第六章伺服系統(tǒng)

第六章伺服系統(tǒng)第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷伺服：工作臺(tái)（電機(jī)）的運(yùn)動(dòng)速度和距離完全按CNC的指令行動(dòng)，準(zhǔn)確無誤摩擦力（切削力、潤滑、溫度和設(shè)備）控制辦法：三環(huán)結(jié)構(gòu)位置環(huán)（外環(huán)）：輸入信號為CNC的指令和位置檢測器反饋的位置信號速度環(huán)（中環(huán)）：輸入信號為位置環(huán)的輸出和測速發(fā)電機(jī)經(jīng)反饋網(wǎng)絡(luò)處理信號第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷電流環(huán)（內(nèi)環(huán)）：輸入信號為速度環(huán)的輸出信號和經(jīng)電流互感器得到的電流信號在三環(huán)系統(tǒng)中，位置環(huán)的輸出是速度環(huán)的輸入；速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的輸入；電流環(huán)的輸出直接控制功率變換單元，這三個(gè)環(huán)的反饋信號都是負(fù)反饋第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷第一節(jié)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般主軸要求：速度大范圍連續(xù)可調(diào)、恒功率范圍寬伺服主軸要求：有進(jìn)給控制和位置控制主軸變速形式：電動(dòng)機(jī)帶齒輪換檔（降速、增大傳動(dòng)比、增大主軸轉(zhuǎn)矩）；電動(dòng)機(jī)通過同步齒帶或皮帶驅(qū)動(dòng)主軸（恒功率、機(jī)械傳動(dòng)簡單）第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷一、常用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹FANUC公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，有S、H、P三個(gè)系列（1.5~371.5~223.7~37kW）主要特點(diǎn)：1）采用微處理控制技術(shù)2）主回路采用晶體管PWM逆變器3）具有主軸定向控制、數(shù)字和模擬輸入第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷一、常用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)介紹SIEMENS公司主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直流主軸電動(dòng)機(jī)：有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四個(gè)系列及配套的6RA24、6RA27系列驅(qū)動(dòng)裝置（晶閘管）交流主軸電動(dòng)機(jī)：有1PH5和1PH6兩個(gè)系列（3~100kW）及配套的6SC650、6SC611A系列的主軸驅(qū)動(dòng)模塊第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷二、主軸伺服系統(tǒng)的故障形式及診斷方法主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，有三種表現(xiàn)形式：在CRT或操作面板上顯示報(bào)警內(nèi)容或報(bào)警信息在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上用報(bào)警燈或數(shù)碼管顯示故障無任何故障報(bào)警信息第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：外界干擾：屏蔽和接地措施不良時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速或反饋信號受電磁干擾，使主軸驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)隨機(jī)和無規(guī)律的波動(dòng)。判別方法，使主軸轉(zhuǎn)速指令為零再看主軸狀態(tài)過載：切削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報(bào)警。具體表現(xiàn)為電動(dòng)機(jī)過熱、主軸驅(qū)動(dòng)裝置顯示過電流報(bào)警等第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：主軸定位抖動(dòng)主軸準(zhǔn)停用于刀具交換、精鏜退刀及齒輪換檔等場合，有三種實(shí)現(xiàn)形式：1）機(jī)械準(zhǔn)?？刂疲╒形槽和定位液壓缸）2）磁性傳感器的電氣準(zhǔn)?？刂疲▓D）3）編碼器型的準(zhǔn)停控制（準(zhǔn)停角度可任意）上述準(zhǔn)停均要經(jīng)減速，減速或增益等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)；限位開關(guān)失靈；磁性傳感器間隙變化或失靈都會(huì)引起定位抖動(dòng)第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷磁性傳感器主軸準(zhǔn)停裝置1.磁性傳感器2.發(fā)磁體3.主軸4.支架5.主軸箱第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配:當(dāng)進(jìn)行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令切削時(shí)，會(huì)出現(xiàn)停止進(jìn)給、主軸仍然運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。主軸有一個(gè)每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的反饋信號，一般為主軸編碼器有問題?？刹镃RT報(bào)警、I/O編碼器狀態(tài)或用每分鐘進(jìn)給指令代替轉(zhuǎn)速偏離指令值：主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速超過所規(guī)定的范圍時(shí)要考慮，電機(jī)過載、CNC輸出沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)值、測速裝置有故障、主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障

第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：主軸異常噪聲及振動(dòng)：電氣驅(qū)動(dòng)（在減速過程中發(fā)生、振動(dòng)周期與轉(zhuǎn)速無關(guān)）；主軸機(jī)械（恒轉(zhuǎn)速自由停車、振動(dòng)周期與轉(zhuǎn)速有關(guān)）主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)：CNC是否有速度信號輸出；使能信號是否接通、CTR觀察I/O狀態(tài)、分析PLC梯形圖以確定主軸的啟動(dòng)條件（潤滑、冷卻）；主軸驅(qū)動(dòng)故障；主軸電機(jī)故障第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷三、主軸直流驅(qū)動(dòng)的故障診斷1.控制電路控制回路采用電流反饋和速度反饋的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，外環(huán)是速度環(huán)。調(diào)速特點(diǎn)是速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的輸入，可以根據(jù)速度指令電壓和轉(zhuǎn)速反饋電壓的差值及時(shí)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩。在速度差值大時(shí)，轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，轉(zhuǎn)速盡快達(dá)到給定值，當(dāng)轉(zhuǎn)速接近給定值時(shí)，轉(zhuǎn)矩自動(dòng)減小，避免超調(diào)第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷三、主軸直流驅(qū)動(dòng)的故障診斷2.主電路數(shù)控機(jī)床直流主軸電動(dòng)機(jī)由于功率較大，切要求正、反轉(zhuǎn)及停止迅速，驅(qū)動(dòng)裝置采用三相橋式反并聯(lián)邏輯無環(huán)流可逆變調(diào)速系統(tǒng)，在制動(dòng)時(shí)，除了縮短制動(dòng)時(shí)間，還能將主軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能送回電網(wǎng)。還利用邏輯電路，使一組晶閘管工作時(shí)，另一組的觸發(fā)脈沖被封鎖，切斷兩組之間流通的電流第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷例：某加工中心采用直流主軸電動(dòng)機(jī)、邏輯無環(huán)可逆調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)用M03指令起動(dòng)時(shí)有“咔、咔”的沖擊聲，電動(dòng)機(jī)換向片上有輕微的火花，起動(dòng)后無明顯的異?，F(xiàn)象；用M05指令使主軸停止時(shí)，換向片上出現(xiàn)強(qiáng)烈的火花，同時(shí)伴有“叭、叭”的放電聲，隨即交流回路的保險(xiǎn)絲熔斷?；鸹ǖ膹?qiáng)烈程度和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。但若用急停方式停止主軸，換向片上沒有任何火花。分析診斷：急停（電阻能耗制動(dòng)）；正常停機(jī)（回饋制動(dòng)）。在任何時(shí)候不允許正、反兩組同時(shí)工作，有火花說明逆變電路有故障。第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷例：某加工中心主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抖動(dòng)，主軸箱噪聲增大，影響加工質(zhì)量。經(jīng)檢查主軸箱和直流主軸電動(dòng)機(jī)正常，把檢查轉(zhuǎn)到主軸電機(jī)的控制系統(tǒng)。測得的速度指令信號正常，而速度反饋信號出現(xiàn)不應(yīng)有的脈沖信號，問題出在速度檢測元件上，經(jīng)檢查，測速發(fā)電機(jī)碳刷完好，但換向器因碳粉堵塞，而造成一繞組斷路，使測得的反饋信號出現(xiàn)規(guī)律性的脈沖，導(dǎo)致速度調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)不平穩(wěn)，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)輸出的電流忽大忽小，從而造成電動(dòng)機(jī)軸的抖動(dòng)。用酒精清洗換向器，徹底消除碳粉，即可排除故障第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷四、主軸交流驅(qū)動(dòng)的故障診斷（一）6SC650系列主軸交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.驅(qū)動(dòng)裝置的組成（原理圖）第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷1.驅(qū)動(dòng)裝置的組成（主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)）第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷2.故障診斷故障代碼當(dāng)交流主軸驅(qū)動(dòng)變頻器在運(yùn)行中發(fā)生故障，變頻器面板上的數(shù)碼管會(huì)以代碼的形式提示故障的類型。輔助診斷除故障代碼外，在控制和I/O模塊還有測試插座，作為輔助診斷的手段通過測試，可進(jìn)一步判斷變頻器是否缺相以及過電流等故障第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷變頻器的操作和顯示面板第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第六章伺服系統(tǒng)故障診斷I/O模塊上的測試插座1—接線端子2—I/O模塊3—電流測試插孔測電機(jī)相電流測直流回路電流測電機(jī)總電流第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三6SC650系列變頻器部分代碼表故障代碼故障名稱故障原因

F11轉(zhuǎn)速控制開環(huán)1編碼器電纜未接好；無實(shí)際轉(zhuǎn)速值……;4電機(jī)缺相工作；等F12過電流1變頻器有短路故障

……;5轉(zhuǎn)矩設(shè)定值過高；等F14電動(dòng)機(jī)過熱1電動(dòng)機(jī)過載2電動(dòng)機(jī)電流過大；等第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)任務(wù)完成CNC對各坐標(biāo)軸的位置控制組成進(jìn)給驅(qū)動(dòng)、位置檢測及機(jī)械傳動(dòng)裝置工作過程程序指令經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算得位置指令同時(shí)將檢測到的實(shí)際位置信號反饋數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成半或閉環(huán)控制系統(tǒng)，是外環(huán)為位置環(huán)內(nèi)環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)位置檢測光柵、光電編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁柵等速度監(jiān)測測速發(fā)電機(jī)和光電編碼器等第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一、常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)FANUC公司直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)小慣量L、中慣量M系列直流伺服電動(dòng)機(jī)采用PWM速度控制單元大慣量H系列直流伺服電動(dòng)機(jī)，采用晶閘管速度控制單元均有過速、過流、過載等多種保護(hù)功能第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一、常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1.直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)SIEMENS公司直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1HU系列多種規(guī)格的永磁式直流伺服電動(dòng)機(jī)，與電機(jī)配套的速度控制單元有6RA20（晶體管PWM控制）和6RA26（晶閘管控制）兩個(gè)系列。也均有過速、過流、過載等多種保護(hù)功能第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)一、常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2.交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)FANUC公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置：晶體管PWM控制的系列交流驅(qū)動(dòng)單元電動(dòng)機(jī)：S、L、SP和T系列永磁式三相交流同步電動(dòng)機(jī)第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)SIEMENS公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置：晶體管PWM控制的6SC610和6SC611A系列交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)模塊，還有用于數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)的611D系列電動(dòng)機(jī)：1FT5和1FT6系列永磁式三相交流同步電動(dòng)機(jī)3.步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)802S數(shù)控系統(tǒng)配STEPDRIVE步進(jìn)驅(qū)動(dòng)裝置及IMP5五相步進(jìn)電動(dòng)第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)二、伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式伺服系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)形式，主要體現(xiàn)在檢測信號的反饋形式上，以帶編碼器的伺服電動(dòng)機(jī)為例：方式1—轉(zhuǎn)速反饋與位置反饋信號處理分離方式2—編碼器同時(shí)作為轉(zhuǎn)速和位置檢測，處理均在數(shù)控系統(tǒng)中完成方式3—編碼器方式同上，處理方式不同方式4—數(shù)字式伺服系統(tǒng)第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方式一第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)方式二第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)三、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障形式及診斷方法故障出現(xiàn)后的表現(xiàn)方式：CRT、驅(qū)動(dòng)單元、無1.常見故障超程—進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過軟限位或硬限位，CRT過載—進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的負(fù)載過大、頻繁正反轉(zhuǎn)以及傳動(dòng)鏈潤滑不良等引起，CRT及伺服驅(qū)動(dòng)單元都會(huì)有報(bào)警信息竄動(dòng)—測速信號或速度控制信號不穩(wěn)定、接線接觸不良等引起第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)常見故障：爬行—發(fā)生在起動(dòng)加速段或低速進(jìn)給時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤滑不良、伺服系統(tǒng)增益過低及負(fù)載過大、聯(lián)軸器松動(dòng)等引起振動(dòng)—與進(jìn)給速度有關(guān)，速度環(huán)增益太高或速度反饋有故障；與速度無關(guān)，位置環(huán)增益太高或位置反饋有故障；在加速過程中產(chǎn)生，減速時(shí)間設(shè)定過小第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)常見故障：伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)—數(shù)控系統(tǒng)速度信號是否輸出；使能信號是否接通；冷卻潤滑條件是否滿足；電磁制動(dòng)是否釋放；驅(qū)動(dòng)單元故障；伺服電動(dòng)機(jī)故障位置誤差—系統(tǒng)設(shè)置的允差過?。凰欧鲆嬖O(shè)置不當(dāng)；位置檢測裝置有污染；進(jìn)給傳動(dòng)鏈累積誤差過大；主軸箱垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)平衡裝置不穩(wěn)第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)進(jìn)給伺服系統(tǒng)漂移—當(dāng)指令值為零時(shí)，坐標(biāo)軸仍移動(dòng)從而造成位置誤差。通過漂移補(bǔ)償和驅(qū)動(dòng)單元上的零速調(diào)整來消除回參考點(diǎn)故障—有找不到和找不準(zhǔn)參考點(diǎn)兩種故障，前者主要是回參考點(diǎn)減速開關(guān)產(chǎn)生的信號或零標(biāo)志脈沖信號失效所致，可用示波器檢測信號；后者是參考點(diǎn)開關(guān)擋快位置設(shè)置不當(dāng)引起，只要重新調(diào)整即可第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置位置環(huán)是外環(huán)，其指令脈沖來自NC經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算（包含對伺服系統(tǒng)位置和速度的要求）位置環(huán)是伺服系統(tǒng)中重要的一環(huán)，檢測元件的精度直接影響機(jī)床的位置精度（閉環(huán)常用光柵，半閉環(huán)常用編碼器）故障形式是在CRT上顯示報(bào)警號和信息輪廓誤差、靜態(tài)誤差監(jiān)視報(bào)警和測量裝置監(jiān)控報(bào)警第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置一、位置檢測裝置的維護(hù)1.光柵透射光柵與反射光柵光柵輸出信號：二個(gè)相位和一個(gè)零標(biāo)志維護(hù)注意點(diǎn)防污（冷卻液輕微結(jié)晶、水霧、通入低壓壓縮空氣、無水酒精輕檫）防振（不能敲擊避免光學(xué)元件損壞）第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置一、位置檢測裝置的維護(hù)2.光電脈沖編碼器輸出信號：二個(gè)相位和一個(gè)零標(biāo)志維護(hù)注意點(diǎn)防振和防污（內(nèi)部松動(dòng)和信號丟失）聯(lián)結(jié)松動(dòng)（影響位置精度、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定、伺服電機(jī)的換向而引起振動(dòng)）第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置一、位置檢測裝置的維護(hù)3.感應(yīng)同步器組成：定尺和滑尺上面具有矩形繞組維護(hù)注意點(diǎn)在安裝時(shí)必須保持定尺和滑尺的相對平行、不要損壞尺上耐切削液涂層和帶絕緣層的鋁箔、滑尺接線要分清SIN和COS繞組第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置一、位置檢測裝置的維護(hù)4.旋轉(zhuǎn)變壓器輸出電壓與轉(zhuǎn)子的角位移有固定的函數(shù)關(guān)系維護(hù)注意點(diǎn)定子和轉(zhuǎn)子阻值不同不要接錯(cuò)、碳刷磨損要及時(shí)更換第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置1.電機(jī)軸2.測速發(fā)電機(jī)6.小齒輪7.旋轉(zhuǎn)變壓器8.安裝板10.大齒輪11.防護(hù)罩第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)位置檢測裝置一、位置檢測裝置的維護(hù)5.磁柵尺組成：磁性標(biāo)尺、磁頭和檢測電路維護(hù)注意點(diǎn)不能將磁性膜刮壞、不能用力和撞擊磁性標(biāo)尺和磁頭避免磁性減弱或磁場紊亂、在接線時(shí)要分清磁頭上激磁繞組和輸出繞組第49頁，共