《数控机床维修与调试》-第三章

第三章伺服驱动系统的维修与调试在自动控制系统中，通常把输出量能够以一定准确度随输入量变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统或拖动系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制量的自动控制系统。数控机床一般可分为进给伺服驱动系统和主轴伺服系统两种，主要用于控制机床的进给运动和主轴转速。数控机床的伺服系统是机床主体和CNC装置的联系环节，也是数控机床的重要组成部分和关键部件。数控机床的性能很大程度上取决于伺服驱动系统的性能。因此，做好对伺服系统的维护、维修与调试，是保证数控机床正常运行的关键。下一页第三章伺服驱动系统的维修与调试3.1伺服驱动系统概述3.2主轴驱动系统的维修与调试3.3进给伺服驱动系统的维修与调试3.4位置检测系统的故障分析与维护3.1伺服驱动系统概述3.1.1伺服驱动系统的功用伺服是英文Servo的谐音，在数控机床中，是由计算机发出指令脉冲，让驱动电动机拖着机床工作台运动的，而这台电动机的运动速度和运动距离完全按着计算机的指令行事，因为它可以准确无误地完成指令要求的任务，所以称作伺服驱动。1.伺服驱动系统的功能在数控机床中，伺服驱动系统的主要功能是接收来自CNC装置的指令脉冲，将这些指令脉冲经过一定的信号变换及电压、功率放大后，再驱动各加工坐标轴按指令脉冲运动，从而准确地控制它们的速度和位置，加工出满足图样要求的工件。返回下一页3.1伺服驱动系统概述2.伺服驱动系统的性能伺服驱动系统的性能优劣在很大程度上决定了数控机床的性能和加工精度。例如，数控机床的最高移动速度、跟踪精度、定位精度及重复定位精度等重要指标，均直接取决于伺服系统的静态和动态性能。伺服驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能和数控机床的档次，所以，在数控技术发展的历程中，伺服驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。至今伺服系统仍被视为一个独立部分，研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键任务之一。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述3.1.2伺服系统的组成与分类1.伺服系统的组成如图3-1所示，数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置(亦称检测系统)。2.伺服系统的分类1)按伺服系统控制方式分类(1)开环控制数控系统返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述开环控制系统没有检测反馈装置，数控装置发出的指令信号是单方向传递的，以步进电机为驱动元件，由步进驱动装置和步进电机组成，如图3-2所示。开环控制系统结构简单，易于控制，但精度低、低速平稳性差、高速扭矩小，一般用于轻载、负荷变化不大或经济型数控机床上。(2)半闭环控制数控系统半闭环控制系统位置检测装置安装在电动机上或丝杠轴端，通过角位移的测量，间接测量机床工作台的实际位置，并与CNC装置的指令值进行比较，用差值进行控制。半闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，由位置比较、速度控制、伺服电机等组成，如图3-3所示。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述因为半闭环控制系统只检测电机的旋转角度而不检测机械间隙等，所以整个系统位置环增益可以较大，且调试比较容易，稳定性较好。对部分环节造成的误差可以控制，精度比开环高，传动链上有规律的误差(如间隙及螺距误差等)，可由数控系统加以补偿消除，因而该系统可获得较高的精度。(3)全闭环控制数控系统闭环控制系统位置检测装置安装在机床工作台上，直接测量工作台的实际位移，并与CNC装置的指令值进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统以交、直流伺服电机作为驱动元件，用于高精度设备的控制，结构如图3-4所示。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述闭环控制系统直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，通过反馈控制，可调节全部传动环节造成的误差，其精度很高，检测装置的精度对系统的精度影响大。但由于在位置环中存在着延迟、间隙等非线性环节，因此系统的稳定性差，调试较困难。2)按伺服电机类型分类(1)步进伺服系统步进伺服系统是典型的开环伺服系统，由步进电机及其驱动系统组成。步进伺服系统是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。步进电动机每转一周都有固定的步数，从理论上讲其步距误差不会累计。步进伺服系统结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。由于步进伺服系统易于失步，所以主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，步进伺服系统的性能将提高到一个新的水平。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述(2)直流伺服系统直流伺服系统常用的伺服电机有小惯量直流伺服电机和永磁直流伺服电机(也称大惯量直流伺服电机)。小惯量直流伺服电机最大限度地减少了电枢的转动惯量，快速性较好，在早期的数控机床上应用较多。永磁直流伺服电机转子惯量大，在较大负载转矩下能长时间工作，低速下运行平稳。20世纪80年代前后，永磁直流伺服电机得到了极其广泛的应用。直流伺服系统虽有优良的调整性能，但由于其在结构上采用了易磨损的电刷和换向器，因此需要经常维护。换向火花使电动机的最高转速受到了限制。此外，直流电动机结构复杂、制造困难、材料消耗大，因此制造成本高。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述(3)交流伺服系统针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电枢绕组装在定子、转子上作为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机。同时随着矢量控制方法的实用化，交流伺服系统也具有良好的伺服特性。由于交流伺服系统具有宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，所以其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。并且可实现了弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。因此，交流伺服系统的应用得到了迅速的发展，正逐步取代直流伺服系统的应用。目前，交流伺服系统已占据机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在3个方面：返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。(4)直线伺服系统因为传统设计和制造的NC机床受制于标准驱动装置及控制器，所以其加工的精度和速度受到限制。在20世纪80年代末出现了直线伺服电机。其由两个元件组成，电磁力直接作用于移动元件而无需机械连接，没有螺距周期误差，其精度完全依赖于反馈系统和分级的支承。直线伺服系统由全数字伺服驱动器供电，具有刚性高和频响好的优点，因而使用它可获得高速度。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式(DirectDrive)。与传统的旋转传动方式相比，直接驱动方式最大的特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。与旋转电动机相比，直线电动机主要有如下4个特点：一是结构简单，由于直线电动机不需要有旋转运动变成直线运动的附加装置，因而使得系统本身的结构大为简化，重量和体积大大地减少；二是定位精度高，在需要直线运动的地方，直线电动机可以实现直接传动，因而可以消除中间环节所带来的各种定位误差，故其定位精度高；三是反应速度快、灵敏度高，可使滑块和定子之间始终保持一定的空气间隙而不接触，这就消除了定子、滑块间的接触摩擦阻力，因而极大地提高了系统的灵敏度、快速性和随动性；四是工作安全可靠、寿命长。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板形和圆筒形等形式。目前应用到数控机床上的主要有高精度、高频响、小行程直线电动机与大推力、长行程、高精度直线电动机两类。3)按反馈比较控制方式分类数控机床位置闭环伺服系统是由指令信号与反馈信号相比较后得到偏差，再实现偏差控制的。在伺服系统中，由于采用的位置检测元件不同，位置指令信号与反馈信号比较方式通常可分为3种：脉冲比较、相位比较和幅值比较。所以伺服系统按反馈比较控制方式可分为脉冲数字比较伺服系统、相位比较伺服系统、幅值比较伺服系统3种。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述(1)脉冲数字比较伺服系统在数控机床中，如果插补器给出的指令信号是数字脉冲，选择磁尺、光栅、光电编码器等元件作为机床移动部件位移量的检测装置，输出的位置反馈信号亦是数字脉冲信号。这样，给定量与反馈量的比较就是直接的脉冲，由此构成的伺服系统就称为脉冲比较伺服系统，简称脉冲比较系统，亦称为数字伺服系统。(2)相位比较伺服系统在高精度的数控伺服系统中，相位与幅值伺服系统的位置检测元件常用的是旋转变压器、感应同步器、磁栅和光栅等。这些测量元件及检测电路都可输出相位比较信号或幅值比较信号。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述如果位置检测元件采用相位工作方式，控制系统中要把指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，通过二者相位的比较，得到实际位置与指令位置的偏差，从而实现位置和速度的控制，这样的系统称为相位比较伺服系统，简称相位伺服系统。由于这种系统的调试比较方便，精度又高，特别是抗干扰性能好，所以在数控系统中得到较为普遍的应用，是数控机床常用的一种位置控制系统。(3)隔值比较伺服系统位置检测元件如处于幅值工作状态，输出幅值大小与机械位移成正比的模拟信号。若将此信号作为位置反馈信号与指令信号比较，实现由位置和速度控制构成的闭环系统，该系统就称为幅值比较伺服系统，简称幅值伺服系统。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述4)按伺服驱动对象分类(1)进给伺服驱动系统数控机床的进给伺服驱动系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量的，接收来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，将这些脉冲指令经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台相对于刀具运动的控制系统。数控机床的进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与机床进给机械传动机构两大部分组成。可采用开环、闭环和半闭环3种控制方式，开环伺服系统只能由步进电机驱动，闭环伺服系统则有直流电动机和交流电动机两种驱动方式。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述(2)主轴伺服系统数控机床的主轴伺服系统是以转速、切削功率和转矩为主要控制目标，分为直流主轴系统和交流主轴系统两种。数控机床主轴伺服系统可由数控装置直接控制，也可由数控装置通过可编程控制器控制。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述3.1.3伺服系统的工作原理伺服系统是一种反馈控制系统，将指令脉冲为输入给定值与输出被调量进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。所以伺服系统的运动来源于偏差信号，该系统必须具有负反馈回路，始终处于过渡过程状态。伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。伺服驱动系统能够控制移动机构实现稳定速度和精确定位，但其难度非常大。因为电动机拖着一个重量很重的工作台，而且摩擦力会随着温度、润滑状态、设备的新旧程度等因素而变化。但是随着科学技术的进步，人们不断从生产实践中总结经验，一步一步找到了好的控制办法，这就是3环结构。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述这3个环就是位置环、速度环和电流环，其控制框图如图3-5。1.电流环电流环也称为内环，电流环有两个输入信号，一个是速度环输出的指令信号；另一个是经电流互感器处理后得到的电流信号，代表电动机电枢回路的电流。电流环也是负反馈。电流环的输出是一个电压模拟信号，用它来控制PWM电路，产生相应的占空比信号去触发功率变换单元电路，使电动机获得一个与计算机指令相关的，并与电动机位置、速度、电流相关的运行状态。这个运行状态满足计算机指令的要求，电流环是为伺服电动机提供转矩的电路。一般情况下，电流环与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内连接完成，因此不需接线与调整。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述2.速度环速度环也称为中环，是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度环输入信号有两个：一个是位置环的输出，作为速度环的指令信号送给速度环；另一个由电动机带动的测速发电机经反馈网络处理后的信息，作为负反馈送给速度环。速度环的两个输入信号也是反相的。速度环的输出就是电流环的指令输入信号。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行。而对于垂向运动坐标轴则会因为位置环开环时自动下落而发生危险，可以先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要维修者有一定的经验并且细心。3.位置环位置环也称为外环，输入信号是计算机给出的指令和位置检测器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈，也就是说该信号与指令信号相位相反。指令信号是向位置环送去加数，而反馈信号是送去减数。位置环的输出就是速度环的输入，它是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度.有如下两方而的工作返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述①位置测量元件的精度与数控系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉冲数目经过外部倍频电路、数控系统内部倍频系数的倍频后，要与数控系统规定的分辨率相符。例如，位置测量元件数为10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。②位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常K，值是作为数控机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是数控机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。Kv值的设置要注意两个问题。首先要满足下式：Kv=v/

返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述式中：v——坐标运行速度；

——跟踪误差。不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。例如，坐标运行速度的单化是m/min，则Kv值单位为m/(mm·min)，若v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/(mm·s)；其次要满足各联动坐标轴的凡值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是以K，值最低的坐标轴为准。4.位置反馈位置反馈有以下3种情况。①开环控制，即没有位置测量元件，无位置反馈，这种位置反馈一般采用步进电机驱动。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述②半闭环控制，即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，在加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后，这种位置反馈可以得到很高的位置控制精度；③全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，从理论上讲，这种控制的位置精度情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高。如果系统达不到要求，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。测量元件是否精确安装影响全闭环控制的精度。返回下一页上一页3.1伺服驱动系统概述5.前馈控制前馈控制与位置反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性最终提高位置控制精度。要注意的是，前馈的加入必须是在上述3个控制环均最佳调试完毕后。3个控制环均采用调节器调节，位置调节器的输出是速度调节器的输入；速度调节器的输出是电流调节器的输入；电流调节器的输出直接控制功率变换单元，3个控制环的反馈信号也均为负反馈。返回上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试3.2.1主轴驱动系统的概述主轴驱动系统又称为主轴伺服系统或主传动系统，是在数控系统中完成主运动的动力装置部分。主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出合格的零件。主轴驱动系统是零件加工的成型运动之一，其性能直接决定犷加工工件的表面质量，因此，在数控机床的维护、维修与调试中，主轴驱动系统很重要。主轴伺服系统控制主轴的启动、停止、正转、反转和转速调节等，主轴要求调速范围宽。返回下一页3.2主轴驱动系统的维修与调试当数控机床有螺纹加工、准停和恒线速度加工等功能时，主轴电动机需要装配脉冲编码器位置检测元件作为主轴位置反馈。现在有些系统还具有C轴功能，即主轴旋转像进给轴一样进行位置控制，可以完成主轴任意角度的停止以及和Z轴联动完成刚性攻螺纹等功能。1.常用主轴驱动系统介绍(1)FANUC公司主轴驱动系统FANUC公司生产的主轴驱动系统可以分为直流主轴驱动系统与交流主轴驱动系统两大类。直流主轴驱动系统通常用于20世纪80年代以前的数控机床上，多与FANUC5、FANUC6、FANUC7系统配套使用。从20世纪80年代开始，FANUC公司已使用交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试目前使用的交流主轴电动机主要有S系列、H系列、P系列、FANUC

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i系列和FANUC

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i系列等。(2)SIEMENS公司主轴驱动系统SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GGS、1GFS、1GLS和1GHS四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置都采用晶闸管控制。20世纪80年代初期，SIEMENS公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100kW.驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A(SIMODRIVE611A)主轴驱动模块，主回路采用晶体管SP1VM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试另外，采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而实现矢量控制。通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，该系统可以实现主轴的定位控制。(3)HNC公司系列主轴驱动系统HSV-205是武汉华中数控股份有限公司推出的全数字交流主轴驱动器。该驱动器结构紧凑、使用方便、可靠性高。HSV一205采用的是最新专用运动控制DSP芯片、大规模现场可编程逻辑阵列(FPGA)和智能化功率模块(IPM等当今最新的技术设计，有025、050、075、100多种型号规格，这些型号规格都具有很宽的功率选择范围。用户可根据要求选配不同型号的驱动器和交流主轴电机，形成高可靠、高性能的交流主轴驱动系统。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试2.主轴驱动系统的分类主轴驱动系统分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类。(1)直流主轴驱动系统直流主轴驱动系统一般采用他励式直流主轴电动机。直流主轴控制系统为电机提供励磁电压和电枢电压，在恒转矩区励磁电压恒定，通过增大电枢的电压来提高电机的速度；在恒功率区保持电枢电压恒定，通过减少励磁电压来提高电机转速。为了防止直流主轴电动机在工作中过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。直流电动机一般需要输出较大的功率，因此，直流主轴驱动多半采用三相全控可控硅调速。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(2)交流主轴驱动系统交流主轴驱动系统一般采用感应异步电动机结构形式的交流主轴伺服电机。感应异步电动机是在定子上安装一套三相绕组，各绕组之间的角度相差120°，其中转子是用合金铝浇铸的短路条与端环。感应异步电动机结构简单，与普通电动机相比，机械强度和电气强度更强。在通风结构上已有很大的改进，定子上增加了通风孔，电动机外壳使用成形的硅钢片叠片，有利于散热。电动机尾部安装了脉冲编码器等位置检测元件。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试交流主轴伺服控制方式已从最初的矢量控制发展到现今的直接转矩控制，主电路脉宽调制技术(PWM)也从正弦PWM技术发展到优化PWM技术和随机PWM技术，功率元器件从可关断晶闸管(GTO)、电力晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)发展到IPM等智能模块。这些发展都有利于实现转速的控制，因此，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统(即交流主轴电动机配备变频器)或主轴伺服驱动器控制的方式。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试3.2.2主轴驱动系统的维修与调试1.直流主轴驱动系统的维修与调试数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理如图3-6所示，它是由速度环和电流环构成的“双环”速度控制系统。系统采用了逻辑无环流控制，主回路采用了两组晶闸管反并联可逆整流电路。当电动机转速在额定转速以下调节时，调速系统通过调节主轴电动机的电枢电压实现自动变速，输出为“恒转矩”特性。当电动机转速在额定转速以上调节时，直流主轴电动机的电枢电压保持额定电压不变，通过控制励磁电流实现弱磁调速，输出为“恒功率”特性。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试图3-6的上半部分所示是主轴驱动器特有的励磁控制回路。励磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈和励磁电流反馈3组信号经比较器，输出到PI调节器，PI调节器的输出经过电压/相位调节器，控制励磁控制主回路的晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。1)主电路及其工作原理数控机床主轴要求正、反转，且切削功率尽可能大，并希望可以迅速停止和改变转向，故主轴直流电动机驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统，其主电路如图3-7所示，其中VT1为正组晶闸管，VT2为反组晶闸管。反并联线路能实现电动机正反向的电动和回馈发电制动，三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统四象限运行如图3-8所示。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试当电动机正向转动时，正组晶闸管VT1工作在整流状态，提供正向直流电流；当电动机反向转动时，则由反组晶闸管VT2工作在整流状态，提供反向直流电流，此时正组晶闸管VT1工作在待逆变状态，为反向制动做准备。当电动机需要从正向运动状态转到反向电动状态时，速度指令由正变负，正组晶闸管VT1进入逆变状态，电动机电枢回路中的电感储能维持电流方向不变，电动机仍处于电动状态，但电枢电流逐渐减小。当电枢电流为零时，正反组晶闸管都处于封锁状态，可避免控制失误造成短路，此时电动机在惯性作用下自由转动。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试经过安全延时后，反组晶闸管VT2进入有源逆变状态，此时电动机工作在回馈发电制动状态，电动机将机械能送回电网，转速迅速下降，当转速为零时，反组晶闸管VT2进入整流状态，电动机反向启动。这样就完成了从正转到反转的转换过程，即完成了从第一象限到第三象限的工作转换。电动机从反转到正转的转换只不过是VT1和VT2的控制相反而已，该电路的回馈发电制动也能实现电动机的停车控制。因此反并联线路除了能缩短制动和正反向转换的时间外，还能将主轴旋转的机械能转换成电能送回电网，从而提高工作效率。(2)主电路控制要求为了避免两组晶闸管同时工作造成短路，可采用逻辑无环流可逆控制系统。该系统利用逻辑电路检测电枢电路的电流值是否达到零，并判断旋转方向，提供正组或反组的允许开通信号。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试这样确保一组晶闸管在工作时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从根本上切断了正、反两组晶闸管之间的直流环流通路。因此逻辑电路必须满足下述条件。①任何时刻只允许向一组晶闸管提供触发脉冲。②只有当工作的那一组晶闸管电流为零后，才能撤销其触发脉冲，否则，当晶闸管逆变时，出现逆变颠覆现象，从而造成故障。③只有当工作的那一组晶闸管完全关断后，才能再向另一组晶闸管提供触发脉冲，否则会出现大的环流。④任何一组晶闸管导通时，都要防止其输出电压与电动机电动势方向一致，否则会导致电流过大。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(3)励磁控制回路图3-9为FANUC直流主轴电动机驱动控制示意图。直流电动机的励磁绕组控制回路由励磁电流设定回路、电枢电压反馈回路及励磁电流反馈回路组成。当电枢电压低于210V时，磁场控制回路中的电枢电压反馈环节不起作用，只有励磁电流的反馈作用维持励磁电流不变，从而实现额定转速以下的恒转矩调压调速；当电枢电压高于210V时，励磁电流反馈不起作用，而引入电枢反馈电压。随着电枢电压的提高，磁场电流减小，转速上升，实现额定转速以上的恒功率弱磁调速。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(4)每组晶闸管的控制系统电枢绕组的每一组晶闸管控制均采用双闭环调速系统，其中内环是电流环，外环是速度环，如图3-9所示。速度指令的模拟电压信号vg。与实际转速反馈电压：vfn的差值

vn经速度调节器输出，作为电流调节器的给定信号vi。然后，电流调节器的给定信号vi与实际驱动电动机电枢电流反馈信号综合比较后，差值为

vi，根据

vi的大小，按偏差控制电动机的电流和转矩。当速度差值大时，电动机转矩大，系统加速度也大，电动机能较快地达到转速给定值；当转速比较接近给定值时，电动机转矩自动减小，这样可以避免过大的超调和稳定时间过长。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试电流环的作用是当系统受到外来干扰时，能迅速地做出抑制响应，以保证系统具有最佳的加速和制动时间特性。另外，双闭环调速系统中速度调节器的输出限幅也限定了电流环中的电流。在电动机启动过程中，电动机转矩和电枢电流急剧增加直到达到限定值，在这个过程中，电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚至超过了给定值时，速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节器的输出低于限幅值，电流调节器使电枢电流下降，转矩也随之下降，电动机减速。当电动机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速，直到重新达到速度给定值。因此，双闭环直流调速系统对主轴的快速启停，保持稳定运行等都起到了相当重要的作用。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试另外，直流主轴驱动装置还具有当速度到达设定值时，零速检测等辅助信号输出的功能，还有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等多项报警保护措施，可以确保系统安全可靠地工作。【例3-1】某加工中心采用直流主轴电动机和逻辑无环流可逆调速系统，当用M03指令动时有“咔、咔”的冲击声，电动机换向片上有轻微的火花，启动后，无明显的异常现象；当用MO5指令使主轴停止运转时，换向片上出现强烈的火花，同时伴有“叭、叭”的放电声，随即交流回路的保险丝熔断。火花的强烈程度与电动机的转速有关，转速越高，火花越大，启动时的冲击声也越明显。用急停方式停止主轴，换向片上没有任何火花。故障检查与分析：该机床的主轴电动机有如下两种制动方式。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试①电阻能耗制动：只用于急停。②回馈制动：用于正常停机(M05)。主轴直流电动机驱动系统是一个逻辑无环流可逆控制系统，在任何时候都不允许正、反两组晶闸管同时工作，其制动过程为“本桥逆变—电流为零—他桥逆变制动”。根据故障特点，急停时无火花，而用MO5指令时有火花，说明故障与逆变电路有关。他桥逆变时，电动机运行在发电机状态，导通的晶闸管始终承受着正向电压，这时晶闸管触发控制电路必须在适当时刻使导通的晶闸管受到反压而被迫关断。若是漏发或延迟了触发脉冲，已导通的晶闸管就会因得不到反压而继续导通，并逐渐进入整流状态，其输出电压与电动势成顺极性串联，造成短路，引起换向片上出现火花，熔丝熔断的故障。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试同理，启动过程中的整流状态，若漏发触发脉冲，已导通的晶闸管会在经过自然换向点后自行关断，这将导致晶闸管输出断续，造成电动机启动时的冲击。故障处理：从上分析可知，本故障是由晶闸管的触发电路故障引起的。因此通过更换电路板可以将故障排除。2.交流主轴驱动系统的维修与调试随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动机材料、结构及控制理论有了突破性的进展。20世纪80年代初期推出了交流驱动系统，这标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机具有无须维护、便于制造、不受恶劣环境影响等优点，所以直流驱动系统已逐步被交流驱动系统所取代。与交流伺服驱动一样，交流主轴驱动系统有模拟式和数字式两种形式。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(1)模拟式交流主轴驱动系统图3-10为模拟式交流主轴驱动系统的原理枢图，其工作过程如下。将数控系统发出的速度给定指令VCMD和来自检测元件的速度反馈信号TSA进行比较，放大后输出速度误差信号。速度误差信号再经调节器放大，作为转矩指令输出。转矩指令信号通过乘法器，分别与转子位置计算回路中输出的sinθ和sin(θ-240°)算子相乘，其乘积作为电流指令信号输出。电流指令与电流反馈信号相比较后，产生电流误差信号，电流误差信号经放大后输出到PWM控制回路，进行脉宽调制控制。脉宽调制信号通过功率晶体管与电源回路的逆变形成三相交流电，控制交流伺服电动机的电枢。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(2)数字式交流主轴驱动系统图3-11为数字式交流主轴驱动系统的原理框图，其工作过程如下。将数控系统发出的转速给定指令1与测速反馈信号2比较后产生转速误差信号，这一转速误差经比例积分调节器3放大后，作为转矩给定指令电压输出。转矩给定指令经绝对值回路4将转矩给定指令电压转化为单极性信号，然后经函数发生器6和V/F变换器7转换为转矩给定脉冲信号。转矩给定脉冲信号在微处理器8中与四倍频回路17输出的速度反馈脉冲进行运算。同时，将预先存储在微处理器ROM中的信息输出幅值和相位信号，分别送到DA振幅器10和DA强励磁9。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试DA振幅器用于产生与转矩指令相对应的电动机定子电流的幅值，而DA励磁强化回路用于控制增加定子电流的幅值。两个幅值经乘法器11处理后，形成定子电流的给定幅值。一方面，将从微处理器输出的U，V相位信号sinθ和sin(θ-120°)分别送到U相和V相的电流指令回路12，这两个信号在电流指令回路中与幅值给定相乘后产生U相和V相的电流给定指令。电流给定指令与电流反馈信号比较之后的误差，经放大后送到PWM控制回路14，变成固定频率的脉宽调制信号，其中，W相信号由IU和IV信号合成。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试上述脉宽调制信号经P1VM转换器15，最终控制电动机的三相电流，它作为检测器件的脉冲编码器产生每转固定的脉冲。这一脉冲经四倍频回路17进行倍频后，再经F/V转换器19转换为电压信号，提供速度反馈电压。由于低速时，F/V转换器的线性度较差，所以速度反馈信号一般还需要在微分电路18和同步整流电路20中做相应的处理。【例3-2】某配备西门子系统数控机床，主轴采用额定功率33kW的SIEMENS6SE1133-133-4WBOO交流变频驱动器，在运行过程中出现该驱动器无输出，且有电压不正常的故障提示(F2)。故障诊断与维修过程如下。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试①送上三相交流电，检查中间直流电压，发现无直流电压，说明整流滤波环节出故障。然后断电，进一步检查主回路，如图3-12所示。发现熔丝及阻容滤波的电阻都已损坏，换上相应的元器件，检查到中间直流电压正常。但此时勿急于通电，应再检查逆变主回路(如要测试整流、滤波环节是否正常，最好断开点A或点B后再测量)。②检查逆变器主回路，发现有一组功率模块的C，E之间已击穿短路，换上功率模块后逆变主回路已正常。但凡有模块损坏的必须检查相应的前置放大回路。③找到损坏回路的光锅输入端及前置放大输出端，断开所有控制输入/输出端与主回路的连接。加上控制电源后，发现该回路的一块厚膜组件和一个电阻损坏。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试更换后，进一步在光锅处加上正信号，模拟测试6路控制回路状态均相同。此时可判定控制回路已正常。④接好测试时拆下的线路，接上所有的外围线路。通电试车，驱动器已正常。3.主轴通用变频器数控主轴驱动大多采用变频器控制交流主轴电动机。随着数字控制的SPWM变频调速系统的发展，采用通用变频器控制的数控机床主轴驱动装置越来越多。所谓“通用”，一是指可以和通用的笼型异步电动机配套应用；二是指具有多种可供选择的功能，以应用于不同性质的负载。下面以三菱FR-A500系列变频器(如图3-13)为例进行介绍。1)三菱FR-A500系列变频器系统组成图3-13(a)所示为三菱FR-A500系列变频器系统的组成。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试在图3-13(a)中，交流电抗器是为了减小输入电流的高次谐波，直流电抗器则是用于功率因数校正。有时为了减小电动机的振动和噪声，在变频器和电动机之间还可加入降噪电抗器。为防止变频器对周围控制设备的干扰，可在电源侧选用无线电干扰(REI)抑制电抗器。从图3-13(b)的接口定义中可以看出，该变频器的速度是通过2、5端CNC系统输入的模拟速度控制信号，以及RH、RM和RL端由拨码开关编码输入的开关量或CNC系统数字的输入信号来设定的，该变频器可实现电动机从最低速到最高速的三级变速控制。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试2)参数设置(1)变频器的电源显示变频器的电源显示也称为充电显示，它除了表明是否已经接上电源外，还显示了直流高压滤波电容器上的充、放电状况。因为在切断电源后，高压滤波电容器的放电速度较慢，此时电压较高，对人体会造成危险。每次关机后，必须等电源显示完全熄灭后，方可进行调试和维修。(2)变频器的参数设置变频器和主轴电动机配用时，根据主轴加工的特性和要求，必须先进行参数设置，如加、减速时间等。设定的方法是通过编程器上的键盘和数码管显示，来进行参数的输入和修改。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试①首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。②按数字键或数字增减键(△键和▽键)，选择需进行预置的功能码。③按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据(或数据码)。④如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。⑤按写入键或设定键，将修改后的数据写入。⑥如预置尚未结束，则转入步骤②，进行其他功能的设定。如预置完成，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，从而启动电动机。3)变频器的故障显示变频器的故障显示主要有以下3种方式。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试①代码表示。变频器可以通过不同的代码显示来反映不同的故障原因。例如，在SANKENSVF系列变频器中，代码5表示过电压报警；代码3表示过载过电流；代码4表示冲击过电流等。②发光二极管显示。变频器可以通过各种不同的发光二极管来反映不同的故障原因。例如，AC200S交流主轴驱动装置上的LED1灭，说明欠电压或过电压及贯通性过电流；LED2灭，说明过热；LED3灭，说明过电流等。③字符显示。变频器可以通过各种不同缩写的英文字符来反映不同的故障原因。例如，过电流为OC(OverCurrent)，过电压为OV(OverVoltage)，过载为OL(OverLoad)，过热为OH(OverHeat)等。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试4)变频控制的故障诊断①过电压。主要有两种情况：一种是电源电压过高造成的，另一种是降速过快造成的。②欠电压。主要考虑两个方面。一个是电源方面：电源电压低于额定值电压的10%或电源缺相都会造成欠电压；另一个是主电路方面：整流器件损坏或限流电阻R。未“切出”电路都会造成欠电压。③过电流。主要有两种情况。一种是非短路性过电流：电动机严重过载或电动机加速过快都会造成过电流；另一种是短路性过电流：负载侧短路、负载侧接地或变频器逆变桥同一桥臂的上下两晶体管同时导通，形成“直通”都会造成过电流。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试【例3-3】配套某系统的数控车床，主轴驱动采用三菱公司的FR-A500系列变频器，在加工过程中，变频器出现过压报警。故障检测与分析：仔细观察机床故障产生的过程，发现故障总是在主轴启动、制动时发生，因此，可以初步确定故障的产生与变频器的加/减速时间设定有关。当加/减速时间设定不当时，如主启/制动频繁或时间设定太短，变频器的加/减速就无法在规定的时间内完成，则容易产生过电压报警。故障处理：修改变频器参数，适当增加加/减速时间后，故障消除。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试3.2.3主轴驱动系统的常见故障与表现1.主轴驱动系统的常见故障及维修：(1)外界干扰故障现象：主轴在运转过程中出现随机和无规律的振动或转动。原因分析：主轴伺服系统受电磁、供电线路或信号传输干扰的影响，主轴速度指令或反馈信号受到干扰，主轴伺服系统误动作。检查方法：令主轴转速指令为零，调整零速平衡电位计或漂移补偿量参数，观察是否是因系统参数变化引起的故障。若调整后仍不能消除该故障，则该故障多为外界干扰信号引起主轴伺服系统误动作。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试采取措施：在电源进线端加装电源净化装置，动力线和信号线要分开，布线要合理，信号线和反馈线按要求屏蔽，接地线要可靠。(2)主轴过载故障现象：主轴电动机过热、CNC装置和主轴驱动装置显示过电流报警等。原因分析：主轴电动机通风系统不良、动力线接触不良、机床切削用量过大、主轴频繁正反转等引起电流增加，电能以热能的形式散发出来，主轴驱动系统和CNC系统通过检测，显示过载报警。检查方法：根据CNC和主轴驱动装置的提示报警信息，检查可能引起故障的各种因素。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试采取措施：保持主轴电动机通风系统良好和过滤网清净；检查动力接线端子接触情况；正确使用和操作机床，避免过载。(3)主轴定位抖动故障现象：主轴在正常加工时没有问题，但在定位时产生抖动。原因分析：主轴定位准停用于刀具交换，一般有以下3种实现方式。①机械准停控制。由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。②磁性传感器的电气准停控制。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁性传感器之间的间隙为(1.5±0.5)mm。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试③编码器型的准停控制。通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。上述准停方式均要经过减速的过程，减速或增益等参数设置不当均会引起定位抖动。另外，机械准停控制中的定位液压活塞移动的限位开关失灵、磁性传感器的准停控制中发磁体和磁性传感器之间的间隙发生变化或磁性传感器失灵均会引起定位抖动。检查方法：根据主轴定位方式，主要检查各定位、减速检测元件的工作状况和安装固定情况，如限位开关、接近开关、霍尔元件等。采取措施：保证定位的执行元件运转灵活，检测元件稳定可靠。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(4)主轴转速与进给不匹配故障现象：当进行螺纹切削、刚性攻丝或要求主轴与进给同步配合加工时，出现进给停止、主轴仍继续运转或加工螺纹零件出现乱牙现象。原因分析：当主轴与进给同步配合加工时，要依靠主轴上的脉冲编码器来检测反馈信息，若脉冲编码器或连接电缆线有问题，则会引起上述故障。检查方法：通过调用I/O状态数据，观察编码器信号线的通断状态；取消主轴与进给同步配合，用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，可判断故障是否与编码器有关。采取措施：更换维修编码器，检查电缆连接情况，特别注意信号线的抗干扰措施。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(5)车1速偏离指令值故障现象：实际主轴转速值超过技术要求规定指令值的范围。原因分析：电动机负载过大引起转速降低，或低速极限值设定太小造成主轴电动机过载；检测反馈信号变化而引起速度控制单元输入变化；主轴驱动装置故障，导致速度控制单元错误输出；CNC系统输出的主轴转速模拟量(±10V)没有达到与转速指令相对应的值。检查方法：空载运转主轴，检测比较实际主轴转速值与指令值，判断故障是否是由负载过大引起的；检查测速反馈装置及电缆线，调节速度反馈量的大小，使实际主轴转速达到指令值；用备件替换法判断驱动装置故障部位；检查信号电缆线的连接情况，调整有关参数使CNC系统输出的模拟量与转速指令值相对应。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试采取措施：更换、维修损坏的部件，调整相关的参数。(6)主轴异常噪声及振动首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。①在减速过程中发生的主轴异常噪声及振动，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时产生的主轴异常噪声及振动，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则说明主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无关，则一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好、测速装置是否不良。返回下一页上一页3.2主轴驱动系统的维修与调试(7)主轴电动机不转CNC系统至主轴驱动装置一般有速度控制模拟量信号和使能控制信号，主轴电动机不转，应重点围绕着这两个信号进行检查：检查CNC系统是否有速度控制信号输出；检查使能信号是否接通。通过I/O状态数据，确定主轴的启动条件如润滑、冷却等是否满足。此外，有可能是主轴驱动装置故障或主轴电动机故障。2.主轴伺服系统的故障表现形式①在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；②在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；③主轴工作不正常，似无任何报警信息。返回上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试3.3.1进给伺服驱动系统的概述1.常见进给伺服驱动系统常见进给驱动系统主要有步进驱动系统、直流进给驱动系统和交流进给驱动系统3种。(1)步进伺服驱动系统在步进电动机驱动的开环控制系统中，典型的产品有KT400数控系统及KT300步进驱动装置和SINUMERIK8025数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置及IMPS五相步进电动机等。(2)直流伺服驱动系统返回下一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试①FANUC公司直流伺服驱动系统。从1980年开始，FANUC公司陆续推出了小惯量I系列、中惯量M系列和大惯量H系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服电动机采用PWM速度控制单元，大惯量伺服电动机采用晶闸管速度控制单元。这种系统的驱动装置有多种保护功能，如过速、过电流、过电压和过载等。②SIEMENS公司直流伺服驱动系统。SIEMENS公司在20世纪70年代中期推CHULE1HU系列永磁式直流伺服电动机，其规格有1HU504、1HU305、1HU307、1HU310和1HU313。与伺服电动机配套的速度控制单元有6RA20和6RA26两个系列，前者采用晶体管PWM控制，后者采用晶闸管控制。驱动系统除了各种保护功能外，另具有l2t热效应监控等功能。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试(3)交流伺服驱动系统①FANUC公司交流伺服驱动系统。FANUC公司在20世纪80年代中期推出了晶体管PWM控制的交流驱动单元和永磁式三相交流同步电动机，电动机的系列有S系列、I系列、SP系列和T系列，驱动装置有。系列交流驱动单元等。②SIEMENS公司交流伺服驱动系统。1983年以来，SIEMENS公司推出了交流驱动系统。该系统由6SC610系列进给驱动装置和6SC611A(SIMODRIVE611A)系列进给驱动模块、1FT5和1FT6系列永磁式交流同步电动机组成。其驱动采用晶体管P1VM控制技术，带有l2t热监控等功能。另外，SIEMENS公司还有用于数字伺服系统的SIMODRIVE611D系列进给驱动模块。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试2.伺服驱动系统的结构形式伺服驱动系统不同的结构形式，主要体现在检测信号的反馈形式上，下面以带编码器的伺服电动机为例来说明其4种不同的结构形式。(1)转速反馈信号与位置反馈信号处理分离如图3-14所示，转速反馈信号与位置反馈信号的处理分离，驱动装置与数控系统配接有通用性。图3-14(b)所示为由SINUMERIK800系列数控系统、SIMODRIVE611A进给驱动模块和IFTS伺服电动机构成的进给伺服系统。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试数控系统位置控制模块上X141端口的25针插座为伺服输出口，输出0～±10V的模拟信号及使能信号至进给驱动模块上56，14速度控制信号接线端子和65、9使能信号接线端子；位控模块上的X111、X121和X131端口的巧针插座为位置检测信号输入口，由1FT5伺服电动机上的光电脉冲编码器(ROD320)检测获得；速度反馈信号由LFTS伺服电动机上的三相交流测速发电机检测反馈至驱动模块X311插座中。(2)位置处理和速度处理均在数控系统中完成如图3-15所示，伺服电动机上的编码器既作为转速检测，又作为位置检测，其位置处理和速度处理均在数控系统中完成。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试图3-15(b)所示为FANUC数控系统与用于车床进给控制的

系列2轴交流驱动单元的伺服系统，伺服电动机上的脉冲编码器将检测信号直接反馈到数控系统中，这些检测信号经位置处理和速度处理，输出速度控制信号、速度反馈信号及使能信号至驱动单元JV1B和JV2B端口中。(3)检测元件提供双重反馈信号如图3-16所示，伺服电动机上的编码器同样作为速度检测和位置检测，检测信号经伺服驱动单元一方面作为速度控制，另一方面输出至数控系统进行位置控制，驱动装置具有通用性。图3-16(b)所示为由MR-J2伺服驱动单元和伺服电动机组成的伺服系统。数控系统输出速度控制模拟信号(0～±10V)和使能信号至驱动单元CN1B插座中的1、2针脚和5、8针脚，伺服电动机上的编码器将检测信号反馈至CN2插座中。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试这些检测信号一方面用于速度控制，另一方面再通过CN1A插座输出至数控系统中的位置检测输入口，在数控系统中完成位置控制。该类型控制同样适用于由SANYODENKIP系列交流伺服驱动单元和P6、P8伺服电动机组成的伺服系统。上述3种控制方式共同的特点是其位置控制均在数控系统中进行，且速度控制信号均为模拟信号。(4)数字式伺服系统图3-17所示为数字式伺服系统，在数字式伺服系统中，数控系统将位置控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统，数字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能，能独立完成位置控制。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试数控系统和数字伺服驱动单元采用串行通信的方式，可极大地减少连接电缆的数量，便于机床安装和维护，提高了系统的可靠性。由于数字伺服系统读取指令的周期必须与数控系统的插补周期严格保持同步，因此数控系统与伺服系统之间必须有特定的通信协议。就数字式伺服系统而言，CNC系统与伺服系统之间传递的信息有以下方面。①位置指令和实际位置；②速度指令和实际速度；③扭矩指令和实际扭矩；④伺服驱动及伺服电动机参数；⑤伺服状态和报警；返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试⑥控制方式命令。图3-17(b)所示为由三菱MELDAS50系列数控系统和MDS一SVJ2伺服驱动单元构成的数字式伺服系统。数控系统伺服输出口(SERVO)与驱动单元上的CN1A端口实行串行通信，通信信息经CN1B端口输出至第2轴驱动单元上的CN1A端口，伺服电动机上的编码器将检测信号直接反馈至驱动单元上的CN2端口中，在驱动单元中完成位置控制和速度控制。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试3.3.2进给伺服驱动系统的维修与调试1.FANUC交流进给伺服驱动系统的维修与调试1)常用FANUC交流伺服驱动器FANUC交流速度控制单元有多种规格，早期的交流伺服为模拟式，目前一般都使用数字式伺服。在数控机床中，FANUC常用的规格型号有以下几种。①与FANUC交流伺服电动机ACO、5、10、20M、20、30、30R等配套的模拟式交流速度控制单元。它是FANUC最早的交流伺服产品，其速度控制单元采用正弦波PWM控制，其驱动采用大功率晶体管驱动。在结构形式上，它可以分单轴独立型、双轴一体型和三轴一体型3种基本结构。该规格的FANVC多与FANUC11、OA、0B等系统配套使用。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试②与FANUC交流S(L、T)系列伺服电动机配套的S(L、C)系列数字式交流伺服驱动器，它是FANUC中期的交流伺服产品，其驱动器采用全数字正弦波WM控制，IGBT驱动。其中，S系列用量最广，规格最全，有单轴型和双轴型、三轴型3种结构；L系列只有单轴型结构；C系列有单轴型和双轴型两种结构。多与FANUCOC、11、15系统配套使用。③与FANUC

/

C/

M/

L系列伺服电动机配套的FANUC

系列数字式交流伺服驱动器，其驱动器带有IPM智能电源模块，采用全数字正弦波PWM控制和IGBT驱动。FANUC

系列数字式交流速度控制单元有如下两种基本结构形式。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·各驱动公用电源模块(PSM、伺服驱动单元(SVM)为模块化安装的结构形式，驱动器是单轴型和双轴型与三轴型3种结构。多与FANUCOC、5A/B、16A/B、18A、20、21系统配套使用。·电源与驱动器一体化(SVU型)的结构形式，各驱动器单元可以独立安装，有单轴型和双轴型两种结构，多与FANUC0C、OD、15A/B、16A/B、18A、20、21系统配套使用。④与FANUC

系列伺服电动机配套的FANUC

系列数字式交流伺服驱动器，采用电源与驱动器一体化(SVU型)的结构，驱动器带有IPM智能电源模块，采用全数字正弦波P1VM控制和IGBT驱动。可以使用P1VM接口、I/OLink接口，亦可以采用光缆接口。多与FANUCOTD、PM01等经济型数控系统配套使用。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试⑤与FANUC

i系列伺服电动机配套的FANUC

i系列伺服驱动器是FANUC公司的最新产品，它在FANUC

系列的基础上作户胜能改进。产品通过特殊的磁路设计与精密的电流控制以及精密的编码器速度反馈，使转矩波动极小、加速性能优异、可靠性极高。电动机内装有1.6亿脉冲/转极高精度的编码器作为速度、位置检测器件，使系统的速度、位置控制达到了极高的精度。

i系列驱动器由电源模块(PBM)、伺服驱动器(SVM)和主轴驱动器(BPM)等组成，伺服驱动与主轴驱动共用电源模块，组成伺服/主轴一体化的结构。伺服驱动模块有单轴型、双轴型和三轴型3种基本规格。标准型(FANUC由系列)为AC200V输入；高电压输入型(FANUC

i(HV)系列)为AC400V输入。FANUC

i系列交流数字伺服配套的数控系统主要有FANUC0i、FANUC15i/150i、FANUC16i/18i/160i/180i/20i/21i等。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试⑥巨系列是FANUC公司最新推出的可靠性高强、性价比卓越的进给伺服驱动装置系统。一般用于小型数控机床的进给伺服驱动及中、大型加工中心数控机床的附加伺服轴的驱动。常用于FANUC0iB/C和0imateB/C等系统。2)FANUC进给伺服装置的分类FANUC伺服装置按主电路输入的电源是交流还是直流，可分为伺服单元(SVU)和伺服模块(SVM)两种。伺服单元的输入电源为三相交流电(200V

、50Hz)，电动机的再生能量通过伺服单元的再生放电单元的制动电阻消耗掉。FANUC系统的伺服单元有

系列、

系列和

i系列。伺服模块的输入电源为直流电源(通常为DC300V)，电动机的再生能量通过系统电源模块反馈到电网。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试FANUC系统的伺服模块有

系列和

i系列，FANUC伺服单元和伺服模块的内容如表3-1和图3-18所示。3)FANUC系统伺服单元(SVU)(1)

系列伺服单元图3-19所示为

系列伺服单元端子功能及电缆接口。①接线端子说明如下。·L1、L2、L3：三相输入动力电源端子，交流200V。·L1C、L2C：单相输入控制电路电源端子，交流200V(出厂时与Ll、L2短接)。·TH1、TH2：为过热报警输入端子(出厂时，TH1-TH2已短接)，可用于伺服变压器及制动电阻的过热信号的输入。·RC、RI、RE：内装还是外接制动电阻选择端子。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·RL2、RL3：MCC动作确认输出端子(MCC的常闭点)。·100A、100B：C型放大器内部交流继电器的线圈外部输入电源(。型放大器已为内部直流24V电源)。·UL、VL、WL：第一轴伺服电动机动力线。·UM、VM、WM：第二轴伺服电动机动力线。②电缆接口说明如下。·JVIB、JV2B：A型接口的伺服控制信号输入接口。·JS1B、JS2B：B型接口的伺服控制信号输入接口。·JFl、JF2：B型接口的伺服位置反馈信号输入接口。·JA4：伺服电动机内装绝对编码器电池电源接口(6V)。·CX3：伺服装置内MCC动作确认接口，一般可用于伺服单元主电路接触器的控制。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·CX4：伺服紧急停止信号输入端，用于机床面板的急停开关(常闭点)。③

系列伺服单元的连接。图3-20为FANUCOTD系统与

系列伺服单元功能连接图。·TC1为三相伺服变压器，动力电源380V经伺服变压器转换成三相220V后连接到伺服单元的L1、L2、L3端子，作为伺服单元主电路的输入电源。·L1C、L2C维持出厂时分别与Ll、L2的连接，作为伺服单元控制电路的输入电源。·伺服单元的TH1-TH2端子与伺服变压器绕组内装的热偶开关连接，作为伺服变压器的过热保护检测信号。·JVIB、JV2B分别与FANUCOTD系统轴板的M184、M187连接，分别作为机床X轴和Z轴伺服电动机的进给信号。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·CX4与机床面板的急停开关相连，作为伺服单元急停信号输入控制。·伺服单元的UL、VL、WL、G连接到X轴伺服电动机，作为X轴伺服电动机。的动力电源。伺服单元的UM、VM、WM、G连接到Z轴伺服电动机，作为Z轴伺服电动机的动力电源。·X轴和Z轴伺服电动机的编码器分别与系统的M185、M188连接，分别作为机床X轴和Z轴的位置和速度反馈信号。④

系列伺服单元开关的设定。·开关1的设定：根据CNC系统与伺服放大器之间接口类型的不同，其设定也不同。A型伺服接口为OFF，B型伺服接口为ON，

设定不对时，将出现伺服“401报警”。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·开关2的设定：C型放大器和。型放大器的选择。C型放大器设定为ON，α型放大器设定为OFF，

设定不对时，将出现伺服“401报警”。·开关3、4的设定：根据使用的再生放电电阻的不同，其设定也不同。开关3、4均为ON时为内装型(400W)；开关3设为ON和开关4设为OFF时为分离型(800W)；开关3设为OFF，开关4设为ON时为分离型(1200W).⑤

系列伺服单元状态显示及检测端子。·7段LED显示7段LED不显示：控制电源没有接通。7段LED为“0”：伺服就绪。7段LED为“-”：伺服未就绪。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试7段LED为“#”：伺服报警。·测试针的功能IRL、ISL：第一轴伺服电动机R、S两相瞬时输出电流测试端。IRM、ISM：第二轴伺服电动机R、S两相瞬时输出电流测试端。5V、0V：伺服单元控制电路+5V电源的测试针。(2)

i系列伺服单元图3-21为巨系列伺服单元端子的接线图。①

i系列伺服单元端子功能如下。·Ll、L2、L3：主电源输入端接口，三相交流电源为200V，50/60Hz。·U、V、W：伺服电动机的动力线接口。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·DCC、DCP：外接DC制动电阻接口。·CX29：主电源MCC控制信号接口。·CX30：急停信号(*ESP)接口。·CXA20：DC制动电阻过热信号接口。·CX19A：DC24V控制电路电源输入接口，连接外部24V稳压电源。·CX19B：DC24V控制电路电源输出接口，连接下一个伺服单元的CX19A。·COP10A：伺服高速串行总线(HSSB)接口，连接下一个伺服单元的COP10B(光缆)。·COP10B：伺服高速串行总线(HSSB)接口，连接CNC系统的COP10A(光缆)。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试·JX5：伺服检测板信号接口。·JF1：伺服电动机内装编码器信号接口。·CX5X：伺服电动机编码器为绝对编码器的电池接口。②

i系列伺服单元的连接。下面以FANUC0iMadeTB系统为例说明的

i伺服单元的连接，如图3-22所示。TC1为三相伺服变压器，动力电源380V经伺服变压器转换成三相220V后分别连接到X轴、Z轴伺服单元的L1、L2、L3端子，作为伺服单元主电路的输入电源。外部24V直流稳压电源连接到X轴伺服单元的CX19A和X轴伺服单元的CX19B连接到Z

轴伺服单元的CX19A上，作为伺服单元控制电路的输入电源。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试伺服单元的DLL-DCP分别连接到X轴和Z轴的外接制动电阻上，CXA20连接到相应的制动电阻的热敏开关上，JF1连接到相应的伺服电动机内编码器的接口上，作为X轴和Z轴的位置和速度反馈信号。4)FANUC系统伺服模块(SVM)伺服模块的工作原理与伺服单元基本相同，只不过伺服单元的输入为交流电源(三相200V)，伺服电动机的再生能量经过制动单元放电实现快速制动。(1)

系列伺服模块(SVM)图3-23所示为

系列伺服模块，FANUC16/18/21/0iA系统一般采用

系列伺服模块进行伺服轴的驱动。返回下一页上一页3.3进给伺服驱动系统的维修与调试①接线端子说明如下。·P/N：DCLink端子盒，连接电源模块的DC300V。·BATTERY：绝对脉冲编码器的电池盒(标准为DC6V)，与伺服模块的CCX5连接。