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1、数控机床进给系统故障诊断与维修第4章 数控机床进给系统的故障诊断及维修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，直接影响了加工工件的精度。对它做好良好的维护及维修，是数控机床的关键。本章主要内容：对数控机床进给驱动系统作一半的介绍；介绍步进驱动系统的原理和主要特性作简单介绍后，列出了步进驱动系统的主要故障及排除，并列出相应维修实例。简介了进给伺服驱动系统，列出了进给伺服驱动系统的主要报警及处理、主要故障及排除，并列出了维修实例。4.1 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
2、在首要的位置。数控系统所发出的控制指令，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及定位系统，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。4.1.1 数控机床对进给驱动系统的要求1. 调速范围要宽调速范围是指进给电动机提供的最低转速和最高转速之比，即：。在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速
3、范围（通常大于110000）。尤其在低速（如0.1）时，要仍能平滑运动而无爬行现象。脉冲当量为1情况下，最先进的数控机床的进给速度从0240连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在024进给速度下工作就足够了。2. 定位精度要高使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求进给驱动系统具有较好的
4、静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差及重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1m或0.1m，甚至0.01m）；同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。3. 快速响应，无超调为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在200以内，甚至小于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应，但又不能超调，否则将形成
5、过切，影响加工质量；另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有40002以上的加速度。4. 低速大转矩，过载能力强数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进给驱动系统在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长时间内较强的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能力。一般，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载46倍而不损坏。5. 可靠性高数控机床，特
6、别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，因此，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力。4.1.2 进给驱动系统的基本形式进给驱动系统分为开环和闭环控制两种控制方式，根据控制方式，我们把进给驱动系统分为步进驱动系统和进给伺服驱动系统。开环控制及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。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。1. 开环数控系统无位置反馈装置的控制方式
7、就称为开环控制，采用开环控制作为进给驱动系统，则称开环数控系统。一般使用步进驱动系统（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件。所以也叫步进驱动系统。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（一般为同步带，或直接连接）带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角及转速，就可以间接控制移动部件的移动，俗称位移量。图4-1为开环控制伺服驱动系统的结构框图。采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，但是由于系统对移动部件的
8、实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮及丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度。特别是在负载转矩超过输出转矩时，将导致的“丢步”，使加工出错。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。2. 半闭环数控系统图4-2所示为半闭环数控系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家安装好），用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠的精度足够高，间隙小，精度要求一般可以得到满足。而且传动
9、链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，因而可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制得到了广泛的应用。图4-2：半闭环数控系统进给控制框图半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。例如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形，因其及负载力矩有关，故无法补偿。由制造及安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度及丝杠温度的变化所引起的丝杠螺矩误差也不能补偿。因此要进一步提高精度，
10、只有采用全闭环控制方式。3. 全闭环数控系统图4-3所示为全闭环数控系统进给控制框图。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅及传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须要降低位置增益，从而对跟随误差及轮廓加工误差产生了不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，
11、这样才有可能提高位置增益。全闭环方式广泛应用在精度要求较高的大型数控机床上。由于全闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途经是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度图4-3：全闭环数控系统进给控制框图4. 混合式闭环
12、控制图4-4所示为混合闭环控制。混合闭环方式采用半闭环及全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度及良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。4.2 步进驱动系统常见故障及排除步进驱动系统简单来说，包括有步进电动机和步进驱动器。4.2.1 步进电动机原理简介及分类1. 步进电动机原理简介步进电动机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化；是一种能将数字脉冲转化成一个步距角增量的电磁执行元件；能很方便地将电脉冲
13、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。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，至今国内外对这种系统仍在进一步开发。但是，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。步进电动机是一种同步电动机，其结构同其它电动机一样，由定子和转子组成，定子为激磁场，其激磁磁场为脉冲式，即磁场以一定频率步进式
14、旋转，转子则随磁场一步一步前进。2. 步进电动机分类步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；从控制绕组数量上可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；从电流的极性上可分为单极性和双极性步进电动机；从运动的型式上可分为旋转、直线、平面步进电动机。4.2.2 步进电动机的驱动电路控制方式和应用举例1. 步进电动机的驱动电路控制方式步进电动机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用图4-5双管串联电路,双极性电流一般采用图4-5的H桥电路;对于三相混合式步进电动机则采用三相逆变桥电路,见图4-5图4-5 步进电动机驱动电路2. 开环控制系统的应用举例以50806A五相步进驱动
15、器为例，步进进给驱动装置的基本接口如图4-6所示。3. 百格拉公司步进电机3-007的面板接线图4-7。图4-7：3-007步进电动机的面板接线图控制信号说明：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电动机转动一步。：方向信号输入端，如“”为低电平，电机按顺时针方向旋转； “”为高电平电机按逆时针方向旋转。：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。：复位信号，如复位信号为低电平时,输入脉冲信号起作用，如果复 位信号为高电平时就禁止任何有效的脉冲，输入信号无效，电机无保持扭矩。: 输入报警信号：是继电器开关，当驱动器正常工作时继电器闭合，当驱动器工作异常时继电器
16、断开。继电器允许最高输入电压和电流是：35，10I200，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24通过继电器输入到输入端，否则外部24无法输入到输入端。注意：及，及，及对应同一个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。4.2.3 步进电动机的主要特性1. 步距角和步距误差转子每步转过的空间机械角度，即步距角为 =3602*N其中 Z2-转子齿数，运行拍数。步进电动机每走一步，转子实际的角位移及设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电动机步距的误差不会长期积累。步进电动机步距
17、的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有: 齿及磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。2. 静态矩角特性和最大静转矩特性所谓静态是指电动机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电动机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电动机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电动机转子则按顺时针方向转过一个小角度，称为失调角,这时转子电磁转矩T及负载转矩相等。矩角特性是描述步进电动机稳态时，电磁转矩及失调角之间关系的曲线，或称
18、为静转矩特性。见图4-7。图4-7 步进电动机矩角特性3. 步进电动机矩频特性矩频特性是用来描述步进电动机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电动机结构及材料有关外，还及步进电动机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。如图4-8（a）所示的并联绕组和串联绕组的矩频特性图。图4-8（b）是混合式步进电动机连续运行时的典型的矩频特性曲线。图4-8（a） 步进电动机矩频特性4. 启动惯频特性在负载转矩0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过
19、此值就不能正常启动。启动频率及机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图4-9表示启动频率及负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起动频率下降。若同时存在负载转矩；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。4.2.4 步进驱动装置常见故障及排除正如前所述，步进驱动是开环控制系统中最常选用的伺服驱动系统。开环进给系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用。使用过程中，步进驱动系统常见如下故障：1. 电动机过热报警，可能原
20、因及故障排除见表4-1。表4-1：步进电动机过热的报警综述故障现象可能原因排除措施有些系统会报警，显示电动机过热。用手摸电动机，会明显感觉温度不正常，甚至烫手工作环境过于恶劣，环境温度过高重新考虑机床应用条件，改善工作环境参数选择不当，如电流过大，超过相电流根据参数说明书，重新设置参数电压过高建议稳压电源2. 工作中，尖叫后不转，具体情况为加工或运行过程中，驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声。可能原因及排除措施见表4-2：表4-2：步进驱动器尖叫后不转的故障原因及排除综述故障现象可能原因排除措施驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声，然后电动机停止不转输入脉冲频率太高，引起堵转降低输入脉冲频率输入
21、脉冲的突调频率太高降低输入脉冲的突调频率输入脉冲的升速曲线不够理想引起堵转调整输入脉冲的升速曲线3. 工作过程中停车，在工作正常的状况下，发生突然停车的故障。引起此故障的可能原因见表4-3。表4-3 工作过程中停车的故障综述 可能原因检查步骤排除措施驱动电源故障用万用表测量驱动电源的输出更换驱动器驱动电路故障发生脉冲电路故障电动机故障绕组烧坏更换电动机电动机线圈匝间短路或接地用万用表测量线圈间是否短路杂物卡住可目测消除外界的干扰因素4. 工作噪声特别大，仔细观察加工或运行过程中，还有进二退一现象。可能原因及排除措施见表4-4：表4-4：工作噪声特别大的故障原因及排除综述故障现象可能原因排除措施
22、低频旋转时有进二退一现象，高速上不去检查相序正确连接动力线电动机运行在低频区或共振区分析电动机速度及电动机频率后，调整加工切削参数纯惯性负载、正反转频繁重新考虑次机床的加工能力电动机故障磁路混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区更换电动机如永磁单向旋转步进电动机的定向机构损坏更换电动机5. 无力或者是出力降低或称“闷车”，即在工作过程中，某轴有可能突然停止，俗称“闷车”，可能原因见表4-5。 表4-5：“闷车”的可能原因及排除措施故障部位可能原因排除措施驱动器端故障电压没有从驱动器输出来检查驱动器，确保有输出驱动器故障更换驱动器电动机绕组内部发生错误电动机端故障电动机绕组碰到机壳，发
23、生相间短路或者线头脱落电动机轴断更换电动机电动机定子及转子之间的气隙过大专业电动机维修人员调整好气隙或更换电动机外部故障电压不稳重新考虑负载和切削条件会造成“闷车”的原因可能是：负载过大或切削条件恶劣重新考虑负载和切削条件 6. 电动机一开始就不转。造成此故障的可能原因及排除措施见表4-6。表4-6：电动机已开始就不转的故障综述故障部位可能原因排除措施步进驱动器驱动器及电动机连线断线确定连线正常保险丝是否熔断更换保险丝当动力线断线时，二线式步进电动机是不能转动的，但三相五线制电动机仍可转动，但力矩不足。确保动力线的连接正常驱动器报警(过电压、欠电压、过电流、过热)按相关报警方法解除驱动器使能信
24、号被封锁通过观察是否使能信号正常驱动器电路故障最好用交换法，确定是否驱动器电路故障，更换驱动器电路板或驱动器接口信号线接触不良重新连接好信号线系统参数设置不当如：工作方式不对依照参数说明书，重新设置相关参数步进电动机电动机卡死主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈更换步进电动机电动机故障指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低会出现尖叫后不转的现象，按尖叫后不转的故障处理外部故障安装不正确一般发生在新机调试时，重新安装调成电动机本身轴承等故障重新进行机械的调整 7. 步进电动机失步或多步，此故障引起的可能现象是工作过程中，配
25、置步进驱动系统的某轴突然停顿，而后，又继续走动。此故障的可能原因具体综述见表4-7。表4-7：步进电动机失步或多步的可能原因及排除措施可能原因检查步骤排除措施负载过大，超过电动机的承载能力重新调整加工程序切削参数负载忽大忽小是否毛坯余量分配不均匀等调整加工条件负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲可在不正式加工的条件下进行试运行，判断是否有此想象发生重新考虑负载的转动惯量传动间隙大小不均进行机械传动精度的检验进行螺距误差补偿传动间隙产生的零件有弹性变形重新考虑这种材料的工件的加工方案电动机工作在震荡失步区分析电动机速度及电动机频率调整加工切削参数电路总清零使用不当干扰处理好接地，做好屏蔽处
26、理电动机故障，如定、转子相檫有的严重的情况，听声音度可以感觉出来更换电动机8. 运转不均匀，有抖动，反映在加工中是加工的工件有振纹，表面光洁度差。引起此故障的可能原因及排除措施见表4-8。表4-8：数控装置显示时有时无或抖动的故障综述可能原因检查步骤排除措施指令脉冲不均匀用示波是观察指令脉冲从数控系统找故障，去排除指令脉冲太窄指令脉冲电平不正确用万用表观测指令脉冲电平指令脉冲电平及驱动器不匹配用万用表测量指令脉冲电平后比较，是否及驱动器匹配确实电平能匹配脉冲信号存在噪声用示波器观测脉冲信号注意观察电平是否变化频繁脉冲频率及机械发生共振可目测调节数控系统参数，避免共振9. 电动机定位不准。反映在
27、加工中的故障就是加工工件尺寸有问题。可能原因及故障排除措施见表4-9表4-9 电动机定位不准的故障综述可能原因检查步骤排除措施加减速时间太小根据参数说明书，重新设置好参数指令信号存在干扰噪声利用示波器，检查指令信号是否正常如果示波器显示，信号只是受到小幅度的变化，可加注磁环或抗干扰的元器件，同时处理好接地，做好屏蔽处理系统屏蔽不良4.2.5 步进电动机常见故障及维修常见故障见表4-10。表4-10：步进电动机常见故障综述故障现象可能原因排除措施电动机尖叫中及伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的正确设置参数电动机不能旋转保险丝是否熔断更换保险丝动力线短线确保动力线连接良好参数设置不当依照参数说
28、明书，重新设置相关参数电动机卡死主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用生锈或故障更换步进电动机电动机发热异常动力线R、S、T连线不搭配正确连接R、S、T线4.2.6 步进驱动系统维修实例：例1：加工大导程螺纹时，出现堵转现象。故障诊断和处理过程：开环控制的数控机床的装置的脉冲当量一般为0.01，Z坐标轴G00指令速度一般为20003000。开环控制的数控车床的主轴结构一般有两类：一类是由普通车床改造的数控车床，主轴的机械结构不变，仍然保持换档有级调速；另一类是采用通用变频器控制数控车床主轴实现无级调速。这种主轴无级调速的数控车床在进行大导程螺纹加工时，进给轴
29、会产生堵转，这是高速低转矩特性造成的。如果主轴无级调速的数控车床加工10导程的螺纹时，主轴转速选择300，那么刀架沿Z坐标轴需要用3000的进给速度配合加工，Z坐标轴步进电动机的转速和负载转矩是无法达到这个要求的，因此会出现堵转现象。如果将主轴转速降低，刀架沿Z坐标轴加工的速度减慢，Z坐标轴步进电动机的转矩增大，螺纹加工的问题似乎可以得到改善，然而由于主轴采用通用变频器调速，使得主轴在低速运行时转矩变小，主轴会产生堵转。对于主轴保持换档变速的开环控制的数控车床，在加工大导程螺纹时，主轴可以低速正常运行，大导程螺纹加工的问题可以得到改善，但是光洁度受到影响。如果在加工过程中，切削进给量过大，也会
30、出现Z坐标轴堵转现象。例2：步进电动机驱动单元的常见故障功率管损坏。故障诊断和处理过程：步进电动机驱动单元的常见故障为功率管损坏。功率管损坏的原因主要是功率管过热或过流造成的。要重点检查提供功率管的电压是否过高，功率管散热环境是否良好，步进电动机驱动单元及步进电动机的连线是否可靠，有没有短路现象等，如有故障要逐一排除。为了改善步进电动机的高频特性，步进电动机驱动单元一般采用大于80V交流电压供电（以前有50V），经过整流后，功率管上承受较高的直流工作电压。如果步进电动机驱动单元接入的电压波动范围较大或者有电气干扰、散热环境不良等原因，就可能引起功率管损坏。对于开环控制的数控机床，重要的指标是可
31、靠性。因此，可以适当降低步进电动机驱动单元的输入电压，以换取步进电动机驱动器的稳定性和可靠性。例3：经济型数控机床的启动、停车影响工件的精度。故障诊断和处理过程：步进电动机旋转时，其绕组线圈的通、断电流是有一定顺序的。以一个五相十拍步进电动机为例，启动时，A相线圈通电，然后各相线圈按照ABCDEA所示顺序通电。我们称A相为初始相，因为每次重新通电的时候，总是A相处于通电状态。当步进电动机旋转一段时间后，通电的状态是其中的某个状态。这时机床断电停止运行时，步进电动机在该状态初结束。当机床再次启动通电工作时，步进电动机又从A向开始，及前次结束不一定是同相，这两个不同的状态会使偏转若干个步距角，工作
32、台的位置产生偏差，对此偏差是无法进行补偿的。数控机床在批量加工零件时，如果因换班断电停车或者有其他原因断电停车更换加工零件，根据上述的原因，这时所加工的零件尺寸会有偏差。解决这个问题可以通过检测步进电动机驱动单元的初始相信号，使机床在初始相处断电停车来解决。另一种解决方法是在数控机床上安装机床回参考点来解决。4.3 进给伺服驱动系统介绍4.3.1 进给伺服驱动系统的组成及分类1. 进给伺服驱动系统的组成数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元，驱动单元，机械传动部件，执行机构和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动单元组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行机构组成机械传动系统。检测元件和反馈电路组成
33、检测装置，也称检测系统。进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令，同时，位置检测装置将实际位置监测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服电动机滚珠丝杠传动实现进给运动。伺服电动机上的反馈装置将转速信号反馈回系统及速度控制指令比较，构成速度反馈控制。因此，进给伺服系统实际上是外环为位置环、内环为速度环的控制系统。对进给伺服系统的维护及故障诊断将落实到位置环和速度环上。组成这两个环的具体装置有：用于位置检测的有光栅、光电编码器、感应同步
34、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。2. 进给伺服驱动系统的分类按伺服进给系统使用的伺服类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。下面将分别按直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统来阐述其维修及维护的相关知识。4.3.2 直流进给驱动系统的介绍1. 公司直流进给驱动系统从1980年开始，公司陆续推出了小惯量L系列、中惯量M系列和大惯量H系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服电动机采用速度控制单元，大惯量
35、伺服电动机采用晶闸管速度控制单元。驱动装置具有多重保护功能，如过速、过电流、过电压和过载等。2. 公司直流进给驱动系统公司在70年代中期推出了1系列永磁式直流伺服电动机，规格有1504、1305、1310和1313。及伺服电动机配套的速度控制单元有620和626两个系列，前者采用晶体管控制，后者采用晶闸管控制。驱动系统除了各种保护功能外，另具有热效应监控等功能。3. 公司直流进给驱动系统公司的系列永磁式直流伺服电动机，规格有21、41、81、101、201和301等。配套的6R系列伺服驱动单元，采用晶体管控制技术，具有过载、过电流、过电压和过速保护，带有电流监控等功能。4.3.3 交流伺服系统
36、1. 常用交流伺服系统介绍1） 公司交流进给驱动系统公司在80年代中期推出了晶体管控制的交流驱动单元和永磁式三相交流同步电动机，电动机有S系列、L系列、系列和T系列，驱动装置有系列交流驱动单元等。2） 公司交流进给驱动系统1983年以来，公司推出了交流驱动系统。由6610系列进给驱动装置和6611A（611A）系列进给驱动模块、15和16系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用晶体管控制技术，带有热效应监控等功能。另外，公司还有用于数字伺服系统的611D系列进给驱动模块。3） 公司交流进给驱动系统公司的交流驱动单元有通用型的2系列，采用控制技术，交流伺服电动机有系列、系列、系列和系列。另外，公司
37、还用用于数字驱动系统的2系列交流驱动单元。4） 公司交流进给驱动系统公司的交流驱动系统有1391系统交流驱动单元和1326型交流伺服电动机。另外，还有1391系列数字式交流驱动单元，相应的伺服电动机有139115、139122和139145三种规格。5） 华中数控公司交流进给驱动系统华中数控公司的交流驱动系列主要9、11、16和20D四种型号。11运用了矢量控制原理和柔性控制技术，共有额定电流为14A，20A， 40A， 60A 这4个系列；16采用专用运动控制、大规模现场可编程逻辑阵列（）和智能化功率模块（）等新技术设计，操作简单、可靠性高、体积小巧、易于安装。20D是武汉华中数控股份有限公
38、司继9、11、16之后，推出的一款全数字交流伺服驱动器。具有025、050、075、100多种型号规格，具有很宽的功率选择范围。2. 交流伺服系统的组成交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图4-11所示。（1）交流伺服电动机。可分为永磁交流同步伺服电动机，永磁无刷直流伺服电动机、感应伺服电动机及磁阻式伺服电动机；（2）功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、逆变器（包括智能型逆变器模块）等。（3）微处理器控制器及逻辑门阵列。可分为单片机、数字信号处理器、多功能（如320F240）等；（4）位置传感器（含速度）。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等；（5）电源及能耗制动电
39、路；（6）键盘及显示电路；（7）接口电路。包括模拟电压、数字及串口通讯电路（8）故障检测，保护电路。键盘、显示232逻辑门阵列模拟输入电源、制动逆变器交流伺服电动机故障检测、保护位置传感器图4-11 交流伺服系统组成3. 交流伺服电动机的简介交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为感应式（或称异步）交流伺服电动机、永磁式同步电动机、永磁式无刷直流伺服电动机、和磁阻同步交流伺服电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。感应式交流伺服电动机，其转子电流由滑差电势产生，并及磁场相互作用产生转矩，其主要优点是无刷，结构坚固、造价低、免维护，对环境要求低，其主磁通用激磁电流产生，很容易实现弱
40、磁控制，高转速可以达到45倍的额定转速；缺点是需要激磁电流，内功率因数低，效率较低，转子散热困难，要求较大的伺服驱动器容量，电动机的电磁关系复杂，要实现电动机的磁通及转矩的控制比较困难，电动机非线性参数的变化影响控制精度，必须进行参数在线辨识才能达到较好的控制效果。永磁同步交流伺服电动机，气隙磁场由稀土永磁体产生，转矩控制由调节电枢的电流实现，转矩的控制较感应电动机简单，并且能达到较高的控制精度；转子无铜、铁损耗，效率高、内功率因数高，也具有无刷免维护的特点，体积和惯量小，快速性好；在控制上需要轴位置传感器，以便识别气隙磁场的位置；价格较感应电动机贵。无刷直流伺服电动机，其结构及永磁同步伺服电
41、动机相同，借助较简单的位置传感器（如霍尔磁敏开关）的信号，控制电枢绕组的换向，控制最为简单；由于每个绕组的换向都需要一套功率开关电路，电枢绕组的数目通常只采用三相，相当于只有三个换向片的直流电动机，因此运行时电动机的脉动转矩大，造成速度的脉动，需要采用速度闭环才能运行于较低转速，该电动机的气隙磁通为方波分布，可降低电动机制造成本。有时，将无刷直流伺服系统及同步交流伺服混为一谈，外表上很难区分，实际上两者的控制性能是有较大差别的。磁阻同步交流伺服电动机，转子磁路具有不对称的磁阻特性，无永磁体或绕组，也不产生损耗；其气隙磁场由定子电流的激磁分量产生，定子电流的转矩分量则产生电磁转矩；内功率因数较低
42、，要求较大的伺服驱动器容量，也具有无刷、免维护的特点；并克服了永磁同步电动机弱磁控制效果差的缺点，可实现弱磁控制，速度控制范围可达到0.110000，也兼有永磁同步电动机控制简单的优点，但需要轴位置传感器，价格较永磁同步电动机便宜，但体积较大些。目前市场上的交流伺服电动机产品主要是永磁同步伺服电动机及无刷直流伺服电动机。4. 永磁式同步交流伺服电动机控制原理图4-11表示永磁同步电动机控制原理框图.交流伺服系统是一个多环控制系统,需要实现位置、速度、电流三种负反馈控制.设置了三个调节器,分别调节位置、速度和电流,三者之间实行串级联接,把位置调节器的输出当作速度调节器的输入, 再把速度调节器的输
43、出作为电流调节器的输入,而把电流调节器的输出经过坐标变换后,给出同步电动机三相电压的瞬时给定值,通过逆变器,实现对同步电动机三相绕组的控制.实测的三相电流()瞬时值,也要通过坐标反变换,成为实现电流的反馈控制.上述控制框图,在结构电流为最内环,位置为最外环,形成了位置、速度、电流的三闭环控制系统。图4-11 永磁同步电动机控制原理框图4.3.4 典型接口电路举例及电路接口例：采用802D带总线指令接口控制的 进给驱动装置的连线实例，如图4-12所示。例：某进给伺服驱动装置的接口如图4-13所示。图4-13 某进给伺服驱动装置的内部接口图4.4 进给伺服驱动系统常见的报警及处理4.4.1 进给伺
44、服系统各类故障的表现形式当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现方式： 在或操作面板上显示报警内容和报警信息，它是利用软件的诊断程序来实现的。 利用进给伺服驱动单元上的硬件（如：报警灯或数码管指示，保险丝熔断等）显示报警驱动单元的故障信息； 进给运动不正常，但无任何报警信息。其中前两类，都可根据生产厂家或公司提供的产品维修说明书中有关“各种报警信息产生的可能原因”的提示进行分析判断，一般都能确诊故障原因、部位。对于第三类故障，则需要进行综合分析，这类故障往往是以机床上工作不正常的形式出现的，如机床失控、机床振动及工件加工质量太差等。伺服系统的故障诊断，虽然由于伺服驱动系统生产厂家的不同，在具体
45、做法上可能有所区别，但其基本检查方法及诊断原理却是一致的。诊断伺服系统的故障，一般可利用状态指示灯诊断法、数控系统报警显示的诊断法、系统诊断信号的检查法、原理分析法的等等。4.4.2 软件报警（显示）故障及处理1. 进给伺服系统出错报警故障 这类故障的起因，大多是速度控制单元方面的故障引起的，或是主控制印制线路板及位置控制或伺服信号有关部分的故障。例：下表为 速度控制单元的控制板上的7个报警指示灯，分别是、以及；在它们下方还有（位置控制已准备好信号）和（速度控制单元已准备好信号）2个状态指示灯，其含义见表4-11。表4-11 速度控制单元状态指示灯一览表代号含义备注代号含义备注驱动器主回路熔断
46、器跳闸红色转速太高红色驱动器过电流报警红色直流母线过电压报警红色驱动器过电压报警红色位置控制准备好绿色驱动器过载报警红色速度控制单元准备好绿色驱动器欠电压报警红色备注：表示出于含义说明中是的状态2. 检测元件（测速发电动机、旋转变压器或脉冲编码器）或检测信号方面引起的故障。例如：某数控机床显示“主轴编码器断线”。引起的原因有： 电动机动力线断线。如果伺服电源刚接通，尚未接到任何指令时，就发生这种报警，则由于断线而造成故障可能性最大。 伺服单元印制线路板上设定错误，如将检测元件脉冲编码器设定成了测速发电动机等。 没有速度反馈电压或时有时无，这可用显示其来测量速度反馈信号来判断，这类故障除检测元件本身存在故障外，多数是由于连接不良或接通不良引起的。 由于光电隔离板或中间的某些电路板上劣质元器件所引起的。当有时开机运行相当长一段时间后，出现“主轴编码器断线”，这时，重新开机，可能会自动消除故障。3. 参数被破坏 参数被破坏报警表示伺服单元中的参数由于某些原因引起混乱或丢失。引起此报警的通常原因及常规处理见表4-12。表4-12 “参数被