数控机床故障诊断与维任务17、19、20进给伺服系统的连接和调试

1、任务17进给伺服系统的连接和调试任务任务15串行数字控制的主轴驱动系统的调试串行数字控制的主轴驱动系统的调试 一、伺服驱动概述 伺服驱动机构相当于人的手、足部分，它的任务就是根据CNC控制装置的指令，驱动机床的工作台按照指定的进给速度沿着程序轨迹运动。FANUC 控制驱动分类 FANUC 驱动主要采用的控制电机形式有直流电机（80 年代初期）交流感应电机（主轴驱动） 交流同步电机（伺服驱动），这三种电机的差异参见下图所示：任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试任务任务15串行数字控制的主轴驱动系统的调试串行数字控制的主轴驱动系统的调试 任务17进给伺服系统的连接和调试

2、任务任务15串行数字控制的主轴驱动系统的调试串行数字控制的主轴驱动系统的调试 由于FANUC 目前已不再使用直流电机，所以我们本次仅讨论“交流驱动”，而上面框图项和项虽然均是交流电机，但一个是感应（异步）电机，另一个是（永磁）同步电机，在数控机床应用中，适用场合不尽相同。那么下面我们重点讨论这两种电机在数控机床中的应用。 交流感应电机的控制与交流同步电机的控制在拖动原理上既有相同之处，又有不同之处，从上面的框图我们可以清楚的看到两者均是通过定子磁场的旋转，带动转子旋转（两种电机结构的转子不同）。而控制定子磁场旋转的驱动电路，感应电机与同步电机从原理上是大同小异，区别不大，大多采用脉宽调制（PW

3、M）处理。所以西门子驱动模块不区分所带负载是同步电机还是异步电机，但是在反馈电路处理和位置环控制上，感应电机和同步电机就不同了。 感应电机通过有效的控制可以使电机在额定转速区间工作，使额定转差率在S=0.5*Sm 左右（Sm最大转差率），从而电机的输出功率能够维持在一个相对稳定的范围，所以额定速度范围内的恒功率输出是感应电机的特性。在数控机床中这一特性被用于主轴驱动（刀具切削时稳定的功率输出）。 而同步电机转子采用永磁体，加之高分辨率编码器，配有格雷码跟踪电机转子实时旋而同步电机转子采用永磁体，加之高分辨率编码器，配有格雷码跟踪电机转子实时旋转角度，并反馈给数控系统，通过位置环、速度环、电流环

4、控制，保证转子的高精度同转角度，并反馈给数控系统，通过位置环、速度环、电流环控制，保证转子的高精度同步定位，实现了低速大扭矩及高精度同步旋转的特性，这一特性在数控机床中被用于伺步定位，实现了低速大扭矩及高精度同步旋转的特性，这一特性在数控机床中被用于伺服电机驱动。服电机驱动。任务17进给伺服系统的连接和调试任务任务15串行数字控制的主轴驱动系统的调试串行数字控制的主轴驱动系统的调试 作为数控制造商一般主轴电机规格以功率表示，而伺服电机规格则以扭矩表示，例如FANUC 系列主轴电机标牌为22 或i22，表明该主轴电机功率为22Kw。而FANUC 系列伺服电机标牌为22 或i22，则表明该伺服电机

5、扭矩为22N-m。牛米与功率的换算关系如下：任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试反馈及控制方式 控制电机一般配有反馈装置，反馈装置主要输出位置信号和速度信号，FANUC 交流电机反馈装置还需输出格雷码信号跟踪转子位置。 目前 FANUC i 系列伺服电机配有高分辨率编码器输出位置、速度及格雷码信息，并且数据以串行方式输出到伺服模块上，再通过伺服模块将数据输送到FSSB 总线上，并最终输入CNC 系统中。任务17进给伺服系统的连接和调试 当电机后置反馈信号不能够满足机床控制精度时（电机轴之后传动链丢失精度，如滚珠丝杆及丝杠轴承精度丢失），就需要外置反馈装置，如光栅、磁

6、尺、球栅等，FANUC 将其称之为“分离型编码器”。任务17进给伺服系统的连接和调试由于使用反馈方式的不同，在数控系统控制形式上可以分为：开环控制CNC指令给伺服驱动，没有反馈。半闭环控制CNC指令给伺服驱动，反馈信号由电机编码器发出。半闭环控制由于读取电机同轴半闭环控制由于读取电机同轴信号，所以可以实时监控电机信号，所以可以实时监控电机转角位移情况，电机轴端精度转角位移情况，电机轴端精度控制非常精确，但是由于电机控制非常精确，但是由于电机轴后传动链没有监控到位，所轴后传动链没有监控到位，所以后面传动链的精度损失，如以后面传动链的精度损失，如丝杠误差、间隙、热变型等就丝杠误差、间隙、热变型等就

7、无法控制。无法控制。任务17进给伺服系统的连接和调试全闭环控制CNC指令给伺服驱动，反馈信号由光栅或磁尺发出。全闭环可以监控到工作台与刀具的最终相对精度，所以对于精密加工、大型龙门铣床、数控镗铣床等均采用全闭环结构任务17进给伺服系统的连接和调试混合式控制此方式取用了半闭环的稳定性和全闭环的准确性，位置检测器信号取自伺服电机内的脉冲编码器和外部的直线尺任务17进给伺服系统的连接和调试FANUC 驱动器发展 20世纪50 年代末60 年代初采用电液脉冲电机作为数控机床进给驱动系统，为开环控制。 70 年代中期采用晶闸管（SCR 可控硅整流器）直流伺服驱动，反馈采用旋转变压器（作为位置反馈）和测速

8、机（作为速度反馈）。 70 年代末采用功率晶体管PWM 脉宽调制控制DC 伺服控制，反馈为脉冲编码器（A/*A 相、B/*B 相及Z/*Z 相一转信号）作为速度和位置反馈。主轴控制采用DC 调速电机。该直流装置的控制均为模拟控制，这种控制方法受模拟器件特性和环境温度影响大，参数漂移、精度差，另外直流电机有碳刷和换向器，需要维护，故障率高。任务17进给伺服系统的连接和调试 80 年代中期FANUC 又成功地把交流伺服电机应用在数控机床上，首先采用模拟接口AC 数字伺服驱动技术，即CNC 输出到伺服驱动器的指令为010V 指令电，伺服驱动器上含有数字电路，进行数/模处理。反馈装置带有格雷码编码器输

9、出C1、C2、C4、C8 格雷码信号跟踪电机转子同步位置。主轴同样采用模拟接口AC 数字主轴电机，指令仍为010V指令电压，主轴单元上含有数字电路进行处理，由于交流异步电机变频调速容易实现恒转矩、恒功率的输出，因此很快就被采用在数控机床的主轴上。由于交流电机没有碳刷和换向器，免于维护，故障率低，所以很快被广泛用于数控机床主轴和伺服驱动。 90 年代中后期采用全数字伺服，早期的数字伺服（FANUC 0-MATE）采用的全数字电路是CNC 各轴（X、Y、Z、4Th 等）分别向各伺服放大器输出PWM 信号（CNC 轴卡输出PWM a PWM f 脉宽调制信号到各伺服放大器），驱动电路采用绝缘栅三极管

10、IGBT。主轴电机同样采用全数字指令控制技术，全数字主轴电机可以实现双轴同步，C 轴定位（实现位置控制）任务17进给伺服系统的连接和调试 2000 前后，FANUC 公司先后推出 系列和i 系列伺服装置，CNC 至伺服采用总线结构连接，并被称之为FSSB（Fanuc Serial Servo BusFANUC 串行伺服总线），反馈装置采用高分辨率编码器，分辨率可达100 万/转。各伺服轴挂在FSSB 总线上，实现总线控制结构。目前FANUC公司新推出的i 系列伺服控制器，采用HRVHRV4高响应矢量控制技术，大大提高伺服控制的刚性和跟踪精度，适宜高精度轮廓加工。 主轴也引入HRV 技术，实现高

11、响应矢量控制，提高主轴速度和位置控制精度。所谓HRV 是“高响应矢量”（High Response Vector）控制技术的英文缩写，其目的是对交流电机矢量控制从硬件和软件方面进行优化，以实现伺服装置的高性能化，从而使数控机床的加工达到高速和高精度。任务17进给伺服系统的连接和调试 另外 FANUC 为伺服调整开发了“Servo Guide”软件工具，通过相应的软件菜单可自动向CNC 发出插补指令，并诊断出实际动态扭矩，并生成自调整参数，同时还可以显示运转的波形，便于伺服驱动的维修和调试。 作为现场数控维修人员，今后涉及硬件的工作量会越来越少，而软件工作量会越来越多，这是由于CPU 运算速度成

12、几何倍数提高，过去必须靠硬件实现的工作，现在依托高速处理器用软件的形式取而代之。 那么在伺服驱动维修过程中，熟知伺服数据初始化，理解重要伺服参数的含义并能够进行优化、调整，对于我们今后的日常维修中愈发显得重要。下面我们详细讨论有关FANUC i 系列伺服参数初始化和重要伺服参数说明。实验三、交流伺服系统的连接与调试任务二、FANUCi系列伺服单元的连接 任务17进给伺服系统的连接和调试L1L1、L2L2、L3L3：主电源输入端接口，三相交流电源：主电源输入端接口，三相交流电源200V200V、50/60Hz50/60Hz。U U、V V、W W：伺服电动机的动力线接口。：伺服电动机的动力线接口

13、。DCCDCC、DCPDCP：外接：外接DCDC制动电阻接口。制动电阻接口。CX29CX29：主电源：主电源MCCMCC控制信号接口。控制信号接口。CX30CX30：急停信号（：急停信号（* *ESPESP）接口。）接口。CXA20CXA20：DCDC制动电阻过热信号接口。制动电阻过热信号接口。CX19ACX19A：DC24VDC24V控制电路电源输入接口。连接外部控制电路电源输入接口。连接外部24V24V稳压电源。稳压电源。CX19BCX19B：DC24VDC24V控制电路电源输出接口。连接下一个伺服单元的控制电路电源输出接口。连接下一个伺服单元的CX19ACX19A。C0P10AC0P10

14、A：伺服高速串行总线（：伺服高速串行总线（HSSBHSSB）接口。与下一个伺服单元的）接口。与下一个伺服单元的C0P10BC0P10B连接（光缆）。连接（光缆）。C0P10BC0P10B：伺服高速串行总线（：伺服高速串行总线（HSSBHSSB）接口。与）接口。与CNCCNC系统的系统的C0P10AC0P10A连连接（光缆）。接（光缆）。JX5JX5：伺服检测板信号接口。：伺服检测板信号接口。JF1JF1：伺服电动机内装编码器信号接口。：伺服电动机内装编码器信号接口。CX5XCX5X：伺服电动机编码器为绝对编码器的电池接口。：伺服电动机编码器为绝对编码器的电池接口。 任务17进给伺服系统的连接和

15、调试任务17进给伺服系统的连接和调试实验任务二:数控系统伺服参数的设定1伺服参数设定的条件伺服参数设定的条件 （1 1）C CNC单元的类型及相应软件（功能），如系统是单元的类型及相应软件（功能），如系统是FANUC0C/OD系统还是系统还是FANUC16/18/21/0i系统。系统。（2 2）伺服电机的类型及规格，如进给伺服电动机是伺服电机的类型及规格，如进给伺服电动机是系列、系列、C系列、系列、i系列、系列、系列、还系列、还是是i系列。系列。（3 3）电机内装的脉冲编码器类型，如编码器是增量编码器还是绝对编码器。电机内装的脉冲编码器类型，如编码器是增量编码器还是绝对编码器。（4 4）系统）

16、系统是否使用分离型位置检测装置，如是否采用独立型旋转编码器或光栅尺作为伺是否使用分离型位置检测装置，如是否采用独立型旋转编码器或光栅尺作为伺服系统的位置检测装置。服系统的位置检测装置。（5 5）电机电机转机床工作台移动的距离，如机床丝杠的螺距是多少，进给电动机与丝杠的转机床工作台移动的距离，如机床丝杠的螺距是多少，进给电动机与丝杠的传动比是多少。传动比是多少。（6 6）机床的检测单位（例如机床的检测单位（例如0.001mm）。）。（7 7）CNCCNC的指令单位（例如的指令单位（例如0.001mm0.001mm） 任务17进给伺服系统的连接和调试2伺服参数的设定画面伺服参数的设定画面 FANU

17、C-Oi Mate TC系统操作系统操作:任务17进给伺服系统的连接和调试2伺服参数的设定画面伺服参数的设定画面 FANUC-Oi Mate TC系统操作系统操作:任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试(1)(1)初始化设定位初始化设定位: : #0（PLC01）：）：设定为设定为“0”时，检测单位为时，检测单位为1m，FANUCOiC系系统使用参数统使用参数2023（速度脉冲数）、（速度脉冲数）、2024（位置脉冲数）。设定（位置脉冲数）。设定为为“1”时，检测单位为时，检测单位为0.1m，把上面系统参数的数值乘，把上面系统参数的数值乘10倍。倍。#1（DGPRM）

18、：）：设定为设定为“0”时，系统进行数字伺服参数初始化时，系统进行数字伺服参数初始化设定，当伺服参数初始化后，该位自动变成设定，当伺服参数初始化后，该位自动变成“1”。#3（PRMCAL）：）：进行伺服初始化设定时，该位自动变成进行伺服初始化设定时，该位自动变成“1” 。根据编码器的脉冲数自动计算下列参数：根据编码器的脉冲数自动计算下列参数：PRM2043、PRM2044、PRM2047、PRM2053、PRM2054、PRM2056、PRM2057、PRM2059、PRM2074、PRM2076。 返回任务17进给伺服系统的连接和调试(2)伺服电动机伺服电动机ID号（号（MOTOR ID N

19、O） 返回电机ID 号选择所使用的电机ID 号， 按照电机型号和规格号（ 中间4 位：A06B-XXXX-BXXX）列于下面的表格中表表i系列伺服电机代码表电机型号电机型号4/40004/4000is is8/30008/3000is is12/300012/3000is is22/200022/2000is isc4/3000c4/3000i i电机代码电机代码156(256)158(258)174(274)176(276)171(271)电机型号电机型号c8/2000c8/2000i ic12/2000c12/2000i ic22/2000c22/2000i ic30/1500c30/15

20、00i i2/50002/5000i i电机代码电机代码176(276)191(291)196(296)201(301)155(255)电机型号电机型号4/30004/3000i i8/30008/3000i i12/300012/3000i i22/300022/3000i i30/300030/3000i i电机代码电机代码173(273)177(277)193(293)197(297)203(303)电机型号电机型号40/300040/3000i i4/50004/5000is is8/40008/4000is is12/400012/4000is is22/400022/4000is

21、is电机代码电机代码207(307)165(265)185(285)188(288)215(315)电机型号电机型号30/400030/4000is is40/400040/4000is is50/300050/3000is is50/300050/3000is FANis FAN100/2500100/2500is is电机代码电机代码218(318)222(322)224(324)225(325)235(325)任务17进给伺服系统的连接和调试（3）AMR：设定电枢倍增比：设定电枢倍增比 系列和系列和i系列伺服电动机设定为系列伺服电动机设定为“00000000”与电机内装编码器类型无关。与

22、电机内装编码器类型无关。 （4）CMR：设定伺服系统的指令倍比：设定伺服系统的指令倍比 指令倍乘比值指令倍乘比值=指令单位指令单位/检测单位检测单位 返回任务17进给伺服系统的连接和调试（5）设定柔性进给传动比（）设定柔性进给传动比（N/M） 半闭环控制伺服系统：半闭环控制伺服系统：N/M = (伺服电动机一转所需的位置反馈脉冲数伺服电动机一转所需的位置反馈脉冲数/100万万)的约分数的约分数例例1:某数控车床的某数控车床的X轴伺服电动机与进给丝杠直连轴伺服电动机与进给丝杠直连,丝杠的螺距为丝杠的螺距为6mm。N/M = 6000/1000000 = 3/500返回任务17进给伺服系统的连接和

23、调试伺伺服服驱驱动动器、器、伺伺服服电电机机在在实实际际机机床床上上的的连连接接返回任务17进给伺服系统的连接和调试（6）电动机的移动方向（）电动机的移动方向（DIRECTION SE） 111为正方向为正方向（从脉冲编码器端看为顺时针方向旋转）。（从脉冲编码器端看为顺时针方向旋转）。-111为负方向为负方向（从脉冲编码器端看为逆时针方向旋转）。（从脉冲编码器端看为逆时针方向旋转）。（7）速度脉冲数（）速度脉冲数（VELOCITY PULSE NO） 串行编码器设定为串行编码器设定为8192 （8）位置脉冲数（）位置脉冲数（POSITION PULSE NO） 半闭环控制系统中，设定为半闭环控

24、制系统中，设定为12500。 全闭环系统中，按电动机一转来自分离型检测装置的位置脉冲数设定。全闭环系统中，按电动机一转来自分离型检测装置的位置脉冲数设定。（9）参考计数器的设定（）参考计数器的设定（REF COUNTER） 按电机按电机转所需的位置脉冲数（半闭环）或按该数能被整数整除的数转所需的位置脉冲数（半闭环）或按该数能被整数整除的数来设定（全闭环）来设定（全闭环） 返回任务17进给伺服系统的连接和调试实验任务二： 一台数控机床的X轴丝杆的螺距为8毫米， X伺服电机与丝杆的减速比为1：2；Z轴滚珠丝杆的螺距为6毫米，Z轴伺服电机与丝杆的减速比为1：3。请按照上述条件完成伺服相关的参数的设定

25、。任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试具体报警时可以查看维修说明书任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试任务17进给伺服系统的连接和调试任务三、数控通道、伺服通道与FSSB FSSB（FANUC Serial Servo Bus）是一个连接CNC 与伺服放大器的高速串行总线，它上面串联着三个主要的功能部件CNC 伺服放大器 光栅适配器，并承接者它们之间的数据双向传输，包括移动指令、半闭环反馈或全闭环反馈信息，报警、准备信息等。 由于 FSSB 串行结构的特点，数控轴与伺服轴之间的对应关系可以很灵活的定义，不像FS0C/D 那样数控轴排序和伺服轴排序必须一一对应，FANUC i系列FSSB 连接如下图所示；任务17进给伺服系统的连接和调试 那么这种对应关系是通过FSSB 设定建立的，下面我们具体讨论如何建立CNC 与伺服的对应关系。使用FSSB 的系统，必须设定下列伺服参数。（其它参数的设定与往常一样。） 参数No.1023各轴的伺服轴号。（伺服通道排序） 参数No.1905定义接口类型和光栅适配器接口使用。（详见本节参数说明） 参数No.19101919从属器转换地址号。（详见本节参数说明） 参数No.1936 和1937光栅适配器连接器号。（详见本节参数说明）任