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1 数控机床的伺服控制系统 山东大学控制科学与工程学院曾毅 第2讲 2 数控机床的伺服控制系统 山东大学控制科学与工程学院曾毅 第2讲 数控机床的伺服控制系统 第一章伺服控制系统的基本结构与分类 第二章伺服系统的执行组件 第三章伺服驱动器的选择 第四章步进电动机常见故障分析与维修 数控机床的伺服控制系统 第一章伺服控制系统的基本结构与分类 第二章伺服系统的执行组件 第三章伺服驱动器的选择 第四章步进电动机常见故障分析与维修 5 第三章伺服驱动器的选择 伺服驱动器有两种解释 具有伺服电机与伺服调速器 单元或功率放大器 这两个器件 仅指伺服调速器 单元或功率放大器 安川公司默认第 种 6 第三章伺服驱动器的选择 设计伺服系统就是根据负载 选择伺服驱动器型号的过程 交流伺服系统目前在我国使用的比较普遍 以安川公司生产的伺服驱动器为例说明伺服系统的集成过程 伺服系统 由伺服驱动器和上级装置以及外围装置组合而成的一组完整的伺服控制系统 7 第三章伺服驱动器的选择 设计伺服系统就是根据负载 选择伺服驱动器型号的过程 交流伺服系统目前在我国使用的比较普遍 以安川公司生产的伺服驱动器为例说明伺服系统的集成过程 伺服系统 由伺服驱动器和上级装置以及外围装置组合而成的一组完整的伺服控制系统 8 第三章伺服驱动器的选择 本章以安川 II系列SGM H SGDM型伺服驱动器的用户为对象 对以下内容进行说明 伺服驱动器的选型方法伺服驱动器的额定值与特性 略 外围装置的规格与外形图 略 9 第三章伺服驱动器的选择 本章以安川 II系列SGM H SGDM型伺服驱动器的用户为对象 对以下内容进行说明 伺服驱动器的选型方法伺服驱动器的额定值与特性外围装置的规格与外形图 10 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明 伺服单元与适用的伺服电机 外围装置的选型 11 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 12 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 旋转编码器的分辨率为 13 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 14 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 15 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 16 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 17 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 18 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 19 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 20 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 21 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 22 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 23 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 24 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 25 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 26 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 27 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 28 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 29 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 30 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 31 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 32 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 33 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 34 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 35 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 36 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 37 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 38 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图SGMAH SGMPH SGMGH SGMSH SGMDH型伺服电机的选型请按下述流程图进行 39 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明根据要使用的伺服系统决定SGDM 以后的4位字母数字 容量及电源电压 则可以选定伺服单元 40 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明根据要使用的伺服系统决定SGDM 以后的4位字母数字 容量及电源电压 则可以选定伺服单元 41 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明 伺服单元与适用的伺服电机伺服单元的选型取决于适用的伺服电机 请使用下表选定伺服单元 42 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明 伺服单元与适用的伺服电机伺服单元的选型取决于适用的伺服电机 请使用下表选定伺服单元 43 第三章伺服驱动器的选择 一 伺服驱动器及外围装置的选型1 伺服电机的选型 型号说明 伺服电机选型流程图 伺服单元的选型 型号说明 伺服单元与适用的伺服电机 外围装置的选型 请上网查询 数控机床的伺服控制系统 第一章伺服控制系统的基本结构与分类 第二章伺服系统的执行组件 第三章伺服驱动器的选择 第四章步进电动机常见故障分析与维修 数控机床的伺服控制系统 第一章伺服控制系统的基本结构与分类 第二章伺服系统的执行组件 第三章伺服驱动器的选择 第四章步进电动机常见故障分析与维修 46 第四章步进电动机常见故障分析与维修 步进电动机与一般电动机最显著的不同 在于一定要配备专用的驱动电源才能正常工作 因此步进电动机拖动系统的维修就不仅是电动机的维修 也包括对控制线路和驱动线路的维修 步进电动机的故障与一般电动机的故障有共性的地方 但也有其特性的地方 步进电动机特性故障共表现在以下六个方面 一 步进电动机出现严重发热现象在精密步进拖动系统中 电动机温升过高将影响整个系统的精度 据测定 滚珠 丝杆每增加5 时 热变形量可达0 01mm 造成电动机严重发热的原因有以下几点 47 第四章步进电动机常见故障分析与维修 步进电动机与一般电动机最显著的不同 在于一定要配备专用的驱动电源才能正常工作 因此步进电动机拖动系统的维修就不仅是电动机的维修 也包括对控制线路和驱动线路的维修 步进电动机的故障与一般电动机的故障有共性的地方 但也有其特性的地方 步进电动机特性故障共表现在以下六个方面 一 步进电动机出现严重发热现象在精密步进拖动系统中 电动机温升过高将影响整个系统的精度 据测定 滚珠 丝杆每增加5 时 热变形量可达0 01mm 造成电动机严重发热的原因有以下几点 48 第四章步进电动机常见故障分析与维修 一 步进电动机出现严重发热现象1 使用电动机时偏离了说明书规定值使用说明书提供的性能 如三相步进电动机一般用六拍工作方式 其中的性能和温升均是在六拍工作时测定的 如果在使用时改为双三拍工作 则温升可能很高 因此如果非改不可 则在使用前必须补做温升实验 若发现温升确实较高 发热严重 则可降低参数指标使用或改选适用的步进电动机 有时希望电动机能有较高的力能指标 如采用加高电压 改善时间常数 或加大高压脉宽 或直接 间接加大工作电流等方法 结果都可能造成电动机的温升增高 因此在改变使用条件后 也必须补做温升实验 证明无特高温升时才能使用 49 第四章步进电动机常见故障分析与维修 一 步进电动机出现严重发热现象2 电动机的工作条件恶劣如电动机工作在高温或密闭的环境中 无法散热或散热条件非常差 造成工作时电动机严重发热 此时只能加强散热通风 改善使用条件 3 设计原因如果转子采用整体钢制成 其温升就要比硅钢片叠加结构的要高 这种情况对高频电动机表现得更为突出 另一个原因是设计参数不合理 解决的办法只能降低出力使用 或加风扇进行强迫空冷 或采用其他冷却办法 50 第四章步进电动机常见故障分析与维修 一 步进电动机出现严重发热现象2 电动机的工作条件恶劣如电动机工作在高温或密闭的环境中 无法散热或散热条件非常差 造成工作时电动机严重发热 此时只能加强散热通风 改善使用条件 3 设计原因如果转子采用整体钢制成 其温升就要比硅钢片叠加结构的要高 这种情况对高频电动机表现得更为突出 另一个原因是设计参数不合理 解决的办法只能降低出力使用 或加风扇进行强迫空冷 或采用其他冷却办法 51 第四章步进电动机常见故障分析与维修 二 步进电动机定子线圈烧坏定子绕组烧坏主要是指电动机的绝缘结构由于温度过高 或长期工作在超过允许温升的条件下 绝缘层老化而被烧坏所致 通常用绝缘电阻表可以测出 步进电动机的定子绕组在一般情况下是不容易烧坏的 烧坏的主要原因大致有以下几点 一是使用不慎 误将电动机接入市电工频交流电源上 二是高频电动机在高频下连续运转的时间过长 例如在校调数控机床时 连续使用高速走刀或运转 三是在用高低压驱动电源时 线路已坏 致使电动机长期在高压下工作 四是长期在温升较高的情况下运行 造成绕组绝缘电阻层加速老化而烧坏 52 第四章步进电动机常见故障分析与维修 二 步进电动机定子线圈烧坏定子绕组烧坏主要是指电动机的绝缘结构由于温度过高 或长期工作在超过允许温升的条件下 绝缘层老化而被烧坏所致 通常用绝缘电阻表可以测出 步进电动机的定子绕组在一般情况下是不容易烧坏的 烧坏的主要原因大致有以下几点 一是使用不慎 误将电动机接入市电工频交流电源上 二是高频电动机在高频下连续运转的时间过长 例如在校调数控机床时 连续使用高速走刀或运转 三是在用高低压驱动电源时 线路已坏 致使电动机长期在高压下工作 四是长期在温升较高的情况下运行 造成绕组绝缘电阻层加速老化而烧坏 53 第四章步进电动机常见故障分析与维修 三 步进电动机不能启动这是指步进电动机装入整机后 调整整机时启动不起来 其原因有以下几点 1 一般三相步进电动机的说明书只提供六拍工作方式的电动机特性 其出力优于单 双三拍工作方式 且无失步区 因此 六拍运行时能拖动的负载 单 双三拍就不一定能拖动 且可能在某个频率段有振荡或失步 因此若在使用中有工作方式要偏离使用说明书规定的 则要重新测定特性 不能贸然使用 2 驱动线路的电参数没有达到样本规定值 致使电动机出力下降 这时需要改进线路 3 驱动单元与电机之间距离较远 此时必须考虑线路的压降 否则由于线路压降的影响 等于降低电动机输入电压 也减小了电流 54 第四章步进电动机常见故障分析与维修 三 步进电动机不能启动4 电动机安装不合理 造成了定子变形 使定转子相卡而不能启动 安装好后可试用手旋动转子检查 能自动转动灵活的就可以 5 接线差错 即N S极极性接错 6 存放不善 造成定转子生锈卡住 7 使用环境温升过高 使电动机内阻增大 驱动电流减小 于是无力拖动负载 其他如负载惯性过大或利用加大传动比减小电动机轴端当量转动惯量后 最高工作频率不够用等 在设计步进系统时就应该解决 不在故障范围内 55 第四章步进电动机常见故障分析与维修 三 步进电动机不能启动8 电动机工作一段时间后而出现不能启动的原因大致如下 一是驱动电源有故障 二是电动机线圈匝间短路或碰壳 三是电动机绕组烧坏 四是电动机修理过 但没有彻底修好 五是外电源压降太大 致使线路电压不足 电动机出力过小 带不动负载 六是电动机停机时间过长 可能内部生锈卡住定转子 七是电动机运转一段时期后 可能有异物吸入电动机内使定转子卡住 56 第四章步进电动机常见故障分析与维修 三 步进电动机不能启动8 电动机工作一段时间后而出现不能启动的原因大致如下 一是驱动电源有故障 二是电动机线圈匝间短路或碰壳 三是电动机绕组烧坏 四是电动机修理过 但没有彻底修好 五是外电源压降太大 致使线路电压不足 电动机出力过小 带不动负载 六是电动机停机时间过长 可能内部生锈卡住定转子 七是电动机运转一段时期后 可能有异物吸入电动机内使定转子卡住 57 第四章步进电动机常见故障分析与维修 四 步进电动机运行过程中噪声较大的原因1 电动机运行在低频区或共振区 均会产生振动或噪声 消除的办法有消除齿轮间隙或其他间隙 采用尼龙齿轮 使用细分线路 使用阻尼器 降低电压 以降低出力 采用隔音措施 2 纯惯性负载 短程序 正反转频繁 也会产生振动和噪声 消除的方法有可改长程序并增加适当摩擦阻尼以消振 3 磁路混合式或永磁式步进电动机转子有磁钢可消振 但磁钢退磁后以单步运行或在失步区又会重新出现振动或噪声 这种情况下 只需重新充磁即可解决或得到改善 4 永磁单相旋转步进电动机的定向机构已坏 也会引起振荡或噪声 58 第四章步进电动机常见故障分析与维修 四 步进电动机运行过程中噪声较大的原因1 电动机运行在低频区或共振区 均会产生振动或噪声 消除的办法有消除齿轮间隙或其他间隙 采用尼龙齿轮 使用细分线路 使用阻尼器 降低电压 以降低出力 采用隔音措施 2 纯惯性负载 短程序 正反转频繁 也会产生振动和噪声 消除的方法有可改长程序并增加适当摩擦阻尼以消振 3 磁路混合式或永磁式步进电动机转子有磁钢可消振 但磁钢退磁后以单步运行或在失步区又会重新出现振动或噪声 这种情况下 只需重新充磁即可解决或得到改善 4 永磁单相旋转步进电动机的定向机构已坏 也会引起振荡或噪声 59 第四章步进电动机常见故障分析与维修 五 步进电动机运行时失步 或多步 在伺服步进拖动系统中 失步是绝对不允许的 造成失步的原因有多种 主要由于使用不当或一些机械上的原因 大致有如下几点 1 负载不当 一是负载过大 超过电动机的承载能力 二是负载为一变量 有时大于或小于电动机的承载能力 在小于电动机的承载能力时 能正常工作 而当大于电动机的承载能力时 就不能正常启动 三是负载的转动惯量过大 在启动时出现失步 而在停车时可能停不住 造成过冲 即多步 解决的办法是 变换大电动机 减小负载 主要是减小负载的转动惯量 采用逐步升频来加速启动 刹车时采用逐步减速到启动频率区内再停车 60 第四章步进电动机常见故障分析与维修 五 步进电动机运行时失步 或多步 在伺服步进拖动系统中 失步是绝对不允许的 造成失步的原因有多种 主要由于使用不当或一些机械上的原因 大致有如下几点 1 负载不当 一是负载过大 超过电动机的承载能力 二是负载为一变量 有时大于或小于电动机的承载能力 在小于电动机的承载能力时 能正常工作 而当大于电动机的承载能力时 就不能正常启动 三是负载的转动惯量过大 在启动时出现失步 而在停车时可能停不住 造成过冲 即多步 解决的办法是 变换大电动机 减小负载 主要是减小负载的转动惯量 采用逐步升频来加速启动 刹车时采用逐步减速到启动频率区内再停车 61 第四章步进电动机常见故障分析与维修 五 步进电动机运行时失步 或多步 2 传动间隙引起的失步 1 由于传动间隙有大小 因此失步数也有多有少 解决的办法是首先采取机械的消隙措施 若采用机械消隙机构后 仍然不能满足系统的精度要求 则采用电子间隙补偿信号发生器 即当系统反向运转时 人为地多增加几个脉冲 用以补偿 2 传动间隙中的零件有弹性形变 如绳传动中 若传动绳的材料弹性变形较大 也会引起系统的失步或多步 解决的办法是增加绳传动的张紧轮和张紧力 同时增大阻尼或提高传动零件的精度 以保持接触良好 62 第四章步进电动机常见故障分析与维修 五 步进电动机运行时失步 或多步 2 传动间隙引起的失步 1 由于传动间隙有大小 因此失步数也有多有少 解决的办法是首先采取机械的消隙措施 若采用机械消隙机构后 仍然不能满足系统的精度要求 则采用电子间隙补偿信号发生器 即当系统反向运转时 人为地多增加几个脉冲 用以补偿 2 传动间隙中的零件有弹性形变 如绳传动中 若传动绳的材料弹性变形较大 也会引起系统的失步或多步 解决的办法是增加绳传动的张紧轮和张紧力 同时增大阻尼或提高传动零件的精度 以保持接触良好 63 第四章步进电动机常见