伺服系统故障诊断.ppt

1、第9章 伺服系统故障诊断,第一节 主轴驱动系统 主轴驱动系统、故障形式、故障诊断 第二节 进给伺服系统 进给驱动系统、伺服系统结构形式、故障诊断 第三节 位置检测装置 检测装置的维护、位置检测的故障诊断,第四章 伺服系统故障诊断,伺服：工作台（电机）的运动速度和距离完全按CNC的指令 行动，准确无误,控制办法：三环结构,位置环（外环）：输入信号为CNC的指令和位置检测器反馈的位置 信号,速度环（中环）：输入信号为位置环的输出和测速发电机经反馈网 络处理信号,电流环（内环）：输入信号为速度环的输出信号和经电流互感器得到 的电流信号,第四章 伺服系统故障诊断,在三环系统中，位置环的输出是速度环的输

2、入；速度环的输出是电流环的输入；电流环的输出直接控制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈,第一节 主轴驱动系统故障诊断,一般主轴要求：速度大范围连续可调、恒功率范围宽,伺服主轴要求：有进给控制和位置控制,主轴变速形式：电动机带齿轮换档（降速、增大传动比、增大 主轴转矩）；电动机通过同步齿带或皮带驱动 主轴（恒功率、机械传动简单）,第一节 主轴驱动系统故障诊断,一、常用主轴驱动系统介绍,FANUC公司主轴驱动系统,主要采用交流主轴驱动系统，有S、 H 、P三个系列（1.537 1.522 3.737 kW）,主要特点：,1）采用微处理控制技术 2）主回路采用晶体管PWM逆变器 3）具有主轴

3、定向控制、数字和模拟输入,第一节 主轴驱动系统故障诊断,SIEMENS公司主轴驱动系统,直流主轴电动机：有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列及配套的 6RA24、6RA27系列驱动装置（晶闸管）,交流主轴电动机：有1PH5和1PH6两个系列（3100kW）及配套的 6SC650、6SC611A系列的主轴驱动模块,第一节 主轴驱动系统故障诊断,二、主轴伺服系统的故障形式及诊断方法,主轴伺服系统发生故障时，有三种表现形式：,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故障 3、无任何故障报警信息,第一节 主轴驱动系统故障诊断,主轴伺服系统常见

4、故障有：,1、外界干扰：屏蔽和接地措施不良时，主轴转速或反 馈信号受电磁干扰，使主轴驱动出现随 机和无规律的波动。判别方法，使主轴 转速指令为零再看主轴状态 2、过载：切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载 报警。具体表现为电动机过热、主轴驱动装置 显示过电流报警等,第一节 主轴驱动系统故障诊断,3、主轴定位抖动 主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合，有三种实现形式： 1）机械准停控制（V形槽和定位液压缸） 2）磁性传感器的电气准停控制 （图） 3）编码器型的准停控制（准停角度可任意） 上述准停均要经减速的过程，如果减速或增益等参数设置不当；限位开关失灵；磁性传感器间隙变化或失灵都

5、会引起定位抖动,第一节 主轴驱动系统故障诊断,磁性传感器主轴准停装置,1.磁性传感器 2.发磁体 3.主轴 4.支架 5.主轴箱,第一节 主轴驱动系统故障诊断,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、主轴仍然运 转的故障。主轴有一个每转一个脉冲的反馈信 号，一般为主轴编码器有问题。可查CRT报 警、I/O编码器状态或用每分钟进给指令代替 5、转速偏离指令值：主轴实际转速超过所规定的范围时 要考虑，电机过载、CNC输出转速的模拟量没 有达到与转速指令对应值、测速装置有故障、 主轴驱动装置故障,第一节 主轴驱动系统故障诊断,6、主轴异常噪声及振动：电气驱动

6、故障（如果是在 减速过程中发生或振动周期与转速无关）； 主轴机械故障（如果发生在恒转速自由停车 时或振动周期与转速有关） 7、主轴电动机不转：CNC是否有速度信号输出；使 能信号是否接通、CTR观察I/O状态、分析 PLC梯形图以确定主轴的启动条件（润滑、 冷却）；主轴驱动故障；主轴电机故障,第一节 主轴驱动系统故障诊断,三、主轴直流驱动的故障诊断 1.控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，内环是电流环，外环是速度环。 调速特点是速度环的输出是电流环的输入，可以根据速度指令电压和转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩。在速度差值大时，转矩大，速度变化快，转速尽快达到给定值，

7、当转速接近给定值时，转矩自动减小，避免超调,第一节 主轴驱动系统故障诊断,第一节 主轴驱动系统故障诊断,2.主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大，切要求正、反转及停止迅速，驱动装置采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆变调速系统，在制动时，除了缩短制动时间，还能将主轴旋转的机械能转变成电能送回电网。还利用逻辑电路，使一组晶闸管工作时，另一组的触发脉冲被封锁，切断两组之间流通的电流,第一节 主轴驱动系统故障诊断,第一节 主轴驱动系统故障诊断,例：某加工中心采用直流主轴电动机、逻辑无环可逆调速系统。当用M03指起动时有“咔、咔”的冲击声，电动机换向片上有轻微的火花，起动后无明显的异常现象；用M05

8、指令使主轴停止时，换向片上出现强烈的火花，同时伴“叭、叭”的放电声，随即交流回路的保险丝熔断。火花的强烈程度和电动机转速成正比。但若用急停方式停止主轴，换向片上没有任何火花。 分析诊断：急停（电阻能耗制动）；正常停机（回馈制动）。在任何时候不允许正、反两组同时工作，有火花说明逆变电路有故障。,第一节 主轴驱动系统故障诊断,例：某加工中心主轴在运转时抖动，主轴箱噪声增大，影响加工质量。经检查主轴箱和直流主轴电动机正常，把检查转到主轴电机的控制系统。测得的速度指令信号正常，而速度反馈信号出现不应有的脉冲信号，问题出在速度检测元件上，经检查，测速发电机碳刷完好，但换向器因碳粉堵塞，而造成一绕组断路，

9、使测得的反馈信号出现规律性的脉冲，导致速度调节系统调节不平稳，使驱动系统输出的电流忽大忽小，从而造成电动机轴的抖动。用酒精清洗换向器，彻底消除碳粉，即可排除故障,第一节 主轴驱动系统故障诊断,四、主轴交流驱动的故障诊断,（一）6SC650系列主轴交流驱动系统 1.驱动装置的组成（原理图）,第一节 主轴驱动系统故障诊断,驱动装置的组成（主轴驱动系统）,第一节 主轴驱动系统故障诊断,2.故障诊断,故障代码 当交流主轴驱动变频器在运行中发生故障，变频器面板上的数码管会以代码的形式提示故障的类型。,变频器的操作和显示面板,第一节 主轴驱动系统故障诊断,辅助诊断 除故障代码外，在控制和I/O模块还有测试

10、插座，作为辅助诊断的手段通过测试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障,I/O 模块上的测试插座,1 接线端子 2 I/O模块 3 电流测试插孔 测电机相电流 测直流回路电流 测电机总电流,第一节 主轴驱动系统故障诊断,6SC650 系列变频器部分代码表,第一节 主轴驱动系统故障诊断,（二）主轴通用变频器,通用变频器主要和通用三相变频笼式异步电机配合使用,通用变频器接口定义,第二节 进给伺服系统,任 务 完成CNC对各坐标轴的位置控制 组 成 进给驱动、位置检测及机械传动装置 工作过程 程序指令经插补运算得位置指令同时将检测到的实际位置 信号反馈数控系统构成半或闭环控制系统，是外环为位置

11、环 内环为速度环的控制系统 位置检测 光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等 速度监测 测速发电机和光电编码器等,第二节 进给伺服系统,一、常见进给驱动系统,1.直流进给驱动系统,FANUC公司直流进给驱动系统,小惯量L、中惯量M系列直流伺服电动机采用PWM速度控制单元 大惯量H系列直流伺服电动机，采用晶闸管速度控制单元 均有过速、过流、过载等多种保护功能,第二节 进给伺服系统,SIEMENS公司直流进给驱动系统,1HU系列多种规格的永磁式直流伺服电动机，与电机配套的速度控制单元有6RA20（晶体管PWM控制）和6RA26（晶闸管控制）两个系列。也均有过速、过流、过载等多种保护功能,

12、第二节 进给伺服系统,2.交流进给驱动系统,FANUC公司交流进给驱动系统,驱动装置：晶体管PWM控制的系列交流驱动单元 电 动 机：S、L、SP和T系列永磁式三相交流同步电动机,第二节 进给伺服系统,SIEMENS公司交流进给驱动系统,驱动装置：晶体管PWM控制的6SC610和6SC611A系列交流 进给驱动模块，还有用于数字伺服驱动的 611D系列 电 动 机：1FT5和1FT6系列永磁式三相交流同步电动机,3.步进驱动系统,802S数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置及IMP5五相步进电动机,第二节 进给伺服系统,二、伺服系统结构形式,伺服系统不同的结构形式，主要体现在检测信号的反馈

13、形式上，以带编码器的伺服电动机为例： 方式1转速反馈与位置反馈信号处理分离 方式2编码器同时作为转速和位置检测，处理均在 数控系统中完成 方式3编码器方式同上，处理方式不同 方式4数字式伺服系统,第二节 进给伺服系统,方式一 a 框图b西门子进给伺服系统,方式一,从图中可以看出：速度反馈信号和位置反馈信号是分离处理的。图a中为测速装置，编码器测量位置信号。图b中311为速度反馈插座，而X111、X121、X131为三根轴的位置反馈信号输入口；X141为三根轴的伺服驱动口。,速度反馈信号和位置反馈信号分开处理,第二节 进给伺服系统,方式二,a 方式二框图 b FANUC伺服进给系统,编码器同时作

14、为速度和位置检测，由CNC完成处理,第二节 进给伺服系统,方式三,编码器将检测信号反馈至CN2口，一方面用于速度控制，另一方面再通过CN1A口输入至CNC中的位置检测口。,第二节 进给伺服系统,方式四,数字伺服系统,编码器将检测信号直接反馈到驱动单元上的CN2口，在驱动单元中完成位置控制和速度控制。,三菱数字伺服系统,第二节 进给伺服系统,三、进给伺服系统的故障形式及诊断方法,故障出现后的表现方式：CRT报警、驱动单元提示信息、无 1. 常见故障 超程进给运动超过软限位或硬限位，CRT 过载进给运动的负载过大、频繁正反转以及传动链润滑不良 等引起，CRT及伺服驱动单元都会有报警信息 窜动测速信

15、号或速度控制信号不稳定、接线接触不良等引起,第二节 进给伺服系统,爬行发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给 传动链的润滑不良、伺服系统增益过低及负载过大、 联轴器松动等引起 振动与进给速度有关，速度环增益太高或速度反馈有故 障；与速度无关，位置环增益太高或位置反馈有故 障；在加速过程中产生，减速时间设定过小 伺服电动机不转数控系统速度信号是否输出；使能信号是 否接通；冷却润滑条件是否满足；电磁制 动是否释放；驱动单元故障；伺服电动机 故障,第二节 进给伺服系统,位置误差系统设置的允差过小；伺服增益设置不当；位置 检测装置有污染；进给传动链累积误差过大；主 轴箱垂直运动时平衡装置不稳 漂

16、移当指令值为零时，坐标轴仍移动从而造成位置误差。 通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除 回参考点故障有找不到和找不准参考点两种故障，前者主 要是回参考点减速开关产生的信号或零标志 脉冲信号失效所致，可用示波器检测信号； 后者是参考点开关挡快位置设置不当引起， 只要重新调整即可,第二节 进给伺服系统,2. 故障定位,模块交换法,X和Y的驱动单元一样，当一轴发生故障时，用另一轴代替看故障的转移情况,模块交换法,第二节 进给伺服系统,为确定是否伺 服单元和伺服 电动机故障， 可以脱开位置 环，检查速度 环 。有干电池 和变阻器组成 直流回路,第二节 进给伺服系统,四、进给驱动的故障诊断,驱动结构

17、 1、模块式,模块式驱动单元,第二节 进给伺服系统,驱动结构 2、单元式,单元式驱动单元,第二节 进给伺服系统,驱动方式直流PWM和晶闸管驱动方式、交流变频控制方式、步进电 机驱动方式 直流进给驱动 （1）PWM调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速 度控制信号转换成一定频率的电压，加到直流伺服电机电枢的两端，通 过对方波宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到控制电枢电 流，进而控制伺服电动机转速的目的。 （2）晶闸管调速是利用速度调节器对晶闸管的导通角进行控制，通过改变 导通角的大小来改变电枢两端的电压，从而达到调速的目的。,2、交流进给驱动 因采用交流同步电动机，驱

18、动装置实质上是一个电子换向的直流电动机驱动装置,第二节 进给伺服系统,FANUC系统进给驱动故障表示方式：,1、CRT有报警显示的故障,报警号400457伺服系统错误报警 报警号702704过热报警,故障原因： 1、机床切削条件差及机床摩擦力矩增大，引起主回路中的过载继电 器动作 2、切削时伺服电机电流太大或变压器本身故障，引起变压器热控开 关动作 3、伺服电机电枢内部短路或绝缘不良等，引起变压器热控开关动作,第二节 进给伺服系统,2.报警指示灯指示的报警（7个灯）,故障原因： BRK无熔丝断路器切断报警 HVAL过电压报警 HCAL过电流报警（伴有401号报警） OVC过载报警（401或70

19、2报警） LVAL欠压报警 TGLS速度反馈信号断线报警 DCAL放电报警,第二节 进给伺服系统,3.无报警显示的故障,故障原因： 机床失控 速度反馈信号为正反馈信号 机床振动 与位置有关的系统参数设定错误检测装 置有故障（随进给速度） 定位精度低 传动链误差大；伺服增益太低 电动机运行噪声过大 换向器的表面粗糙度过低、油液灰尘等 侵入电刷或换向器、电动机轴向窜动等,第三节 位置检测装置,位置环是外环，其指令脉冲来自NC经插补运算（包含对伺服系统位置和速度的要求） 位置环是伺服系统中重要的一环，检测元件的精度直接影响机床的位置精度（闭环常用光栅，半闭环常用编码器） 故障形式是在CRT上显示报警

20、号和信息 轮廓误差、静态误差监视报警和测量装置监控报警,第三节 位置检测装置,一、位置检测装置的维护 1.光栅 透射光栅与反射光栅 光栅输出信号：二个相位和一个零标志 维护注意点 防污（冷却液轻微结晶、水雾、通入低压压缩空气、无水酒精轻檫） 防振（不能敲击避免光学元件损坏）,第三节 位置检测装置,一、位置检测装置的维护 2.光电脉冲编码器 输出信号：二个相位和一个零标志 维护注意点 防振和防污（内部松动和信号丢失） 联结松动（影响位置精度、进给运动的不稳定、伺服电机的换向而引起振动）,第三节 位置检测装置,一、位置检测装置的维护 3.感应同步器 组成：定尺和滑尺上面具有矩形绕组 维护注意点 在

21、安装时必须保持定尺和滑尺的相对平行、不要损坏尺上耐切削液涂层和带绝缘层的铝箔、滑尺接线要分清SIN和COS 绕组,第三节 位置检测装置,一、位置检测装置的维护 4.旋转变压器 输出电压与转子的角位移有固定的函数关 系 维护注意点 定子和转子阻值不同不要接错、碳刷磨损要及时更换,1.电机轴 2.测速发电机 6.小齿轮 7.旋转变压器 8.安装板 10.大齿轮 11.防护罩,第三节 位置检测装置,一、位置检测装置的维护 5.磁栅尺 组成：磁性标尺、磁头和检测电路 维护注意点 不能 将磁性膜刮坏、不能用力和撞击磁性标尺和磁头避免磁性减弱或磁场紊乱、 在接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组,第三节 位

22、置检测装置,二、位置检测的故障诊断 SIEMENS数控位控模块与检测装置的连接 1.输出信号(有两种形式） 电压或电流正弦信号/TTL电平信号,机床在运动过程中，从扫描单元输出三 组信号，两组增量信号和一组基准信号,第三节 位置检测装置,二、位置检测的故障诊断 2.EXE信号处理 通道放大器 整形电路 报警电路 细分电路,第三节 位置检测装置,二、位置检测的故障诊断 3.故障诊断 当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱 开，在CNC系统的一侧，把J2连接器上的5V 线同报警线ALM连在一起，合上数控电源， 根据报警是否再现，可迅速判断出故障的部 位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。 在测

23、量装置的话，可再测J1连接器上有无信 号输入，可将故障定位在光栅或EXE电路,例 一卧式加工中心，采用SINUMERIK8 系统，带EXE光栅测量装置。运行中出现 114号报警，同时伴有113号报警。 分析：114号电缆断线或与地短路；信号丢失 检查：外观检查和测量；（信号漏读）检查信号源和传输系统（光源和光学系统） 实际：灯泡表面呈毛玻璃状、指示光栅表面也有一层雾状物,伺服电机突然不动案例,故障现象 运行中，图形回转台交流伺服电机突然不起动,修前准备,技术准备,备好常用维修工具：信号发生器、示波器、万用电表等,画出相关的系统框图与电机动作有关的,查阅WY203 自动换箱数控组合机床的技术资料与维修手册。,获得信息,图形回转台为半闭环交流伺服控制系统。,PLC程序控制位置调节器,速度设定为模拟量,位置反馈为数字量,修前调查,故障报警显示无