第6章- 第三章进给驱动系统.doc

第六章 进给驱动系统的故障诊断与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与维修，是数控机床的关键。本章主要内容：介绍数控机床进给驱动系统组成及特点、分类等；介绍步进驱动系统的原理和主要特性，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。简介了交流进给伺服驱动系统及分析了典型连接线路，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，并介绍了一些维修实例。6.1 进给驱动概述数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。6.1.1对数控伺服系统的要求 随着数控技术的发展，对数控数控伺服提出了较高的要求，可以归纳为以下几个方面。1、精度高由于伺服系统控制数控机床的速度和位移输出，为保证加工质量，要求它有足够高的定位精度和重复定位精度。一般要求定位精度为0.0010.01mm，高档设备达到0.1m以上。速度控制要求较高的调节精度和较强的抗负载干扰能力，以保证动、静态精度较高。2、快速响应特性好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。快速响应是伺服系统动态品质的标志之一，反映系统的跟踪精度。现代数控机床的插补时间都在20ms以内，在这么短时间内指令变化一次，要求伺服系统动态、静态误差小，反向死区小，能频繁启、停和正、反向运动。3、调速范围宽由于工件材料、刀具以及加工要求各不相同，要保证数控机床在任何情况下都能得到最佳切削条件，伺服系统就必须有足够的调速范围。这样既能满足高速加工要求，又能满足低速进给要求。在低速切削时，还要求伺服系统能输出较大的转距。4、系统可靠性好数控机床使用率很高，常常是24h连续工作不停机，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。系统的可靠性常用发生故障时间间隔的长短的平均值作为依据，即平均无故障时间。这个时间越长，可靠性越好。 5、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。6.1.2 数控伺服系统的基本组成 数控驱动系统的基本组成按有无反馈检测元件分为开环和闭环（含半闭环）两种类型。这两种类型的伺服系统的基本组成不完全相同，但不管是哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为执行元件所需要的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。 开环伺服由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机，因系统不对输出进行检测，所以执行元件对系统的特性具有重要影响。闭环（半闭环）伺服由执行元件、驱动控制单元、机床以及反馈检测元件、比较环节组成。反馈检测元件分为速度反馈和位置反馈两类，闭环伺服系统采用位置反馈元件将工作台的实际位置检测后反馈给比较环节，比较环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动控制单元驱动和控制执行元件带动工作台运动。局部闭环伺服系统采用速度反馈单元检测执行远见的速度输出，间接保证工作台的移动精度。 6.1.3 数控机床进给驱动系统的基本形式数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制4种。无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电机（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件，是其最明显的特点。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机，最终控制了步进电机的角位移。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6-1为开环控制驱动系统的结构原理图。这种伺服系统比较简单，工作稳定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。所以一般仅用于可以不考虑外界影响，或惯性小，或精度要求不高的一些经济型数控机床。图6-1 开环控制伺服驱动系统的结构原理图图6-2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6-2 半闭环控制系统结构原理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，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度与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，只有采用全闭环控制方式。图6-3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与传动部件的刚性、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，从而对跟随误差与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，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。图6-3 全闭环控制系统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。6.1.4 数控伺服的分类 由于伺服在数控设备上的应用广泛，所以伺服系统有各种不同的分类方法。1、按控制方式和有无检测反馈环节分类按这种方法可以将伺服系统分为开环、半闭环和全闭环伺服系统。按反馈比较控制方式的不同，开环、半闭环和全闭环又可分为以下几种：（1）数控脉冲比较伺服系统该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较，获得位置误差，实现闭环控制。数字脉冲比较伺服结构简单，容易实现，整机工作稳定，在一般数控系统中应用十分普遍。 （2）鉴相式伺服系统 在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。鉴相式伺服系统适用于感应式检测元件（如旋转变压器、感应同步器）的工作状态，可得到满意的精度。此外，由于载波频率较高，响应块，抗干扰性强，更适于连续控制的伺服系统。（3）鉴幅式伺服系统鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。 （4）全数字伺服系统 随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID等，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。 2、按执行元件的类别分类伺服驱动元件又称为执行电动机，它具有根据控制信号的要求而动作的功能。在输入电信号之前，转子静止不动；电信号到来之后，转子立即转动，且转向、转速随电信号的方向和大小而改变，同时带动一定的负载运动；电信号一旦消失，转子立即自行停转数控伺服系统的执行元件，是根据输入的控制信号产生角位移或角速度，带动被控制对象运动。数控伺服系统中常用的执行元件有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。此外，近几年直线电动机以其独有的优势，日益受到青睐。按这种方法可以将伺服系统分为步进伺服、直流伺服系统和交流伺服系统。此外，还可按驱动方式分类，将伺服系统分为液压伺服驱动系统、电气伺服驱动系统和气压伺服驱动系统；按控制信号分类，将伺服系统分为数字伺服系统、模拟伺服系统和数字模拟混合伺服系统等。 6.2 步进驱动系统故障与维修 步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，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。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。6.2.1 步进电机的分类按转矩产生的原理可分为：反应式步进电机 、永磁式步进电机和混合式步进电机 。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:二相步进电机 、三相步进电机 、四相步进电机 、五相步进电机 、六相步进电机 从运动的型式上可分为：旋转步进电机 、直线步进电机、平面步进电机。 6.2.2 步进电机的驱动电路、控制方式及接线图 1、驱动器组成及工作原理步进电机由于采用脉冲方式工作，且需按一定规律分配脉冲，因此，在步进电机控制系统中，需要步进驱动器来驱动电机工作。数控机床所用的功率步进电机要求控制驱动系统必须有足够的驱动功率。为了保证步进电机不失步地起停，还要求控制系统具有升降速控制环节。组成普通步进电机驱动器的电路包括：电源电路、光电隔离电路、环形脉冲分配电路、功率MOSFET管驱动电路、H桥驱动电路、过流检测与保护电路等。系统框图如图6-4。图6-4 步进电机驱动器系统示意框图控制脉冲是一个来数控机床或其他微处理器的TTL电平时钟信号，其输入的脉冲个数就是步进电机要走的步数，其频率则决定了电机启动、旋转、停止的速度和加速度；方向控制信号与启停控制信号均是TTL逻辑电平，可以是微处理器的输出，也可以是电平开关信号，其中方向控制决定了步进电机是按顺时针旋转还是按逆时针旋转，启停控制则可用于紧急情况下的电机停止旋转，切断电源。2、 步进驱动单元与数控系统的连接图以SH-50806A五相步进驱动器为例，步进进给驱动装置的基本接口如图6-5所示。图6-5 步进电机与HNC-21TF数控系统连接图数控系统的轴输出接口XS30根据编制的加工程序输出相应的脉冲和方向信号，控制工作台的移动位移和速度，AC80为驱动器电源。百格拉公司步进电机WD3-007的面板接线图6-6。 图6-6：WD3-007步进电动机的面板接线图控制信号说明：PULSE：脉冲信号输入端，每一个脉冲的上升沿使电动机转动一步。DIR：方向信号输入端，如“DIR”为低电平，电机按顺时针方向旋转； “DIR”为高电平电机按逆时针方向旋转。CW：正转信号，每个脉冲使电机正向转动一步。CCW：反转信号，每个脉冲使电机反向转动一步。RESET：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。READDY: 输入报警信号：READY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断开。继电器允许最高输入电压和电流是：35VDC，10mAI200mA，电阻性负载。如用该继电器，要把他串联到CNC的某输入端。当驱动器正常工作时继电器闭合，外部24VDC通过继电器输入到CNC输入端，否则外部24VDC无法输入到CNC输入端。注意：PULSE+与CW+，PULSE-与CW-，DIR-与CCW-对应同一个接线口，按控制方式不同给出的两种定义名称。 3、 步进电机的主要特性：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 =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。2）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。 T0图6-7 步进电机矩角特性3）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。 图6-8步进电机起动惯频特性4）步进电机矩频特性： 图6-9 步进电机的矩频特性步进电机的最大动态转矩和脉冲频率的关系，即Tdm=F(f)，称为矩频特性。步进电机的最大动态转矩将小于最大静转矩，并随转速的升高而下降。因为步进电机控制绕组中存在电感，相应地有一定的电气时间常数。所以控制绕组中电流增长也有一个过程，绕组电感对电流波形的影响如图6-10， （a）低频时的电流波形 （b） 高频时的电流波形 图6-10 绕组电感对电流波形的影响可见当频率高时，由于时间常数的存在，绕组中电流未达到稳态值时就下降了，这样电机的最大动态转矩小于最大静转矩，同时电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，最大动态转矩也减少。所以数控机床在高速定位运动时如加减速时间常设得小，就会造成高频出力不足而出现闷车、丢步。另外，由于绕组电感是随转子齿和定子齿相对位置变化而不断变化的，因此绕组中产生的旋转电势，使得本来就不是理想方波的电流波形畸变，波顶下凹，如下图6-11所示， 图6-11 绕组旋转电势对电流波形的影响重载时则更明显。结果造成电流有效值下降并导致电机在低频段出力不足。而对于一般的数控机床，一般要求低速进给时力矩要大。要解决上述问题，采取的措施是利用驱动控制器对绕组进行高低压供电和采取恒流斩波。6.2.3 步进驱动装置常见故障及排除使用过程中，步进驱动系统常见如下故障：1、电动机过热报警。可能原因及故障排除见表6.1。 表6.1：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6.2： 表6.2：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6.3。 表6.3 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6.4： 表6.4：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6.5。 表6.5：“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与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6.6。 表6.6：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与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号被封锁通过PLC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6.7。 表6.7：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6.8。 表6.8：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与驱动器不匹配用万用表测量指令脉冲电平后比较，是否与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与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6.9 表6.9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6.2.4 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。故障分析和处理过程：开环控制的数控机床的CNC装置的脉冲当量一般为0.01mm，Z坐标轴G00指令速度一般为2000mm/min3000mm/min。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10mm导程的螺纹时，主轴转速选择300r/min，那么刀架沿Z坐标轴需要用3000mm/min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。故障分析和处理过程：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与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。故障分析和处理过程：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AABBBCCCDDDEEEAA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，与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，工作台的位置产生偏差，CNC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.例4：一台华中世纪星数控系统配雷塞M535步进驱动器，有一天开机时，按+X移动键，工作台不动，无任何报警。故障分析和处理过程：根据故障现象，查驱动器、电机及系统脉冲信号均正常，仔细观察屏幕上X轴坐标显示，发现当按下+X时坐标值在变化，但轴不移动。元器件都正常的情况下，后来从参数方面着手检查，发现驱动器上的细分数是256，再查系统参数的电子齿轮比，发现有不对的地方。参数上的电子齿轮比是按驱动器的细分数为16进行计算所得，而实际上驱动器的细分数变为256，这样就出现了轴移动变得非常慢，几乎看不到移动。原来是前面有人在修机时无意间拨了细分的开关，如果驱动器的细分数发生了改变,那么系统轴参数中的脉部当量分子、分母也要相应的发生改变, 否则将造成轴移动不正常。例5：华中III型 ，故障现象：进给方向和指令方向相反。故障分析和处理过程：这种故障现象在安装调试中出现，原因有：主令按钮接错、方向信号线接错、电动机绕组的动力线接错等。正常的使用中可能的原因有：软件中关于控制进给伺服方向的参数设置错误；数控系统的软件损坏等。诊断方法：根据电气控制的原理，调整连接线，使进给方向和指令方向一致。若是数控系统软件的问题，利用备份重新恢复数控系统。例5： 故障现象：某进给轴不能正确运动。故障分析和处理：该机床由线路板输出指令脉冲及方向控制信号，伺服驱动器完成脉冲环形分配。原因可能有：没有输出指令脉冲；伺服驱动器内部故障；通讯线路板内部故障；机械传动链摩擦阻力大；步进电动机损坏等。诊断方法：断电的情况下，手动转动进给机构的丝杠，观察机械传动是否灵活。在电气控制方面，因为有两个相同的驱动器，分别驱动X、Z 轴步进电动机，所以大多采用交换的方法判断分析故障原因。交换X、Z控制线路板输出指令脉冲及方向控制信号，判断故障是在控制线路板，还是在伺服驱动器。再交换伺服驱动器输出到步进电动机的动力线，判断故障是在伺服驱动器，还是电动机。在伺服驱动器中，由于驱动电流大，电压高，一般功率放大元件、直流电源组件损坏的可能性较大。6.3 交流伺服驱动系统故障与维修伺服进给系统按电机电源不同可以分直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。20世纪70年代，数控机床大多采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电动机具有良好的宽调速性能，输出转矩大，过载能力强，而且由于电动机惯性与机床传动部件的惯量相当，构成闭环后易于调整。而直流中小惯量伺服电动机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置，比较适应数控机床对频繁启动、制动，以及快速定位、切削的要求。但直流电动机一个最大的特点是具有电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高电压、高速度方向的发展。进入20世纪80年代，在电动机控制领域交流电动机调速技术取得了突破性进展。交流伺服系统迅速进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流电动机容易维修，制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服驱动系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流电动机比直流电动机将更合理。所以从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。下面将就交流伺服驱动系统来阐述其维修与维护的相关知识。6.3.1 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，并与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与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，其结构与永磁同步伺服电动机相同，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与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，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0.1rpm10000rpm，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。6.3.2 西门子伺服驱动SIEMENS直流伺服系统一般用于20世纪80年代中期以前进口的数控机床上，配套的CNC有SIEMENS的3、6、8、PRIMOS系统等。常用的规格有6RA26*-6MV30与6RA26*-6DV30两种规格，前者(6MV30)用于电枢电压为DC200V的直流伺服电动机驱动，后者(6DV30)用于电枢电压为DC400V的直流伺服电动机驱动，最大输出电流均可以达到175A。驱动器一般与1HU系列永磁式直流伺服电动机(常用)与1GS系列他励直流伺服电动机配套，组成数控机床的伺服进给驱动系统。驱动系统与CNC的位置控制系统配合，位置增益可以达到301/s以上，适用于大部分数控机床的位置控制。SIEMENS公司常用的交流模拟式伺服主要有6SC610系列、6SC61lA系列两种规格；数字交流伺服有通用型611U/Ue和611D。其中，6SC610系列产品为SIEMENS公司早期的模拟型交流伺服驱动产品，它主要与该公司的1FT5系列交流伺服电动机配套，作为数控机床的进给驱动系统使用。系统以10V模拟量作为速度给定指令，内部采用速度、电流双闭环控制，PWM调制。该系列产品的伺服驱动独立组成装置(不与主轴驱动一体)，全部进给轴共用整流电源，轴调节器模块与功率驱动模块可根据机床需要选择。驱动装置最大可以安装6个轴的调节器模块与功率驱动模块，输入电压为三相交流165V，直流母线电压为DC210V，6轴最大总功率可以达到40kW。6SC611A系列产品为SIEMENS公司在6SC610基础上改进的模拟型交流伺服驱动产品。它与6SC610的主要区别是：主轴驱动器与伺服驱动器共用电源模块与控制总线，是一种进给轴、主轴一体化的结构形式，整体体积比6SC610系列大大缩小。6SC61lA系列产品中的伺服驱动器主要与该公司的1FT4、1FT5、1FT6系列交流伺服电动机配套，系统仍然以10V模拟量作为速度给定指令，其余性能与6SC610相似。 SIEMENS公司常用的交流数字式伺服主要有6SC611U/Ue系列、6SC611D系列等规格。611U是一种通用型驱动器，适用的范围很广，根据需要，611U不仅可以采用全数字驱动（如与802D/D Baseline等CNC配套使用），还可以选用模拟式驱动（与802C/Ce/C Baseline 配套使用。611Ue只能与带PROFIBUS DP总线的CNC（如802D/D Baseline）配套使用，与611U相比，611Ue使用范围较窄。611U/Ue驱动器可以与SIEMENS公司的1FT6系列、1FK6系列伺服电动机或IFN系列直线电动机配套，对伺服驱动系统的速度与电流环进行闭环控制。与数控系统配套后，通过CNC的位置环控制，构成全数字式伺服驱动系统。伺服电动机的最大输出转矩可达140Nm。SINUMERIK840D配置的驱动一般都采用SIMODRIVE611D.611D数字驱动是新一代数字控制总线驱动的交流驱动，它分为双轴模块和单轴模块两种，相应的进给伺服电机可采用1FT6或者1FK6系列，编码器信号为1Vpp正弦波，可实现全闭环控制。主轴伺服电机为1PH7系列。下面主要介绍611U/Ue系列驱动器的接口及应用。一、611U/Ue 系列驱动器的组成SIEMENS 611U/Ue是目前SIEMENS常用的数字式伺服驱动系统，其基本结构与61lA、611D相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。611U/Ue用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有PROFIBUSDP总线接口，控制电动机的最高频率可以达到1400Hz。伺服驱动模块带有SIN/COSlVpp增量编码器信号接口，编码器检测信号可以达到65535脉冲/转、350kHz，内部还可以进行128倍频；也可以采用绝对编码器。驱动器内部带有FEPROM(non-volatile data memory，非易失可擦写存储器)，用于存储系统软件与用户数据，驱动器的调整、动态优化可以在W1NDOWS环境下，通过SimoComU软件自动进行，安装、调整十分方便。 驱动器由整流电抗器(或伺服变压器)、电源模块(NE module)、功率模块(Power module)、611控制模块等组成；电源模块自成单元，功率模块、611控制模块、PROFIBUS DP总线接口模块组成轴驱动单元。各驱动器单元间共用611直流母线与控制总线，并通过PROFIBUS DP总线，与SIEMENS 802D/810D/840D系统相连接，组成数控机床的伺服驱动系统。l 电源模块：电源模块是提供驱动和数控系统的电源，包括维持系统正常工作的弱电和供给功率模块用的600V直流电压。根据直流电压控制方式，它又分为开环控制的UE模块和闭环控制的I/R模块，UE模块没有电源的回馈系统，其直流电压正常时为570V左右，而当制动能量大时，电压可高达640多伏。I/R模块的电压一直维持在600V左右l 控制模块：控制模块实现对伺服轴的速度环和电流环的闭环控制l 功率模块：对伺服电机提供频率和电压可变的交流电源l 监控模块：主要是对电源模块弱电供电能力的补充。l 滤波模块：对电源进行滤波作用。l 电抗：对电压起到平稳作用。 、二、611Ue系列驱动器的接口及连接611Ue与802D/D Baseline 等使用PROFIBUS 总线的CNC连接时，其总体连接图如下：图6-12 611Ue系列驱动器配802D系列CNC的外部连接总图图6-13 611Ue典型接口及连接图1、 电源模块的连接连接到PLC输入端7473.273.17253525163996419911248NS1NS224 VDCExchangeReadyOver TempPowerPP72/48主开关电网滤波器 (选件)电抗器（根据电源模块的功率选配）380 VACT64T63T48与主轴停止同步tt断电时序tt上电时序0 V连接到PLC输入端连接到PLC输出端0 V（1）电源接口U1 V1 W1 主控制回路三相电输入端口（2）驱动“准备好故障信号”输出连接端111该连接端子一般与强电控制回路或与PLC连接，端子的作用如下：74/73.2:驱动器准备好信号触点输出，：常闭触点，驱动能力为AC250/2A或DC50/2A。72/73.1: 驱动器准备好信号触点输出，：常开触点，驱动能力为AC250/2A或DC50/2A。准备好信号与模块的拨码开关的设置有关，当S1.2=ON时，模块有故障时，准备好信号取消，而S1.2=OFF时，模块有故障和使能(63,64)信号取消时，都会取消准备好信号，因此在更换该模块的时候要检查模块顶部的拨码开关的设置，否则模块可能会工作不正常。所有的模块过载和连接的电机过热都会触发过热报警输出。（3）电源模块使能控制端X12153/52/51： 模块的过热信号，驱动能力为DC50V/500mA。63：脉冲使能输入，当9/63间的触点闭合时，驱动器各坐标轴的控制回路开始工作。该信号同时对所有连接的模块有效，该信号取消后，所有的轴的电源取消，轴以自由运动的形式停车。64：控制使能输入，当9/63间的触点闭合时，驱动器各坐标轴的调节器开始工作。该信号同时对所有连接的模块有效，该信号取消时，所有的轴的速度给定电压为零，轴以最大的加速度停车。延迟一定的时间后，取消脉冲使能。9/19/R：9是24V输出电压，19是24V的地。R为模块的报警复位信号。（4）辅助电压连接端X141X141是电压检测端子，供诊断和其它用途用。 7： P24 ，24V辅助电压输出，电压范围为+20.4+28.8V，驱动能力为24V/50 mA45：P15，15V辅助电压输出，驱动能力为15V/ 10mA 44：N15，15V辅助电压输出，驱动能力为15V/ 10mA10：N24，24V辅助电压输出，电压范围为-20.4-28.8V，驱动能力为24V/50 mA 15：M，0V公共端。R为模块的报警复位信号。电源模块上面有6个指示灯，分别指示模块的故障和工作状态。一般正常情况下绿灯亮表示使能信号丢失(63和64)，黄灯亮表示模块准备好信号，这时600V直流电压已经达到系统正常工作的允许值。（5）主回路输出/控制连接端X161112：调试或标准方式，该信号一般用在传输线的调试中，一般情况接到系统的24V上。48：主回路继电器，该信号断开时，主控制回路电源主继电器断开。111/213/113：主回路接触器辅助触点输出。其中111/113为常开触点，111/213为常闭触点，触点的驱动能力为AC250/2A或DC50/2A。（6）预充电控制端X171NS1/NS2：主继电器闭合使能，只有该信号为高电平时，主继电器才可能得电。该信号常用来作主继电器闭合的连锁条件。（7）启动禁止输出端X172AS1/AS2：主继电器状态，该信号反映主继电器的闭合状态，主继电