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第5章伺服进给系统异常故障诊断与维修5.1概述5.2进给连接与控制5.3数控车床伺服进给的具体电路控制5.4伺服进给系统异常故障诊断与维修实例分析5.1概述5.1.1进给伺服系统的作用及其分类数控系统所发出的控制指令，是通过进给伺服系统驱动执行元件，最终实现精确的进给运动的，因此，进给伺服系统实际上是一种高精度的位置跟随与定位系统。数控机床的精度及性能与其使用的伺服系统的类型有关，一般对进给伺服系统有以下几种分类方式：（１）按驱动方式分，可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。下一页返回5.1概述（２）按执行元件的类别分，可分为步进电动机伺服系统、直流电动机伺服系统和交流电动机伺服系统。（３）按有无检测元件分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。（４）按输出被控制量的性质分，可分为位置伺服系统和速度伺服系统。上一页下一页返回5.1概述5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求进给伺服系统的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。一般对进给伺服系统有如下要求：（１）精度高。数控机床的加工精度是其主要性能指标之一，为了保证高的加工精度，要求位置控制中有高的定位精度，而在速度控制中要有较高的调速精度。此外还要求有较强的抗负载干扰的能力。（２）响应快。为了保证轮廓切削形状精度，降低加工表面的粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，滞后要小。上一页下一页返回5.1概述（３）调速范围宽。调速范围是指生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。对于一般数控机床而言，要求进给驱动机构在０～２４ｍ／ｍｉｎ的速度范围内都能工作，根据这一要求，对于伺服电动机及其速度控制单元而言，其调速范围至少要达到１∶１０００。（４）低速大转矩。根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，即在低速时进给驱动有大的转矩输出。这样可使动力源尽量靠近机床的执行机构，从而可缩短进给驱动的传动链，使传动装置机械部分的结构简化，系统的刚性增加。上一页下一页返回5.1概述5.1.3电气伺服驱动系统步进驱动系统采用步进电动机作为执行元件，步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机，目前均选用功率型步进电动机，步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合。这种系统控制简单、价格低廉，主要用于经济型数控机床或者普通机床的数控化改造。上一页下一页返回5.1概述直流伺服驱动系统采用直流电动机作为执行元件，由于大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性。输出转矩大，过载能力强，且由于其自身惯量大，与机床传动部件的惯量相当，因此，所构成的闭环系统在电动机安装到机床上之前调整好后，在机床上几乎不需要再作调整，使用方便。此类电动机大多配有晶闸管全控或半控桥ＳＣＲ－Ｄ调速装置。为适应一部分数控机床（如钻床、冲床等）频繁启动、制动及快速定位的要求，又发展了直流中小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制（ＰＷＭ）驱动装置。上一页下一页返回5.1概述由于直流伺服电动机使用机械（电刷、换向器）换向，因此它存在许多缺点。多年来，人们一直在试图使用交流电动机代替直流电动机，其困难在于交流电动机很难达到直流电动机那样满意的调速性能。进入２０世纪８０年代后，由于交流伺服电动机的材料、结构以及控制理论与方法均有了突破性发展，微电子技术和功率半导体器件的发展又为其控制方法的实现创造了条件，使得交流驱动装置发展很快，而且交流伺服电动机最大的优点在于不需要维护，制造简单，适合于恶劣环境下工作，目前交流伺服系统已逐渐取代直流伺服系统，成为数控机床进给驱动的主流。上一页下一页返回5.1概述应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与笼型异步电动机两大类。由于数控机床进给驱动功率一般不大（一般在数百瓦至数千瓦），加之笼型异步电动机调速指标一般不如交流同步电动机，因此大多数进给驱动装置采用的是交流同步电动机。目前常见的应用于数控机床的交流伺服驱动装置主要有如下三类：（１）有晶体管（ＴＧＲ）或其他元件（如ＩＧＢＴ等）作为驱动器件组成的变频器供电，控制交流永磁同步电动机。上一页下一页返回5.1概述（２）采用将交流电动机模拟成直流电动机等效控制的矢量变换控制算法控制交流感应异步电动机。（３）无刷直流电动机。它实际上采用具有位置检测的交流同步电动机，使用大功率晶体管或其他驱动器件和位置检测完成成电子换向，代替了直流电动机的电刷和机械换向器，由变频装置供电。上一页下一页返回5.1概述5.1.4进给伺服系统的开环、闭环与半闭环控制数控机床伺服系统按有无位置检测元件又分为开环和闭环两大类，闭环系统按位置检测元件的安装位置又分为全闭环和半闭环两种。开环控制采用步进电动机作为驱动元件，没有位置反馈回路和速度控制回路，简化了电路，因此设备投资低，调试维修方便，但进给速度和精度较低，被应用于经济型数控机床及一般的机床改造。上一页下一页返回5.1概述闭环控制采用直流或交流伺服电动机作为执行元件。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，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，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯量有关，还取决于阻尼、油的黏度、滑动面摩擦因素等因素。而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。上一页下一页返回5.1概述这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床刚度，改善滑动面摩擦特性，减少传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式被大量应用在精度要求较高的大型数控机床上。半闭环方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠的一端，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便，且其快速性好，动态精度高。上一页下一页返回5.1概述但由于机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿功能，在传动装置精度不高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。因此在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到广泛应用。但如果程度机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。上一页下一页返回5.1概述5.1.5数控机床进给系统机械结构的要求进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副（直线运动）或涡轮蜗杆副（回转运动）及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，合理选择丝杆尺寸以及对丝杆螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。上一页下一页返回5.1概述为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的２～３倍。进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。上一页下一页返回5.1概述进给系统由于经常需进行启动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括齿轮副、丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等均应采用消除间隙的结构措施。上一页返回5.2进给连接与控制5.2.1ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统驱动器和手轮接口ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统通过ＸＳ３０、ＸＳ３１接口与Ｘ轴、Ｚ轴驱动器连接，接口定义如图5-1所示。ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统通过ＸＳ３８接口与手轮连接，ＨＡ、ＨＢ分别为手轮的Ａ相、Ｂ相输入信号，接口定义及连接如图5-2和图5-3所示。下一页返回5.2进给连接与控制5.2.2ＤＡ９８驱动器ＤＡ９８交流伺服系统是国产第一代全数字交流伺服系统，采用国际最新数字信号处理器（ＤＳＰ）、大规模可编程门阵列（ＣＰＬＤ）和ＭＩＴＳＵＢＩＳＨＩ智能化功率模块（ＩＰＭ），集成度高、体积小、保护完善、可靠性好。采用最优ＰＩＤ算法完成ＰＷＭ控制，性能已达到国外同类产品的水平，驱动器和伺服电动机的外观图如图5-4和图5-5所示。上一页下一页返回5.2进给连接与控制与步进系统相比，ＤＡ９８交流伺服系统具有以下优点：（１）避免失步现象：伺服电动机自带编码器，位置信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环控制系统。（２）宽速比、恒转矩：调速比为１∶５０００，从低速到高速都具有稳定的转矩特性。（３）高速度、高精度：伺服电动机最高转速可达３０００ｒ／ｍｉｎ，回转定位精度１／１００００ｒ。（４）控制简单、灵活：通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。上一页下一页返回5.2进给连接与控制１）电源端子ＴＢ线径：Ｒ、Ｓ、Ｔ、ＰＥ、Ｕ、Ｖ、Ｗ端子线径≥１.５ｍｍ２（ＡＷＧ１４－１６），ｒ、ｔ端子线径≥１.０ｍｍ２（ＡＷＧ１６－１８）。接地：接地线应尽可能粗一点，驱动器与伺服电动机在ＰＥ端子一点接地，接地电阻＜１００Ω。上一页下一页返回5.2进给连接与控制要求：端子连接采用ＪＵＴ－１.５—４预绝缘冷压端子，务必连接牢固；建议由三相隔离变压器供电，减少电击伤人可能性；建议电源经噪声滤波器提供电，提高抗干扰能力；请安装非熔断型（ＮＦＢ）断路器，使驱动器故障时能及时切断外部电源。表5-1为电源端子ＴＢ功能介绍。上一页下一页返回5.2进给连接与控制２）控制信号ＣＮ１、反馈信号ＣＮ２线径：采用屏蔽电缆（最好选用绞合屏蔽电缆），线径≥０２（ＡＷＧ２４－２６），屏蔽层须接ＦＧ端子。线长：电缆长度尽可能短，控制ＣＮ１电缆不超过３ｍ，反馈信号ＣＮ２电缆长度不超过２０ｍ。布线：远离动力线路布线，防止干扰串入；请给相关线路中的感性元件（线圈）安装浪涌吸收元件；直流线圈反向并联续流二极管，交流线圈并联阻容吸收回路。图5-6为ＧＳＫ９８０ＴＤ数控系统的ＸＳ３０、ＸＳ３１接口与驱动器控制信号端子ＣＮ１的连接。上一页下一页返回5.2进给连接与控制图5-7为驱动器的外部连线图。驱动器面板由６个ＬＥＤ数码管显示器和４个按键↑、↓、←、Ｅｎｔｅｒ组成，用来显示系统各种状态、设置参数等，按键功能如下：↑：序号、数值增加，或选项向前；↓：序号、数值减少，或选项退后；←：返回上一层操作菜单，或操作取消；上一页下一页返回5.2进给连接与控制Ｅｎｔｅｒ：进入下一层操作菜单，或输入确认。注意：↑、↓保持按下，操作重复执行，并且保持时间越长，重复速率越快。６位ＬＥＤ数码管显示系统各种状态及数据，全部数码管或最右边数码管的小数点显示闪烁，表示发生报警。（１）［速度比例增益］（参数Ｎｏ.５）的设定值，在不发生振荡的条件下，尽量设定得较大。一般情况下，负载惯量越大，［速度比例增益］的设定值应越大。上一页下一页返回5.2进给连接与控制（２）［速度积分时间常数］（参数Ｎｏ.６）的设定值，根据给定的条件，尽量设置得较大。［速度积分时间常数］设定得太大时，响应速度将会提高，但是容易产生振荡。所以在不发生振荡的条件下，尽量设置得较大。［速度积分时间常数］设定得太大时，在负载变动的时候，速度将变动较大。一般情况下，负载惯量越大，［速度积分时间常数］的设定值应越小。上一页下一页返回5.2进给连接与控制（３）［位置比例增益］（参数Ｎｏ.９）的设定值，在稳定范围内，尽量设置得较大。［位置比例