）和 6 RA26 （晶闸管控制）两个系列。也均有过速、过流、过载等多种保护功能2. 交流进给驱动系统FANUC 公司交流进给驱动系统 驱动装置：晶体管 PWM 控制的( 系列交流驱动单元 电动机： S ， L,SP 和 T 系列永磁式三相交流同步电动机姆欧的新项目公司交流进给驱动系统 驱动装置：晶体管 PWM 控制的 6 SC610 和 6 SC611A 系列交流进给驱动模块，还有用于数字伺服驱动的 611 D 系列 电动机： 1 FT5 和 1 FT6 系列永磁式三相交流同步电动机3. 步进驱动系统802S 数控系统配 STEPDRIVE 步进驱动装置及 IMP5 五相步进电动机二、伺服系统结构形式 伺服系统不同的结构形式，主要体现在检测信号的反馈形式上，以带编码器的伺服电动机为
