數控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修1

1、數控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修引言進給驅動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數控系統(tǒng)的性能，直接影響了加工 工件的精度。對它做好良好的維護與維修，是數控機床的關鍵。介紹步進驅動系統(tǒng)的原理和主要特性作簡單介紹后，列出了步進驅動系 統(tǒng)的主要故障及排除，并列出相應維修實例。簡介了進給伺服驅動系統(tǒng)，列出了進給伺服驅動系統(tǒng)的主要報警及處理、 主要故障及排除，并列出了維修實例。1進給驅動系統(tǒng)概述進給驅動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數控系統(tǒng)的性能，決定了數控機床 的檔次，因此，在數控技術發(fā)展的歷程屮，進給驅動系統(tǒng)的研制和發(fā)展總是放在 首要的位置。數控系統(tǒng)所發(fā)出的控制指令，是通過進給驅動系統(tǒng)來驅動機械執(zhí)行部件，最

2、 終實現機床精確的進給運動的。數控機床的進給驅動系統(tǒng)是i種位置隨動與定位 系統(tǒng)，它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令，糟確地控制機 床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數控機床的許多性能，如最高移動速 度、輪廓跟隨精度、定位精度等。1.1數控機床對進給驅動系統(tǒng)的要求1. 調速范圍要寬調速范圍5是指進給屯動機提供的最低轉速enin和最高轉速nmax之比，即:n=nmin/n max °在各種數控機床屮，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉速以及零件加工 工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅動 系統(tǒng)必須具有足夠寬的無級調速范圍（通常大于1 :

3、 10000）。尤其在低速（如 <0.1r/min）時，要仍能平滑運動而無爬行現象。脈沖當量為1 u m/p情況卜：最先進的數控機床的進給速度從0240m/min 連續(xù)可調。但對于一般的數控機床，要求進給驅動系統(tǒng)在024m/min進給速度 下工作就足夠了。2. 定位精度要高使用數控機床主要是為了：保證加工質量的穩(wěn)定性、一致性，減少廢品率； 解決復雜曲面零件的加工問題;解決復雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等。 數控機床是按預定的程序自動進行加工的，避免了操作者的人為誤差，但是，它 不可能應付事先沒有預料到的情況。就是說，數控機床不能像普通機床那樣，可 隨時用手動操作來調整和補償各種因素

4、對加工精度的影響。因此，耍求進給驅動 系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床 具有較小的定位誤差與重復定位誤差（口前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達1 u m或 0.1 um,甚至0.01 um）；同時進給驅動系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能，以保證 機床具有較高的輪廓跟隨精度。3. 快速響應，無超調為了提高生產率和保證加工質量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有 良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。一方面，在啟、制動時, 要求加、減加速度足夠大，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡謀差。 一般電動機的速度從零變到最高轉速，或從最高轉速降至零的時間在20

5、0ms以 內，甚至小于兒十毫秒。這就要求進給系統(tǒng)要快速響應，但乂不能超調，否則將 形成過切，影響加工質量；另一方面，當負載突變時，要求速度的恢復吋間也要 短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。要求進給電動機必須具有較小的轉動慣量和大的制動轉矩，盡可能小的機電 時間常數和起動電壓。電動機具冇4000r/s2以上的加速度。4. 低速大轉矩，過載能力強數控機床耍求進給驅動系統(tǒng)冇非常寬的調速范圍，例如在加工曲線和曲而 時，拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進給騎動系統(tǒng)在低速時保持恒 力矩輸出，無爬行現象，并且具有長吋間內較強的過載能力，和頻繁的起動、反 轉、制動能力。一般，伺服驅動器具有

6、數分鐘英至半小吋內1.5倍以上的過載能 力，在短時間內可以過載46倍而不損壞。5. 可靠性高數控機床，特別是自動生產線上的設備要求具有長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的能 力，同時數控機床的維護、維修也較復雜，因此，要求數控機床的進給驅動系統(tǒng) 可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力，具有 很強的抗干擾的能力。4. 2步進驅動系統(tǒng)常見故障及排除步進驅動系統(tǒng)簡單來說，包括有步進電動機和步進驅動器。4.2.1步進電動機原理簡介及分類1. 步進電動機原理簡介步進電動機流行于70年代，該系統(tǒng)結構簡單、控制容易、維修方面，且控 制為全數字化；是一種能將數字脈沖轉化成一個步距角增量的電磁執(zhí)行元件

7、；能 很方便地將電脈沖轉換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤 差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動機使用。隨著計算機技 術的發(fā)展，除功率驅動電路z外，其它部分均可由軟件實現，從而進一步簡化結 構。因此，至今國內外對這種系統(tǒng)仍在進一步開發(fā)。但是，由于步進電動機基木上是用開環(huán)系統(tǒng)，精度不高，不能應用于中高 檔數控機床；步進電動機耗能大，速度低（遠不如交、直流電動機）。因此，目前步進電動機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經濟型數控，打印 機、繪圖機等計算機的外部設備。步進電動機是一種同步電動機，其結構同其它電動機一樣，由定子和轉子 組成，定子為激磁場，其激磁磁

8、場為脈沖式，即磁場以一定頻率步進式旋轉，轉 了則隨磁場一步一步前進。2.步進電動機分類步進電動機按轉矩產生的原理可分為反應式、永磁式及混合式步進電動機; 從控制繞組數量上可分為二相、三相、四相、五相、六相步進電動機；從電流的 極性上可分為單極性和雙極性步進電動機；從運動的型式上可分為旋轉、一直線、 平面步進電動機。4.2.2步進電動機的驅動電路控制方式和應用舉例1.步進電動機的驅動電路控制方式步進電動機繞組的驅動電路，單極性電流一般采用圖4-5<a>雙管串聯電路, 雙極性屯流一般采用圖4-5<b>的h橋電路;對于三相混合式步進電動機則采用三 相逆變橋電路，見圖4-5&l

9、t;c>(a)(b)圖4-5步進電動機驅動電路2. 開環(huán)控制系統(tǒng)的應用舉例以sh-50806a五相步進驅動器為例，步進進給驅動裝置的基本接口如圖46所示。指令接口電源接口電動機驅動接口圖4-6進給驅動裝置的基本接口 （以sh-50806a五相步進驅動器為例）4. 2. 3步進驅動裝置常見故障及排除正如前所述，步進驅動是開環(huán)控制系統(tǒng)屮最常選用的伺服驅動系統(tǒng)。開環(huán)進 給系統(tǒng)的結構較簡單，調試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一 般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應用。使用過程中，步進驅動系統(tǒng)常見如下故障：1.電動機過熱報警，可能原因及故障排除見表4-1 o表4-1：步進電動機過熱的

10、報警綜述故障現象可能原因排除措施冇些系統(tǒng)會報警，顯 示電動機過熱。用手 摸電動機，會明顯感 覺溫度不正常，其至 燙手工作環(huán)境過丁惡劣，環(huán)境 溫度過高重新考慮機床應用條 件，改善工作環(huán)境參數選擇不當，如電流過 大，超過相電流根據參數說明書，重新 設置參數電壓過高建議穩(wěn)壓電源2.工作中，尖叫后不轉，具體情況為加工或運行過程中，驅動器或步進電動機發(fā)出刺耳的尖叫聲?？赡茉蚣芭懦胧┮姳?-2：表4-2：步進驅動器尖叫后不轉的故障原因及排除綜述故障現象可能原因排除措施驅動器或步進電動機 發(fā)出刺耳的尖叫聲，然 后電動機停止不轉輸入脈沖頻率太高，引起 堵轉降低輸入脈沖頻率輸入脈沖的突調頻率太'j降

11、低輸入脈沖的突調頻 率輸入脈沖的升速曲線不夠理想引起堵傳調整輸入脈沖的升速曲 線3. 工作過程中停車，在工作正常的狀況卜發(fā)生突然停車的故障。引起此故障的可能原因見表4-3o表4-3工作過程中停車的故障綜述可能原因檢查步驟排除措施驅動電源故障用萬用表測量驅動電源的輸 出更換驅動器驅動電路故障發(fā)生脈沖電路故障電動機故障繞組燒壞更換電動機電動機線圈匝間短路 或接地用萬用表測量線圈間是否短 路雜物卡住可目測消除外界的干擾因索4. 工作噪聲特別大，仔細觀察加工或運行過程中，還有進二退一現象?？赡茉?因及排除措施見表4-4：表4-4：工作噪聲特別大的故障原因及排除綜述故障現象可能原因排除措施低頻旋轉時冇進

12、 二退一現象，高 速上不去檢查相序正確連接動力線電動機運行在低頻區(qū)或共振區(qū)分析電動機速度及電動機 頻率后，調整加工切削參數純慣性負載、正反轉頻繁重新考慮次機床的加工能 力屯動機故障磁路混合式或永磁式轉子磁鋼 退磁后以單步運行或在失步區(qū)更換電動機如永磁單向旋轉步進電動機的 定向機構損壞更換電動機5.無力或者是出力降低或稱“悶車”，即在工作過程中，某軸有可能突然停止, 俗稱“悶車”，可能原因見表4-5。表45： “悶車”的可能原因及排除措施故障部位可能原因排除措施驅動器端 故障電壓沒有從驅動器輸岀來檢查驅動器，確保有輸出驅動器故障更換驅動器電動機繞組內部發(fā)生錯誤電動機端 故障電動機繞組碰到機殼，發(fā)

13、生相間短路或 者線頭脫落電動機軸斷更換電動機電動機定子與轉子之間的氣隙過大專業(yè)電動機維修人員調 整好氣隙或更換電動機外部故障電壓不穩(wěn)重新考慮負載和切削條 件會造成“悶車”的原因可能是：負載過 大或切削條件惡劣重新考慮負載和切削條 件6.電動機一開始就不轉。造成此故障的可能原因及排除措施見表4-6。表4-6：電動機已開始就不轉的故障綜述故障部位可能原因排除措施步進驅動 器驅動器與電動機連線斷線確定連線正常保險絲是否熔斷更換保險絲當動力線斷線時，一線式步進 屯動機是不能轉動的，侶二相 五線制電動機仍可轉動，但力 矩不足。確保動力線的連接正常騾動器報警（過電壓、欠電壓、 過電流、過熱）按相關報警方法

14、解除騾動器使能信號被封鎖通過plc觀察是否使能信號 1:常騾動器電路故障最好用交換法，確定是否駛 動器電路故障，更換駛動器 電路板或驅動器接口信號線接觸不良重新連接好信號線系統(tǒng)參數設置不當如：工作方 式不對依照參數說明書，重新設置 相關參數步進電動 機電動機卡死主要是機械故障，排除卡死 的故障原因，經驗證，確保 電動機正常后，方可繼續(xù)使 用長期在潮濕場所存放，造成屯 動機部分生銹更換步進電動機屯動機故障指令脈沖太窄、頻率過高、脈 沖電平太低會出現尖叫后不轉的現象， 按尖叫后不轉的故障處理外部故障安裝不正確一般發(fā)生在新機調試時，重 新安裝調成電動機本身軸承等故障重新進行機械的調整7.步進電動機失

15、步或多步，此故障引起的可能現象是工作過程中，配置步進驅 動系統(tǒng)的某軸突然停頓，而后，又繼續(xù)走動。此故障的可能原因具體綜述見表 4-7 o表4-7：步進電動機失步或多步的可能原因及排除措施可能原因檢查步驟排除措施負載過大，超過電動機的承 載能力重新調整加工程序切 削參數負載忽大忽小是否毛坯余量分配不均 勻等調整加工條件負載的轉動慣量過大，啟動 時失步、停車時過沖可在不正式加工的條件 下進行試運行，判斷是 否有此想象發(fā)生重新考慮負載的轉動 慣量傳動間隙大小不均進行機械傳動精度的檢 驗進行螺距誤并補償傳動間隙產生的零件有彈 性變形重新考慮這種材料的 工件的加工方案電動機工作在震蕩失步區(qū)分析電動機速度

16、及電動 機頻率調整加工切削參數電路總清零使用不當干擾處理好接地，做好屏蔽 處理電動機故障，如定、轉子相 擦有的嚴重的情況，聽聲 咅度可以感覺出來更換電動機8.運轉不均勻，有抖動，反映在加工中是加工的工件有振紋，表面光潔度并。 引起此故障的可能原因及排除措施見表4-8o表4-8：數控裝置顯示時有時無或抖動的故障綜述可能原因檢查步驟排除措施指令脈沖不均勻用示波是觀察指令脈沖從數控系統(tǒng)找故障，去排除指令脈沖太窄指令脈沖電平不正 確用萬用表觀測指令脈沖電 平指令脈沖電平與驅 動器不匹配用萬用表測量指令脈沖電 平后比較，是否與驅動器 匹配確實電平能匹配脈沖信號存在噪聲用示波器觀測脈沖信號注意觀察電平是否

17、變化頻繁脈沖頻率與機械發(fā) 生共振可目測調節(jié)數控系統(tǒng)參數，避免共振9. 電動機定位不準。反映在加工中的故障就是加工工件尺寸有問題。可能原 因及故障排除措施見表4-9表4-9電動機定位不準的故障綜述可能原因檢查步驟排除措施加減速時間太小根據參數說明卩，重新設置好參數指令信號存在干 擾噪聲利用示波器，檢查指令 信號是否正常如果示波器顯示，信號只是受到小 幅度的變化，口 j加注磁環(huán)或抗干擾 的元器件，同時處理好接地，做好 屏蔽處理系統(tǒng)屏蔽不良4. 2.4步進電動機常見故障及維修常見故障見表4-10o表410：步進電動機常見故障綜述故障現象可能原因排除措施電動機尖叫cnc中與伺服驅動有關的參數 設定、調

18、整不當引起的正確設置參數屯動機不能旋 轉保險絲是否熔斷更換保險絲動力線短線確保動力線連接良好參數設置不當依照參數說明書，重新設置 相關參數電動機卡死主要是機械故障，排除卡死 的故障原因，經驗證，確保 電動機正常后，方可繼續(xù)使 用生銹或故障更換步進電動機屯動機發(fā)熱異 常動力線r、s、t連線不搭配正確連接r、s、t線4.2.5步進驅動系統(tǒng)維修實例：例1：加工大導程螺紋吋，出現堵轉現象。 故障診斷和處理過程：開環(huán)控制的數控機床的cnc裝置的脈沖當量一般為 0.01mm, z坐標軸g00指令速度般為2000mm/min3000mm/min。開環(huán)控制的數 控車床的主軸結構一般有兩類：一類是由普通車床改造

19、的數控車床，主軸的機械結構不變，仍然保持換檔有 級調速；另一類是采用通用變頻器控制數控車床主軸實現無級調速。這種主軸無 級調速的數控車床在進行人導程螺紋加工時，進給軸會產生堵轉，這是高速低轉 矩特性造成的。如果主軸無級調速的數控車床加工lomni導程的螺紋時，主軸轉速選擇 300r/min,那么丿j架沿z坐標軸需要用3000mm/niin的進給速度配合加工，z坐 標軸步進屯動機的轉速和負載轉矩是無法達到這個要求的，因此會出現堵轉現 象。如果將主軸轉速降低，刀架沿z坐標軸加工的速度減慢，z坐標軸步進電動 機的轉矩增大，螺紋加工的問題似乎可以得到改善，然而由于主軸采用通用變頻 器調速，使得主軸在低

20、速運行吋轉矩變小，主軸會產生堵轉。對于主軸保持換檔變速的開環(huán)控制的數控車床，在加工大導程螺紋時，主軸 可以低速止常運行，大導程螺紋加工的問題可以得到改善，但是光潔度受到影響。 如果在加工過程屮，切削進給量過大，也會出現z坐標軸堵轉現象。例2：步進電動機驅動單元的常見故障功率管損壞。故障診斷和處理過程：步進屯動機驅動單元的常見故障為功率管損壞。功率管損 壞的原因主要是功率管過熱或過流造成的。要重點檢杳提供功率管的電壓是否過 高，功率管散熱環(huán)境是否良好，步進電動機驅動單元與步進電動機的連線是否可 靠，有沒有短路現象等，如有故障要逐一排除。為了改善步進電動機的高頻特性，步進電動機驅動單元一般采用大于

21、80v 交流電壓供電（以前有50v）,經過整流后，功率管上承受較高的直流工作電壓。 如果步進屯動機驅動單元接入的屯壓波動范圍較人或者冇屯氣干擾、散熱環(huán)境不 良等原因，就可能引起功率管損壞。對于開環(huán)控制的數控機床，重要的指標是可 靠性。因此，可以適當降低步進電動機驅動單元的輸入電壓，以換取步進電動機 騾動器的穩(wěn)定性和可靠性。例3：經濟型數控機床的啟動、停車影響工件的精度。故障診斷和處理過程：步進電動機旋轉時，其繞組線圈的通、斷電流是有 一定順序的。以一個五相十拍步進電動機為例，啟動時，a相線圈通電，然后各 相線圈按照 a->ab->b->bc->c->cd->

22、d->de->e->ea->a 所示順序通電。我 們稱a相為初始相，因為每次重新通電的時候，總是a相處于通電狀態(tài)。當步 進屯動機旋轉一段時間后，通電的狀態(tài)是其中的某個狀態(tài)。這時機床斷屯停止運 行時，步進電動機在該狀態(tài)初結束。當機床再次啟動通電工作時，步進電動機又 從a向開始，與前次結束不一定是同相，這兩個不同的狀態(tài)會使偏傳若干個步 距角，工作臺的位置產生偏差，cnc對此偏差是無法進行補償的。數控機床在批量加工零件吋，如果因換班斷電停車或者有其他原因斷電停 車更換加工零件，根據上述的原因，這時所加工的零件尺寸會有偏差。解決這個 問題可以通過檢測步進電動機驅動單元的初始相信

23、號，使機床在初始相處斷電停 車來解決。另一種解決方法是在數控機床上安裝機床回參考點來解決。4. 1進給伺服驅動系統(tǒng)介紹4. 3.1進給伺服驅動系統(tǒng)的組成及分類1. 進給伺服驅動系統(tǒng)的組成數控機床的伺服系統(tǒng)-般由驅動控制單元，驅動單元，機械傳動部件，執(zhí)行 機構和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅動控制單元和驅動單元組成伺服驅動系統(tǒng)。機械 傳動部件和執(zhí)行機構組成機械傳動系統(tǒng)。檢測元件和反饋電路組成檢測裝置，也 稱檢測系統(tǒng)。進給伺服系統(tǒng)的任務就是要完成各坐標軸的位置控制。數控系統(tǒng)根據輸入的 程序指令及數據，經插補運算后得到位置控制指令，同時，位置檢測裝置將實際 位置監(jiān)測信號反饋于數控系統(tǒng)，構成全閉環(huán)或半閉環(huán)的位

24、置控制。經位置比較后, 數控系統(tǒng)輸出速度控制指令至各坐標軸的張動裝置，經速度控制單元驅動伺服電 動機滾珠絲杠傳動實現進給運動。伺服電動機上的反饋裝置將轉速信號反饋冋系 統(tǒng)與速度控制指令比較，構成速度反饋控制。因此，進給伺服系統(tǒng)實際上是外環(huán) 為位置環(huán)、內環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)。對進給伺服系統(tǒng)的維護及故障診斷將落實 到位置環(huán)和速度環(huán)上。組成這兩個環(huán)的具體裝置有：用于位置檢測的冇光柵、光 電編碼器、感應同步器、旋轉變壓器和磁柵等；用于轉速檢測的有測速發(fā)電動機 或光電編碼器等。2. 進給伺服驅動系統(tǒng)的分類按伺服進給系統(tǒng)使用的伺服類型，半閉環(huán)、閉環(huán)數控機床常用的伺服進給系 統(tǒng)可以分直流伺服驅動系統(tǒng)和交流伺

25、服驅動系統(tǒng)兩大類。在20世紀70年代至 8()年代的數控機床上，一般均采用直流伺服驅動；從80年代中、后期起，數控 機床上多采用交流伺服驅動。下而將分別按直流伺服驅動系統(tǒng)、交流伺服驅動系 統(tǒng)來闡述其維修與維護的相關知識。4. 3. 2直流進給驅動系統(tǒng)的介紹1.2.交流伺服系統(tǒng)的組成交流伺服系統(tǒng)主要由下列幾個部分構成，如圖4-11所示。(1) 交流伺服電動機。可分為永磁交流同步伺服電動機，永磁無刷直流伺 服電動機、感應伺服電動機及磁阻式伺服電動機；(2) pwm功率逆變器。可分為功率晶體管逆變器、功率場效應管逆變器、 igbt逆變器(包括智能型igbt逆變器模塊)等。(3) 微處理器控制器及邏輯

26、門陣列?？煞譃閱纹瑱C、dsp數字信號處理器、 dsp+cpu、多功能 dsp (如 tms320f240)等；(4) 位置傳感器(含速度)。可分為旋轉變壓器、磁性編碼器、光電編碼 器等；(5) 電源及能耗制動電路；(6) 鍵盤及顯示電路；(7) 接口電路。包括模擬電壓、數字i/o及串口通訊電路(8) 故障檢測，保護電路。圖4-11交流伺服系統(tǒng)組成3. 交流伺服電動機的簡介交流伺服電動機可依據電動機運行原理的不同，分為感應式（或稱異步） 交流伺服電動機、永磁式同步電動機、永磁式無刷直流伺服電動機、和磁阻 同步交流伺服電動機。這些電動機具有相同的三相繞組的定子結構。感應式交流伺服電動機，其轉子電流

27、出滑差電勢產生，并與磁場相互作 用產生轉矩，其主要優(yōu)點是無刷，結構堅固、造價低、免維護，對環(huán)境要求 低，其主磁通用激磁電流產生，很容易實現弱磁控制，高傳速可以達到45 倍的額定轉速；缺點是需要激磁電流，內功率因數低，效率較低，轉子散熱 困難，要求較大的伺服驅動器容量，電動機的電磁關系復雜，要實現電動機 的磁通與轉矩的控制比較困難，電動機非線性參數的變化影響控制精度，必 須進行參數在線辨識才能達到較好的控制效果。永磁同步交流伺服電動機，氣隙磁場由稀土永磁體產生，轉矩控制由調 節(jié)電樞的電流實現，轉矩的控制較感應電動機簡單，并且能達到較高的控制 精度；轉子無銅、鐵損耗，效率高、內功率因數高，也具有無

28、刷免維護的特 點，體積和慣量小，快速性好；在控制上需要軸位置傳感器，以便識別氣隙 磁場的位置；價格較感應電動機貴。無刷直流伺服電動機，英結構與永磁同步伺服電動機相同，借助較簡單 的位置傳感器（如霍爾磁敏開關）的信號，控制電樞繞組的換向，控制最為 簡單；由于每個繞組的換向都需要一套功率開關電路，電樞繞組的數目通常 只采用三相，相當于只有三個換向片的直流電動機，因此運行時電動機的脈 動轉矩大，造成速度的脈動，需要采用速度閉環(huán)才能運行于較低轉速，該電 動機的氣隙磁通為方波分布，可降低電動機制造成本。有時，將無刷直流伺 服系統(tǒng)與同步交流伺服混為一談，外表上很難區(qū)分，實際上兩者的控制性能 是有較大差別的

29、。磁阻同步交流伺服電動機，轉子磁路具有不對稱的磁阻特性，無永磁體 或繞組，也不產生損耗；其氣隙磁場由定子電流的激磁分量產生，定子電流的轉矩分量則產牛電磁轉矩；內功率因數較低，要求較大的伺服驅動器容量, 也具有無刷、免維護的特點；并克服了永磁同步電動機弱磁控制效果差的缺 點，口實現弱磁控制，速度控制范圍口j達到0. lrpmloooorpm,也兼冇永磁 同步電動機控制簡單的優(yōu)點，但需要軸位置傳感器，價格較永磁同步電動機 便宜，但體積較大些。目前市場上的交流伺服電動機產品主要是永磁同步伺服電動機及無刷 直流伺服電動機。4. 永磁式同步交流伺服電動機控制原理圖4-11表示永磁同步電動機控制原理框圖交

30、流伺服系統(tǒng)是一個多環(huán)控制系統(tǒng)， 需要實現位置、速度、電流三種負反饋控制設置了三個調節(jié)器，分別調節(jié)位置、 速度和電流，三者z間實行串級聯接,把位置調節(jié)器的輸出當作速度調節(jié)器的輸 入，再把速度調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的輸入,而把電流調節(jié)器的輸出經過 坐標變換后，給出同步電動機三相電壓的瞬時給定值，通過pwm逆變器，實現對同 步電動機三相繞組的控制實測的三相電流瞬時值，也要通過坐標反變 換，成為實現屯流的反饋控制上述控制框圖,在結構電流為最內環(huán)，位置為最外 環(huán),形成了位置、速度、電流的三閉環(huán)控制直流電源9* +圖4-11永磁同步電動機控制原理框圖4.3.3典型接口電路舉例及電路接口例：采用s1nu

31、mer1k802d帶總線指令接口控制的simodrive進給驅動裝置的 連線實例，如圖4-12所示。i cnc i | sinumerik 802d|伺服電源模塊電源廠p600x423伺服驅動模塊1pcu電源ix423j a 1r 1et6sn11231aboooaa16sn11231aa000aa!l6sn11461ab000bal|3-ac380vmmy料由1fk60606af711ag01fk60606af711ag0r*xt5vgnda*ab-l-1fk60606af711ag0圖4-12釆用總線指令接口控制的進給驅動裝置的連線實例例：某進給伺服驅動裝置的接口如圖413所示。r

32、1;xt5vgnda*屮b-l-i00aai ix41i jx412-.ilyijyilwipel j+m-圖4-13某進給伺服張動裝置的內部接口圖4.2進給伺服驅動系統(tǒng)常見的報警及處理4.4.1進給伺服系統(tǒng)各類故障的表現形式當進給伺服系統(tǒng)出現故障吋，通常有三種表現方式： 在crt或操作面板上顯示報警內容和報警信息，它是利用軟件的診斷程 序來實現的。 利用進給伺服驅動單元上的硬件（如：報警燈或數碼管指示，保險絲熔 斷等）顯示報警驅動單元的故障信息； 進給運動不正常，但無任何報警信息。其中前兩類，都可根據生產廠家或公司提供的產品維修說明書中有關“齊種報警信息產生的可能原因”的提示進行分析判斷，一

33、般都能確診故障原因、 部位。對于第三類故障，則需要進行綜合分析，這類故障往往是以機床上工作不 止常的形式出現的，如機床失控、機床振動及工件加工質量太弟等。伺服系統(tǒng)的故障診斷，雖然由于伺服驅動系統(tǒng)生產廠家的不同，在具體做 法上可能有所區(qū)別，但其基木檢查方法與診斷原理卻是一致的。診斷伺服系統(tǒng)的 故障，一般可利用狀態(tài)指示燈診斷法、數控系統(tǒng)報警顯示的診斷法、系統(tǒng)診斷信 號的檢杳法、原理分析法的等等。4.4.2軟件報警（crt顯示）故障及處理1. 進給伺服系統(tǒng)出錯報警故障這類故障的起因，大多是速度控制單元方面的故障引起的，或是主控制印制 線路板與位置控制或伺服信號有關部分的故障。例：下表為fanuc p

34、wm速度 控制單元的控制板上的7個報警指示燈，分別是brk、hval、hcal、ovc、 lval、tgls以及dcal；在它們下方還有prdy （位置控制已準備好信號） 和vrdy （速度控制單元已準備好信號）2個狀態(tài)指示燈，其含義見表4-1 k表411速度控制單元狀態(tài)指示燈一覽表代號含義備注代號含義備注brk騾動器主冋路熔斷器跳閘紅色tgls轉速太高紅色hcal驅動器過電流報警紅色dcal直流母線過電壓報警紅色hval驅動器過電壓報警紅色pray位置控制準備好綠色ovc驅動器過載報警紅色vrdy速度控制單元準備好綠色lval驅動器欠電壓報警紅色備注：表示出于含義說明中是的狀態(tài)2. 檢測元件

35、（測速發(fā)電動機、旋轉變壓器或脈沖編碼器）或檢測信號方面 引起的故障。例如：某數控機床顯示“主軸編碼器斷線”。引起的原因有： 電動機動力線斷線。如果伺服電源剛接通，尚未接到任何指令時，就 發(fā)生這種報警，則由于斷線而造成故障可能性最大。 伺服單元印制線路板上設定錯誤，如將檢測元件脈沖編碼器設定成了 測速發(fā)電動機等。 沒有速度反饋電壓或時有時無，這可用顯示其來測量速度反饋信號來 判斷，這類故障除檢測元件本身存在故障外，多數是由于連接不良或 接通不良引起的。 rtr丁光屯隔離板或中間的某些屯路板上劣質元器件所引起的。當有時 開機運行和當長一段時間后，出現“主軸編碼器斷線”，這時，重新 開機，可能會自動

36、消除故障。3. 參數被破壞 參數被破壞報警表示伺服單元小的參數由于某些原因引起混亂或丟失。引起此報警的通常原因及常規(guī)處理見表4-12o表412“參數被破壞”報警綜述警報內容警報發(fā)生狀 況可能原因處理措施參數破壞在接通控制 電源時發(fā)生止在設定參數時電源斷 開進行用戶參數初 始化后重新輸入 參數止在寫入參數時電源斷 開超出參數的嗎入次數更換伺服張動器（重新評估參數寫入法）伺服驅動器eeprom以及 外圍電路故障更換伺服張動器參數設定異常在接通控制 電源時發(fā)生裝入了設定不適當的參 如執(zhí)行用戶參數初始化處理4. 主電路檢測部分異常引起此報警的通常原因及常規(guī)處理見下表413。表413 “主電路檢測部分異

37、?！眻缶C述警報內容警報發(fā)生狀可能原因處理措施況主電路檢測部分 異常在接通控制 電源時或者 運行過程屮 發(fā)丫控制電源不穩(wěn)定將電源恢復正常伺服驅動器故障更換伺服驅動器5.超速 引起此報警的通常原因及常規(guī)處理見下表4-14o表414“超速”報警綜述警報內容警報發(fā)生狀 況可能原因處理措施超速接通控制電 源吋發(fā)生電路板故障更換伺服驅動器電動機編碼器故障更換編碼器電動機運轉 過程中發(fā)生速度標定設定不合 適重設速度設定速度指令過大使速度指令減到規(guī)定 范圍內電動機編碼器信號 線故障新布線電動機編碼器故障更換編碼器電動機啟動時發(fā)生超跳過人重設伺服調整使起動 特性曲線變緩負載慣量過大伺服在慣量減到規(guī)定 范圍內6

38、.限位動作限位報警主要指的就是超程報警。引起此報警的通常原因及常規(guī)處理見下表4-15o表415“限位”報警綜述警報發(fā)生狀況可能原因處理措施限位開關動作限位開關有動作（即控 制軸實際已經超程）；參照機床使用說 明書進行超程解 除限位開關電路開路。依次檢查限位電 路，處理電路開路 故障4.3進給伺服驅動系統(tǒng)常見故障及排除4. 5. 1進給伺服系統(tǒng)常見的故障及處理1.機床振動。指的是機床在移動式或停止時的振蕩、運動時的爬行、正常加工 過程屮的運動不穩(wěn)等等。故障可能是機械傳動系統(tǒng)的原因，亦可能是伺服進給系 統(tǒng)的調整與設定不當等等。(1) 開停機時振蕩的故障原因、檢查和處理方法見下表4-23。表4-23

39、機床振動的原因與檢查、處理方法項目故障原因檢査步驟措施1位置控制系統(tǒng)參數設定錯 誤對照系統(tǒng)參數說明檢查原因設定正確的參 數2速度控制單元設定錯誤對照速度控制單元說明或根 據機床廠捉供的設定單檢查 設定正確設定速度 控制單元3反饋裝置出錯反饋裝置本身是否冇故障更換反饋裝置反饋裝置連線是否正確正確連接反饋 線4電動機本身有故障用替換法，檢查是否電動機冇 故障如冇故障，更 換電動機5振動周期與進給速度成正 比故障原因：機床、檢測器、 不良，插不精度差或檢測 增益設定太高若插補精度差，振動周期可能 為位置檢測器信號周期的1 或2倍；若為連續(xù)振動，可能 是檢測增益設定太高。檢查與振動周期同步的部分， 并

40、找到不良部分更換或維修不 良部分，調整 或檢測增益故障查找的方法例如：當機床以高速運行時，如果產生振動，這時就會出 現過流報警。這種振動問題一般屬于速度問題，所以應去查找速度環(huán)，而機床速 度的整個調節(jié)過程是由速度調節(jié)器來完成的。即凡是與速度有關的問題，應該去 查找速度調節(jié)器，因此振動問題應查找速度調節(jié)器。主要從給定信號、反饋信號 及速度調節(jié)器本身這三方面去查找故障。 首先檢查輸給速度調節(jié)器的信號，即給定信號，這個給定信號是由位置 偏差計數器岀來經d/a轉換器轉換的模擬量vcmd送入速度調節(jié)器的， 應查一下這個信號是否有振動分量，如它只有一個周期的振動信號，可 以確認速度調節(jié)器沒有問題，而是前級

41、的問題，即應向d/a轉換器或位 置偏差計數器去查找問題。如果正常，就轉向查測速發(fā)電動機或伺服電 動機的位置反饋裝置是否有故障或連線錯誤。 檢杳測速發(fā)電動機及伺服電動機：當機床振動時，說明機床速度在振蕩, 當然反饋回來的波形一定也在振蕩，觀察它的波形是否出現冇規(guī)律的大 起大落。這時，最好能測一下機床的振動頻率與旋轉的速度是否存在一 個準確的比例關系，如振動頻率是電動機轉速的四倍頻率，這是就應考 慮電動機或發(fā)電動機有故障。因振動頻率與屯動機轉速成一定比例，首先要檢查電動機有無故 障，如果沒有問題，就再檢查反饋裝置連線是否正確。 位置控制系統(tǒng)或速度控制單元上的設定錯誤：如系統(tǒng)或位置環(huán)的放人倍 數(檢

42、測倍率)過大，最大軸速度，最大指令值等設置錯誤。 速度調節(jié)器故障如采用上述方法還不能完全消除振動，甚至無任何改 善，就應考慮速度調節(jié)器本身的問題，應更換速度調節(jié)器板或換下后徹 底檢測各處波形。 檢查振動頻率與進給速度的關系：如二者成比例，除機床共振原因外， 多數是因為cnc系統(tǒng)插補精度太差或位置檢測增益太高引起的，須進行 插補調整和檢測增益的調整。如果與進給速度無關，可能原因冇：速度 控制單元的設定與機床不匹配，速度控制單元調整不好，該軸的速度環(huán) 增益太大，或是速度控制單元的印制線路板不良。例：一臺配套某數控系統(tǒng)的龍門加工屮心，在啟動完成、進入可操作狀態(tài)后，x 軸只要一運動即岀現高頻震蕩，產生

43、尖叫，系統(tǒng)無任何報警。分析與處理過程：在故障出現后，觀察x軸拖板，發(fā)現實際拖板振動位移 很??；但觸摸輸岀軸，可感覺到轉子在以很小的幅度、極高的頻率振動；且振動 的噪聲就來自x軸伺服?？紤]到振動無論是在運動屮述是靜止時均發(fā)生，與運動速度無關，故基本 上可以排除測速發(fā)電動機、位置反饋編碼器等碩件損壞的可能性。分析可能的原因是cnc屮與伺服驅動有關的參數設定、調整不當引起的； 且由于機床振動頻率很高，因此時間常數較小的電流環(huán)引起振動的口j能性較人。由于fanuc 15ma數控系統(tǒng)采用的是數字伺服，伺服參數的調整可以直接 通過系統(tǒng)進行，維修時調岀伺服調整參數頁而，并與機床隨機資料屮捉供的參數 表對照，

44、發(fā)現參數parm1852. parm1825與提供值不符，設定值見下： 參數號正常值實際設定值185210003414182520002770將上述參數重新修改后，振動現象消失，機床恢復正常工作。(2) 工作過程中，振動或爬行。引起此故障的通常原因及常規(guī)處理見表4-24 o表424工作過程中，振動或爬行故障的原因及排除綜述可能原因排除方法措施，負載過重重新考慮此 機床所能承 受的負載減輕負載，讓機床工作在額定負載以 內機械傳動系統(tǒng) 不良依次察看機 械傳動鏈保持良好的機械潤滑，并排除傳動故 障位置環(huán)增益過 高查看相關參 數重新調整伺服參數伺服不良通過交換 法，一般可 快速排除更換伺服驅動器故障維

45、修實例：運動不平穩(wěn)故障維修故障現象：一臺配套某系統(tǒng)的加工中心，進給加工過程中，發(fā)現x軸有振 動現象。分析與處理過程：加工過程屮坐標軸岀現振動、爬行現彖與多種原因冇關, 故障可能是機械傳動系統(tǒng)的原因，亦可能是伺服進給系統(tǒng)的調整與設定不出等 等。為了判定故障原因，將機床操作方式置于手動方式，用手搖脈沖發(fā)生器控制 x軸進給，發(fā)現x軸仍有振動現象。在此方式卜通過較長時間的移動后，x軸 速度單元上ovc報警燈亮。證明x軸伺服驅動器發(fā)生了過電流報警，根據以上 現象，分析可能的原因如下： 負載過重。 機械傳動系統(tǒng)不良。 位置環(huán)增益過高。 伺服不良，等等。維修時通過互換法，確認故障原因出在直流伺服上。卸下x軸

46、，經檢查發(fā) 現6個電刷屮有2個的彈簧已經燒斷，造成了電樞電流不平衡，使輸出轉短不平 衡。另外，發(fā)現的軸承亦有損壞，故而引起x軸的振動與過電流。更換軸承與電刷后，機床恢復止常。又例：配套某系統(tǒng)的加工屮心，在長期使用后，手動操作z軸時冇振動和異常 響聲，并岀現“移動過程中” z軸誤差過大”報警。為了分清故障部位，考慮到機床伺服系統(tǒng)為半閉環(huán)結構，通過脫開與絲杠 的連接，再次開機試驗，發(fā)現伺服驅動系統(tǒng)工作正常，故障清楚，從而判定故障 原因在機床機械部分。利用手動轉動機床z軸，發(fā)現絲杠轉動困難，絲杠的軸承發(fā)熱。經仔細檢 查，發(fā)現z軸導軌無潤滑，造成z軸摩擦阻力過大；重新修理z軸潤滑系統(tǒng)后, 機床恢復正常

47、。（3）工作臺移動到某處時出現緩慢的止反向擺動。機床經過長期使用， 機床與伺服驅動系統(tǒng)z間的配合可能會產生部分改變，一旦匹配不良，可 能引起伺服系統(tǒng)的局部振動。例：一臺配套某系統(tǒng)的加工中心，在長期使用后，只要工作臺移動到行程的中間 段，x軸即出現緩慢的止、反向擺動。分析與處理過程：由于機床在其他位置時工作均正常，因此，系統(tǒng)參數、 伺服騾動器和機械部分應無問題?？紤]到機床已經過長期使用，機床與伺服驅動系統(tǒng)之間的配合可能會發(fā)牛 部分改變，一旦匹配不良，可能引起伺服系統(tǒng)的局部振動。根據fanuc伺服驅 動系統(tǒng)的調整與設定說明，維修時通過改變x軸伺服單元上的s6、s7、slk s13 等設定端的設定，

48、消除了機床的振動。2.運動失控（即飛車）可能的原因見表4-25。表4-25機床失控的原因與檢查、處理方法項故障原因檢查步驟措施1位置檢測、速度檢測信號不良檢查連線，檢查位置、速度環(huán) 是否為 止反饋改止連線2位置編碼器故障可以用交換法重新進行止確的 連接3主板、速度控制單元故 障用排除法確定次模塊有故障更換印制電路板3.機床定位精度或加工精度差機床定位精度或加工精度差可分為定位超 調、單脈沖進給精度差、定位點精度不好、圓弧插補加工的圓度差等情況。其故 障的原因、檢查和處理方法見表4-26o表4-26機床定位精度和加工精度差的原因與檢查、處理方法項目故障原因檢查步驟措施超 調1加/減速時間設定過小

49、檢測起、制動電流是否 已經飽和延長加/減速時間設定2與機床的連接部分剛性差 或連接不牢固檢查故障是否可以通 過減小位置環(huán)增益改 善減小位置環(huán)增益 或提高機床的剛 性單 脈 沖 精 度1需要根據不同情況進行故 障分析檢查定位時位置跟隨 誤差是否止確若心確，見第2 項，否則第3項2機械傳動系統(tǒng)存在爬行或 松動檢查機械部件的安裝 精度與定位精度調整機床機械傳 動系統(tǒng)3伺服系統(tǒng)的增益不足調整速度控制單元扮 傻姑娘的相應旋鈕，提 高速度環(huán)增益提高位置環(huán)、速 度環(huán)增益定 位1需根據不同情況進行故障 分析檢查定位是位置跟隨 誤差是否止確若心確，見第2 項，否則第3項精 度 不 良2機械傳動系統(tǒng)存在爬行或 松

50、動檢查機械部件的安裝 精度與定位精度調整機床機械傳 動系統(tǒng)3位置控制單元不良更換位置控制單元板（主板）更換不良板4位置檢測器件（編碼器、光 柵）不良檢測位置檢測器件（編 碼器、光柵）更換不良位置檢 測期間（編碼器、 光柵）5速度控制單元控制板不良維修、更換不良 板圓 弧 插 補 加 工 的 圓 度 差1需根據不同情況進行故障 分析測量不圓度，檢查周向 上是否變形，45。方向 上是否成橢圓若軸向變形，則 見第2項，若45 °方向上成橢 圓，則見第3項2機床反向間隙大、定位精度 差測量各軸的定位精度與反向間隙調整機床，進行 定位精度、反向 間隙的補償3位置環(huán)增益設定不當調整控制單元使同樣

51、 的進給速度下各插補 軸的位置跟隨誤差的差值在±1%以內調整位置環(huán)增益 以消除各軸間的 增益差4各插補軸的檢測增益設定不良在項目3調整后，在45°上成橢圓調整檢測增益5感應同步器或旋轉變壓器 的接口板調整不良檢查接口板的調整重新調整接口板6絲杠間隙或傳動系統(tǒng)間隙測量、重新調整間隙調整間隙或改變 間隙補償值當圓弧插補出現45。方向上的橢圓時，可以通過調整伺服進給軸的位置増益進行調整。坐標軸的位置增益由下式計算:k嚴空zxess式屮 b進給速度（mm/min）；弘位置跟隨誤差（0. 001mm）； k.；.位置增益（1/s） o位置跟隨誤差可以通過數控系統(tǒng)的診斷參數檢查。位置跟

52、隨誤差則在速度 控制單元上有相應的電位器來調節(jié)。注意，參與圓弧插補的兩軸的位置跟隨誤差 的差值必須控制在1%以內。4.位置跟隨誤差超差報警 伺服軸運動超過位置允差范圍時，數控系統(tǒng)就會產 生位置誤差過人的報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因及排 除見表4-27o表4-27：位置跟隨誤差超差報警的原因及處理故障原因檢查步驟措施伺服過載或冇 故障查看伺服驅動器相應的報警指示燈減輕負載，讓機床工作在 額定負載以內動力線或反饋 線連接錯誤檢查連線正確連接電動機與反饋 裝置的連接線伺服變壓器過 執(zhí)八、查看相應的工作條件和狀態(tài)觀察散熱風扇是否工作 正常，作好散熱措施保護熔斷器熔 斷輸入電源電壓

53、 太低用萬用表測量輸入電壓確保輸入電壓正常伺服驅動器與 cnc間的信號 電纜連接不良檢查信號電纜的連接，分別測量電 纜信號線各引腳的通斷確保信號電纜傳輸正常干擾檢查屏蔽線處理好地線以及屏蔽層參數設置不當檢查設置位置跟隨誤差的參數，如： 伺服系統(tǒng)增益設置不當，位置偏差 值設定錯誤或過小依參數說明書正確設置 參數速度控制m元 故障都口 j以用同型號的備用電路板來測 試現在的電路板是否有故障如果確認故障，更換相應 電路板或驅動器系統(tǒng)主板的位 置控制部分故 障編碼器反饋不用于轉動電動機，看反饋的數值是 否相符如果確認不良，更換編碼 器機械傳動系統(tǒng) 冇故障如：進給傳動鏈累計誤差過人或機 械結構連接不好而

54、造成的傳動間隙 過人；排除機械故障，確保工作 正常5.超程 當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關決定的碩限位時， 就會發(fā)生超程報警，一般會在crt上顯示報警內容，根據數控系統(tǒng)說明書，即可 排除故障，解除超程。具體情況見表4-21表4-21超程故障的原因及排除故障現象可能原因排除措施系統(tǒng)岀錯，提示某軸硬件 超程零件太大，不適合在此機 床上加工重新考慮加工次零件的 條件伺服的超程回路短路此次檢驗超程回路，避免 超程信號的誤輸入系統(tǒng)報警，提示某軸軟超 程程序錯誤重新編制程序刀具起點位置有誤重新對刀6.超過速度控制范圍（一般crt上有超速的提示）速度控制單元超速的原因及 排除見表4-22：表4-22超速的報警及處理故障原因檢查步驟排除措施測速反饋連接錯誤用萬用表測量各端子極 性按相應端子連接好反饋線檢測信號不正確 或無速度與位置 檢測信號檢查聯軸器、與工作臺 的連接是否良好正確連接工作臺與聯軸器之間的 連接速度控制單元參 數設定不當或設 置過低檢查相應參數是否不 當，如加減速捷速時間 常數設置過小重新設置參數位置控制板發(fā)生