伺服驱动器完成脉冲

学习任务

对于经济型数控机床大多数都采用步进驱动控制系统，一旦步进伺服系统出现故障，会引起数控机床进给轴电动机过热、停转、噪声大、闷车等故障，这样会严重影响数控机床的加工精度。维修人员通过查阅步进驱动器说明书、数控系统连接与调试说明书以及维修资料，通过示波器、万用表等通用工具，将现场数控机床进给轴抖动故障快速排除，填写维修记录单并交接验收。在故障诊断、检测及更换中能严格执行相关技术标准规范和安全操作规程，有纪律观念和团队意识，并具备环境保护和文明生产的基本素质。

学习任务要求

华中世纪星经济型数控车床在加工过程中X轴自动抖动，加工出来的工件有振纹，表面粗糙度差，现对数控车床进给轴自动抖动故障进行诊断与维修，使其能够正常运行。1．时间要求：6学时2．质量要求：能够准确无误地诊断与排除故障3．安全要求：严格按照安全操作规程进行项目作业4．文明要求：自觉按照文明生产规则进行项目作业5．环保要求：努力按照环境保护要求进行项目作业

学习目标专业目标方法目标社会目标1、掌握步进伺服系统的结构和工作原理，了解步进电动机的工作原理和主要特性；2、借助技术资料和现场相关信息，能对可能的故障原因进行分析，制定合理的故障诊断与维修方案；3、会使用各种诊断与维修用的仪器，对数控机床进给轴自动抖动故障进行诊断与排除。具有决策和执行能力；具有语言及文字表达能力；具有通过自学获取新技术的自我更新能力；具有利用网络、文献等获取信息和综合处理信息的能力；具有制定工作计划、评估工作结果的能力。能熟练表达自己的维修方案；能共同交流合作制定维修方案；能主动适应环境的变化；能遵守车间规章制度和做到安全文明生产；具有良好的职业道德和责任感。任务实施过程资讯：明确任务/收集信息计划：分析故障可能原因决策：小组共同制定维修方案实施：诊断与排除故障检查：是否排除故障？评价：总结反馈、提高完整维修过程资讯

数控伺服系统是指以机床运动部件(如工作台、主轴和刀具等)的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。

数控伺服系统的作用在于接受来自数控装置的进给信号，经过一定的信号变换及电压、功率放大，驱动机床运动部件实现运动，并保证动作的快速性和准确性。

数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。

资讯CNC伺服系统工作台资讯资讯1.数控机床对进给驱动系统的要求

(1)调速范围要宽(2)定位精度要高(3)快速响应，无超调(4)调低速大转矩，过载能力强速范围要宽(5)定位精度要高(6)可靠性高2.进给伺服系统的基本组成

数控机床伺服系统一般由驱动元件、机械传动部件、执行部件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行部件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置（或称作检测系统）。

资讯——收集信息2.进给伺服系统的基本组成

伺服系统的组成框图

资讯——收集信息伺服系统的结构通常由位置控制环和速度控制环组成。位置控制环由位置指令、位置检测装置、位置反馈比较环节、位置控制模块、速度控制环、机械传动装置组成，位置反馈的检测装置可采用旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅和激光测距仪等。位置控制环主要是对机床运动坐标轴进行控制，坐标轴控制是要求最高的位置控制，不仅要严格控制每个轴的运动速度和位置精度，而且在多轴联动时，还要求各移动轴按插补要求协调运动，以保证复杂形状的加工。速度控制是伺服系统中最基本的内容，用来控制电动机转速。(1)进给伺服系统的基本组成

资讯——收集信息速度控制环是由伺服电机、速度检测装置、速度反馈比较环节、速度控制模块组成，速度控制模块为速度控制系统的核心，速度反馈的检测装置通常采用测速发电机、脉冲编码器等。伺服系统的工作过程为数控装置插补信号输送到位置控制模块的位置比较电路，与位置检测反馈电路来的反馈信号相比较后，位置比较电路输出位置移动信号，经位置控制和速度控制单元输出到速度环，直到机床完成进给运动。

2.进给伺服系统的基本组成

资讯——收集信息

数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制4种。

无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电机作为伺服执行元件，是其最明显的特点。3.进给驱动系统的基本形式资讯——收集信息3.进给驱动系统的基本形式在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电机，最终控制了步进电机的角位移。步进电机再经过减速装置（或直接连接）带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转移。因此，控制步进电机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。资讯——收集信息3.进给驱动系统的基本形式半闭环数控系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家安装好），用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠的精度足够高，间隙小，精度要求一般可以得到满足。而且传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，因而可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制得到了广泛的应用。资讯——收集信息3.进给驱动系统的基本形式半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。资讯——收集信息(2)进给驱动系统的基本形式

全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式广泛应用在精度要求较高的大型数控机床上。资讯——收集信息3.进给驱动系统的基本形式由于闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，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。资讯——收集信息3.进给驱动系统的基本形式混合式闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类(1)按控制方式和有无检测反馈环节分类开环伺服系统：无位置检测装置(步进电机+步进驱动器）资讯——收集信息半闭环伺服系统：旋转式位置检测装置（伺服电机+伺服驱动器+编码器）闭环伺服系统：直线式位置检测装置（伺服电机+伺服驱动器+光栅尺）(3)进给伺服系统的分类

(2)按反馈比较控制方式的不同，又可分为以下几种：数字脉冲比较伺服系统

该系统是闭环伺服系统中的一种控制方式。它是将数控装置发出的数字（或脉冲）指令信号与检测装置测得的以数字（或脉冲）形式表示的反馈信号直接进行比较。获得位置误差，实现闭环控制。

资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类

按反馈比较控制方式的不同，又可分为以下几种：鉴相式伺服系统

在鉴相式伺服系统中，位置检测装置采取相位工作方式，指令信号与反馈信号都变成某个载波的相位，然后通过两者相位的比较，获得实际位置与指令位置的偏差，实现闭环控制。资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类

按反馈比较控制方式的不同，又可分为以下几种：鉴幅式伺服系统

鉴幅式伺服系统是以位置检测信号的幅值大小来反映机械位移的数值，并以此信号作为位置反馈信号，一般还要将此幅值信号转换成信号才与指令数字信号进行比较，从而获得位置偏差信号构成闭环控制系统。

资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类资讯——收集信息4.进给伺服系统的分类

按反馈比较控制方式的不同，又可分为以下几种：全数字伺服系统

随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控伺服系统已开始采用高速度、高精度的全数字伺服系统，使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。如由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID等，使用灵活，柔性好。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理步进式伺服驱动系统主要由步进电机驱动控制线路和步进电机两部分组成，驱动控制线路接收来自数控机床控制系统的进给脉冲信号(指令信号)，并把此信号转换为控制步进电机各相定子绕组依此通电、断电的信号，使步进电机运转。步进电机的转子与机床丝杠连在一起，转子带动丝杠转动，丝杠再带动工作台移动。资讯——收集信息步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(1)步进电动机的结构与工作原理根据作用原理和结构不同，分为两大类型：①电磁型步进电机，仅靠电磁作用不能使电机的转子作步进运行，必须加上相应的机械部件，才能产生步进的效果；②定子和转子之间仅靠电磁作用就可以产生步进作用的电机。在第2类步进电机中，根据转子结构形式，分为永磁式转子电机和反应式转子电机。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理三相反应式步进电机，它由定子和转子两大部分组成。在定子上有三对磁极，磁极上装有励磁绕组。转子由软磁材料制成，在转子上均匀分布四个凸极，极上步装绕组，转子的凸极也称为转子的齿。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理步进电机的控制方式分三种：（1）三相单三拍工作方式，A-B-C-A;(2)三相六拍工作方式，A-AB-B-BC-CA-A;(3)三相双三拍工作方式，AB-BC-CA-AB;资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理三相单三拍工作方式资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理三相双三拍工作方式资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理三相六拍工作方式资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(2)反应式步进电动机的工作原理①步进电机采用脉冲方式供电，且按一定的工作方式轮流作用于各相励磁线圈上。②步进电机的正反转是靠改变各相励磁线圈的通电顺序的变化来实现的；③步进电机的速度控制是靠改变控制脉冲的频率来实现的；步距角：步进电机每改变一次通电状态（一拍）转子所转过的角度称为步距角。步距角的计算公式：资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理(3)步进电动机常见故障及维修故障现象可能原因排除措施电动机尖叫CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的正确设置参数电动机不能旋转保险丝是否熔断更换保险丝动力线短线确保动力线连接良好参数设置不当依照参数说明书，重新设置相关参数电动机卡死主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用生锈或故障更换步进电动机电动机发热异常动力线R、S、T连线不搭配正确连接R、S、T线

当数控系统插补结果需要某一坐标轴运动一个单位长度时，向该轴伺服驱动器输送一个进给脉冲，经过环形分配和功率放大后，驱动步进电机转动一个步距，再经过机械传动机构传动工作台移动一个脉冲当量。工作台位移量的控制

数控装置发出N个脉冲，经驱动线路放大后，使步进电机定子绕组通电状态变化N次，如果一个脉冲使步进电机转过的角度为α，则步进电机转过的角位移量Φ＝Nα，再经减速齿轮、丝杠、螺母之后转变为工作台的位移量L，即进给脉冲数决定了工作台的直线位移量L。即进给脉冲的数量→定子绕组通电状态变化次数→步进电机的转角→工作台位移量。

资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理工作台进给速度的控制

机床控制系统发出的进给脉冲的频率，经驱动控制线路之后，表现为控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号变化频率，也就是定子绕组通电状态变化频率。而定子绕组通电状态的变化频率决定了步进电机转子的转速ω。该转子转速ω经丝杠螺母转换之后，体现为工作台的进给速度v。即进给脉冲的频率→定子绕组通电状态的变化频率→步进电机的转速ω→工作台的进给速度v。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理工作台运动方向的控制

当控制系统发出的进给脉冲是正向时，经驱动控制线路，使步进电机的定子各绕组按一定的顺序依次通电、断电；当进给脉冲是负向时，驱动控制线路则使定子各绕组按与进给脉冲是正向时相反的顺序通电、断电。由步进电机的工作原理可知，通过步进电机定子绕组通电顺序的改变，可以实现对步进电机正转或反转的控制，从而实现对工作台的进给方向的控制。

在开环步进式伺服系统中，输入的进给脉冲的数量、频率、方向，经驱动控制线路和步进电机，转换为工作台的位移量、进给速度和进给方向，从而实现对位移的控制。资讯——收集信息5.步进伺服驱动系统的结构和工作原理6.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。

6.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息雷塞M535是细分型高性能步进驱动器，适合驱动中小型的任何两相或四相混合式步进电机。电流控制采用先进的双极性等角度恒力矩技术，每秒两万次的斩波频率。驱动器侧边装有一排拨码开关组，可以用来选择细分精度，以及设置动态工作电流和静态工作电流。57HS13是四相混合式步进电机，步距角为1.8度，静转矩1.3Nm，额定相电流2.8A。6.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息

在步进电机步距角不能满足使用的条件下，可采用细分驱动器来驱动步进电机，细分驱动器的原理是能过改变相邻（A、B）电流的大小，以改变合成磁场的夹角来控制步进电机运转的。

步进驱动器提供的一排拨码开关中的SW5、SW6、SW7、SW8对细分数进行设定，从而改变进给轴的脉冲当量。对于每一组拨码开关，都对应两个状态，ON用“1”表示，而OFF则用“0”来表示。6.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息M535步进驱动器的细分数设定表拨码开关细分数SW5SW6SW7SW82111l4l01181l0116100132lll064l0l01281l002561000选择合适的驱动器细分数，细分数越大，脉冲当量越小。资讯——收集信息6.步进驱动器的工作原理

拨码开关SW1、SW2、SW3可以选择驱动器的电流大小，不同的拨码方式对应的电流大小也不同。

M535步进驱动器的电流选择拨码开关电流(A)SWlSW2SW31.31l11.601l1.910l2.20012.5l102.90103.21003.50006.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息

步进电机由于静止时的电流很大，所以，一般驱动器都提供半流功能，当步进驱动器如果一段时间内没有接受到脉冲，那么它就会自动将电流减半，用来防上驱动器过热，M535驱动器也提供本功能，将拨码开关SW4拨至OFF，半流功能开，将拨码开关SW4拨至ON，半流功能关。6.步进驱动器的工作原理资讯——收集信息7.步进驱动器的常见故障及排除资讯——收集信息表4-2：步进驱动器尖叫后不转的故障原因及排除综述故障现象可能原因排除措施驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声，然后电动机停止不转输入脉冲频率太高，引起堵转降低输入脉冲频率输入脉冲的突调频率太高降低输入脉冲的突调频率输入脉冲的升速曲线不够理想引起堵转调整输入脉冲的升速曲线7.步进驱动器的常见故障及排除资讯——收集信息表4-3工作过程中停车的故障综述可能原因检查步骤排除措施驱动电源故障用万用表测量驱动电源的输出更换驱动器驱动电路故障发生脉冲电路故障电动机故障绕组烧坏更换电动机电动机线圈匝间短路或接地用万用表测量线圈间是否短路杂物卡住可目测消除外界的干扰因素7.步进驱动器的常见故障及排除资讯——收集信息表4-4：“闷车”的可能原因及排除措施故障部位可能原因排除措施驱动器端故障电压没有从驱动器输出来检查驱动器，确保有输出驱动器故障更换驱动器电动机绕组内部发生错误电动机端故障电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落电动机轴断更换电动机电动机定子与转子之间的气隙过大专业电动机维修人员调整好气隙或更换电动机外部故障电压不稳重新考虑负载和切削条件会造成“闷车”的原因可能是：负载过大或切削条件恶劣重新考虑负载和切削条件与X轴有关的硬件配置参数只有一个，进给轴参数设置如表所示。参数名部件型号标识地址配置[0]配置[1]部件0530146（不带反馈）00（注[1]）0查看HNC-21T数控系统硬件配置参数中部件0（伺服驱动器部件号）的参数设置是否正常，如果不正确，则要对其参数进行重新设置。

8.与坐标轴相关参数的设置参数名参数值伺服驱动型号46伺服驱动器部件号0外部脉冲当量分子25（计算得出）外部脉冲当量分母256（步进驱动器设置细分数为256）最大跟踪误差0电机每转脉冲数200伺服内部参数[0]步进电机拍数4伺服内部参数[3][4][5]0快移加减速时间常数100快移加速度时间常数64加工加减速时间常数100加工加速度时间常数08.与坐标轴相关参数的设置收集信息请大家通过查阅教材、机床资料、课程网站、学习指南等完成学生工作页资讯部分内容。

同学们可进行相关问题咨询！资讯——收集信息故障列表注意事项工具分工分配任务互相协助

计划——制定工作计划审核维修方案组织填写学生工作页接受学生咨询监控学生制定过程

决策——制定工作方案硬件方面故障的诊断与排除按照维修方案一一检查故障点，遵守操作规程，做好维修过程记录！软件故障的诊断与排除

实施——排查具体故障1在手动和自动方式下，运行X轴，观察故障是否消失？3检查清理现场情况，实施5S监控制度。2填写学生工作页和维修记录单。

检查——检查维修作业质量总结提高教师（专、兼）评价学生评价

小组成员之间进行自评和互评

由教师对学习过程及结论进行评价小组同学总结本次工作得失以及改进方向

评价——考核维修质量思考

机床类型为普通车床，采用华中世纪星数控系统，X轴为开环伺服驱动系统，采用步进电机与步进驱动器组成步进伺服系统，Z轴采用交流伺服系统。在加工过程中，Z轴进行正常，而X轴发出位置误差过大报警，初步判断为X轴定位误差过大故障，试分析故障原因，并给出故障排除流程图。

布置作业模块四数控机床进给轴故障诊断与排除项目二

数控机床进给轴自动抖动故障的诊断与排除项目总结1.对项目实施过程中各组的表现进行总结并提出改进意见。2.对进给轴自动抖动故障的可能原因进行分析并对检修过程进行总结。3.同类故障可能原因分析及处理办法总结。4.企业现场案例分析。

项目总结与拓展1.对项目实施过程中各组的表现进行总结并提出改进意见：(1)要学会使用隔离法、状态检查法判断故障的大致部位；

(2)学会使用示波器判断信号是否存在干扰；

(3)在制定故障维修方案时，故障可能原因分析要全面，故障检修过程要遵循“八先八后”的原则。

项目总结与拓展

项目总结与拓展2.对进给轴自动故障的可能原因进行分析并对检修过程进行总结。可能原因检查步骤排除措施指令脉冲不均匀用示波器观察指令脉冲从数控系统找故障，去排除指令脉冲太窄指令脉冲电平不正确用万用表观测指令脉冲电平指令脉冲电平与驱动器不匹配用万用表测量指令脉冲电平后比较，是否与驱动器匹配确实电平能匹配脉冲信号存在噪声用示波器观测脉冲信号注意观察电平是否变化频繁脉冲频率与机械发生共振可目测调节数控系统参数，避免共振

项目总结与拓展3.同类故障原因分析与处理办法总结步进电动机过热的报警综述故障现象可能原因排除措施有些系统会报警，显示电动机过热。用手摸电动机，会明显感觉温度不正常，甚至烫手工作环境过于恶劣，环境温度过高重新考虑机床应用条件，改善工作环境参数选择不当，如电流过大，超过相电流根据参数说明书，重新设置参数电压过高建议稳压电源

项目总结与拓展3.同类故障原因分析与处理办法总结工作噪声特别大的故障原因及排除综述故障现象可能原因排除措施低频旋转时有进二退一现象，高速上不去检查相序正确连接动力线电动机运行在低频区或共振区分析电动机速度及电动机频率后，调整加工切削参数纯惯性负载、正反转频繁重新考虑次机床的加工能力电动机故障磁路混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区更换电动机如永磁单向旋转步进电动机的定向机构损坏更换电动机

项目总结与拓展3.同类故障原因分析与处理办法总结步进电动机失步或多步的可能原因及排除措施可能原因检查步骤排除措施负载过大，超过电动机的承载能力重新调整加工程序切削参数负载忽大忽小是否毛坯余量分配不均匀等调整加工条件负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲可在不正式加工的条