《机电设备故障诊断与维修》（王仲）527-2 教案 第21课 数控机床伺服系统的故障诊断与维修

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课题数控机床伺服系统的故障诊断与维修课时2课时（90min）教学目标知识技能目标：（1）掌握数控机床常用主轴伺服系统及其故障诊断与维修方法（2）掌握数控机床常用进给伺服系统及其故障诊断与维修方法（3）能够调出伺服系统监控显示画面和诊断功能画面素质目标：通过对数控机床伺服系统的常见故障诊断与维修知识的学习与实操练习，树立制造强国的远大职业理想，牢记投身国家建设的使命担当、培育坚持不懈、勤劳朴实的工匠精神教学重难点教学重点：数控机床主轴伺服、进给伺服系统构常见故障诊断与维修方法教学难点：数控机床主轴伺服、进给伺服系统构常见故障诊断与维修方法教学方法案例分析法、问答法、讨论法、讲授法教学用具电脑、投影仪、多媒体课件、教材教学设计第1节课：→→→传授新知（38min）第2节课：→任务实施（20min）→实操练习（15min）→课堂小结（3min）→作业布置（2min）教学过程主要教学内容及步骤设计意图第一节课课前任务【教师】布置课前任务，和学生负责人取得联系，让其提醒同学通过文旌课堂APP或其他学习软件，完成课前任务请大家了解数控机床伺服系统的功能作用。【学生】完成课前任务通过课前任务，使学生了解本次课的主要内容，增加学生的学习兴趣考勤

（2min）【教师】使用文旌课堂APP进行签到【学生】班干部报请假人员及原因培养学生的组织纪律性，掌握学生的出勤情况问题导入（5min）【教师】介绍数控机床伺服系统的基础知识，以及对数控机床正常运行的重要性，并提出相关问题数控机床伺服系统的性能优劣对数控机床的加工位置和速度有很大影响。而数控机床的加工位置和速度又在很大程度上决定了数控机床的加工精度。所以，若数控机床伺服系统出现故障则会直接影响数控机床的加工精度和产品质量，导致材料的浪费和生产成本的增加。数控机床的伺服系统有哪些？各有什么作用？【学生】聆听、思考、回答通过问题导入的方法，引导学生主动思考，激发学生的学习兴趣传授新知

（38min）【教师】讲解主轴伺服系统的故障诊断与维修、数进给伺服系统的故障诊断与维修等相关内容数控机床伺服系统又称随动系统，是一种自动控制系统，其输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化。它还是一种反馈控制系统，能将输入指令作为设定值，与输出量进行比较，并利用比较后产生的偏差值对加工位置和加工速度进行自动调节，以消除误差。一、主轴伺服系统的故障诊断与维修主轴伺服系统用来提供加工各类工件所需的切削功率，所以主轴伺服系统能进行主轴速度和正、反转控制。对于某些具备螺纹加工、准停和恒线速加工等功能的数控机床，其主轴伺服系统还能进行主轴定位控制。1．常用主轴伺服系统常用主轴伺服系统有主轴变频调速系统、直流主轴伺服系统和交流主轴伺服系统3种。1）主轴变频调速系统✈【多媒体】PPT图片展示主轴变频调速系统，详情见教材，并讲解主轴变频调速系统的组成及其各部分作用主轴变频调速系统由变频器和主轴电动机组成，多用于经济型数控机床的主轴调速。变频器可将50

Hz的交流电整流成直流电，然后通过脉冲宽度调制技术，将直流电逆变成频率可变的交流电，从而调节主轴电动机的转速。主轴电动机多采用三相异步电动机，能简化主轴变频调速系统的结构，降低成本。【资料卡】经济型数控机床是指具有针对性加工功能，但功能水平较低且价格低廉的数控机床。2）直流主轴伺服系统直流主轴伺服系统由直流主轴速度控制单元和主轴电动机组成。直流主轴速度控制单元是由速度环和电流环构成的双闭环速度控制系统，能控制主轴电动机的绕组电压，并能进行恒转矩调速。主轴电动机采用他励式直流电动机结构，能增大直流电动机的输出功率，并能使主轴电动机的正、反转迅速停止。【资料卡】他励式直流电动机是指励磁线圈和转子绕组分开的直流电动机。3）交流主轴伺服系统交流主轴伺服系统由交流主轴速度控制单元和主轴电动机组成，其中主轴电动机一般采用的是交流电动机。交流主轴伺服系统又分为模拟式和数字式两种，但大多数交流主轴伺服系统为数字式，即由微处理器和逆变器控制主轴电动机转速。【资料卡】逆变器是把直流电转变成交流电的设备，详情见教材。2．主轴伺服系统的常见故障与维修方法主轴伺服系统的故障有不同的表现形式，主要为在CRT显示器或操作面板上显示故障的报警内容；用报警灯或数码管显示故障；主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统的常见故障主要有主轴波动、主轴过载、主轴准停不准、主轴异常噪声及振动、主轴电动机不转、主轴转速与进给不匹配等。✈【教师】开展分组讨论：将全班学生分为3组，结合教材，分组讨论主轴伺服系统的常见故障类型及维修方法✈【学生】结合教材及课程资源，分组讨论✈【教师】巡回指导，查看各小组讨论情况【学生】讨论、总结汇报【教师】聆听、点评总结1）主轴波动故障现象：主轴出现随机和无规律性的波动。故障原因：由于电磁干扰、屏蔽器干扰和接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰。维修方法：2）主轴过载故障表现：主轴电动机过热，出现过电流等报警。故障原因：主轴切削用量过大，频繁地正、反转变速等。维修方法：停止数控机床运行，待主轴电动机冷却后再运行，同时减小主轴切削用量和正、反转频率。3）主轴准停不准故障现象：主轴定位偏移。故障原因：①主轴准停控制的减速过程参数设置不当。②采用位置编码器作为检测元件时，定位液压缸活塞的限位开关失灵。③采用磁传感器作为检测元件时，磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵。维修方法：①修改参数设置。②更换限位开关。③更换磁传感器。【资料卡】主轴准停控制是将主轴准确停在某一固定位置上，以便在该位置进行刀具交换、退刀及齿轮换挡等操作，主要有以下三种准停控制。①机械准停控制：由带V形槽的定位盘和液压缸配合动作来实现机械准停控制。逆变器是把直流电转变成交流电的设备。详情见教材。②位置编码器的电气准停控制：通过在主轴电动机内或在主轴上直接安装一个光电脉冲编码器来实现电气准停控制，准停角度可任意设定③磁传感器的电气准停控制：利用磁体和磁传感器间的位置变化来实现电气准停控制4）主轴异常噪声及振动故障现象：①主轴在减速过程中产生异常噪声或发生振动。②主轴在恒转速转动过程中，反馈电压正常，但产生异常噪声或发生振动。③主轴在恒转速转动过程中，反馈电压不正常，且产生异常噪声或发生振动。故障原因：①一般是主轴电动机回路故障，如保险丝熔断、晶体管损坏等。②机械装置或印制电路板故障。③机械装置故障或印制电路板接触不良。维修方法：①更换主轴电动机回路的保险丝、晶体管等。②突然关闭主轴电动机，观察主轴电动机在自由停转过程中是否有异常噪声。若有噪声，则可认定是机械装置故障，可能是轴箱与床身的连接螺钉松动，轴承预紧力不够，润滑不良等原因，可采取拧紧螺钉，重新对轴承进行预紧，添加润滑油等维修方法；若无噪声，则可能是印制电路板的故障，应检查并维修印制电路板故障。③检查振动周期是否与主轴的转速有关。若有关，则可能是机械装置故障，应检查并维修机械装置故障；若无关，则可能是速度控制回路的印制电路板接触不良或主轴驱动装置调整不当，应重新连接速度控制回路线路或调整主轴驱动装置。5）主轴电动机不转故障现象：按下主轴电动机开关，主轴电动机不转。故障原因：润滑、冷却等条件不满足要求。维修方法：检查信号能否接通，可通过CRT显示器观察信号输入、输出状态，分析数控机床PLC梯形图（或流程图），以确定主轴的启动条件，使润滑、冷却等条件满足要求。6）主轴转速与进给不匹配故障现象：当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，进给停止，主轴仍继续运转。故障原因：主轴编码器故障。维修方法：观察CRT显示器上主轴编码器的指令状态。若状态异常，可更换编码器，或用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序。二、进给伺服系统的故障诊断与维修1．进给伺服系统✈【多媒体】PPT图片展示进给伺服系统，详情见教材，并讲解进给伺服系统的组成及其各部分作用进给伺服系统是指以机械执行部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统。它的作用是根据数控系统发出的动作指令，迅速、准确地完成机械执行部件在各坐标轴方向的进给，并与主轴伺服系统相配合，实现对工件的高精度加工。若把数控系统比作数控机床的“大脑”，是发布“命令”的指挥机构，则伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行“命令”的机构。进给伺服系统由位置控制单元、速度控制单元、机械执行部件、伺服电动机、检测与反馈单元组成。2．进给伺服系统的常见故障与维修方法进给伺服系统的常见故障主要有超程、伺服电动机过热、伺服电动机振动、定位误差过大、初始位置变动、机床失控（飞车现象）等。✈【教师】开展分组讨论：将全班学生重新分为2组，结合教材，分组讨论主轴伺服系统的常见故障类型及维修方法✈【学生】结合教材及课程资源，分组讨论✈【教师】巡回指导，查看各小组讨论情况【学生】讨论、总结汇报【教师】聆听、点评总结1）超程故障现象：CRT显示器上显示超程报警。故障原因：进给运动超过了软件设定的限位值；限位开关故障。维修方法：根据数控系统说明书进行调整。2）伺服电动机过热故障现象：CRT显示器上显示过热报警。故障原因：①负载过大。②驱动器与伺服电动机配合不当。③伺服电动机轴承故障。④编码器内的热保护器故障。维修方法：测量伺服电动机的电流是否超过额定值。若超过，则可能是负载过大，需要调整切削条件，减轻机床负载；若不超过，则可能是其他故障，可以调整驱动器与伺服电动机的配合、更换伺服电动机轴承、更换编码器内的热保护器等。3）伺服电动机振动故障现象：按下伺服电动机启动按钮，伺服电动机发生振动。故障原因：①伺服电动机故障。②增益太高。③系统参数设定错误。维修方法：确认振动周期与进给速度是否成比例变化。若成比例变化，则可能是伺服电动机故障或增益太高，这时应维修伺服电动机或调整增益；若不成比例【经验传承】增益是指放大倍数，是一个系统输出信号与输入信号的比值。4）定位误差过大故障现象：机床停机或运行时，在CRT显示器上显示误差过大报警。故障原因：①位置误差设置错误。②输入电源电压太低。③位置环增益太小。④接触不良。维修方法：①修改位置误差设置。②调大输入电源电压，但不要超过额定电压。③增大位置环增益。④检查伺服电动机信号线和动力线等的连接是否松动，若松动则拧紧。5）初始位置变动故障现象：当给定指令为零时，坐标轴仍移动。故障原因：①接触不良。②参数设定错误。③速度控制单元故障。维修方法：①拧紧伺服电动机动力线或伺服电动机和检测元件间的连接线。②调整数控系统中初始位置（即零点漂移）补偿参数设置。③维修速度控制单元。6）机床失控（飞车现象）故障现象：数控机床转速过快，不受控制。故障原因：①位置传感器或速度传感器的指令反相、绕组线反接或接触不良。②速度指令不正确。③电源故障。维修方法：①检查位置传感器或速度传感器的接线，纠正错误接线并拧紧。②检查速度控制程序并调整。③维修电源故障。【学生】聆听、思考、理解、记录PPT图片展示，更为直观，学生容易接受、理解掌握分组讨论能够提高学生的参与度，增强团队意识，同时能够让学生更好地理解掌握主轴伺服系统常见故障与维修方法PPT图片展示，更为直观，学生容易接受、理解掌握分组讨论能够提高学生的参与度，增强团队意识，同时能够帮助学生更好地理解掌握进给伺服系统常见故障与维修方法第二节课任务导入（5min）【教师】现场展示配备有FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统的VMC850数控机床一台，并对其进行简单介绍，然后布置任务“调出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统各监控显示画面和诊断功能画面”请同学们运用所学知识，在实训室利用相关设备完成调出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统各监控显示画面和诊断功能画面任务。【学生】聆听、记录使用任务驱动法教学，通过展示实训平台，学生对实训设备有所了解任务实施（20min）【教师】介绍调出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统各监控显示画面和诊断功能画面的具体步骤一、实施方案1．组织形式每6～8位学生组成一组，以组为单位练习调出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统各监控显示画面和诊断功能画面的操作。2．作业准备VMC850数控机床一台，配备FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系统。二、操作步骤【示范】教师边讲实操步骤，边示范重点操作1.1）调出操作监控显示画面步骤1按“”键，调出位置画面。步骤2按“”键，调出“监视器”键。步骤3按“监视器”键，调出操作监控显示画面。【资料卡】操作监控显示画面包括伺服负载表、主轴负载表和主轴速度表三部分。①伺服负载表中的X、Y、Z分别代表进给伺服系统三个方向的轴，其轴号可分别由参数3151、3152、3153设定（一般设定为1、2、3）。②主轴负载表代表主轴电动机的载荷。③主轴速度表可显示主轴电动机转速或主轴转速，可在设置时由参数3111的第6位（OPS）进行选择，选择0显示主轴电机转速，选择1显示主轴转速。【注意】需要注意的是，各监控显示画面中所出现的“速度”指转速，“电机”指电动机。另外，前面提到的“参数”是确定数控系统功能的依据，可分为厂家设定的参数和用户自己设定的参数两种。不同的参数号有不同的意义，如参数3151指X轴轴号、参数3152指Y轴轴号、参数3153指Z轴的轴号，参数3111指数控系统功能设置等。如果根据以上的操作未能调出操作监控显示画面，可能是所使用的系统未打开该功能。这时，检查参数3111的第五位（OPM），将该位置参数选择1，即可打开操作监控显示功能。2）调出伺服设定画面伺服系统的一些参数已在数控机床出厂之前由厂家设定，且不可修改。而通过设定值与监控值的比较，可以对伺服系统进行故障诊断。此外，在维修伺服系统时，有时需要调出伺服设定画面查看这些固定参数，以更换相同型号的零件。步骤1按“”键，调出系统画面。步骤2按“”键，调出“SV设定”键。步骤3按“SV设定”键，调出X轴伺服设定画面。步骤4按“（操作）”键调出“轴改变”键后，按“轴改变”键，可调出其他轴的伺服设定画面。步骤5按“（操作）”键调出“轴改变”键后，按“轴改变”键，可调出其他轴的伺服设定画面。3）调出伺服电机设定画面在伺服电机设定画面中，可以对伺服系统的运行状态、位置环增益、位置误差、实际电流值等进行监控。按“SV调整”键，则可调出伺服电机设定画面。使用“”键和“”键便可查看各轴伺服电机的伺服电机设定画面。如果根据以上操作未能调出伺服电机设定画面，则可能是因为所使用的系统未打开该功能。这时将参数3111的第0位（SVS）参数选择1，即可打开伺服调整显示功能。4）调出主轴伺服画面主轴伺服画面包括主轴设定画面、主轴调整画面和主轴监控画面。主轴设定画面能显示与主轴相关的参数设定值，方便查阅；在主轴调整画面中，可以对主轴的运行方式、比例增益、积分增益等参数进行调整；在主轴监控画面中，可以对主轴的运行方式、控制输入信号、控制输出信号等进行监控。调出主轴伺服画面的具体操作步骤如下。步骤1按“”键，调出系统画面。步骤2按“”键，调出“SP设定”（FANUC0iMate-MD伺服系统）或“主轴设”（FANUC0iMF伺服系统）键。步骤3按“SP设定”或“主轴设”键，调出主轴设定画面。步骤4按“SP调整”（FANUC0iMate-MD伺服系统）或“主轴调”（FANUC0iMF伺服系统）键，调出主轴调整画面。步骤5按“SP监测”（FANUC0iMate-MD伺服系统）或“主轴监”（FANUC0iMF伺服系统）键，调出主轴监控画面。【资料卡】主轴监控画面中主轴报警、负载表、控制输入信号、控制输出信号的意义如下。①主轴报警：主轴发生异常时，显示主轴报警号。②负载表：以10%为一格进行显示，其最大显示值与参数4127对应。③控制输入信号：从控制单元输入主轴模块的信号，详情见教材。④控制输出信号：从主轴模块输出到控制单元的信号，详情见教材。2．调出诊断功能画面当数控机床出现异常时，在诊断功能画面中会显示报警信号和监控数据，为故障诊断提供依据。按“”键后，按“诊断”键，即可调出诊断功