《数控机床 故障诊断与维护》-教学单元5 伺服系统故障诊断及维护

教学单元5伺服系统故障诊断及维护5.1任务引入伺服驱动系统简称伺服系统(ServoSystem)，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，使输出的机械位移(或转角)准确地跟踪输人的位移(或转角)。伺服系统是用来精确地跟随某个过程的反馈控制系统，又称随动系统。下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护对于数控机床，如果说CVC装置是数控机床的“大脑”，是发布命令的“指挥机构”，那么伺服系统便是数控机床的“四肢”，是一种“执行机构”，准确地执行由CVC装置发出的运动命令。在数控机床使用过程中，进给伺服系统比较容易发生故障，做好伺服系统的故障诊断和处理工作，是数控机床维修和维护的关键。做好伺服系统的故障分析与维修，需要完成以下任务:①常用主轴伺服、进给伺服系统组成及工作原理是什么?②常用位置检测元件有哪些?③如何进行伺服驱动单元的调试?④伺服驱动单元的故障排除方法有哪些，如何进行维护?⑤位置检测系统的故障排除方法有哪些，如何进行维护?上一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5.2相关知识5.2.1伺服系统概述1.伺服驱动系统的性能指标数控机床的伺服驱动装置要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，从而提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。由于其应用的环境不同，技术水平的差异，使用条件也不尽相同，这就要求伺服系统要尽量适应不同设备的不同要求，这也对伺服系统的研发提出了更高的要求。数控机床伺服驱动系统的主要性能指标有下列几点。下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(1)分辨率或脉冲当量对于一个高端的数控伺服系统，不仅要求其元件的误差要小，而且对其检测元件的检测精度也要求较高。对于任何系统来说，其在工作过程中由于元件本身存在或外界影响，都避免不了会产生一定的误差。这种误差有的是系统误差，属于不可避免的;有的则是偶然误差，这种是由设计缺陷和外部影响造成的，应该尽量消除。所以对于这两种误差，前者需要采用适当的补偿方式减小，后者则需在设计和调试过程中避免。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护而对于检测元件，在闭环控制系统中，对于检测元件本身误差和被检测量偏差很难区分出来，反馈检测元件精度对系统精度常常起着决定性作用。可以说，数控机床加工精度很大程度上是由检测系统精度决定。在设计数控机床，尤其高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度控制系统必须有高精度检测元件作为保证。通常，插补器或计算机的插补软件每发出一个进给脉冲指令，伺服系统将其转化为一个相应的机床工作台位移量，我们称此位移量为机床的脉冲当量。一般机床的脉冲当量为0.01-0.005mm脉冲，高精度的CNC机床其脉冲当量可达0.001mm脉冲。脉冲当量越小，机床的位移精度越高。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)调速范围在数控机床加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽调速范围。伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。伺服系统最高速度选择要考虑到机床机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对电机和驱动要求也就更高。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)可靠性数控机床是一种高精度、高效率自动化设备，如果发生故障，其损失就更大，所以提高数控机床可靠性就显得尤为重要，比如要具有较强的抗干扰能力。可靠度是评价可靠性主要定量指标之一，其定义为:产品在规定条件下和规定时间内，成规定功能的能力。对数控机床来说，它规定的条件指其环境条件、工作条件和方式等，例如湿度、温度和振动等。这里功能主要指数控机床使用功能，例如数控机床各种机能、伺服性能等。数控伺服系统则主要体现在:电子器件的故障率以及维护其所需要的时间。对于元器件，除了器件本身不可避免的故障外，不仅要在设计阶段将主要部分的保护器件合理配置，还要配备灵敏的检测系统，从而能在第一时间发现异常，避免更大的损失。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护而从维护的角度来说，则要求系统方便维修。如在重要位置设置自检系统和故障报警装置，从而能够第一时间发现问题。平均故障间隔时间是指两次相邻故障间隔的平均时间。数控机床将它作为可靠性重要指标。随着工业自动化、信息化的发展，数控装置采用计算机以后，其可靠性大大提高，与之相对应的伺服系统可靠性就显得更为重要。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(4)跟随误差跟随误差即要求伺服系统的速度响应要快。评价一个数控伺服系统的优劣，还要考虑其控制系统、电机性能以及相互之间匹配等问题。对于控制系统，主要体现在其控制信号的准确性和响应时间上。不仅要避免错误信号的产生，还要提高其响应的时间，提高效率。这两个问题在数字伺服系统中也占有重要位置。电机的性能属于设计时的器件选择问题，这里不再详说，但应注意其与驱动系统的匹配问题，从而满足数控机床的性能要求。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2.伺服系统的工作原理以进给伺服系统为例，进给伺服系统是一种反馈控制系统，以指令脉冲为输入给定值，与输出被调量进行比较，利用二者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。伺服系统具有负反馈回路，在运动过程中实现了信号的放大，如图5-1所示。3.伺服驱动系统分类(1)按控制对象和使用目的分根据控制对象和使用目的不同，数控机床伺服系统可分为进给伺服系统、主轴伺服系统和辅助伺服系统。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护①进给驱动系统是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。进给驱动系统重点在一切削力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性，是一种精密的位置跟踪、定位系统。进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。②主轴驱动系统用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主轴驱动系统重点在于是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围;它只是一个速度控制系统。③辅助伺服系统用在各类加工中心或多功能数控机床中，用来控制刀库、料库等辅助系统，一般多采用简易的位置控制。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)按使用的执行元件分按驱动部件的动作原理又可将其分为电液控制系统和电气控制系统。1)电液伺服系统电液伺服系统驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳;其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。2)电气伺服系统电气伺服系统驱动装置伺服电机(如步进电机、直流电机和交流电机等)。其优点是操作维护方便，可靠性高。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护直流伺服系统采用大惯量、宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机。其优点是调速性能好;其缺点是有电刷，速度不高。交流伺服系统采用交流感应异步伺服电机(一般用于主轴伺服系统)和永磁同步伺服电机(一般用于进给伺服系统)。优点是结构简单、不需维护，适合于在恶劣环境下工作;动态响应好、转速高和容量大。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺服驱动;从80年代中后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)按控制原理分按伺服系统调节理论，数控机床的进给伺服系统可分为开环、闭环和半闭环系统。开环、闭环和半闭环控制系统的原理及特点在第一章有详细的描述。开环伺服系统中没有位置测量装置，信号流是单向的(数控装置~进给系统)，一般以功率步进电机作为伺服驱动元件，步进电机在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护闭环控制系统对机械结构以及传动系统的要求比半闭环的更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的零传动。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度，快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。(4)按反馈比较控制方式分按反馈比较控制方式，数控机床的进给伺服系统有脉冲比较、相位比较、幅值比较和全数字等伺服系统之分。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5.2.2常用主轴伺服系统主轴运动由数控机床的主传动实现，为切削加工提供切削动力，即切削力矩和切削速度。1.数控机床对主轴控制的要求(1)较宽的调速范围较宽的调速范围可以满足粗精加工不同切削用量的要求。(2)恒功率范围要宽低速区均为恒转矩区输出，为满足数控机床低速强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法。即在低速段采用机械减速装置，以提高输出扭矩。同时扩大机床主轴的恒功率调速范围，以提高机床加工效率。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护利用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，应不断提高主轴转速，并维持线速度v=nD/1000为常数，式中二是切削线速度，n为主轴转速，D为加工时切削直径。在控制系统中，D可由坐标轴的进给量算出，然后计算出对应的主轴转速，t，以保证切削的线速度保持不变。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)正、反向转动时可进行自动加减速控制正、反向转动时可进行自动加减速控制，即要求有四象限驱动能力，并且加减速时间短。(4)主轴具有准停功能主轴具有准停功能，主要满足加工中心自动换刀和精锁孔退刀需要。(5)具有良好的精度与刚度，传动平稳，噪声低采用齿轮传动时用高频感应加热淬火工艺，采用带传动时用齿形同步带以提高传动件的制造精度和表面粗糙度;采用高精度轴承及合理的支撑以提高主轴组件的刚性;变速滑移齿轮采用花键传动和内径定心。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(6)良好的抗震性和热稳定性主轴组件要有较高的固有频率，较好的动平衡，合理的配合间隙和循环润滑。2.常用主轴驱动系统主轴驱动装置，有普通变频器和闭环主轴驱动装置等，普通变频器的生产厂家很多，目前市场上流行的有德国西门子公司、日本三肯、安川等。闭环主轴驱动装置一般由各数控公司自行研制并生产，如西门子公司的611系列、日本发那克公司的α系列等。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(1)FANUC公司主轴驱动系统

FANUC公司生产的主轴驱动系统，主要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FANUC5,6,7系统配套使用。此类机床由于其使用时间已较长，一般都到了故障多发期，但由于当时数控机床的价格通常都比较高昂，在用户中属于大型、精密、关键设备，保养、维护通常都较好，因此在企业中继续使用的情况比较普遍，维修过程中遇到的问题也较多。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护在交流主轴驱动系统方面，FANUC公司作为全世界最早开发交流主轴驱动系统的厂家之一，自1980年成功开发交流主轴系统以来，已经生产了多个系列的交流主轴驱动系统产品。作为数控机床维修中的常见产品，主要有以下几种。①A068-10(ACModel1-40)系列交流主轴电动机与A068-6044系列交流主轴驱动器配套组成的模拟式交流主轴驱动系统系列产品。该系列主轴驱动系统为FANUC公司20世纪80年代初期的常用产品，主要配套的系统有FANUC11,FANUC0,FANUC6等。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护该系列产品驱动器主回路采用PWM控制、大功率晶体管驱动的型式，输出功率范围为1.5-37kW。驱动器采用了微处理器数字控制技术，带有速度、方向、启停控制信号接口与D/A转换器、实际转速/转矩信号输出、电气主轴定向准停(附加功能)等功能。驱动器具有良好的响应特性，在整个速度范围内工作平稳、振动和噪声较小，其中5.5kW以上的驱动器采用了回馈制动技术，可有效节能。主轴电动机全封闭的结构型式，硅钢片直接空气冷却，结构紧凑，可以在浮尘、切削液飞溅的场合安全、可靠地工作。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护②A068-10(ACMode40)系列交流主轴电动机与A06-6055系列数字式交流主轴驱动器配套组成的数字式交流主轴驱动系统系列产品。该系列产品所使用的主轴电动机与模拟式交流主轴系统相同，但驱动器为数字式。驱动系统在攻螺纹、定位刚性、快速性与操作性能上有了较大的改进，其余性能与模拟式交流主轴系统相似。③A068-07x、系列交流主轴电动机与A06-6059系列数字式交流主轴驱动器配套组成的交流主轴驱动系统系列产品。该系列主轴驱动系统为FANUC公司20世纪80年代中期开发的交流主轴改进型产品，主要配套的系统有FANUC11,FANUC0,FANUC15等。该系列产品可分为S系列(标准型),P系列(广域恒功率调速),H系列(高速润滑脂),VH系列(高速油雾润滑)、HV系列(高电压输入)等。产品一般与A06-6059系列数字式交流主轴驱动器配套使用，其中，S系列为常用产品，在数控机床上使用最广。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护该系列产品主电动机采用了电磁芯定子直冷的冷却型式，与早期的主轴驱动系统相比，提高了输出功率与转速，减小了系统的体积与重量;驱动器采用了更先进的控制技术和电子元器件，进一步提高了系统的性能。驱动系统功能强、可靠性好，在数控机床上得到了广泛应用，是数控机床维修过程中常见的主轴驱动系统之一。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护①FANUCαi系列主轴驱动系统，它是FANUC公司的最新产品，其中αi系列主轴驱动系统为21世纪初开发的最新数控机床主轴驱动系统系列产品，是α系列的改进型。i主轴驱动器如图5-2所示。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护a.通过绕组转换功能，进一步增加了高速输出范围，缩短了加/减速时间，对于αPi系列，其恒功率输出范围比α系列扩大了1.5倍。

b.采用了最新的定子直接冷却方式，进一步减小了电动机外形尺寸，提高了输出功率和转矩。c.通过精密的铝合金转子和严格的动平衡，使电动机在高速时振动级达到V3级。d.可以选择不同的排风方向，尽可能减小机床热变形，同时通过最优的冷却通道设计，进一步改善了冷却性能。e.根据不同的使用要求，主电动机可以选用两种不同类型的内装式位置/速度测量装置。即:具有A/B两相输出的Mi型编码器与具有A/B两相输出及零脉冲输出的Mzi型编码器，以满足不同用户的使用要求。Αi系列产品与α系列相比，其主要性能在以下两个方面作了改进。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护a.通过使用高速绕组，提高了高速区的输出功率，解决了α系列在高速区域(8000-12000r/min)输出功率下降的问题。b.广域恒功率输出型}αPi系列)的电动机额定转速由760r/min降至500r/min,使恒功率调速范围扩大了1.5倍(从1‘10.6提高到1}16)0FANUCα/αi系列数字式主轴驱动系统(驱动器型号为A06-6078/6072系列)一般与FANUC0C,FANUC15,FANUC16/18/20等系列数控系统配套使用。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)SIEMNS公司主轴驱动系统

SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5,1GF5,1GI_5和1H5这4个系列，与上述4个系列电动机配套的6RA24,6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。20世纪80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3-l00kW。驱动装置为6SC650D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PWM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。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，从而完成矢量控制。通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴定位控制。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)MITSUBISHI公司主轴驱动系统MITSUBISHI公司主轴驱动装置与CNC采用总线连接，主回路采用PWM技术。主轴与进给轴完全同步，使用90000P/RPM脉冲编码器实现C,轴功能。MITSUBISHI公司主轴驱动有SPJ,SPJ2型小型化系列，SPJ2可通过增加PJEX扩展单元实现主轴的定位和y轴控制，所配备的主轴电动机为SJ-P,SJ-PF系列，其功率为0.2-7.5kWoSP系列是大型主轴驱动装置，所配备的主轴电机为SJ系列，其功率为0.5-45kW上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(4)华中数控公司主轴驱动系统华中数控公司HSIC-21TF数控系统主轴驱动装置采用鼠笼式感应交流异步电动机配矢量变换变频调速的主轴驱动系统。HNC-21TF实验台的主轴驱动由Y801-4B5Y系列0.55-37kW感应电动机。图5-3为华中数控装置与主轴电机驱动器(无主轴编码器)的接线图。通过数控装置的XS9接口与主轴驱动器的速度控制接口连接，AOUT1或AOUT2输出主轴速度控制信号。连接电缆必须采用屏蔽电缆，其屏蔽层接到屏蔽地PE。主轴电机的方向控制信号通常由数控装置开关量输出接口(XS20,XS21)产生，主轴驱动器的各种报警信号、速度到达信号等也可以通过开关量接口(XS10,XS11)输入到数控装置。图5-4为数控装置与主轴驱动器(有主轴编码器)的接线图。主轴编码器的连接电缆也须采用屏蔽电缆，其屏蔽层连接到GND和屏蔽地PE上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5.2.3常用进给伺服系统1.进给伺服系统的概念及要求进给伺服系统是一种高精度的位置跟踪与定位系统。伺服(servo)系统的作用就是严格执行控制系统发出的速度指令、位置指令。数控机床伺服系统由位置环和速度环组成，两个环的参数调整是否合适，直接影响到伺服系统的性能，从而影响到数控机床的性能。控制方式如图5-5所示。在位置控制中，根据插补运算得到的位置指令(即一串脉冲或二进制数据)，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换得到速度给定电压。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护在速度控制中，伺服驱动装置根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床传动部件。一个稳态的控制系统，在受到外部扰动后均需经过短暂的过渡过程才能从一个稳定状态进入到另一个稳定状态。数控机床位置伺服系统的稳态性能就是指在到达新的稳态后，实际状态与期望状态之间的偏差程度，也称为定位精度。一般数控机床的定位精度不低于0.01mm,高性能的定位精度可达到0.001mm上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2.常用进给驱动系统(1)FANUC交流伺服电机与驱动

FANUC的交流伺服电机与直流伺服电机相比，具有免维护、低损耗、体积小的特点，在现代控制领域逐步取代直流伺服电机，开始被广泛地应用到各个控制领域。FANUC从20世纪80年代开始逐步引用交流伺服电机，然后是S系列电机，直到发展为现在的α交流系列伺服电机。经过了三代的更新，性能上得到了提高，体积更小，特别是α系列的伺服电机型号更全，并采用了磁性更强的材料，反馈使用了高速高精度的串行位置编码器，适用于各种不同的丝杠而不需要选定编码器的线数，并且具有标准系列、小惯量系列、中惯量系列、经济型的A('系列和高压(380V)的HV系列等。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护1)模拟式交流伺服驱动这是与FANUC交流伺服电动机AC0,5,10,20M,20,30,30R等配套的模拟式交流速度控制单元。它是FANUC最早的AC伺服产品，速度控制单元采用正弦波PWM控制，大功率晶体管驱动。在结构形式上，可以分单轴独立型、双轴一体型、三轴一体型三种基本结构。单轴独立型速度控制单元，常用的型号有A06L'r6050-H102/H103/H104/H113等;双轴一体型速度控制单元，常用的型号有A068-6050-H201/H202/H203等;三轴一体型速度控制单元，常用的型号有A068-6050-H401/H402/H403/H404等，多与FANUC11,0A、OB等系统配套使用。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2)S系列交流伺服驱动与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，是FANUC中期的Ay伺服产品，驱动器采用全数字正弦波PWM控制，IGBT驱动。其中，S系列用途最广，规格最全;I系列只有单轴型结构;y系列有单轴型、双轴型两种结构。作为常用规格，S系列有单轴型、双轴型、三轴型三种结构，多与FANUCOC,11,15系统配套使用。常用的S系列交流伺服其电源电压为220/230V，由专用的伺服变压器供给，A0100V制动电源由NC电源变压器供给。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护图5-6和图5-7为单轴型和双轴型伺服单元的基本配置和连接方法。图中电缆K1为NC到伺服单元的指令电缆，K2S为脉冲编码器的位置反馈电缆，K3为A0230/200V电源输入线，K4为伺服电机的动力线电缆,K5为伺服单元的A(100V制动电源电缆,K6为伺服单元到放电单元的电缆,K7为伺服单元到放电单元和伺服变压器的温度接点电缆。QF和M00分别为伺服单元的电源输入断路器和主接触器，用于控制伺服单元电源的通和断。伺服单元的接线端T2-4和T2-5之间有一个短路片，如果使用外接型放电单元，则应将它取下，并将伺服单元印刷电路板上的短路棒设置到高位置，反之则设置到低位置。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护伺服单元的连接端T4-1和T4-2为放电单元和伺服变压器的温度接点串联后的输入点，上述两个接点断开时将产生过热报警。如果使用这对接点，应将伺服单元印刷电路板上的短路棒设置到低位置。在双轴型伺服单元中，插座C（11I和C（IIM可分别用电缆K1和数控系统的轴控制板上的指令信号插座相连，而伺服单元中的动力线端子T1-5L,6L,7I和TL5M,6M,7M则应分别接到相应的伺服电机，从伺服电机的脉冲编码器返回的电缆也应一一对应地接到数控系统的轴控制板上的反馈信号插座。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护3)α,αi,(3,(3t系列交流伺服驱动目前FANUC系统伺服放大器的。、俘分类如图5-8所示。与FANUC彭αC/αM/αi系列伺服电动机(图5-9)配套的FANUCα系列数字式交流伺服驱动器，是FANUC当前常用的Ay伺服产品，驱动器带有IPM智能电源模块，采用全数字正弦波PWM控制，IGBT驱动。FANUCα系列数字式交流速度控制单元有如下两种基本结构形式。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护①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、双轴型两种结构，常用的单轴型有A068-6089-H101-H106等规格，常用的双轴型有A068-6089-H201-（-H210等规格，多与FANUCOC,OD,15A/8,16A/8,18A、20,21系统配套使用。如图5-10所示。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护②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，驱动器可以是单轴型、双轴型与三轴型三种结构。常用的单轴型有A068-6079-H101-H106等，常用的双轴型有A068-6079-H201-H208等规格，常用的三轴型有A068-6079/6080-H301-H307等规格，多与FANUCOC,15A/8,16A/8,18A、20,21系统配套使用。如图5-11所示。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护α系列伺服单元的端子如图5-12所示，其功能如下。I,1,I,2,I,3:三相输入动力电源端子，交流200VL1C,L2C:单相输入控制电路电源端子，交流200V(出厂时与1,I,2短接)。TH1,TH2: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:外接还是内装制动电阻选择端子。RL2,RL3:MCC动作确认输出端子(MCC的常闭点)。100A、1008:C型放大器内部交流继电器的线圈外部输入电源(α型放大器已为内部直流24V电源)。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护UL,VL,WI: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。图5-13展示了FANUC系统α系列4轴伺服模块连接原理图。图5-14展示了FANUC系统α系列4轴伺服模块实际连接图。与FARUCp系列伺服电动机配套的FARUCp系列数字式交流伺服驱动器，它也是FANUC当前常用的Ay伺服产品，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PWM控制，IGBT驱动。可以使用PWM接口、I/OLink接口，也可以采用光缆接口。型号为A068-6093-H101-（-H104/H151一H154//Hlll一H114，多与FANUCOTD,PMO1等经济型数控系统配套使用。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护图5-15和图5-16展示了FANUC口系统系列伺服单元及伺服模块。图5-17展示了FANUC脚系列伺服模块连接原理图。与FANUCαi系列伺服电动机配套的FANUCαi系列伺服驱动器是FANUC公司的最新产品，它在FANUCα系列的基础上作了性能改进。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1.6X10'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。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护ai系列驱动器由电源模块(PSM)、伺服驱动器(SVM)、主轴驱动器(SPM)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、三轴型三种基本规格。标准型CFARUCαi系列)为200VAC输入，常用的单轴型有A068-6114-H103-（-H109等，双轴型有A068-6114-H201-（-H211等，三轴型有A068-6114-H301-（-H304等。高电压输入型CFARUCαi（HV)系列)为400VAC输入，常用的单轴型有A068-6124-H102-（-H109等，双轴型有A068-6124-H201-（-H211等，目前尚无三轴型结构。FANUCαi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。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护图5-18展示了αi系列伺服模块端子接口，其功能如下。BATTERY:为伺服电动机绝对编码器的电池盒(DC6V)。STATUS:为伺服模块状态指示窗口。CXSX:为绝对编码器电池的接口。CX2A:为DC24V电源、、ESP急停信号、XMIF报警信息输入接口，与前一个模块的CX2B相连。CX2B:为DC24V电源、、ESP急停信号、XMIF报警信息输出接口，与后一个模块的CX2A相连。COP10A:伺服高速串行总线(HSSB)输出接口。与下一个伺服单元的上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护COP10B连接(光缆)。COP10B:伺服高速串行总线(HSSB)输入接口。与CNC系统的COP10A连接(光缆)。JX5:为伺服检测板信号接口。JF1,JF2:为伺服电动机编码器信号接口。CZ2L,CZ2M:为伺服电动机动力线连接插口。图5-19和图5-20展示了FANUCαi系列伺服模块连接原理图及实际连接上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)SI（IUMERIK交流伺服驱动SI（IUMERIK840D是由数控及驱动单元（GGU或（GU（,MMG,PLG模块三部分组成，在集成系统时，总是将SIMODRIVE611驱动和数控单元(CCU或ICU)并排放在一起，并用设备总线互相连接。SI（IUMERIK交流伺服驱动主要是SI-MODRIVE611,SIMODRIVE611是机械设备理想的模块化柔性变频驱动系统，主要包括:①SIMODRIVE611A:模拟式伺服，配合1FT5系列进给驱动电机(600V)和1PH7主轴电机，可控制主轴、进给轴，及普通异步电机上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护②SIMODRIVE611D:数字式伺服，配合1FT6/1FK6系列进给驱动电机和1PH7主轴电机，可控制主轴、进给轴等，只能配合810D,840D,840C数控系统。3SIMODRIVE611U:通用型伺服，可接收模拟信号或数字信号(PROFI-BUS)，可以进行位置控制、速度控制及转矩控制。配合1FT6/1FK6和1PH7电机，是理想的驱动系统解决方案之一。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护④SIMODRIVE611UE:通用E型伺服，通过PROFIBUS连接。模块化的驱动装置SIMODRIVE611Ue配套1FK6系列伺服电机，为机床提供了全数字化的动力。通过视窗化的调试工具软件，可以便捷地设置驱动参数，并对驱动器的控制参数进行动态优化。611D数字驱动是新一代数字控制总线驱动的交流驱动，它分为双轴模块和单轴模块两种，相应的进给伺服电机可采用1FT6或者1FK6系列，编码器信号为1Vpp正弦波，可实现全闭环控制。单轴伺服电动机驱动模块如图5-21所示，双轴伺服电动机驱动模块如图5-22所示。其中主要接口端的意义如下。①处理。②X411,X412:电动机内置光电编码器反馈至该端口进行位置和速度反馈的X421,X422:机床拖板直接位置反馈(光栅)端口。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护③X431:脉冲使用端口，使用信号一般由PLC给出。④X432:高速输入/输出接口端。⑤X34,X35:电压、电流检测孔，一般供模块维修检测使用，用户不得使用。主轴电动机的驱动可使用上述进给电动机驱动模块驱动，另外还有专门的主轴电动机驱动模块，模块的接口端与进给电动机驱动模块类似。5.2.4常用位置检测元件1.数控机床对检测装置的主要要求数控机床对检测装置的主要要求有:上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护①受温度、湿度的影响小，工作可靠，抗干扰能力强。②在机床移动的范围内满足精度和速度要求。即在满足数控机床最大位移速度的条件下，达到一定的检测精度和较小的累积误差。随着数控机床的发展，其精度和速度越来越高。③使用维护方便，适合机床运行环境。测量装置安装时要有一定的安装精度要求，安装精度要合理。由于受使用环境影响，整个测量装置要求有较好的防尘、防油雾和防切屑等措施。④成本低，寿命长。不同类型的数控机床对传感系统的精度与速度有不同的要求。一般来说，大型数控机床以满足速度为主，而中小型和高精度数控机床以满足精度要求为主。选择测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。⑤易于实现高速的动态测量。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2.位置检测装置分类数控检测装置从不同的角度看可分为不同的类型:①根据被测物理量，可分为位移、速度和电流三种类型。②根据检测元件的安装位置及机床运动部件的藕合方式，可分为直接测量装置和间接测量装置。机床的直线位移采用直线型检测装置测量，称为直接检测。直接检测精度主要取决于测量元件的精度，不受机床传动精度的直接影响。但检测装置要与行程等长，这对于大型数控机床来说是一个很大的限制。对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，称为间接测量。间接测量使用可靠方便，无长度限制;缺点是在检测信号中加入了直线转变为旋转运动的传动链误差，从而影响了检测精度，为了提高定位精度，常常需要增加补偿措施。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护③按测量方法，分为增量型和绝对型测量装置。增量型测量装置只测量相对位移量(位移增量)，即每移动一个测量单位就发出一个测量信号。在测量过程中，任何一个中点都可作为测量的起点，而位移是由测量信号计数累加所得。一旦计数有误，则以后测量所得结果将完全错误。此外，在发生意外故障时，如断电等，待故障排除后，不能再找到事故前的正确位置，必须将移动部件移至始点，重新计数才能找到事故前的正确位置。绝对型测量装置，对于被测量的任意点的位置均由一个固定的零点计算起。每一被测点都有一个相应的测量值。采用这种测量装置时，分辨精度要求越高，量程越大，测量装置的结构也越复杂。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护④按检测信号的类型，分为数字式和模拟式测量装置。数字式检测是将被测量单位量化后以数字形式表示，它的特点如下:被测量量化后转换成脉冲个数，便于显示处理;测量精度取决于测量单位，与量程基本无关;检测装置比较简单，脉冲信号抗干扰能力强。模拟式检测是将被测量用连续变量来表示。在大量程内进行精确的模拟式检测，在技术上有较高的要求，数控机床中模拟式检测主要用于小量程测量。它的主要特点如下:直接对被测量进行检测，必须量化;在小量程内可以实现高精度测量;可用于直接检测和间接检测。⑤按信号的转换原理，可分为光电效应、光栅效应、电磁感应、压电效应、磁阻效应等类型的检测装置。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护3.常用位置检测装置

(1)光电脉冲编码器光电式脉冲编码器的结构如图5-23所示，由带聚光镜的发光二极管(LED),光栅板、光电码盘、光敏元件及信号处理电路组成。其中，光电码盘是在一块玻璃圆盘上镀上一层不透光的金属薄膜，然后在上面制成圆周等距的透光和不透光相间的条纹构成的，光栅板上具有和光电码盘相同的透光条纹。光电码盘也可由不锈钢薄片制成。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护当光电码盘旋转时，光线通过光栅板和光电码盘产生明暗相间的变化，由光敏元件接收。光敏元件将光电信号转换成电脉冲信号。输出的电脉冲信号通常为A相、B相、Z相三相信号。光电编码器的轴转动时A、B两相脉冲相差90。相位角，根据A相或B相脉冲的数目可测出被测轴的角位移，脉冲的频率可测出被测轴的转速。根据A相、B相信号的相位关系可测出被测轴的转动方向。如果A相脉冲比B相脉冲超前，则光电编码器为正转;否则为反转。后续电路可利用A、B两相的90。相位差进行细分处理(四倍频电路实现)。Z线为零脉冲线光电编码器每转一圈产生一个脉冲，是被测轴的周向定位基准信号、被测轴的旋转圈数计数信号。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护图5-24所示是数控机床上使用光电式脉冲编码器实物，光电脉冲编码器在数控机床作用有以下几点。1)位移测量光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。正转时A相超前B相(反转时B相超前A相900。脉冲的个数与位移量呈比例关系，因此通过对脉冲计数就能计算出相应的位移。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2)主轴控制主轴控制包括:

第一，主轴旋转与坐标轴进给的同步控制。在螺纹加工中，为了保证切削螺纹的螺距，必须有固定的进刀点和退刀点。安装在主轴上的光电脉冲编码器在切削螺纹时主要解决通过对编码器输出脉冲的计数，保证主轴每转一周，刀具准确地移动一个螺距(导程);同时一般的螺纹加工要经过几次切削才能完成，每次重复切削，开始进刀的位置必须相同。为了保证重复切削不乱扣，数控系统在接收到光电编码器中的一转脉冲(零点脉冲)后才开始螺纹切削的计算。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护

图5-25所示为主轴编码器的安装图。第二，主轴定向准停控制。加工中心换刀时，为了使机械手对准刀柄，主轴必须停在固定的径向位置。在固定切削循环中，如精撞孔，要求刀具必须停在某一径向位置才能退出。这就要求主轴能准确地停在某一固定位置上，这就是主轴定向准停功能。加工中心主轴的定向通常采用三种方式:磁传感器定向、编码器定向和机械定向。图5-26所示是用位置编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1：1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角度可任意设定。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护3)测速光电编码器输出脉冲的频率与其转速成正比，因此，光电编码器可代替测速发电机的模拟测速而成为数字测速装置。图5-27所示是带编码器的伺服电机，常用于半闭环数控机床。

4)零标志脉冲用于回参考点控制参考点位置是否正确与检测装置中的零标志脉冲有相当大的关系。在回参考点方式时，数控机床坐标轴先以快速向参考点方向运动;当碰到减速挡块后，坐标轴再以慢速趋近;当编码器产生零标志信号(一转脉冲信号)后，坐标轴再移动设定距离而停止于参考点。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)光栅光栅按用途分为两大类，一类是物理光栅(亦称衍射光栅)，另一类是计量光栅。物理光栅的刻线细密，线纹密度一般为200一500条/mm，线纹相互平行且距离相等，称此距离为栅距。物理光栅的栅距一般为0.002-0.005mm，主要是利用光的衍射原理，常用于光谱分析和光波波长的测定。而计量光栅的刻线稍粗，线纹密度一般为25条/mm,50条/mm,100条/mm,250条/mm等，即栅距为0.004一0.25mm，主要是利用光的透射和反射现象，用于数控机床检测系统。因此，这里所讨论的光栅是指计量光栅。光栅按形状可以分为长光栅(又称直线光栅)和圆光栅。长光栅用于检测直线位移，圆光栅用于测量转角位移。按制作原理又可以分成玻璃透射光栅和金属反射光栅。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护圆光栅是在玻璃圆盘的外环端面上，做成黑白相间条纹，条纹呈辐射状，相互间夹角(称为栅距角)相等。根据不同的使用要求，在圆周内的线纹数也不相同。计量光栅的精度主要取决于光栅尺本身的制造精度，目前光栅精度可达到微米级，再通过细分电路可以达到0.lGm，甚至更高的分辨率，如0.025Gm直线光栅通常包括一长和一短两块，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在机床移动部件上，要求与行程等长;短的为指示光栅或短光栅，装在机床固定部件上。两者相对移动，相互平行，它们之间保持0.05mm或0.1mm的间隙。主光栅和指示光栅的刻线错开一定的角度，以得到莫尔条纹。图5-28所示是直线光栅外形，铝制外壳保护光栅尺、扫描单元和轨道免受灰尘、切屑和切削液的影响，自动向下压下的弹性密封条件保持外壳的密封。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护光栅读数头由光源、聚光镜、标尺光栅、指示光栅和光敏元件等构成。图5-29所示是光栅测量系统示意图。标尺光栅和指示光栅通称为光栅尺，它们是在真空镀膜的玻璃片或长条形金属镜面上光刻出均匀密集的线纹。线纹的间距称为栅距。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)感应同步器感应同步器根据用途和结构特点可分成直线式和旋转式(圆形感应同步器)两大类。在结构上，两者都包括固定和运动两大部分。直线式感应同步器由定尺和滑尺组成，用以测量直线位移，用于全闭环伺服系统。旋转式感应同步器由定子和转子组成，用以测量旋转角度，用于半闭环伺服系统。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护旋转式感应同步器结构如图5-30所示。定子、转子都用不锈钢、硬铝合金等材料作基板，呈环形辐射状。定子和转子相对的一面均有导电绕组，绕组用铜箔构成(厚0.05mm)。基板和绕组之间有绝缘层。绕组表面还要加一层和绕组绝缘的屏蔽层(材料为铝箔或铝膜)。旋转式感应同步器转子绕组为连续绕组;定子上有两相正交绕组(sin绕组和cos绕组)，做成分段式，两相绕组交差分布，相差90。相位角。属于同一相的各相绕组用导线串联起来，如图5-31所示。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护直线式感应同步器是直线条形，它同样由基板、绝缘层、绕组及屏蔽层组成。由于直线式感应同步器一般都用在机床上，为使线膨胀系数一致，所以感应同步器基板的材料采用钢板或铸铁。直线式感应同步器的结构如图5-32所示。定尺和滑尺的基体通常采用厚度为10mm与机床床身材料的热膨胀系数相近的钢板或铸铁制成，以减小与机床的温度误差。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(4)旋转变压器旋转变压器(revolver)是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的小型交流电动机，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度。旋转变压器分为有电刷和无刷结构两类。旋转变压器分为有电刷和无刷结构两类。旋转变压器的结构和两相绕线式异步电机的结构相似，可分为定子和转子两大部分。定子和转子的铁芯由铁镍软磁合金或硅钢薄板冲成的槽状芯片叠成。它们的绕组分别嵌入各自的槽状铁芯内。定子绕组通过固定在壳体上的接线柱直接引出。转子绕组有两种不同的引出方式:有刷式和无刷式。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护图5-33是有刷式旋转变压器。它的转子绕组通过滑环和电刷直接引出，其特点是结构简单，体积小，但因电刷与滑环是机械滑动接触的，所以旋转变压器的可靠性差，寿命也较短。

(5)磁栅磁栅是一种计算磁波数目的位置检测元件，可用于直线和转角的测量。其优点是精度高、复制简单及安装方便等，且具有较好的稳定性，常用在油污、粉尘较多的场合。因此，在数控机床、精密机床和各种测量机上得到了广泛使用。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护如图5-34所示，它由磁性标尺、读出组件为一次、二次绕组的小磁环(或磁头)和检测电路组成。它是用拾磁原理工作的。首先，用录制磁头将一定波长的方波或正弦波信号录制在磁性标尺上，然后根据与磁性标尺相对移动的拾磁磁头所拾取的信号，对位移进行检测。磁尺可用于长度和角度测量，具有精度高、复制简单以及安装调整简单等优点。上一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5.3任务实施5.3.1交流主轴驱动系统的连接和调试1.FANUC-0i数控加工中心交流串行主轴连接及调试

FANUC-0i系列主轴驱动系统采用的是模块化结构，伺服驱动与主轴驱动共用电源模块，模块之间、驱动器与1C之间通过I/OLIIK总线连接。

(1)组成FANUC-0i数控加工中心交流串行主轴调速系统组成如图5-35所示，主要包括FANUC-0iMC数控系统、主轴驱动器及主轴电动机。下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(2)系统接口及驱动器连接FANUC0iC系统接口分布如图5-36所示。伺服放大器是脚主轴脚s伺服，带主轴的放大器是SPVM一体型放大器，脚SVPM放大器接口分布及外围连接，如图5-36所示。SVPM放大器接口功能:CXA2C(A1-24V,A2-OV):24V电源连接。TB3:(SVPM的右下面)不要接线。上部的两个冷却风扇要自己接外部200V电源。三个(或两个)伺服电机的动力线插头是有区别的，CZ2I(第一轴)、CZ2M(第二轴),CZ2（1(第三轴)分别对应XX,XY,YY上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护Link:DC300V直流电源。CX1A/CX1B:200V交流控制电路的电源输入/输出接口。CX2A/CX2B:24V输入/输出及急停信号接口。JX4:主轴伺服信号检测板接口。JX1A/JX1B:模块之间信息输入/输出接口。JY1:外接主轴负载表和速度表的接口。JA7B:串行主轴输入信号接口连接器。JA7A:用于连接第二串行主轴的信号输出接口。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护JY2:连接主轴电动机速度传感器(主轴电机内装脉冲发生器和电机过热信号)。JY3:作为主轴位置一转信号接口。JY4:主轴独立编码器连接器(光电编码器)。JY5:主轴CS轴(回转轴)控制时，作为反馈信号接口。U,V,W:主轴电动机的动力电源接口。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(3)串行数字控制的主轴系统参数的设定1)主轴伺服画面显示参数串行主轴伺服画面显示参数(SPS)置为“1"FANUC-16/16i/18/18i/0i系统:参数为3111#2)主轴画面显示操作操作步骤:SYSTEM~扩展键~SP-PRM。3)主轴模块标准参数初始化主轴模块标准参数的初始化，就是将主轴的设定参数按FANUC标准主轴电动机型号进行重新覆盖。对于FANUC系统，主轴模块标准参数初始化的步骤如下。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护①系统急停状态，打开电源。②将主轴电动机型号的代码(电机代码见表5-1)设定在系统串行主轴电动机代码参数（lo.4133中。设定电机ID号，FANUC-0i系统参数为2020，设定为各轴的电机的类型号。③将自动设定串行数字主轴标准值的参数（lo.4019(LDSP)置为“1"，进行自动初始化，系统会自动加载部分电机参数。如果在参数手册上查不到代码，则输入最接近的电机代码，初始化后根据主轴电机参数说明书的参数表对照一下，有不同的部分加以修改(没有出现的不用更改)。④将电源关断，再打开，主轴标准参数被写入。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护4)主轴系统参数的设定①串行数字主轴控制功能选择参数及串行主轴个数选择参数。0iC系统串行主轴控制功能选择参数为3701#1,"1”为模拟量控制主轴，"0";为串行数字控制主轴;串行数字主轴个数选择参数为3701#4，"0”为1个，"1”为2个。②主轴位置编码器控制功能选用参数。0iC系统串行主轴位置编码器控制功能选用参数为4001#2，"0”为不用，+1;为使用主轴位置编码器。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护③主轴与位置编码器的传动比参数。0iC系统主轴与位置编码器传动比参数为3706#0,3706#1(二进制代码组合设定，分别为1‘1,1‘2,1‘4和1‘8)，通常设定为“00"，即为1‘to④主轴速度到达检测功能参数。

0iC系统主轴速度到达检测功能参数为3708#0，"0”为不检测主轴到达速度，"1”为检测主轴到达速度。如果设定为“1"，系统PMC控制中还要编制程序实现切削进给的开始条件。⑤主轴齿轮挡位的最高速度参数主轴第1-4挡的最高转速设定参数，0iC系统对应为3741--3744主轴的挡齿轮比(高挡、中高挡、中低挡、低挡):0i系统分别为4056-4059⑥主轴电动机最高转速设定参数，0iC系统为4020上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5)串行数字主轴伺服画面调用图5-37为主轴设定画面，图5-38为主轴调整画面，通过系统软键选择相应的主轴伺服画面，其中:SP.SET为主轴设定画面软键;SP.TUN为主轴调整画面软键;SP.MON为主轴监控画面。图5-39所示为主轴监控画。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2.SINUMERIK802D数控铣床(XK7124)主轴连接及调试①变频器与611U伺服驱动的连接如图5-40所示。802D数控系统配置变频主轴时，变频器-tov的指令电压是通过611UE的X411端口上的75.A和15给出的，正反转指令是通过X453端口上的Q0.A和Q1.A给出的。②伺服主轴相关伺服驱动器的数据设置步骤如下。步骤1:利用准备好的“驱动器调试电缆”将计算机与611UE的X471连接起来。步骤2:从WIXDOWS的“开始”中找到驱动器调试工具SimoGomU，并启动。步骤3:选择联机方式;配置好电机，进入专家表(Ctrl+E)，配置电机参数。P922-104，主轴信号的PROFIBUS报文类型;P1007编码器线数，外装编码器的转脉冲数，应与主轴参数MD31020相同。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护步骤4:在SimoComU的主画面上选择图标存储数据，选择图标上电复位。5.2.2主轴伺服系统常见故障诊断及维护当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式:①在CRT或操作面板上显示报警信息或报警内容。②在主轴驱动装置上用警报灯数码管显示出主轴驱动装置的故障。③主轴工作不正常，但无任何报警信息。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护主轴伺服系统常见的故障分析(1)外界干扰由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判别有无干扰的方法是:当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。(2)过载切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。

(3)主轴定位抖动主轴准停用于刀具交换，精撞退刀以及齿轮换挡等场合。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(4)主轴转速与进给不匹配当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可以用下列方法来确定。①CRT画面有报警显示。②通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号状态。③用每分钟进给指令代替每转进给来执行程序，观察故障是否消失。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(5)转速偏离指令值①当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑:电动机过载。②CNC系统输出的主轴转速模拟量没有达到与转速指令对应的值。③测速装置有故障或速度反馈信号断线。④主轴驱动装置故障。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(6)主轴异常噪声及振动首先要区别异常噪声及振动是发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。如在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障;如在恒转速时产生，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，则主轴机械部分有问题。检查振动周期是否与转速有关。如无关，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。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护(7)主轴电动机不转CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC24V继电器线圈电压。有以下几方面需要考虑。①检查CNC系统是否有速度控制信号输出。②再检查使能信号是否接通。③通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC图形(或流程图)，以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。④主轴驱动装置故障。⑤主轴电动机故障。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护2.主轴伺服系统安装及日常维护(1)安装注意事项①伺服单元应置于密封的强电柜内。为了不使强电柜内温度过高，应将强电柜内部的温升设计在15C0以下;强电柜的外部空气引入口务必设置过滤器;要注意从排气口侵入尘埃或烟雾;要注意电缆出入口、门等的密封;冷却风扇的风不要直接吹向伺服单元，以免尘埃等附着在伺服单元上。②安装伺服单元时要考虑到容易维修检查和拆卸。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护③电动机的安装要遵守下列原则:a.安装面要平，且有足够的刚性，要考虑到不会受电动机振动等影响。b.因为电刷需要定期维修及更换，因此安装位置应尽可能使检修作业容易进行。c.出入电动机冷却风口的空气要充分，安装位置要尽可能使冷却部分的检修清洁工作容易进行。d.电动机应安装在灰尘少、湿度不高的场所，环境温度应在40C0以下。e.电动机应安装在切削液和油之类的东西不能直接溅到的位置上。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护（2）主轴伺服系统日常维护

1）每天在机床运行时的维护检查主轴伺服系统启动前的检查按下述步骤进行:检查主轴伺服单元和电动机的信号线、动力线等的连接是否正确、是否松动以及绝缘是否良好;强电柜和电动机是否可靠接地;电动机电刷的安装是否牢靠，电动机安装螺栓是否完全拧紧。在电动机运转过程中要注意观察电动机的旋转速度;是否有异常的振动和噪声;是否有异常臭味;检查电动机的机壳和轴承的温度。2)使用时的检查运行时强电柜门应关闭;检查速度指令值与电动机转速是否一致;负载转矩指示(或电动机电流指示)是否太大;电动机是否发出异常声音和异常振动;轴承温度是否有急剧上升的不正常现象;在电刷上是否有显著的火花发生痕迹。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护3)直流伺服电动机的定期检查直流伺服电动机带有数对电刷，电动机旋转时，电刷与换向器摩擦而逐渐磨损。电刷异常或过度磨损，会影响电动机工作性能，所以对直流伺服电动机进行定期检查是必要的。4)直流伺服电动机的存放要求不要将直流伺服电动机长期存放在室外，同时也要避免存放在湿度高、温度有急剧变化和多尘的地方。如需存放一年以上，应将电刷从电动机上取下来，否则易腐蚀换向器，损坏电动机。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护5)清理维护①对强电柜的空气过滤器每月清扫一次。②强电柜及伺服单元的冷却风扇应每两年检查一次。③主轴电动机每月(至少也应每三个月)应做电动机电刷的清理和检查。④主轴电动机每半年(至少也要每年一次)需检查测速发电机、轴承，做热管冷却部分的清理和绝缘电阻的测量。6)当机床长期不运行时的保养在机床长达几个月不开动的情况下，要对全部电刷进行检查，并要认真检查换向器表面是否生锈。如有锈，要用特别缓慢的速度，充分、均匀地运转。经过1-2h后再行检查，直至处于正常状态，方可使用机床。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护3.主轴伺服系统故障维修实例例1:某立式加工中心锁孔精度下降，圆柱度超差，主轴发热，噪声大，但用手拨动主轴转动阻力较小。分析及处理:主轴部件解体检查，发现故障原因如下:①主轴轴承润滑脂内混有粉尘和水分，这是因为该加工中心用的压缩空气无空滤和干燥装置，故气动吹屑时少量粉尘和水汽窜人主轴轴承润滑脂内，造成润滑不良，导致发热且有噪声;主轴内锥孔定位表面有少许碰伤，锥孔与刀柄锥面配合不良，有微量偏心;②前轴承预紧力下降，轴承游隙变大;③主轴自动夹紧机构内部分碟形弹簧疲劳失效，刀具未被完全拉紧，有少许窜动。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护更换前轴承及润滑脂，调整轴承游隙，轴向游隙0.003mm，径向游隙士0.002mm;自制简易研具，手工研磨主轴内锥孔定位面，用涂色法检查，保证刀柄与主轴定心锥孔的接触面积大于8500;更换碟形弹簧。将修好的主轴装回主轴箱，用千分表检查径向跳动，近端小于0.006mm，远端150mm处小于0.010mm试加工，主轴温升和噪声正常，加工精度满足加工工艺要求，故障排除。改进措施:①增加压缩空气空滤和干燥装置，过滤器要定期排水，定期清洗或更换滤芯;②随时检查主轴锥孔、刀柄的清洁和配合状况，检查空气干燥器工作是否正常;③合理安排加工工艺，避免材料切除率陡变;①严禁超负荷运行，有故障应及时报修，不得带病运行。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护例2:某立式加工中心主轴内刀具自动夹紧机构的拉杆钢球和刀柄拉紧螺钉尾部锥面经常损坏。分析及处理:检查发现，主轴松刀动作与机械手拔刀动作不协调。这是因为限位开关挡铁装在气液增压缸的汽缸尾部，虽然汽缸活塞动作到位，增压缸活塞动作却没有到位，致使机械手在刀柄还没有完全松开的情况下强行拔刀，损坏拉杆钢球及拉紧螺钉。清洗增压油缸，更换密封环，给增压油缸注油，气压调整至0.5-0.8MPa,试用后故障消失。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护改进措施:①定期检查并清洁气液增压油缸，监测刀具自动夹紧机构各部分的运行状况，及时消除故障隐患;②定期检查调整气压和液压系统压力，检验液压油质，如氧化变质应及时更换。例3:1.8m数控卧车在停车时发出巨大响声，同时车间总电源跳闸。分析及处理:车间电工对供电系统进行检查，跳闸的自动空气断路器所在处，因环境潮湿开关盒内自动跳闸的连杆机构已腐蚀，另外三相触点中有一相触点只有一小部分能接触。车间供电变压器容量小，超负荷运行，其正常的相电压只有340V。一只晶闸管已被烧坏，查看驱动电路，B相触发脉冲短小，只有正常触发脉冲幅值的1/4，进一步查实为B相触发电路中的放大管T3性能不好所致。更换自动空气断路器和更换新的晶闸管，故障排除。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护例4:1.8m卧车主轴在停车时，发出巨大响声，但保险并未烧坏。分析及处理:用诊断板按照说明书中的步骤对系统参数重新调整，调整过程中，发现线时间应为15s，可是在故障时已调整为l0s，另外增益电位器所调的位置也比要求的调得高，即使增益增大。所谓线时间，是指系统的上升和下降时间。对于控制56kW的电动机的控制系统线时间由15s改成了l0s，那么电机产生的机械惯性会在停车时在齿轮上发出巨大响声，从而使齿轮受到损害。增大增益可以减少死区，使转速误差减小，但增益太大会使超调严重，给系统的暂态响应带来麻烦，加之线时间的减少，更加剧了机械的响声。上一页下一页返回教学单元5伺服系统故障诊断及维护驱动系统中的各种参数都要进行严格的计算，并根据每台电机及机械的实际情况，反复进行调整而确定，尽管机床已运行多年，各参数有的也发生了变化，但这种变化是极微小的，在一般情况下，各电位器箭头的位置不应随意改动。将线时间调整为15s和将增益调小，故障排除。上一页下一页返回教学单元