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第3章伺服系统的故障分析与维修山东劳动职业技术学院机械工程系3.1.伺服系统概述第3章伺服系统的故障分析与维修伺服系统基础知识1.伺服的含义4.直流伺服系统5.交流伺服系统2.伺服系统的分类3.三环结构本节学习内容第3章伺服系统的故障分析与维修１.伺服的含义伺服是英文单词Servo的谐音，意为“侍侯”及“听话”等，引进到控制技术中来，指受控制部件服从指挥，如工作台让走到哪里就走到哪里。3.1.伺服系统概述数控机床中的伺服系统（ServoSystem）就是为了实现各轴向上速度及位置等的精确控制，如主轴速度控制和定位控制，特别是X.Z等轴向工作台的进给伺服控制，控制好定位精度为切削精度提供了保证。伺服系统中的电动机又被称为伺服电动机。主轴上早期采用直流电动机，现在采用交流异步电动机。由于进给系统要求更高,依次采用了步进电动机.直流伺服电动机和交流永磁同步式伺服电动机。因交流电动机无换向装置，几乎免维修，且成本相对较低，现在广泛使用。3.1.伺服系统概述1.按不同控制方式开环控制系统闭环控制系统2.按驱动系统主轴驱动系统进给轴驱动系统模拟控制数字控制2.伺服系统分类：3.1.伺服系统概述3.电气控制原理和伺服电机不同类型直流驱动系统交流驱动系统3.1.伺服系统概述3.三环结构通过长期的生产实践发现，伺服系统中采用三环结构是目前实现高精度控制的最好方法，即位置环.速度环.电流环。又分别被称为外环.中环.内环。这三环是相互制约关系，使控制达到了极其完善。3.1.伺服系统概述提示:对于主轴驱动而言，要求有较大调速范围和较大转矩，其精度要求低于进给系统，常常只需控制速度的稳定性且无需位置环。所以伺服系统的讲解以进给系统为主进行。3.1.伺服系统概述位置环速度环电流环转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG位置环、速度环和电流环均由：调节控制模块、检测和反馈部分组成。电力电子驱动装置由驱动信号产生电路和功率放大器组成。严格来说：位置控制包括位置、速度和电流控制；速度控制包括速度和电流控制。3.1.伺服系统概述位置环（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(多数为光电编码器)经反馈网络处理后的信号电流环（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动机电枢回路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；电流环的输出再去直接控制功率变换单元，这三个环的反馈信号都是负反馈。3.1.伺服系统概述位置环速度环电流环转换驱动工作台电流反馈速度反馈位置反馈MG从电路结构看，三个环的控制模块都是调节器，有时采用比例调节器(P调节器)，有时采用比例积分调节器(PI调节器)，有时为比例积分微分调节器(PID调节器)。从具体电路来讲，有时相当复杂，有时简单到只有一个电位器或滤波电路。最近发展技术是利用CNC内部硬件或软件形式完成三环的工作，提高了控制精度且降低了维修难度，如位置环上的故障我们着重去检查位置检测器了。3.1.伺服系统概述现代技术中位置环控制模块交给CNC实现(硬件或软件方法)3.1.伺服系统概述位置环是进给伺服系统中十分重要的环节，根据位置环上有无检测器及检测方式的不同可分为:•开环控制(早期，精度低，使用步进电动机)•半闭环控制(间接检测反馈，精度较高)•闭环控制(直接检测反馈，精度高，机床不易调整，易出现工作台振荡或爬行)3.1.伺服系统概述一.伺服系统基础知识开环进给伺服系统示意图半闭环控制系统示意图3.1.伺服系统概述闭环控制系统示意图3.1.伺服系统概述速度环检测元器件：测速发电机和光电编码器(有的在电动机出厂前己安装在其内部)电流环检测元器件：电流互感器位置环检测元器件:用于半闭环的有脉冲编码器(又分为光电式.接触式和电磁感应式三种).旋转变压器和旋转式感应同步器等.用于闭环的有光栅尺.磁栅尺和直线式感应同步器等。3.1.伺服系统概述编码器光栅尺光栅尺工作原理光栅尺工作原理:标尺光栅和指示光栅都是由窄的矩形不透明的线纹和其等宽的透明间隔所组成的，标尺光栅不动，指示光栅沿标尺光栅移动时，光电元件所产生出来的光电流变化也是连续的，近似于正弦波，根据波形数量可确定移动距离。并且指示光栅的线纹部分分成两相，彼此错开1/4栅距，并配上两相物镜和光电元件使其输出信号在相位上相差90度，其中一相作为参考信号，则根据另一相信号超前或滞后参考信号90度，可用来确定指示光栅向哪一方向移动。3.1.伺服系统概述4.直流伺服系统直流伺服系统是以直流电动机为控制对象的系统，是由三环结构.功率变换单元.伺服驱动单元.直流电动机等组成。直流电机有起动转矩大，调速方便等优点，早期数控机床上得到广泛应用，但其有换向器及电刷，极易出故障且成本高，现在逐步被交流电动机所取代，交流伺服的很多控制方法与直流伺服大到相同，所以有必要加以学习。3.1.伺服系统概述0直流伺服系统中直流电动机的速度控制主电路主要有两种:早期的晶闸管(SCR俗称可控硅)控制和现代较普遍采用的大功率晶体管控制。晶闸管控制多采用三相全控桥式整流电路，输出一个可变电压的直流电源，通过调节晶闸管的触发角就可改变输出电压值，从而使电动机转速发生变化。3.1.伺服系统概述采用大功率晶体管控制主要为脉冲宽度调制(PWM)技术。脉冲宽度调制就是调节输出信号的占空比，晶体管通就是给电动机提供电能，断就是停止供给电能，因此调节占空比就能调节加在电动机电枢两端的平均电压值，达到控制速度的目的。3.1.伺服系统概述5.交流伺服系统虽然交流电动机成本低，结构简单维修方便，但早期交流电动机调速非常困难，难于实现无极调速且起动转矩小，因此在数控机床上无法使用。随着电力电子技术.计算机科学技术的飞速发展，出现了电力半导体变频电源，用变频器可以很方便地调节交流电动机速度。特别是西门子公司的交流矢量变换调速技术出现，又开辟了一条新的途径，随着交流永磁同步电动机的大力发展，交流伺服系统取代直流伺服系统已成定局。3.1.伺服系统概述入交流异步电机主要用于速度要求稍低的主轴系统驱动异步—转子旋转速度总是低于旋转磁埸的同步转速同步—转子转速与定子上旋转磁场同步转速相同同步电动机主要用于进给伺服系统当中现代使用永磁材料制成转子的交流永磁同步电机结构更为简单交流电动机调速方法交流电动机调速方法有:改变定子上磁极对数.改变电源的频率和改变转差率(针对线绕式)。改变电源频率可以做到无极调速，过去是采用变频机组来改变频率，投资大体积也大，现在使用以电力半导体为核心，微电脑控制的变频器，为了给电动机提供足够电能其中还包含有功率转换模块。3.1.伺服系统概述3.2主轴伺服系统故障分析维修主轴驱动系统就是在系统中完成主运动的动力装置部分。它带动工件或刀具作相应的旋转运动，从而能配合进给运动，加工出理想的零件。主轴驱动变速目前主要有两种形式:一是主轴电动机齿轮换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的特点。由于无需机械变速，主轴箱内省去了齿轮和离合器，主轴箱实际上成了主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传动链的可靠性。主轴驱动早期使用直流电动机，直流主轴控制系统类似于前面直流速度控制系统，直流电动机易出故障成本高，并且功率一大，就会出现换向困难等问题。由于主轴控制没有进给伺服系统那么高的性能要求，加之变频器的发展，现在采用交流异步电动机作为主轴电机，已能足够满足数控主轴驱动的要求。主轴驱动•早期直流电动机现在交流异步电动机•驱动装置变频器•双环控制速度环和电流环进给伺服系统•早期步进电动机中期小惯量大惯量直流电动机现在交流永磁同步电动机•驱动装置步进电机驱动器伺服驱动器•三环结构位置环.速度环.电流环变频器．步进电机驱动器和伺服驱动器内部都有功率转换模块，为电动机提供足够电能．有时又称为主轴放大器和伺服放大器等．主轴驱动系统分类：一）直流主轴驱动系统二）主轴通用变频器控制系统三）交流主轴驱动系统SIMODRIVE611变频器系统SIMODRIVE611模拟式变频器系统SIMODRIVE611数字式变频器系统带SINUMERIK840DSiemens1PH7主轴电机1PH7电机(AH100至AH160和AH180/AH225)1PH7空气冷却主轴电机具有以下特点电机的总长度缩短集成的终端外壳设计(AH100至AH160)将噪音曲线降至最低速度高达9000转/分(可选用12000转/分)持续提供各种额定转矩即使停止时对SIMODRIVE611的各种功率级别进行最优配置1PH7空气冷却型交流主轴电机是一种转动平稳无须维护的四极鼠笼式异步电机。专门设计用于与SIMODRIVE611变频器系统相连接。一台提供单独供风的风机沿轴向安装在电动机的尾部。气流的正常流向是从驱动端到非驱动端，以便让机床中的废气更好的排走。电机配置了一个内置的编码系统，用来感应电机的转速和间接的位置。这个编码器能够使C轴做为标准操作。也就是说，不再需要额外的编码器来控制C轴。应用小型而且结构紧凑的机床(AH100至AH160)复杂的加工中心和车床专用机床1PH4主轴电机规格说明1PH4水冷却主轴电机具有如下性能设备体积小功率强度大最高速度可达9000转/分(可选12000转/分)即使在设备停止时也可输出各种转矩经过冷却处理的凸缘能有效避免由于机械传动系所引起的热应力噪音低防护级别高(IP65轴盖为IP55)旋转精度高由于现代机械设备设计结构紧凑，从电气驱动部件中产生的热量会对机械的精度产生副作用。对于功率密度高，而且冷却效果好的电机的要求，促使了1PH4系列水冷型交流主轴电机的发展。而且同时满足高转矩和设备体积小(从而质量惯性小)的双重性能的这一复合产品的加速和刹车时间都短从而减少了作无用功的时间。1PH4电机是一种性能坚固，4极感应的鼠笼式电动机。专门设计用于与SIMODRIVE611变频系统进行连接，其功率损失和噪音级别都降低到很低水平。由于这一系列电动机的设计紧凑，使得在使用中，可以获得较高的最大运行速度。电机配备了一套编码器系统，用来感应电机的运行速度，以及间接了解转子的所处位置。这一编码器可以进行额定状况下的C轴运行模式，也就是说，对于C轴运行不需要额外的编码器应用全封闭式的铣床高负荷的铣床车床中的反向轴数控机床对主轴传动系统的要求:一）输出功率大、抗过载能力强二）调速范围宽、恒功率范围要宽调速范围宽为保证加工时选用合适的切削用量，以获得最佳的生产率、加工精度和表面质量，特别对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和材料的加工要求，对主轴的调速范围提出了更高的要求，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节。目前主轴驱动装置的恒转矩调速范围已可达1：100，恒功率调速范围也可达1：30，过载1.5倍时仍可持续工作达30min。恒功率范围要宽要求主轴在调速范围内均能提供所需的切削功率，并尽可能在调速范围内提供主轴电机的最大功率。由于主轴电机与驱动装置的限制，主轴在低速段均为恒转矩输出。为满足数控机床低速、强力切削的需要，常采用分段无级变速的方法（即在低速段采用机械减速装置），以扩大输出转矩。三）具有四象限驱动能力要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。目前一般伺服主轴可以在1S内从静止加速到6000r/min。四）具有位置控制能力即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及车削中心的某些加工工艺的需要。五）可靠性高，低嘈声，体积小，质量轻，温升低1.FANUC2.SIEMENS3.MITSUBISHI3.2.1常用主轴伺服系统随着数控控制的SPWM变频调速系统的发展，数控机床主轴驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方面的含义：一是可以和通用