第六章伺服系统

第六章伺服系统第一页，共五十六页，2022年，8月28日第六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，准确无误摩擦力（切削力、润滑、温度和设备）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第二页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断电流环（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在三环系统中，位置环的输出是速度环的输入；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三页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断第一节主轴驱动系统一般主轴要求：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）第四页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断一、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（1.5~371.5~223.7~37kW）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）具有主轴定向控制、数字和模拟输入第五页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断一、常用主轴驱动系统介绍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（3~100kW）及配套的6SC650、6SC611A系列的主轴驱动模块第六页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断二、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：在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示故障无任何故障报警信息第七页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断主轴伺服系统常见故障有：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八页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断主轴伺服系统常见故障有：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，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会引起定位抖动第九页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服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.主轴箱第十页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断主轴伺服系统常见故障有：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

第十一页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断主轴伺服系统常见故障有：主轴异常噪声及振动：电气驱动（在减速过程中发生、振动周期与转速无关）；主轴机械（恒转速自由停车、振动周期与转速有关）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；主轴电机故障第十二页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断三、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，当转速接近给定值时，转矩自动减小，避免超调第十三页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断第十四页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断三、主轴直流驱动的故障诊断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十五页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断第十六页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断例：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指令起动时有“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指令使主轴停止时，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。火花的强烈程度和电动机的转速成正比。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。第十七页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断例：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，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，即可排除故障第十八页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断四、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）第十九页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断1.驱动装置的组成（主轴驱动系统）第二十页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断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。辅助诊断除故障代码外，在控制和I/O模块还有测试插座，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第二十一页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断变频器的操作和显示面板第二十二页，共五十六页，2022年，8月28日第六章伺服系统故障诊断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二十三页，共五十六页，2022年，8月28日6SC650系列变频器部分代码表故障代码故障名称故障原因

F11转速控制开环1编码器电缆未接好；无实际转速值……;4电机缺相工作；等F12过电流1变频器有短路故障

……;5转矩设定值过高；等F14电动机过热1电动机过载2电动机电流过大；等第二十四页，共五十六页，2022年，8月28日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二十五页，共五十六页，2022年，8月28日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二十六页，共五十六页，2022年，8月28日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第二十七页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统一、常见进给驱动系统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二十八页，共五十六页，2022年，8月28日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IMP5五相步进电动第二十九页，共五十六页，2022年，8月28日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—数字式伺服系统第三十页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统方式一第三十一页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统方式二第三十二页，共五十六页，2022年，8月28日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、驱动单元、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—测速信号或速度控制信号不稳定、接线接触不良等引起第三十三页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统常见故障：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，减速时间设定过小第三十四页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统常见故障：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第三十五页，共五十六页，2022年，8月28日第二节进给伺服系统漂移—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三十六页，共五十六页，2022年，8月28日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三十七页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第三十八页，共五十六页，2022年，8月28日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）第三十九页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第四十页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第四十一页，共五十六页，2022年，8月28日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）第四十二页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第四十三页，共五十六页，2022年，8月28日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绕组第四十四页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第四十五页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置第四十六页，共五十六页，2022年，8月28日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第四十七页，共五十六页，2022年，8月28日第三节位置检测装置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.防护罩第四十八页，共五十六页，2022年，8月28日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四十