第六章伺服系统.ppt

1、第六章 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,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

2、，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（1.537 1.522 3.737 kW） 主要特点： 1）采用微处理控制技术 2）主回路

3、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（3100kW）及配套的6SC650、6SC611A系列的主轴驱动模块,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,第六章

4、 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；

5、磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动,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,第六章 伺服系统故障诊断,主轴伺服系统常见故障有：

6、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

7、，转矩自动减小，避免超调,第六章 伺服系统故障诊断,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,第六章 伺服系统故障诊断,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M0

8、5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

9、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

10、试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障,第六章 伺服系统故障诊断,变频器的操作和显示面板,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,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

11、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,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

12、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

13、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,第二节 进给伺服系统,方式一,第二节 进给伺服系统,方式二,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，CR

14、T 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

15、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

16、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,第三节 位置检测装置,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,第三节 位置检测装置,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

17、节 位置检测装置,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,第三节 位置检测装置,第三节 位置检测装置,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,第三节 位置检测装置,一、位置检

18、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 位置检测装置,第三节 位置检测装置,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,第三节 位置检测装置,第三节 位置检测装置,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