数控机床故障诊断与维修ppt课件

.,数控机床故障诊断与维修,.,项目二进给伺服系统的故障诊断与维修,【技能目标】能够根据进给伺服系统的故障现象分析故障原因并排除故障。【知识目标】了解步进驱动系统的工作原理及常见故障现象。掌握FANUC进给伺服系统的典型故障现象分析及诊断方法。掌握SIEMENS进给伺服系统的典型故障现象分析及诊断方法。掌握数控机床位置检测装置的常见故障处理及维护方法。,.,【项目导入】数控机床进给伺服系统作为数控系统和机床的联系环节，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在很大程度上都取决于伺服系统的性能优劣。数控机床进给伺服系统由进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链组成，其作用是实现各坐标轴的位置控制。在数控机床的使用过程中，进给伺服系统比较容易发生故障，因此要熟悉进给伺服系统的典型故障类型及其现象，掌握不同故障现象的诊断分析思路，合理运用所学的故障诊断方法来处理进给伺服故障。任务：请根据数控机床进给伺服系统的故障现象分析故障原因，确定诊断方案并排除故障。,.,【项目实施及相关知识】数控机床的进给伺服系统主要可分为步进驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三种。步进驱动系统主要由步进电动机及其驱动控制线路两部分组成，如图2-1所示。,图2-1步进驱动系统原理框图,.,（一）步进电动机的分类按转矩产生的原理不同，步进电动机可分为反应式步进电动机、永磁式步进电动机和混合式步电动机。（二）步进电动机的驱动控制线路步进电动机驱动控制线路的功能是，将具有一定数量N、一定频率f和方向的进给脉冲转换成控制步进电动机各相定子绕组通断电的电平信号，电平信号的变化次数、变化频率和通断电顺序应与进给指令脉冲的数量、频率和方向对应。为了能够实现该功能，一个较完整的步进电动机驱动控制线路应包括脉冲混合电路、加减脉冲分配电路、加减速电路、环形分配器和功率放大器（参见图2-2），并应能接收和处理各种类型的进给指令控制信号，如自动进给信号、手动信号和补偿信号等。,.,图2-2驱动控制线路框图,.,（三）步进驱动系统的工作原理下面从步进驱动系统控制机床工作台位移量、进给速度和进给方向三个方面介绍其工作原理。1工作台位移量的控制2工作台进给速度的控制3工作台进给方向的控制（四）步进电动机的主要特性步进电动机的主要特性包括步距角和步距误差、静态矩角特性和最大静转矩特性、启动惯频特性、矩频特性等。1步距角和步距误差2静态矩角特性和最大静转矩特性3启动惯频特性4矩频特性,.,（五）提高步进驱动系统精度的措施步进驱动系统是一个开环系统，在此系统中，步进电动机的质量、机械传动部分的结构和质量以及控制电路的完善与否，均会影响系统的工作精度。1细分线路细分线路是指把步进电动机的一步再分得细一些。若无细分，定子绕组的电流是由零直接跃升到额定值的，相应的角位移如图2-6a所示。采用细分后，定子绕组的电流要经过若干小步的变化才能达到额定值，相应的角位移如图2-6b所示。2齿隙补偿齿隙补偿又称为反向间隙补偿。机械传动链在改变转向时，由于齿隙的存在，会引起步进电动机空走，而工作台无实际移动。3螺距误差补偿在步进式开环伺服驱动系统中，丝杠的螺距累计误差直接影响着工作台的位移精度，若想提高开环伺服驱动系统的精度，就必须予以补偿，补偿原理如图2-7所示。,.,图2-6细分前后一步角位移的波形图,.,图2-7螺距误差补偿原理,.,（六）步进电动机的常见故障及分析1电动机不运转2电动机启动后堵转3电动机运转不均匀、有抖动4电动机运转不规则，正反转摇摆5电动机定位不准6电动机过热7工作过程中停车8运行中噪声大9步进电动机失步或多步10步进电动机无力或者是出力降低11步进电动机不能启动,.,二FANUC交流伺服驱动系统及故障处理（一）FANUC交流伺服驱动系统简介FANUC伺服驱动系统可以分为直流驱动与交流驱动两大类。（二）FANUC交流模拟伺服驱动系统FANUC交流模拟伺服驱动系统中最常见的是A06B-6050系列伺服驱动器与A06B-05*系列交流伺服电动机配套组成的产品。1交流模拟伺服驱动系统的工作原理交流模拟伺服驱动系统的工作原理如图2-8所示。2交流模拟速度控制单元的结构与连接交流模拟速度控制单元采用了可独立安装的结构形式，元器件均为正面布置，所有的连接、接线端子均布置于正面，便于安装与调试。速度控制单元可以分为“单轴”型、“双轴一体”型与“三轴一体”型三种基本结构。其中，“单轴”型为常用结构，其元器件的布置与外观如图2-9所示。,.,图2-8交流模拟伺服驱动系统原理图,.,图2-9交流模拟速度控制单元（单轴型）的元器件布置与外观,.,交流模拟速度控制单元的总体连接如图2-10所示，各连接端的作用如下。（1）主回路连接端T1（2）控制信号连接器CN1CN1通常与CNC主板的M6、M8、M10连接器相连。以X轴为例，CN1与M6的连接关系如图2-11所示。（3）控制电压连接器CN2（4）控制信号连接器CN3（5）逆变管控制信号连接器CN4（6）电动机编码器连接器CN5CN5用于连接速度控制单元与伺服电动机间的编码器，信号的详细连接如图2-12所示。（7）编码器位置反馈连接器CN6CN6用于连接速度控制单元与CNC间的位置编码器，信号的详细连接如图2-13所示。,.,图2-10交流模拟速度控制单元的总连接图,.,图2-11CN1与M6的连接图,.,图2-12CN5与电动机编码器的连接图,.,图2-13CN6与位置编码器的连接图,.,3交流模拟速度控制单元的主回路分析如图2-14所示为常用的AC1030型交流模拟速度控制单元的主回路原理图（单轴型）。图中3组大功率晶体管TM1、TM2、TM3组成了驱动伺服电动机的三相逆变主回路。控制线路采用PWM控制，开关频率很高，电枢电流容易连续，因此，机床在低速时仍然可以平滑、稳定地工作。三相电源的进线电压一般为交流185V，故需要安装伺服变压器。伺服变压器在实现电压转换的同时，还可以防止电网的浪涌电压与高频干扰，因此，主回路通常都不需要安装滤波电抗器。,.,图2-14交流模拟速度控制单元的主回路图,.,4交流模拟速度控制单元的设定与调整（1）交流模拟速度控制单元的设定（2）交流模拟速度控制单元的调整与检测5交流模拟速度控制单元的常见故障处理（1）主接触器不能接通（2）交流模拟速度控制单元的报警指示1）HVAL报警2）HCAL报警3）OVC报警4）LVAL报警5）TG报警6）DCAL报警,.,（三）FANUC交流数字伺服驱动系统1常用的FANUC交流数字伺服产品2交流数字伺服驱动系统的原理与特点交流数字伺服驱动系统是随着交流伺服控制技术、计算机技术的发展而产生的新颖交流伺服系统。FANUC交流数字伺服系统的原理如图2-15所示。3数字伺服功能概述在FANUC数字伺服驱动系统中，采用了较多的新颖控制功能，用于调整伺服系统的动、静态特性，这些功能主要有以下几种。（1）停止时的震荡抑制功能（N脉冲抑制功能）（2）机械谐振抑制功能（3）超调补偿功能（4）形状误差抑制功能,.,（四）S系列交流数字伺服驱动器1S系列数字伺服的结构S系列交流数字伺服驱动器的结构与交流模拟伺服驱动器类似，驱动器采用了可独立安装的结构形式，元器件均为正面布置，所有的连接、接线端子均布置于正面，方便了安装与调试。驱动器有单轴、双轴和三轴三种基本结构。不同规格的驱动器，元器件的布置与外观有较大差别，维修时应参照机床的实际情况确定，如图2-16所示为常用的单轴驱动器（0S30S）结构。2S系列数字伺服的设定与测试,.,图2-16单轴S系列数字伺服示意图,.,（五）系列（SVU型）伺服单元1系列伺服单元的结构与连接系列伺服单元的外形与C系列交流伺服驱动器相同，各驱动器可以独立安装，有单轴型（A06B-6089-H1*）和双轴型（A06B-6089-H2*）两种基本结构。如图2-17所示为常用的单轴型驱动器外观；如图2-18所示为系列伺服单元的总体连接。2系列伺服单元的设定与测试系列伺服单元的绝大部分设定与调整也可以通过参数设定进行。,.,图2-17单轴系列伺服单元的结构示意图,.,图2-18系列伺服单元的总连接图,.,（六）系列（SVM型）伺服模块1系列伺服模块的组成系列伺服模块采用模块化结构，伺服驱动与主轴驱动公用电源模块，模块与模块、驱动器与CNC间通过I/OLINK总线连接。如图2-19所示为带有一个电源模块、一个主轴模块与一个双轴伺服驱动模块的系列伺服模块示意图。当系统需要增加驱动模块时，可以依次向右并联增加，同时扩大电源模块的容量。2系列伺服模块的结构及端子功能FANUC16/18/21/0iA系统一般采用系列伺服模块进行伺服轴的驱动。如图2-20所示为系列伺服驱动模块，其各端子的功能如下。如图2-21所示为i系列伺服模块。与系列伺服模块不同的是，i系列伺服模块的信息是通过高速串行总线HSSB（光缆）传输，而不是通过串行数据线（信号电缆）传输。FANUC16i/18i/21i/0iB/0iC系统一般采用i系列伺服模块进行伺服轴的驱动。,.,图2-19系列伺服模块的组成,.,图2-20系列伺服驱动模块结构,.,图2-21i系列伺服模块,.,图2-21i系列伺服模块,（七）i系列伺服单元如图2-22所示为i系列伺服单元的结构，其各端子的功能如下。,.,（八）交流数字伺服系统的报警指示1S系列数字伺服的报警指示S系列数字伺服驱动器上通常安装有6个报警指示灯（参见图2-16），它们分别是HVAL、HCAL、LVAL、DCAL、OHAL以及5V报警指示灯。2系列伺服单元的报警指示FANUC系列（和C系列）交流数字伺服驱动器上无状态指示灯，驱动器的报警是通过其上的7段数码管进行显示的。数码管的不同状态显示可以指示驱动器报警的原因。3系列伺服模块的报警指示4PSM电源模块的报警指示,.,（九）数字伺服报警的综合分析及处理1伺服过热报警（#400）（1）系统检测原理CNC系统伺服过热报警的检测原理如图2-23所示。（2）故障诊断方法（3）故障原因2伺服不能就绪报警（#401）当系统还出现其他4XX号报警时，先排除其他的伺服故障（因为其他伺服报警也会导致401号报警）。（1）系统检测原理。伺服就绪控制信号流程如图2-24所示。（2）故障诊断方法3伺服停止误差过大报警（1）系统检测原理（2）故障原因及判别方法,.,图2-23CNC系统伺服过热报警检测原理,.,图2-24FANUC0C/0D系统的伺服就绪控制信号流程图,.,4伺服移动误差过大报警FANUC0C/0D系统为4n1号报警，n代表系统轴号；FANUC16/18/21/0iA系统为411号报警。（1）系统检测原理系统发出移动指令后，系统的位置偏差计数器偏差值超过了系统参数所设定的数值（FANUC0C/0D系统为504507；FANUC16/16i/18/18i/21/21i/0i系统为1828）时，系统就发出移动误差过大报警，如图2-25所示。（2）故障原因及判别方法5伺服综合报警FANUC0C/0D系统为4n4号报警；FANUC16/18/21/0iA系统为414号报警。（1）故障诊断方法（2）故障原因,.,图2-25位置误差过大系统检测原理图,.,6位置反馈断线报警（1）系统检测原理当使用分离型脉冲编码器时，该故障信息是由硬件检测电路进行检查的。当分离反馈信号异常时，系统就会发出硬件断线报警，如图2-26所示（2）故障诊断方法（3）故障原因产生硬件断线故障的可能原因有：分离型位置反馈装置的电缆连线接触不良或断线故障；分离型位置反馈装置的电源电压偏低或没有；分离型位置反馈装置本身不良；系统轴板（FANUC0C/0D系统）或系统伺服模块故障（FANUC16/18/21/0iA系统）。,.,图2-26数控系统反馈断线检查原理图,.,7数字伺服参数设定异常报警FANUC0C/0D系统为4n7号报警；FANUC16/18/21/0iA系统为417号报警。（1）系统检测原理（2）故障原因（3）故障处理方法（十）进给伺服系统位置检测装置的常见故障及处理方法进给伺服系统位置检测装置的常见故障及处理方法如下。1串行编码器的报警代码及处理方法2绝对编码器的报警代码及处理方法系统伺服采用绝对编码器作为位置检测装置时，系统断电后靠备用电池（标准为6V）来进行位置记忆。,.,三、西门子交流伺服驱动系统及故障处理（一）西门子交流伺服驱动系统简介SIEMENS伺服驱动系统也可以分为直流驱动与交流驱动两大类。因直流伺服驱动系统一般用于20世纪80年代中期以前进口的数控机床上，故不再对其进行介绍。交流驱动可分为交流模拟伺服驱动器与交流数字伺服驱动器两种形式。1交流模拟伺服驱动器2交流数字伺服驱动器3SIMODRIVEBaseline系列交流伺服驱动器,.,（二）611A系列交流模拟伺服驱动器1611A系列交流模拟伺服驱动器的组成如图2-27所示为由一个电源模块、一个主轴模块、一个双轴伺服驱动模块和一个单轴伺服驱动模块组成的三轴（带主轴）611A系列驱动器结构示意图。611A交流伺服驱动器主要由电源模块、伺服驱动模块和主轴驱动模块组成。（1）电源模块（2）伺服驱动模块（3）主轴驱动模块2611A系列交流模拟伺服驱动器的状态显示（1）电源模块的状态显示（2）伺服驱动模块的状态显示（3）带扩展接口的进给驱动模块的状态显示3611A系列交流模拟伺服驱动器的故障处理,.,图2-27三轴（带主轴）611A系列驱动器结构示意图,.,（三）SIMODRIVEBaseline系列交流伺服驱动器1SIMODRIVEBaseline系列交流伺服驱动器的结构及组成SIMODRIVEBaseline双轴与单轴驱动器的结构如图2-28所示，其中，左侧为双轴，右侧为单轴。（1）伺服变压器（2）驱动器（3）连接电缆（4）伺服电动机2SIMODRIVEBaseline系列伺服驱动器的状态显示（1）驱动器的状态显示（2）伺服驱动模块的状态显示3SIMODRIVEBaseline系列驱动器的故障处理,.,图2-28SIMODRIVEBaseline驱动器外形,.,（四）611U/611Ue系列交流数字伺服驱动器1611U/Ue系列交流数字伺服驱动系统的基本组成SIEMENS611U/Ue是目前SIEMENS常用的交流数字伺服驱动系统，其基本结构与611A相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动模块共用电源。2611U/Ue系列交流数字伺服驱动器的状态显示（1）电源模块的状态显示（2）伺服驱动模块的状态显示3611U/Ue系列交流数字伺服驱动器的故障处理（1）开机后驱动模块上的6只数码管无任何显示（2）开机后驱动模块上的6只数码管显示“”（3）驱动器加入“使能”后，电动机立即开始高速旋转（4）驱动器加入“使能”后，电动机即开始旋转（5）电动机转速太低（小于50r/min）（6）驱动器加入“使能”后，电动机出现短时旋转,.,4611U/Ue系列交流数字伺服驱动器的初始化611U/Ue系列驱动器的调整与设定，不需要通过硬件，可以直接使用SimoComU软件进行设定与优化。5611U/Ue系列交流数字伺服驱动器的参数优化在完成驱动器的初始化设定后，应先对驱动器的速度环动态特性进行调试，然后才能进行位置环的调试。611U/Ue驱动器的速度环动态特性优化可以通过SimoComU软件自动进行。优化驱动器的速度给定由PC机以数字量给出，无须CNC控制。,.,（五）西门子802D常见伺服系统报警的处理方法1坐标轴静止状态监控报警（ALM25040）2位置监控报警（ALM25080）3轮廓监控报警（ALM25050）4实际速度报警（ALM25030）,.,四、数控机床的位置检测装置及其维护保养数控机床上的位置检测装置通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它不断地将工作台的位移量检测出来并反馈给控制系统。大量事实证明，对于设计完善的高精度数控机床，它的加工精度和定位精度将主要取决于检测装置。（一）数控机床位置检测的分类1增量式和绝对式检测（1）增量式检测（2）绝对式检测2数字式和模拟式检测（1）数字式检测（2）模拟式检测3直接检测和间接检测（1）直接检测（2）间接检测,.,（二）常见机床位置检测装置简介1光电脉冲编码器（1）光电脉冲编码器的工作原理光电脉冲编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器。这是目前应用最多的传感器。光电脉冲编码器由光栅盘和光电检测装置组成，其原理如图2-29所示。（2）数控机床上光电脉冲编码器的常见故障处理2光栅在高精度的数控机床上，目前大量使用光栅作为反馈检测元件。（1）光栅的构造（2）光栅的工作原理光栅是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的，如图2-30所示。3旋转变压器4感应同步器5磁尺,.,图2-29增量式编码器的结构及工作原理图,.,图2-30光栅测量系统,.,（三）机床位置检测装置的维护保养位置检测装置是一种极其精密和容易受损的器件，一定要从下面几个方面注意，进行正确的使用和维护保养。不能受到强烈振动和摩擦，以免损伤代码板；不能受到灰尘、油污的污染，以免影响信号的正常输出。工作环境温度不能超标，额定电源电压一定要满足，以便于集成电路片子正常工作。要保证反馈线电阻、电容的正常，以保证信号的正常传输。防止外部电源、噪声干扰，要保证屏蔽良好，以免影响反馈信号安装方式要正确，例如，编码器连接轴要同心对正，以保证编码器与轴同步运行。,.,【知识扩展】一、步进驱动系统的故障诊断与维修实例故障现象（一）：某配套GSK980M系统的数控机床，在自动或手动运行时，X轴经常产生失步现象。1故障分析2故障诊断3故障排除故障现象（二）：一台简易数控车床在加工大导程螺纹时出现步进电动机堵转现象。1故障分析2故障诊断3故障排除,.,故障现象（三）：一台配有步进电动机的简易数控机床，手动X轴机床不移动，但显示器上的机床位置坐标在变化。1故障分析2故障诊断3故障排除故障现象（四）：一台经济型数控车床，步进电动机驱动，每天早上开机加工产品时尺寸会发生变化。1故障分析2故障诊断3故障排除,.,二、FANUC交流进给伺服系统的故障诊断与维修实例故障现象（一）：某采用FANUC0TC数控系统的数控车床，开机后，只要Z轴一移动，就会出现剧烈震荡，CNC无报警，机床无法正常工作。1故障分析2故障诊断3故障排除故障现象（