数控机床故障诊断与维修第3章伺服单元结构工作及故障原理.ppt

,第3章伺服系统的故障分析与维修,山东劳动职业技术学院机械工程系,3.1.伺服系统概述,第3章伺服系统的故障分析与维修,伺服系统基础知识,1.伺服的含义,4.直流伺服系统,5.交流伺服系统,2.伺服系统的分类,3.三环结构,本节学习内容,第3章伺服系统的故障分析与维修,.伺服的含义伺服是英文单词Servo的谐音，意为“侍侯”及“听话”等，引进到控制技术中来，指受控制部件服从指挥，如工作台让走到哪里就走到哪里。,3.1.伺服系统概述,数控机床中的伺服系统（ServoSystem）就是为了实现各轴向上速度及位置等的精确控制，如主轴速度控制和定位控制，特别是X.Z等轴向工作台的进给伺服控制，控制好定位精度为切削精度提供了保证。伺服系统中的电动机又被称为伺服电动机。主轴上早期采用直流电动机，现在采用交流异步电动机。由于进给系统要求更高,依次采用了步进电动机.直流伺服电动机和交流永磁同步式伺服电动机。因交流电动机无换向装置，几乎免维修，且成本相对较低，现在广泛使用。,3.1.伺服系统概述,1.按不同控制方式,开环控制系统闭环控制系统,2.按驱动系统,主轴驱动系统进给轴驱动系统,模拟控制数字控制,2.伺服系统分类：,3.1.伺服系统概述,3.电气控制原理和伺服电机不同类型,直流驱动系统交流驱动系统,3.1.伺服系统概述,3.三环结构通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用三环结构是目前实现高精度控制的最好方法，即位置环.速度环.电流环。又分别被称为外环.中环.内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极其完善。,3.1.伺服系统概述,提示:对于主轴驱动而言，要求有较大调速范围和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常只需控制速度的稳定性且无需位置环。所以伺服系统的讲解以进给系统为主进行。,3.1.伺服系统概述,位置环、速度环和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。,3.1.伺服系统概述,位置环（外环）：输入信号为CNC的指令和位置检测器反馈的位置信号速度环（中环）：输入信号为位置环的输出和测速发电机(多数为光电编码器)经反馈网络处理后的信号电流环（内环）：输入信号为速度环的输出信号和经电流互感器得到的电动机电枢回路电流信号在三环系统中，位置环的输出是速度环的输入；速度环的输出是电流环的输入；电流环的输出再去直接控制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈。,3.1.伺服系统概述,从电路结构看，三个环的控制模块都是调节器，有时采用比例调节器(P调节器)，有时采用比例积分调节器(PI调节器)，有时为比例积分微分调节器(PID调节器)。从具体电路来讲，有时相当复杂，有时简单到只有一个电位器或滤波电路。最近发展技术是利用CNC内部硬件或软件形式完成三环的工作，提高了控制精度且降低了维修难度，如位置环上的故障我们着重去检查位置检测器了。,3.1.伺服系统概述,现代技术中位置环控制模块交给CNC实现(硬件或软件方法),3.1.伺服系统概述,位置环是进给伺服系统中十分重要的环节，根据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为:开环控制(早期，精度低，使用步进电动机)半闭环控制(间接检测反馈，精度较高)闭环控制(直接检测反馈，精度高，机床不易调整，易出现工作台振荡或爬行),3.1.伺服系统概述,一.伺服系统基础知识,开环进给伺服系统示意图,半闭环控制系统示意图,3.1.伺服系统概述,闭环控制系统示意图,3.1.伺服系统概述,速度环检测元器件：测速发电机和光电编码器(有的在电动机出厂前己安装在其内部)电流环检测元器件：电流互感器位置环检测元器件:用于半闭环的有脉冲编码器(又分为光电式.接触式和电磁感应式三种).旋转变压器和旋转式感应同步器等.用于闭环的有光栅尺.磁栅尺和直线式感应同步器等。,3.1.伺服系统概述,编码器,光栅尺,光栅尺工作原理,光栅尺工作原理:标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成的，标尺光栅不动，指示光栅沿标尺光栅移动时，光电元件所产生出来的光电流变化也是连续的，近似于正弦波，根据波形数量可确定移动距离。并且指示光栅的线纹部分分成两相，彼此错开1/4栅距，并配上两相物镜和光电元件使其输出信号在相位上相差90度，其中一相作为参考信号，则根据另一相信号超前或滞后参考信号90度，可用来确定指示光栅向哪一方向移动。,3.1.伺服系统概述,4.直流伺服系统直流伺服系统是以直流电动机为控制对象的系统，是由三环结构.功率变换单元.伺服驱动单元.直流电动机等组成。直流电机有起动转矩大，调速方便等优点，早期数控机床上得到广泛应用，但其有换向器及电刷，极易出故障且成本高，现在逐步被交流电动机所取代，交流伺服的很多控制方法与直流伺服大到相同，所以有必要加以学习。,3.1.伺服系统概述,0,直流伺服系统中直流电动机的速度控制主电路主要有两种:早期的晶闸管(SCR俗称可控硅)控制和现代较普遍采用的大功率晶体管控制。晶闸管控制多采用三相全控桥式整流电路，输出一个可变电压的直流电源，通过调节晶闸管的触发角就可改变输出电压值，从而使电动机转速发生变化。,3.1.伺服系统概述,采用大功率晶体管控制主要为脉冲宽度调制(PWM)技术。脉冲宽度调制就是调节输出信号的占空比，晶体管通就是给电动机提供电能，断就是停止供给电能，因此调节占空比就能调节加在电动机电枢两端的平均电压值，达到控制速度的目的。,3.1.伺服系统概述,5.交流伺服系统虽然交流电动机成本低，结构简单维修方便，但早期交流电动机调速非常困难，难于实现无极调速且起动转矩小，因此在数控机床上无法使用。随着电力电子技术.计算机科学技术的飞速发展，出现了电力半导体变频电源，用变频器可以很方便地调节交流电动机速度。特别是西门子公司的交流矢量变换调速技术出现，又开辟了一条新的途径，随着交流永磁同步电动机的大力发展，交流伺服系统取代直流伺服系统已成定局。,3.1.伺服系统概述,入,交流异步电机主要用于速度要求稍低的主轴系统驱动,异步转子旋转速度总是低于旋转磁埸的同步转速,同步转子转速与定子上旋转磁场同步转速相同同步电动机主要用于进给伺服系统当中,现代使用永磁材料制成转子的交流永磁同步电机结构更为简单,交流电动机调速方法交流电动机调速方法有:改变定子上磁极对数.改变电源的频率和改变转差率(针对线绕式)。改变电源频率可以做到无极调速，过去是采用变频机组来改变频率，投资大体积也大，现在使用以电力半导体为核心，微电脑控制的变频器，为了给电动机提供足够电能其中还包含有功率转换模块。,3.1.伺服系统概述,3.2主轴伺服系统故障分析维修,主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式:一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省去了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。,主轴驱动早期使用直流电动机，直流主轴控制系统类似于前面直流速度控制系统，直流电动机易出故障成本高，并且功率一大，就会出现换向困难等问题。由于主轴控制没有进给伺服系统那么高的性能要求，加之变频器的发展，现在采用交流异步电动机作为主轴电机，已能足够满足数控主轴驱动的要求。,主轴驱动早期直流电动机现在交流异步电动机驱动装置变频器双环控制速度环和电流环,进给伺服系统早期步进电动机中期小惯量大惯量直流电动机现在交流永磁同步电动机驱动装置步进电机驱动器伺服驱动器三环结构位置环.速度环.电流环,变频器步进电机驱动器和伺服驱动器内部都有功率转换模块，为电动机提供足够电能有时又称为主轴放大器和伺服放大器等,主轴驱动系统分类：一）直流主轴驱动系统二）主轴通用变频器控制系统三）交流主轴驱动系统,SIMODRIVE611变频器系统,SIMODRIVE611模拟式变频器系统,SIMODRIVE611数字式变频器系统带SINUMERIK840D,Siemens1PH7主轴电机,1PH7电机(AH100至AH160和AH180/AH225),1PH7空气冷却主轴电机具有以下特点电机的总长度缩短集成的终端外壳设计(AH100至AH160)将噪音曲线降至最低速度高达9000转/分(可选用12000转/分)持续提供各种额定转矩即使停止时对SIMODRIVE611的各种功率级别进行最优配置,1PH7空气冷却型交流主轴电机是一种转动平稳无须维护的四极鼠笼式异步电机。专门设计用于与SIMODRIVE611变频器系统相连接。一台提供单独供风的风机沿轴向安装在电动机的尾部。气流的正常流向是从驱动端到非驱动端，以便让机床中的废气更好的排走。电机配置了一个内置的编码系统，用来感应电机的转速和间接的位置。这个编码器能够使C轴做为标准操作。也就是说，不再需要额外的编码器来控制C轴。,应用小型而且结构紧凑的机床(AH100至AH160)复杂的加工中心和车床专用机床,1PH4主轴电机,规格说明1PH4水冷却主轴电机具有如下性能设备体积小功率强度大最高速度可达9000转/分(可选12000转/分)即使在设备停止时也可输出各种转矩经过冷却处理的凸缘能有效避免由于机械传动系所引起的热应力噪音低防护级别高(IP65轴盖为IP55)旋转精度高,由于现代机械设备设计结构紧凑，从电气驱动部件中产生的热量会对机械的精度产生副作用。对于功率密度高，而且冷却效果好的电机的要求，促使了1PH4系列水冷型交流主轴电机的发展。而且同时满足高转矩和设备体积小(从而质量惯性小)的双重性能的这一复合产品的加速和刹车时间都短从而减少了作无用功的时间。1PH4电机是一种性能坚固，4极感应的鼠笼式电动机。专门设计用于与SIMODRIVE611变频系统进行连接，其功率损失和噪音级别都降低到很低水平。由于这一系列电动机的设计紧凑，使得在使用中，可以获得较高的最大运行速度。,电机配备了一套编码器系统，用来感应电机的运行速度，以及间接了解转子的所处位置。这一编码器可以进行额定状况下的C轴运行模式，也就是说，对于C轴运行不需要额外的编码器应用全封闭式的铣床高负荷的铣床车床中的反向轴,数控机床对主轴传动系统的要求:一）输出功率大、抗过载能力强二）调速范围宽、恒功率范围要宽调速范围宽为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，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。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。,恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。,三）具有四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、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min。四）具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。五）可靠性高，低嘈声，体积小，质量轻，温升低,1.FANUC2.SIEMENS3.MITSUBISHI,3.2.1常用主轴伺服系统,随着数控控制的SPWM变频调速系统的发展，数控机床主轴驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用；二是具有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。如三菱FR-A500系列变频器既可以通过2、5端，用CNC系统输出的模拟信号来控制电动机的转速，也可通过拨码开关的编码输出或CNC系统的数字信号输出值RH、RM和RL端，通过变频器的参数设置，实现从最低速到最高速的变速。,3.2.2主轴通用变频器,值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运行状况是否正常，经常清拭滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运转。,变频器连接图,主轴通用变频器常见报警及故障处理,一）通用变频器常见报警及保护。为了保证驱动器的安全，可靠的运行，在主轴伺服系统出现故障和异常等情况时，设置了较多的保护功能，这些保护功能与主轴驱动器的故障检测与维修密切相关。当驱动器出现故障时，可以根据保护功能的情况，分析故障原因。,变频器（440系列）的主要报警及故障诊断如下表：,3.2.3主轴伺服系统常见故障分析排除,一)当主轴伺服系统发生故障时，通常有两种表现形式:1.无报警：主轴工作不正常，但无任何报警信息。2.有报警（1）CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息。（2）是在主轴驱动装置上用报警指示灯或数码管显示主轴驱动装置的故障。二)主轴伺服系统常见故障有：1.过载原因：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：主轴电动机过热主轴驱动装置显示过电流报警等。,2.主轴电机故障主轴出现异常声音与振动a.机床使用久，电机轴承润滑不良或损坏，出现此故障，应尽快检查轴承润滑状况或更换电机轴承，否则主轴可能损坏。b.机床使用久，电机安装基础松动。c.风扇电机异常。清扫风道，定期给风扇电机轴承加长效润滑脂，避免轴承损坏。d.主轴放大器异常。冷缺风道不畅或堵塞灰尘堆积在冷却风道，定期清扫。,电机表面粘有切削液加工时切削液调整不当，喷射到电机。风扇电机故障a.风扇电机不转出现此故障应将主轴电机停转，否则主轴电机可能损坏。风扇电机无电源。异物堵塞。风扇电机损坏。,b.出现异常杂音风扇电机轴承润怀不良或损坏。有异物。风扇电机安装松动。电机内部损坏电机内部短路或断路，进油，进水。电机轴承损坏，从电机轴中发出杂音a.机床使用久轴承自然磨损。b.电机轴承润滑不良。主轴电机轴绣死，轴变形等,3.主轴电机不转切削参数选择不当，负载过重电机堵转。CNC系统指令未加到主轴速度单元上。(模拟速度信号为0)。未给主轴正转与反转指令。出现各类报警，主轴速度单元的使能失效。输入了停止指令或紧停信号。参数设定有错。,主轴速度控制单元故障或报警。主轴电机损坏。主轴编码器反馈异常。电源模块故障或电源模块电源无法接通。,4.主轴电机转速异常或转速不稳当主轴转速超过技术要求所规定的范围，原因：CNC系统输出的主轴转速模拟量(通常为010v)没有达到与转速指令对应的值，或速度指令错误。CNC系统中D/A变换器故障。主轴转速模拟量中有干扰噪声。测速装置有故障或速度反馈信号断线。电动机过载。电动机不良（包括励磁丧失）。主轴驱动装置故障。,5.主轴旋转时机械噪声大（无报警）主轴机械摩擦或主轴电机故障。观察主轴诊断画面，如果电机速度稳定，而电机负载有变化，则可能是主轴机械摩擦，可能主轴轴承已经损坏。如果速度和负载都稳定，则可能是电机的轴承损坏，更换电机轴承或送修电机。如果速度和负载都有变化（低速时），可能是主轴模块的驱动部分损坏。,主轴参数未进行初始化，或初始化时电机代码不对。主轴部分机械故障。a.皮带松动。b.皮带磨损。c.主轴轴承损伤。d.变速齿轮损伤。e.主轴组件动平衡不良。,6.主轴精度超标主轴轴承损坏或调整不当。主轴内孔磨损。主轴温升过高，引起热变形。锁紧螺母松动。,7.主轴振动或噪声太大首先要区别噪声及振动发生在主轴机械部分还是电气部分。检查方法有：在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。检查振动的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。,电气方面的原因：电源缺相或电源电压不正常。控制单元上的电源开关设定(50/60Hz切换)错误。伺服单元上的增益电路和颤抖电路调整不好(或设置不当)。电流反馈回路未调整好。三相输入的相序不对。,机械方面的原因：主轴箱与床身的连接螺钉松动。轴承预紧力不够或预紧螺钉松动，游隙过大，使之产生轴向窜动，应重新调查。轴承损坏，应更换轴承。主轴部件上动平衡不好，应重新调整动平衡。齿轮有严重损伤，或此轮啮合间隙过大，应更换此轮或调整啮合间隙。润滑不良，因油不足，应改善润滑条件，使润滑油充足。,主轴与主轴电机的连接皮带过紧，应移动电机座调整皮带使松紧度合适。连接主轴与电机的联轴器故障。主轴负荷太大。例：配套某系统的数控车床，在加工过程中，发现在端面加工时，表面出现周期性波纹。分析与处理过程：数控车床端面加工时，表面出现皱纹的原因很多，在机械方面如：刀具、丝杠、主轴等部件的安装不良、机床的精度不足等等都可能产生以上问题。,但该机床为周期性出现，且有一定规律，根据通常的情况，应于主轴的位置监测系统有关，但仔细检查机床主轴各部分，却未发现任何不良。检查该机床的机械传动装置，其结构是伺服电动机与滚珠丝杠间通过齿形带进行联接，位置反馈编码器采用的是分离型布置。检查发现X轴的分离是编码器安装位置与丝杠不同心，存在偏心，即：编码器轴心线与丝杠中心不在同一直线上，从而造成了X轴移动过程中的编码器的旋转不均匀，反映到加工中，则出现周期性波纹。重新安装、调整编码器后，机床恢复正常。,减速极限电路调整不良。电流反馈回路不良。加/减速回路时间常数设定和负载贯量不匹配。驱动器再生制动电路故障。传动带连接不良。,8.主轴加/减速时工作不正常,主要原因有：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。要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用以下方法来确定：1）CRT画面有报警显示。2）通过PLC状态显示观察编码器的信号状态。3）用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。,9.主轴与进给不匹配（螺纹加工时）,数控车床加工螺纹，其实质是主轴的角位移与Z轴进给之间进行插补，主轴的角位移是通过主轴编码器进行测量的，一般螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进给动作，要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，“乱牙”往往是由于主轴与Z轴进给不能实现同步引起的，此外，还有以下原因：主轴编码器或Z轴“零位脉冲”不良或受到干扰。主轴编码器或联轴器松动（断裂）。主轴编码器信号线接地或屏蔽不良，被干扰。主轴转速不稳，有抖动。,主轴转速尚未稳定，就执行了螺纹加工指令(G32)，导致了主轴与Z轴进给不能实现同步，造成“乱牙”。例：配套某系统的数控车床，在G32车螺纹时，出现起始段螺纹“乱牙”的故障。分析与处理过程：数控车床加工螺纹，其实质是主轴的角位移与Z轴进给之间进行的插补，“乱牙”是由于主轴与Z轴进给不能实现同步引起的。,由于该机床使用的是变频器作为主轴调速装置，主轴速度为开环控制，在不同的负载下，主轴的起动时间不同，且起动时的主轴速度不稳，转速亦有相应的变化，导致了主轴与Z轴进给不能实现同步。解决以上故障的方法有如下两种：通过在主轴旋转指令（M03）后、螺纹加工指令（G32）前增加G04延时指令，保证在主轴速度稳定后，再开始螺纹加工。更改螺纹加工程序的起始点，使其离开工件一段距离，保证在主轴速度稳定后，再真正接触工件，开始螺纹的加工。通过采用以上方法的任何一种都可以解决该例故障，实现正常的螺纹加工。,主轴准停用于刀具交换、精镗进、退刀及齿轮换档等场合，有三种实现方式：机械准停控制由带V型槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。磁性传感器的电器准停控制发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为（1.50.5）mm。编码器的准停控制通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。,9.主轴定位点不稳定或主轴不能定位（定位抖动）,上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不当，均可引起定位抖动。另外，准定方式（1）中定位液压缸活塞移动的限位开关失灵，准停方式（2）中发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。例1：某加工中心，配套6SC6502主轴驱动器，在调试时，出现主轴定位点不稳定的故障。分析与处理过程：维修时通过多次定位进行反复试验，确认本故障的实际故障现象为：该机床可以在任意时刻进行主轴定位，定位动作正确。只要机床不关机，不论进行多少次定位，其定位点总是保持不变。,机床关机后，再次开机执行主轴定位，定位位置与关机前不同，在完成定位后，只要不开机以后每次定位总是保持在该位置不变。每次关机后，重新定位，其定位点都不同，主轴可以在任意位置定位。因为主轴定位的过程，事实上是将主轴停止在编码器“零位脉冲”不固定引起的。分析可能引起以上故障的原因有：1）编码器固定不良，在旋转过程中编码器于主轴的相对位置在不断变化2）编码器不良，无“零位脉冲”输出或“零位脉冲”受到干扰,3）编码器连接错误根据以上可能的原因，逐一检查，排除了编码器固定不良、编码器不良的原因。进一步检查编码器的连接，发现该编码器内部的“零位脉冲”Ua0与-Ua0引出线接反，重新连接后，故障排除。例2DM4600加工中心，在更换了主轴编码器后，出现主轴定位时不断振荡，无法完成定位的故障。分析：由于该机床更换了主轴位置编码器，机床在执行主轴定位时减速动作正确，分析故障原因应与主轴位置反馈极性有关，当位置反馈极性设定错误时，必然引起以上现象。,更换主轴编码器极性可以通过交换编码器的输出信号Ua1/Ua2，Ua1/Ua2进行，当编码器定位由CNC控制时，也可以通过修改CNC机床参数进行，在本机床上通过修改主轴位置反馈极性参数（硬件配置参数中主轴编码器的部件号），主轴定位恢复正常。,3.3.1对伺服进给系统的要求,1.快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，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，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。2.调速范围宽,3.3进给伺服系统的故障分析维修,3.低速大转矩，过载能力强一般来说，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。4.有足够的传动刚性和高的速度稳定性5.精度高一般为1um或0.1um6.可靠性高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和很强的抗干扰的能力。,7.对电机的要求1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载46倍而不损坏。3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4）电机应能承受频繁启、制动和反转。,步进电机再经过减速装置（或直接连接）带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转移。因此，控制步进电机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图3-1为开环控制驱动系统的结构原理图。,图3-1开环控制伺服驱动系统的结构原理图,为半闭环控制系统的结构原理图。图3-2半闭环控制系统结构原理图,图3-3全闭环控制系统结构原理图,采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本低，但是由于系统对移动部件的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。步进电机的步距角误差、齿轮与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电动机输出转矩时，将导致步进电机的“失步”，使加工无法进行。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。,采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与机械传动间有明显的分界，因此调试维修与故障诊断较方便且机械部分的间隙摩擦死区刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统的稳定性较好。伺服电机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数（电子齿轮比）进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到广泛应用。如图3-2为半闭环控制系统的结构原理图。,采用闭环控制系统的数控机床的特点是：机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置检测最终位移输出量。实际位移值被反馈到数控装置或伺服驱动中，它可以直接与输入的指令位移值进行比较，用误差进行控制，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上说，对于这样的闭环系统，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，它与机械传动的误差无关，显然，其精度将高于半闭环系统。而且它可以对传动系统的间隙、磨损自动补偿，其精度保持性要比半闭环系统好得多。图3-3为全闭环控制系统的结构原理图。,由于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径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。,从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，人们平时习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。,步进电机是一种能以数字脉冲进一个步距角增量，因此，步进电机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，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。,3.3.1、步进伺服,步进电机的分类：,按转矩产生的原理可分为:1.反应式步进电机;2.永磁式步进电机;3.混合式步进电机；,可变磁阻式步进电机又称为反应式步进电机，工作原理是由改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。永磁式步进电机的转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。,从控制绕组数量上可分为:1.二相步进电机。2.三相步进电机。3.四相步进电机。4.五相步进电机。5.六相步进电机。,步进电机的接线图,（一）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=360/Z*N其中Z-转子齿数，N-运行拍数。步进电机每走一步，转子实际的角位移与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，因此步进电机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，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:齿与磁极的分度精度；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。,步进电机的主要特性：,（二）静态矩角特性和最大静转矩特性：所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电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。如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电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与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失调角之间关系的曲线，或称为静转矩特性。,T,0,步进电机矩角特性,（三）启动惯频特性,在负载转矩ML=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，超过此值就不能正常启动。启动频率与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。下图表示启动频率与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ML；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。,（四）步进电机矩频特性：矩频特性是用来描述步进电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机结构及材料有关外，还与步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线。,1.电机不运转1）驱动器无供电电压2）驱动器保险丝熔断3）驱动器报警(过电压、欠电压、过电流、过热)4）驱动器与电机连线断线5）系统参数设置不当6）驱动器使能信号被封锁7）接口信号线接触不良8）驱动器电路故障9）电机卡死或者出现故障10）电动机生锈11）指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低,3.3.4步进电机常见故障及分析：,2.电机起动后堵转1）指令频率太高2）负载转矩太大3）加速时间太短4）负载惯量太大5）电源电压降低,3.电机运转不均匀，有抖动1）指令脉冲不均匀2）指令脉冲太窄3）指令脉冲电平不正确4）指令脉冲电平与驱动器不匹配5）脉冲信号存在噪声6）脉冲频率与机械发生共振,4.电机运转不规则，正反转地摇摆,1）指令脉冲频率与电机发生共振2）外部干扰,5.电机定位不准,1）加减速时间太小2）存在干扰噪声3）系统屏蔽不良,6.电机过热：1）工作环境过于恶劣，环境温度过高2）参数选择不当，如电流过大，超过相电流3）电压过高,7.工作过程中停车：1）驱动电源故障2）电动机线圈匝间短路或接地3）绕组烧坏4）脉冲发生电路故障5）杂物卡住,8.噪声大1）电机运行在低频区或共振区2）纯惯性负载、短程序、正反转频繁3）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4）永磁单向旋转步进电机的定向机构损坏,9.失步或者多步1）负载过大，超过电动机的承载能力2）负载忽大忽小3）负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲4）传动间隙大小不均5）传动间隙产生的零件有弹性变形6）电动机工作在震荡失步区7）电路总清零使用不当8）干扰9）定、转子相檫,10.无力或者是出力降低1）驱动电源故障2）电动机绕组内部发生错误3）电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落4）电动机轴断5）电动机定子与转子之间的气隙过大6）电源电压过低,11.不能启动1）工作方式不对2）驱动电路故障3）遥控时，线路压降过大4）安装不正确，或电动机本身轴承、止口等故障使电动机不转5）N、S极接错6）长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈,3.4进给伺服驱动系统,SIMODRIVE6IIU,6IIU驱动器模块,6IIUE驱动器模块,SIMODRIVE6IIU系列,适用于SIMODRIVE611模拟型的1FT5交流伺服电机,说明1FT5交流伺服电机高动态性能减少了非生产性时间大量的应用证明了其耐用性电源和信号的安装连接可以用于严重污染的环境连线较少从而简化了复杂的安装应用范围广广泛的选择性诸如集成内置式的编码器齿轮单元制动机构等,1FT5交流伺服电机在整个速度设定范围内都能确保恒定的连续扭矩和恒定的过载容量。在设计中，特别注重用户操作的友好性，极高的可靠性和非常低的维护费用。1FT5交流伺服电机主要是针对运行时不需要外部冷却设备而设计的，热量会通过电机的外壳而传递出去。定子绕组和定子铁芯产生的热量可以直接通过高质量的热传导传到电机外壳。在这里，无刷、永磁同步电机显示了它独特的优点。,应用:机床复杂的加工中心和自动车床专用机床传送线机器人和机械手木工机床一般的自动化任务,适用于SIMODRIVE611的1FT6交流伺服电机,说明1FT6交流伺服电机较高的旋转精度(正弦电流注入)工件表面质量高动态性能决定了较短的非生产性时间电源和信号连接可以用于严重污染的环境使用单一编码器系统从而简化了电缆电路对侧向力有较高抵抗力,1FT6交流伺服电机是高紧凑型的永磁同步电机可以使用SIMODRIVE611数字/通用变频系统控制带集成式内置编码器的1FT6电机。可以使用IMODRIVE611模拟/通用变频系统控制带旋转变压器的1FT6电机。SIMODRIVE611变频器的全数字控制系统和1FT6伺服电机的新型编码器技术可以满足动态性能速度设定范围旋转和位置精度方面的最高要求。,这种电机主要是针对运行时不需要外部冷却而设计的，热量会通过电机的外壳而传递。定子绕组和定子铁芯产生的热量可以直接通过高质量的热量传导传到电机外壳。在这里，无刷、定场同步电机显示了它独特的优点。应用高性能机床对动态性能和精度有较高要求的生产机械,适用于SIMODRIVE611的1FK6交流伺服电机,1FK6交流伺服电机结构紧凑安装空间要求较小插头方向可以定向确定的安装方式为机床的结构设计提供了灵活性连线少安装简单联轴节和法兰盘与1FT6电机兼容,1FK6交流伺服电机是永磁同步电机1FK6电机装备内置式光学编码器适用于SIMODRIVE611数字/通用变频系统一起使用可以使用SIMODRIVE611模拟/通用型变频系统控制带旋转变压器的1FK6电机。这个电机主要是针对运行时不需要外部冷却而设计的。热量会通过电机的外壳而传递。定子绕组和定子铁芯产生的热量直接传到电机外壳。在这里，无刷、永磁同步电机显示了它独特的优点,应用机床木工机床各种龙门结构的机械设备机器人和机械手标准生产机械和专用机床辅助轴,适用于SIMODRIVE611的FK7交流伺服电机,说明1FK7CT(紧凑型)交流伺服电机很高的功率密度因此空间要求较少(体积比1FK6小25%)与1FK6机械安装尺寸相互兼容(轴法兰盘和连接器)使用功率范围扩大1FK7HD(高动态)交流伺服电机转子转动惯量小因此动态响应很强,3.3.5进给伺服驱动系统常见故障及处理,1.运动失控（飞车）系统未给伺服单元指令，而电机自行行走。是由于正反馈或无速度反馈信号引起的，所以应检查伺服输出，速度反馈等回路。A.直流伺服系统a.检查三相输入电压是否缺相，或保险是否有一烧断b.查外部接线是否正常，包括：三相输入相序U、V、W是否正确，输出到电机的十、一端子是否接反，插头是否松动c.查电机速度反馈是否正常，是否接反是否断线是否无反馈,3.3.5进给伺服驱动系统常见故障及处理,d.交换控制电路板，如果故障随控制板转移则是电路板故障e.系统的速度检测和转换回路故障B.交流伺服系统a.伺服电机U、V、W相序接错b.速度反馈信号断线或接成正反馈c.位置反馈信号断线或接成正反馈（PA与PB接错）,2.工作过程中，振动或爬行传动环节间隙过大导轨的阻尼过小电动机负载过大伺服电动机或速度位置检测部件不良外部干扰、接地、屏蔽不良等等驱动器的设定和调整不当例1：一台配套某系统的加工中心，进给加工过程中，发现X轴有振动现象。分析与处理过程：加工过程中坐标轴出现振动、爬行现象与多种原因有关，故障可能是机械传动系统的原因，亦可能是伺服进给系统的调整与设定不当等等。,维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下X轴电动机，经检查发现6个电刷中有2个的弹簧已经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起Y轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。例2：配套某系统的加工中心，在长期使用后，手动操作Z轴时有振动和异常响声，并出现“移动过程中”Z轴误差过大”报警。利用手动转动机床Z轴，发现丝杠转动困难，丝杠的轴承发热。经仔细检查，发现Z轴导轨无润滑，造成Z轴摩擦阻力过大；重新修理Z轴润滑系统后，机床恢复正常。,3.定位超调（位置“过冲”现象）加减速时间设定过小位置环比例增益设置过大速度环比例增益设置过大速度环积分时间设置过小,4.运动轴单脉冲进给达不到要求或低速爬行机床使用已久，机械磨损，机床参数与之不匹配，伺服速度环或位置增益太低。机床维修，重新设置机床参数，临时处理只要机床不振，可将伺服增益参数适当提高机械传动系统的间隙、死区或精度不足导轨润滑不良负载过重伺服系统不良或伺服电机不良机械传动系统惯量过大，调查电机的负载惯量比,5.机床定位精度或加工精度差机床定位精度或加工精度差可分为定位超调、单脉冲进给精度差、定位点精度不好、圆弧插补加工的圆度差等情况1)加/减速时间设定过小2)电动机与机床的连接部分刚性差或连接不牢固3)机械传动系统存在爬行或松动4)伺服系统的增益不足5)位置检测器件（编码器、光栅）不良6)速度控制单元控制板不良7)机床反向间隙大、定位精度差,6.电机过载6.1电气机床负荷异常，引起电机电流超过额定值。这可以用检查电动机电流来判断。此时需要变更切削条件，减轻机床负荷印制电路板设定错误。亦即应确定电动机过载的设定是否正确印制线路板不良对于交流伺服来说，没有脉冲编码器反馈信号也会引起电机过载报警起动扭矩超过最大扭矩或者负载有冲击现象；电机振动或抖动电机或编码器配线异常（配线不良或连接不良）编码器有故障（反馈脉冲与电动机转角不成比例变化，而有跳跃）,6.2机械原因切削力过大、加工力过大、进给过快，降低进给速度及减少加深进给丝杆传动扭矩大（超过设计要求），传动皮带过紧，丝杆，螺母座未安装好或螺母座端面与丝杆中心线不正。调整皮带、丝杆、螺母座a.丝杠、螺母研损，换新丝杠b.丝杠轴承研损，换轴承c.传动导轨面研损，修机床导轨面d.压板面或镶条研损，修压板镶条,丝杆与导轨平行差，调查丝杠位置导轨面平面度差；压板面与导轨面平行差；两导向导轨面平行差，调查、修理丝杠轴承锁紧螺母、螺纹与端面超差，修锁紧螺母端面压板、镶条的接触为中间硬，造成导向不好，运动中磨损造成丝杠导轨缺少润滑,7.伺服单元过电流报警1)伺服驱动器的电路板与热开关连接不良2)U、V、W与地线连接错误，或它们之间存在短路3)伺服驱动器故障（电流反馈电路、功率晶体管或者电路板故障)4)因负载转动惯量大并且高速旋转，动态制动器停止，制动电路故障5)伺服驱动器的安装方法（方向、与其他部分的间隔）不适合6)负载是否过大，是否超出再生处理能力等7)伺服驱动器的风扇停止转动8)电机线圈是否烧坏，用绝缘表测绝缘。应为无穷大，如果很小则损坏9)电机动力线是否绝缘不好（线破或电机插头进水）,10)如果一上电就有报警，与其他单元互换接口板，如果故障转移，则接口板坏11)与其他单元互换控制板，如果故障转移，则更换控制板或修理12)检查系统的伺服参数设定是否有误13)伺服电机与伺服单元不匹配，或电机代码设定错误,8.伺服单元过电压报警负载转动惯量过大（再生能力不足）内部或外接的再生放电电路故障（包括接线断开或破损等）加减速时间过小，在降速过程中引起过电压检查AC电源电压（是否有过大的变化）,9.伺服单元欠电压报警电源容量太小或AC电源电压过低伺服驱动器的保险丝熔断冲击电流限制电阻断线（电源电压是否异常，冲击电流限制电阻是否过载）伺服ON信号提前有效电机主电路用电缆短路发生瞬时停电整流器件损坏或伺服驱动器故障,10.窜动测速信号不稳定，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。当窜动发生在由正向运动向反向运动的瞬间，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,11.爬行进给传动链的润滑状态不良伺服系统增益设置过低外加负载过大联轴器有裂纹或松动,12.位置跟踪误差超差报警1)电机过载2)伺服变压器过热3)伺服变压器保护熔断器熔断4)输入电源电压太低5)伺服驱动器与CNC之间的信号电缆连接不良6)干扰7)参数设置不当（位置偏差值设定错误）8)伺服电机不良,9)电机的动力线和反馈线连接故障10)速度控制单元故障以及系统主板的位置控制部分故障11)伺服参数设置不当或错误12)编码器不良13)连接不良引起14)机械传动系统引起,13伺服电机缓慢转动零漂伺服单元参数错坐标轴参数设置错误数控装置与伺服单元之间的控制电缆连接不良伺服单元控制输入信号和反馈信号受到干扰,14.回参考点故障1.找不到参考点：回参考点减速开关产生的信号失效脉冲编码器零标志位或光栅尺零标志位有故障或零位脉冲信号失效2.找不准参考点：参考点开关档块位置设置不当,15.超速测速反馈连接错误，如：被接成正反馈或断线在全闭环系统中，联轴器、电动机与工作台的连接不良，造成速度检测信号不正确或无速度检测信号位置控制板发生故障，是来自F/V转速的速度反馈信号为输入到速度控制单元速度控制单元设定不当系统参数（最高运行速度）设置过低,16.伺服电动机不转1)检查数控系统是否有速度控制信号输出2)检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足3)对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放4)进给驱动单元故障5)伺服单元、电机损坏,6)伺服动力电源未接通7)伺服驱动器的参数设置不正确8)坐标轴参数设置不正确9)硬件配置参数不正确10)机床锁住11)电机堵转,17.伺服电机静止时抖动或尖叫（高频振荡）往往是CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的位置反馈电缆未接好位置检测编码器工作不正常特性参数调得太硬，检查伺服单元有关增益调节的参数，仔细调整参数（可以适当减小速度环比例增益和速度环积分时间常数）,18.加工工作尺寸出现无规律变化机械传动系统的安装、连接与精度不良伺服进给系统的设定与调整不当干扰弹性联轴器未能锁紧,19.伺服电动机开机后即自动旋转位置反馈的极性错误由于外力使坐标轴产生了位置偏移驱动器、测速发电机