數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修單元六課件

1、單元六6.1進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)6.1.1進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)1.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能進(jìn)給伺服系統(tǒng)包括進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元及進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī),它們應(yīng)該在以下三個(gè)方面滿足數(shù)控機(jī)床整機(jī)的要求。 1)精度高。要有較好的靜態(tài)特性和較高的伺服剛度,以保證機(jī)床具有較高的定位精度和輪廓加工精度,定位精度一般為0.010.001mm,甚至達(dá)到0.1m。同時(shí)伺服系統(tǒng)還應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)性能,以保證機(jī)床具有較高的輪廓跟隨精度。2)快速響應(yīng)、無(wú)超調(diào)。為了提高生產(chǎn)率,進(jìn)給伺服系統(tǒng)起、制動(dòng)時(shí),要有足夠的加速度,以縮短過(guò)渡過(guò)程時(shí)間,減小輪廓過(guò)渡誤差。伺服電動(dòng)機(jī)從零轉(zhuǎn)速升到最高轉(zhuǎn)速,或從最高轉(zhuǎn)速降至零轉(zhuǎn)速的時(shí)間要小于200ms。要求快速響應(yīng)、無(wú)超

2、調(diào),避免形成過(guò)切,影響加工質(zhì)量。同時(shí),當(dāng)負(fù)載突變時(shí),要求恢復(fù)速度穩(wěn)定的時(shí)間極短,且不能有振蕩,這樣才能得到光滑的加工表面。勻、穩(wěn)定、無(wú)爬行條件下具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍 3)調(diào)速范圍寬。在數(shù)控加工中,由于所用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及進(jìn)給速度等工藝條件各不相同,為保證任何情況下都能得到最佳切削條件,要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在速度均 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方式主要按檢測(cè)信號(hào)的反饋形式劃分,即全閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制。1)全閉環(huán)控制。當(dāng)反饋信號(hào)從安裝在工作臺(tái)上的位置檢測(cè)器取出后送到數(shù)控裝置的位置偏差檢測(cè)器時(shí),即構(gòu)成全閉環(huán)控制系統(tǒng),主要應(yīng)用在精度較高的數(shù)控機(jī)床上,如圖6-1a所示。2.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制

3、方式 圖6-1進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制方式2)半閉環(huán)控制。當(dāng)反饋信號(hào)從安裝在伺服電動(dòng)機(jī)上或與傳動(dòng)絲杠連接的位置檢測(cè)器取出后送到數(shù)控裝置的位置偏差檢測(cè)器時(shí),即構(gòu)成半閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖6-1b所示。 半閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號(hào)取出點(diǎn)與運(yùn)動(dòng)部件的實(shí)際位置之間存在著聯(lián)軸器間隙、絲杠的螺距誤差、絲杠扭轉(zhuǎn)和絲杠軸向彈性變形等環(huán)節(jié)產(chǎn)生的誤差,因此其定位控制精度低于全閉環(huán)系統(tǒng)。對(duì)于一般精度的數(shù)控機(jī)床,通過(guò)對(duì)機(jī)械零件的嚴(yán)格選擇,必要時(shí)再加上采取螺距誤差補(bǔ)償和反向間隙補(bǔ)償?shù)却胧?是可以滿足精度要求的。如果機(jī)械零件的剛度選擇適當(dāng),裝配滿足技術(shù)要求,即使在沒(méi)有補(bǔ)償?shù)那闆r下,定位精度也可達(dá)(610)m/300mm。 3)開(kāi)環(huán)控

4、制。開(kāi)環(huán)控制沒(méi)有位置反饋,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一度在數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期和通用機(jī)床數(shù)控化改造中起到了極其重要的作用。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)通常由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器組成,由于受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本身矩頻特性的約束,機(jī)床進(jìn)給控制性能不是很高?，F(xiàn)在隨著交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能的提升,其價(jià)格也在下降,在數(shù)控機(jī)床中的使用越來(lái)越普遍,許多原來(lái)使用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)床已采用數(shù)字型交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行更新改造,改善了機(jī)床的進(jìn)給控制性能。6.1.2進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)速度控制是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要任務(wù),速度控制單元是進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心,速度環(huán)是精準(zhǔn)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的保證。根據(jù)伺服電動(dòng)機(jī)的不同,進(jìn)給驅(qū)動(dòng)有直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)之分。在直流伺服系統(tǒng)中,采

5、用了脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)速控制方法;在交流伺服系統(tǒng)中,采用了變頻調(diào)速(PWM)調(diào)速控制方法。 1.直流伺服系統(tǒng)20世紀(jì)7080年代期間,直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)曾在數(shù)控機(jī)床控制領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。大慣量直流電動(dòng)機(jī)具有良好的寬調(diào)速特性,輸出轉(zhuǎn)矩大,過(guò)載能力強(qiáng)。由于電動(dòng)機(jī)自身慣量與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng),因此,所構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)只要安裝前調(diào)整好,安裝到機(jī)床上幾乎不需再做調(diào)整,使用十分簡(jiǎn)便。 直流伺服晶閘管SCR全控橋調(diào)速系統(tǒng)如圖6-2所示。直流伺服系統(tǒng)中采用脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)方法時(shí)功率放大電路的大功率晶體管處在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,開(kāi)關(guān)頻率保持恒定,用調(diào)整開(kāi)關(guān)周期內(nèi)晶體管導(dǎo)通時(shí)間的方法供給電動(dòng)機(jī)能量, 圖6-2直

6、流伺服晶閘管SCR全控橋調(diào)速系統(tǒng)從而使電動(dòng)機(jī)電樞兩端獲得寬度隨時(shí)間變化的電脈沖,即通過(guò)脈寬連續(xù)變化,使電樞電壓的平均值也連續(xù)變化,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的連續(xù)調(diào)整。直流伺服系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)框圖如圖6-3所示,其外形如圖6-4所示。 圖6-3直流伺服系統(tǒng)采用脈寬調(diào)制調(diào)速(PWM)框圖 圖6-4直流伺服系統(tǒng)外形直流伺服電動(dòng)機(jī)使用機(jī)械換向(電刷、換向器),因此存在一些磨損、需定期維護(hù)等方面的問(wèn)題。而直流伺服電動(dòng)機(jī)優(yōu)良的調(diào)速特性正是通過(guò)機(jī)械換向得到的,從而使這些缺點(diǎn)無(wú)法克服。2.交流伺服系統(tǒng)二十多年前,人們一直試圖用交流電動(dòng)機(jī)代替直流電動(dòng)機(jī),但困難在于交流電動(dòng)機(jī)很難達(dá)到直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能。20

7、世紀(jì)90年代以后,由于交流伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、控制方法以及制造材料的改進(jìn),尤其微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體器件應(yīng)用技術(shù)的突破性進(jìn)展,使交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展很快,現(xiàn)在已逐漸取代了直流伺服系統(tǒng)。 交流伺服電動(dòng)機(jī)與直流伺服電動(dòng)機(jī)相比的優(yōu)點(diǎn)不僅是制造簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、不需要維護(hù),而且適于在惡劣的環(huán)境下工作。目前交流伺服控制系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化,即除了驅(qū)動(dòng)級(jí)外,全部功能均由微處理器完成,能高速度、實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)前饋控制、補(bǔ)償、最優(yōu)控制、自學(xué)習(xí)等功能。 圖6-6所示為雙極性SPWM通用型主電路,圖6-7所示為交流伺服系統(tǒng)框圖,圖6-8所示為交流伺服系統(tǒng)外形。 圖6-5交流伺服PWM原理 圖6-6雙極性SPWM通用型

8、主電路 圖6-7交流伺服系統(tǒng)框圖 圖6-8交流伺服系統(tǒng)外形圖6-9所示為6SC610系列模擬式交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖,該系統(tǒng)由1FT5永磁式同步交流電動(dòng)機(jī)和6SC610系列脈寬調(diào)制變頻器組成,變頻器采用模塊化的設(shè)計(jì),額定電流為390A。交流電經(jīng)整流變?yōu)橹绷?再經(jīng)逆變器(IGBT功率放大器)變成頻率變化的脈沖交流電,驅(qū)動(dòng)交流伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng),這種方式稱為交-直-交變頻調(diào)速。 圖6-96SC610系列模擬式交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖3.數(shù)字型交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)字型交流伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制、運(yùn)算、調(diào)節(jié)等環(huán)節(jié)全部由標(biāo)準(zhǔn)化微處理器電路來(lái)完成,形成數(shù)字轉(zhuǎn)差頻率矢量控制系統(tǒng)。6.1.3進(jìn)給伺服單元的連接維修進(jìn)給伺服系統(tǒng)

9、必須熟悉電路的連接,所有輸入/輸出信號(hào)的功能、信號(hào)的類型、性質(zhì),以及系統(tǒng)運(yùn)行中各種狀態(tài)變化的情況。以下按模擬式和數(shù)字式伺服單元分別進(jìn)行介紹。1.模擬式伺服單元連接(1)基本結(jié)構(gòu)模擬式伺服單元在一些數(shù)控機(jī)床上現(xiàn)在仍在使用。模擬式伺服系統(tǒng)位置環(huán)是由CNC裝置中大規(guī)模專用位置控制芯片LSI來(lái)控制的,速度控制和驅(qū)動(dòng)電流控制在速度控制單元內(nèi)用IC等完成。速度控制單元的連接一般由電源、速度指令(VCMD)、速度反饋、設(shè)定、使能(ENABLE)、準(zhǔn)備完成(READY)等信號(hào)組成。圖6-10所示為模擬式交流伺服單元的外連接。 圖6-10模擬式交流伺服單元的外連接 圖6-11模擬式伺服從CNC裝置到速度控制單元

10、的電纜插座內(nèi)部信號(hào)(3)模擬式速度控制單元面板LED亮?xí)r表示的報(bào)警狀態(tài)及處理 1)BRK報(bào)警(斷路器分?jǐn)?。故障原因及排除方法:如果斷路器已分?jǐn)?則先關(guān)斷電源,再將斷路器按鈕按下使其復(fù)位,待10min后再合上電源;如合上電源后斷路器又分?jǐn)?應(yīng)檢查整流二極管模塊或電路板上的其他元件是否已損壞;檢查機(jī)械負(fù)載是否過(guò)大,以確認(rèn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流是否超過(guò)額定值。 2)HVAL報(bào)警(高電壓報(bào)警)。輸入的交流電源電壓過(guò)高;或印制電路板不良。3)HCAL報(bào)警(大電流報(bào)警)。如有報(bào)警,則多為速度控制單元上的功率晶體管損壞。用萬(wàn)用表測(cè)量晶體管的集電極、發(fā)射極之間的電阻,如果阻值小于100,則表明該晶體管已損壞。 4)

11、OVC報(bào)警(過(guò)載報(bào)警)。先確認(rèn)機(jī)械負(fù)載是否正常,或可能是伺服電動(dòng)機(jī)故障。5)LVAL報(bào)警(電源電壓低報(bào)警)。交流電源電壓低于正常值的15%;或伺服變壓器與速度控制單元連接不良。6)TGL5報(bào)警(速度反饋信號(hào)斷線報(bào)警)。確認(rèn)是否有速度反饋電壓或反饋信號(hào)線斷線,或印制電路板設(shè)定錯(cuò)誤,如將測(cè)速發(fā)電機(jī)設(shè)定為脈沖編碼器,也會(huì)產(chǎn)生斷線報(bào)警。7)DCAL報(bào)警(放電報(bào)警)。如果接通電源立即出現(xiàn)DCAL報(bào)警,多為續(xù)流二極管損壞;或印制電路板設(shè)定錯(cuò)誤,應(yīng)重新設(shè)定有關(guān)的短路棒;或伺服系統(tǒng)的加減速頻率太高。通常情況下,快速移動(dòng)定位次數(shù)每秒不應(yīng)超過(guò)12次。(1)基本結(jié)構(gòu)數(shù)字式交流伺服一般是用正弦波SPWM控制由IGBT

12、驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)。速度控制由速度環(huán)完成,電流控制在速度環(huán)之內(nèi)由電流調(diào)節(jié)器閉合完成,位置環(huán)需要在CNC系統(tǒng)內(nèi)閉合,控制單元外部連接與模擬式不同。圖6-12所示為日本富士FALDIC-W系列數(shù)字式交流速度控制單元的交流電源、輸入/輸出信號(hào)、控制信號(hào)以及電動(dòng)機(jī)的連接 2.數(shù)字式交流伺服單元連接 圖6-12FALDIC-W系列數(shù)字式交流速度控制單元的連接(3)面板如圖6-13所示,面板上有4個(gè)按鍵和4只7段LED顯示器,面板的功能如下:圖6-13FALDIC-W系列數(shù)字式交流控制單元的面板 1)顯示運(yùn)行狀態(tài)。2)顯示故障信息。3)設(shè)定、修改驅(qū)動(dòng)器參數(shù),模式內(nèi)容如圖6-13所示。3.全數(shù)字式交流伺服連接方式(

13、1)基本結(jié)構(gòu)在全數(shù)字伺服系統(tǒng)中,速度環(huán)和電流環(huán)都采用單片機(jī)控制,如FANUC-0系統(tǒng)將位置、速度和電流的控制設(shè)計(jì)在CNC內(nèi)部,即稱為軸卡(AXES CARD),如圖6-14a所示,將調(diào)制后的PWM信號(hào)輸出到伺服放大器,使伺服放大器成為簡(jiǎn)單的功率放大器,如圖6-14b所示。 圖6-14型全數(shù)字式交流伺服框圖a)軸卡框圖b)功率放大器框圖 圖6-15型全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)圖度反饋。由圖6-15可見(jiàn),全數(shù)字伺服模塊中的三環(huán)控制均在CNC內(nèi)閉合,由軟件調(diào)節(jié)。位置環(huán)比例增益參數(shù)、速度環(huán)及電流環(huán)的比例及積分參數(shù)可供用戶選擇。另外還有速度前饋參數(shù),其目的是減少系統(tǒng)靜態(tài)誤差,提高精度。系統(tǒng)采樣周期亦可由用戶自

14、己選擇,典型的CNC采樣周期為10ms。全數(shù)字式交流伺服中,光電編碼器既作為位置反饋,又作為速 圖6-16型全數(shù)字式交流伺服信號(hào)a)CNC軸卡側(cè)b)功率放大器側(cè)(2)相關(guān)的連接信號(hào)FANUC 型全數(shù)字式交流伺服信號(hào)如圖6-16所示。 圖6-17型全數(shù)字式交流伺服外形6.1.4進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上常用的進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)有直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)兩種。1.直流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速特性,數(shù)控機(jī)床選用的有小慣量直流伺服電動(dòng)機(jī)和永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)(也稱大慣量寬調(diào)速直流伺服電動(dòng)機(jī))。尤其永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)的低速運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好,能在較大過(guò)載轉(zhuǎn)矩下長(zhǎng)時(shí)間工作,能與絲杠直接連接

15、而不需要中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)目前,數(shù)控機(jī)床上常用的交流伺服電動(dòng)機(jī)為永磁同步電動(dòng)機(jī),電動(dòng)機(jī)主要由三部分組成,即定子、轉(zhuǎn)子和檢測(cè)元件,其中定子由定子沖片、三相繞組、支撐轉(zhuǎn)子的前后端蓋和軸承等組成。轉(zhuǎn)子主要由多對(duì)磁極的磁鋼、轉(zhuǎn)子沖片和電動(dòng)機(jī)軸等組成,檢測(cè)元件由安在電動(dòng)機(jī)非輸出端的脈沖編碼器組成,如圖6-18和圖6-19所示。 圖6-18永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)橫剖面1定子2轉(zhuǎn)子3壓板 4定子三相繞組5脈沖編碼器6出線盒 圖6-19永磁交流伺服電動(dòng)機(jī)縱剖面1定子2永久磁鐵3軸向通風(fēng)孔4轉(zhuǎn)軸交流伺服電動(dòng)機(jī)克服了直流伺服電動(dòng)機(jī)的部分缺點(diǎn),而且轉(zhuǎn)子慣量比直流伺服電動(dòng)機(jī)小,因此動(dòng)態(tài)響應(yīng)要好。另外在

16、相同體積下,交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率比直流伺服電動(dòng)機(jī)大,可以達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速,因此近幾年交流伺服電動(dòng)機(jī)成為數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用主流。交流伺服電動(dòng)機(jī)一般可“免維護(hù)”,這是與直流電動(dòng)機(jī)相比維護(hù)工作量大為減少的說(shuō)法,并不是電動(dòng)機(jī)絕對(duì)不出故障。6.2主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)隨著生產(chǎn)力不斷提高、機(jī)床結(jié)構(gòu)的改進(jìn)、加工范圍擴(kuò)大的需求,機(jī)床主軸的速度和功率也要不斷提升,主軸驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)速范圍也要擴(kuò)大,主軸電動(dòng)機(jī)的恒功率調(diào)速范圍更大,并要有自動(dòng)換刀的主軸準(zhǔn)停等控制功能。 6.2.1主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述1)主軸驅(qū)動(dòng)最好采用無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。一般情況下,主軸驅(qū)動(dòng)只有速度控制要求,少量有C軸控制的要求,所以主軸控制系統(tǒng)多數(shù)只有速度控制環(huán)。2)由

17、于機(jī)床主軸需要恒功率、調(diào)速范圍大,通常不采用永磁式電動(dòng)機(jī),往往采用他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)和交流籠型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。 3)數(shù)控機(jī)床主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)無(wú)需絲杠或其他直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu),機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)與進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)有很大的差別。4)同進(jìn)給伺服系統(tǒng)情況一樣,數(shù)控機(jī)床采用直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)時(shí),由于直流電動(dòng)機(jī)受到換向器的限制,恒功率調(diào)速范圍較小。隨著微處理器技術(shù)和大功率晶體管技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)80年代初期開(kāi)始,數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)普遍采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的新型數(shù)控機(jī)床基本都采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),而且將完全取代直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。這是因?yàn)榻涣麟妱?dòng)機(jī)不像直流電動(dòng)機(jī)那樣在高轉(zhuǎn)速和大容量方面受到限制,而且交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的

18、性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平,甚至在噪聲方面還有所降低,價(jià)格也比直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)低。6.2.2直流主軸伺服系統(tǒng)1.直流主軸控制直流主軸伺服系統(tǒng)由他勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)和直流主軸速度控制單元組成。直流主軸速度單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng),系統(tǒng)的主電路采用反并聯(lián)可逆整流電路,因?yàn)橹鬏S電動(dòng)機(jī)的容量大,所以主電路的功率開(kāi)關(guān)器件大都采用晶閘管,控制主軸電動(dòng)機(jī)的電樞電壓進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 2.直流主軸電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)具有調(diào)速性能良好、精度高、輸出力矩大、過(guò)載能力強(qiáng)、控制原理簡(jiǎn)單、易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),采用直流主軸速度控制單元之后,只需23級(jí)機(jī)械變速即可滿足數(shù)控機(jī)床主軸調(diào)速要求,在一些大型、重型數(shù)控車床

19、的主軸驅(qū)動(dòng)上仍然使用。6.2.3交流主軸伺服系統(tǒng) 1.交流主軸伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)1)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用微處理器控制,因此其運(yùn)行平穩(wěn)、振動(dòng)和噪聲小。2)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般都具有再生制動(dòng)功能,在制動(dòng)時(shí),既可將電動(dòng)機(jī)能量反饋回電網(wǎng),起到節(jié)能的效果,又起到加快起動(dòng)、制動(dòng)速度的作用。3)全數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可直接使用CNC的數(shù)字量輸出信號(hào)進(jìn)行控制,不必經(jīng)過(guò)D-A轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)速控制精度得到了提高。4)在數(shù)字式主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,采用參數(shù)設(shè)定方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)整與動(dòng)態(tài)優(yōu)化,系統(tǒng)設(shè)定靈活,調(diào)整準(zhǔn)確。5)由于交流主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)換向器,通常不需要進(jìn)行維修。6)主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高不受換向器的限制,最高轉(zhuǎn)速通常比直流主軸電動(dòng)機(jī)更高,可達(dá)到

20、每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。交流主軸速度控制系統(tǒng)外形如圖6-20所示。圖6-20交流主軸速度控制系統(tǒng)外形2.交流主軸電動(dòng)機(jī)交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)均采用三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)。三相交流籠型異步電動(dòng)機(jī)裝有對(duì)稱的三相繞組,而在圓柱體的轉(zhuǎn)子鐵心上嵌有均勻分布的導(dǎo)條,導(dǎo)條兩端分別把它們聯(lián)成一體,稱為籠型轉(zhuǎn)子。 3.交流主軸的速度控制交流主軸伺服系統(tǒng)由交流主軸速度控制單元和交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)組成,如圖6-20所示。交流主軸速度控制單元采取數(shù)字式控制形式時(shí),由微處理器擔(dān)任轉(zhuǎn)差頻率矢量控制器和晶體管逆變器控制異步電動(dòng)機(jī)的速度,速度傳感器一般采用脈沖編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器。 在這個(gè)過(guò)程中要進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)算和坐標(biāo)變換計(jì)算,所以矢量控制必

21、須由微處理器系統(tǒng)來(lái)完成,如圖6-21所示。圖6-21交流主軸驅(qū)動(dòng)原理框圖 交流主軸驅(qū)動(dòng)中采用的主軸定向準(zhǔn)?？刂品绞脚c直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相同,如圖6-22所示。圖6-22主軸定向控制示意圖 4.典型的數(shù)字式交流主軸電動(dòng)機(jī)控制隨著交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)展,目前數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)配變頻器控制的方式。變頻器的控制方式從最初的電壓空間矢量控制(磁通軌跡法)到矢量控制(磁場(chǎng)定向控制),發(fā)展至今為直接轉(zhuǎn)矩控制,從而能方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)速度傳感器化;脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)從正弦PWM發(fā)展至優(yōu)化PWM技術(shù)和隨機(jī)PWM技術(shù) 圖6-23西門子6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置原理控制調(diào)節(jié)器將整流電壓從535V上調(diào)到

22、5752%V,并在變流器進(jìn)行逆變工作方式時(shí),完成電容器C對(duì)整流電路的極性變換。負(fù)載端逆變器是由帶反并聯(lián)續(xù)流二極管的6只功率晶體管組成的。通過(guò)磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)的控制,負(fù)載端逆變器輸出三相正弦脈寬調(diào)制(SPWM)電壓,使電動(dòng)機(jī)獲得所需的轉(zhuǎn)矩電流和勵(lì) 磁電流。輸出的三相SPWM電壓幅值控制在0430V,頻率控制在0300Hz。 以及磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)由兩片16位微處理器(80186)所組成的控制組件完成。圖6-24所示為6SC650系列主軸驅(qū)動(dòng)器的組成原理。 圖6-246SC650系列主軸驅(qū)動(dòng)器的組成原理6.2.4主軸伺服驅(qū)動(dòng)接口連接以日本安川YASKAWAVS626MT主軸伺服驅(qū)動(dòng)的連接為例,其原理如圖6-25

23、所示。 1.模擬指令電壓信號(hào)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)其主軸模擬電壓輸出接口輸出-1010V模擬電壓至NCOM端,電壓正負(fù)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向,電壓大小控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。如果數(shù)控系統(tǒng)輸出的電壓為單極性010V,則可通過(guò)FORWARD RUN(正轉(zhuǎn))與REVERS RUN(反轉(zhuǎn))開(kāi)關(guān)量指定正反轉(zhuǎn)。2. 12位二進(jìn)制指令信號(hào)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)輸出12位二進(jìn)制代碼(共12根信號(hào))至主軸驅(qū)動(dòng),開(kāi)關(guān)量全部有效時(shí)對(duì)應(yīng)主軸最高轉(zhuǎn)速。3. 2位BCD碼指令信號(hào)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)輸出0099二位BCD碼(共8根信號(hào))指定主軸轉(zhuǎn)速,BCD碼99對(duì)應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。4. 3位BCD碼指令信號(hào)數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)輸出000999三位BCD碼(共12根信號(hào)

24、)指定主軸轉(zhuǎn)速,BCD碼999對(duì)應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速。 5.開(kāi)關(guān)量控制信號(hào)不同驅(qū)動(dòng)裝置開(kāi)關(guān)量信號(hào)差異較大,以下以安川YASKAWAVS626MT為例介紹。1)RDY準(zhǔn)備好信號(hào)。欲使主軸驅(qū)動(dòng)工作時(shí),可閉合RDY觸點(diǎn),主軸驅(qū)動(dòng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。2)EMG急停信號(hào)。當(dāng)EMG常閉觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí),電動(dòng)機(jī)立即制動(dòng)至停轉(zhuǎn)。 3)FOR、REV信號(hào)。用于指定主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn),其與模擬量極性組合見(jiàn)表6-1。4)TLH、TLL力矩極限限制。用于臨時(shí)限制主軸電動(dòng)機(jī)輸出的最大力矩,以避免機(jī)械損壞。例如在機(jī)械主軸準(zhǔn)停時(shí),可使用該功能。最大輸出力矩可設(shè)定為額定力矩的5%100%。5)SSC軟起動(dòng)。使用該信號(hào)可使主軸切換工作處于

25、通常的主軸驅(qū)動(dòng)狀態(tài)和進(jìn)入伺服狀態(tài),從而可實(shí)現(xiàn)位置閉環(huán)控制。6)PPI速度調(diào)節(jié)器。用于選擇使用PI(比例積分)調(diào)節(jié)器或P(比例)調(diào)節(jié)器。7)DAS速度設(shè)定方式。用于選擇模擬量速度控制或數(shù)字量速度控制(12位二進(jìn)制或2位BCD碼或3位BCD碼)。8)ZSPD零速輸出。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于設(shè)定的值(如30r/min)時(shí),則ZSPD信號(hào)輸出,表明電動(dòng)機(jī)已停轉(zhuǎn)。9)AGR速度到達(dá)輸出。當(dāng)主軸電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速到達(dá)所設(shè)定的轉(zhuǎn)速時(shí),AGR信號(hào)輸出。該信號(hào)可作為CNC系統(tǒng)主軸S指令的完成應(yīng)答信號(hào)。10)NDET速度檢測(cè)輸出。當(dāng)主軸低于某設(shè)定轉(zhuǎn)速時(shí),NDET輸出。該信號(hào)可用于齒輪移動(dòng)換擋、離合器離合動(dòng)作等場(chǎng)合。11)TL

26、E力矩極限輸出。當(dāng)外部力矩極限TLL和TLH輸入信號(hào)有效,即進(jìn)入力矩極限臨時(shí)限制狀態(tài)時(shí),TLE信號(hào)輸出。12)ALM報(bào)警信號(hào)輸出。當(dāng)主軸驅(qū)動(dòng)報(bào)警時(shí),報(bào)警信號(hào)ALM輸出,同時(shí)報(bào)警代碼(ALM LMCODE)通過(guò)AC0、AC1、AC2、AC3編碼輸出,指示報(bào)警內(nèi)容。 圖6-25YASKAWAVS626MT主軸驅(qū)動(dòng)原理圖TDET輸出,該信號(hào)用于檢測(cè)主軸負(fù)載的狀況。14)模擬量輸出。兩路模擬量輸出用于外接轉(zhuǎn)速與負(fù)載表,其輸出直流電壓與實(shí)際轉(zhuǎn)速及負(fù)載成正比。13)TDET力矩檢測(cè)輸出。當(dāng)主軸輸出力矩低于某一定值時(shí), 6.2.5通用型交流變頻器驅(qū)動(dòng)主軸圖6-26通用變頻器的外形目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)廣

27、泛使用三相交流異步電動(dòng)機(jī),因此采用通用變頻器控制既能達(dá)到優(yōu)良的性能,又能降低使用成本。通用變頻器的外形如圖6-26所示。通用變頻器控制正弦波的產(chǎn)生是以恒電壓頻率比(U/f)保持磁通不變?yōu)榛A(chǔ)的,再經(jīng)SPWM驅(qū)動(dòng)主電路,以產(chǎn)生U、V、W三相交流電驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)。1.基頻以下調(diào)速基頻即50Hz工頻,基頻以下調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性曲線如圖6-27所示,電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速。如果電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下都具有額定電流,則電動(dòng)機(jī)都能在溫升允許的條件下長(zhǎng)期運(yùn)行,這時(shí)轉(zhuǎn)矩基本上隨磁通變化。由于在基頻以下調(diào)速時(shí)磁通恒定,所以屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 圖6-27基頻以下恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速機(jī)械特性曲線2.基頻以上調(diào)速在基頻以上調(diào)

28、速時(shí),將使磁通隨頻率的升高而降低,相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)弱磁升速的情況,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)額定轉(zhuǎn)速。當(dāng)頻率升高時(shí),同步轉(zhuǎn)速隨之升高,氣隙磁動(dòng)勢(shì)減弱,最大轉(zhuǎn)矩減小,輸出功率基本不變,所以基頻以上變頻調(diào)速屬于弱磁恒功率調(diào)速,其機(jī)械特性曲線如圖6-28所示。 圖6-28基頻以上恒功率調(diào)速機(jī)械特性曲線 圖6-29通用變頻器電路原理圖通用變頻器電路原理圖如圖6-29所示。6.3運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)與電動(dòng)機(jī)的故障檢測(cè)與維修6.3.1根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)單元的報(bào)警診斷故障數(shù)字式交流伺服硬件結(jié)構(gòu)與模擬式伺服大同小異,但數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)單元由于控制電路的優(yōu)越性使得內(nèi)部故障檢測(cè)功能更強(qiáng)。數(shù)字式交流伺服面板上有報(bào)警顯示,通過(guò)不同的報(bào)警顯示,可

29、以給維修人員提供驅(qū)動(dòng)器的故障原因,從而初步確定故障部位。 1.伺服驅(qū)動(dòng)器上的LED狀態(tài)指示FANUC S系列伺服驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)指示能提示內(nèi)部故障的范圍,其中,OH、OFAL、FBAL為S系列伺服增添的報(bào)警指示燈。1)OH報(bào)警。OH為速度控制單元過(guò)熱報(bào)警,發(fā)生報(bào)警的可能原因有以下幾個(gè)。 印制電路板上S1設(shè)定不正確。 伺服單元過(guò)熱。散熱片上熱動(dòng)開(kāi)關(guān)動(dòng)作,在驅(qū)動(dòng)器無(wú)硬件損壞或不良時(shí),可通過(guò)改變切削條件或負(fù)載排除報(bào)警。 再生放電單元過(guò)熱,可能是Q1不良。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器無(wú)硬件不良時(shí),可通過(guò)改變加減速頻率減輕負(fù)荷,排除報(bào)警。 電源變壓器過(guò)熱。當(dāng)變壓器及溫度檢測(cè)開(kāi)關(guān)正常時(shí),可通過(guò)改變切削條件減輕負(fù)荷,排除報(bào)警,或更換

30、變壓器。 電柜散熱器的過(guò)熱開(kāi)關(guān)動(dòng)作,原因是電柜過(guò)熱。若在室溫下開(kāi)關(guān)仍動(dòng)作,則需要更換溫度檢測(cè)開(kāi)關(guān)。2)OFAL報(bào)警。數(shù)字伺服參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤,這時(shí)需改變數(shù)字伺服的有關(guān)參數(shù)的設(shè)定。對(duì)于FANUC 0系統(tǒng),相關(guān)參數(shù)是8100、8101、8121、8122、8123及81538157等;對(duì)于10/11/12/15系統(tǒng),相關(guān)參數(shù)為1804、1806、1875、1876、1879、1891及18651869等。3)FBAL報(bào)警。FBAL是脈沖編碼器連接出錯(cuò)報(bào)警,出現(xiàn)報(bào)警的原因通常有以下幾種。 編碼器電纜連接不良或脈沖編碼器本身不良。 外部位置檢測(cè)器信號(hào)出錯(cuò)。 速度控制單元的檢測(cè)回路不良。 電動(dòng)機(jī)與機(jī)械連接的間隙太大。2.進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)器上的7段數(shù)碼管報(bào)警FANUC C系列、/i系列數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器是通過(guò)驅(qū)動(dòng)器上的一只7段數(shù)碼管進(jìn)行顯示的。根據(jù)7段數(shù)碼管的不同狀態(tài)顯示,可以