伺服系统的故障诊断与维修

第8章伺服系统的故障诊断与维修8.1概述8.2主轴伺服系统故障诊断与维修8.3进给伺服系统故障诊断与维修8.4位置检测系统的故障诊断与维修8.5伺服系统故障诊断与维修实例8.1概述8.1.1伺服系统的概念数控机床伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称随动系统。在数控机床中，伺服系统是连接数控系统和数控机床本体的中间环节，是数控机床的“四肢”。因为伺服系统的性能决定了数控机床的性能，所以要求伺服系统具有高精度、快速度和良好的稳定性。研究与开发高性能的伺服系统一直是现代数控机床的关键技术之一。下一页返回8.1概述在实际应用中，数控机床的伺服系统出现故障的几率较高，因此充分认识伺服系统的重要性，掌握伺服系统的故障诊断与维修方法是很有必要的。下一页上一页返回8.1概述8.1.2伺服系统的组成数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元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元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。下一页上一页返回8.1概述8.1.3伺服系统的工作原理伺服系统是一种反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与输出被调量进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。所以伺服系统的运动来源于偏差信号，必须具有负反馈回路，并且始终处于过渡过程状态。在运动过程中实现了力的放大。伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。下一页上一页返回8.1概述8.1.4伺服系统的作用在数控机床中，伺服系统是数控装置和机床的联系环节，它的作用是把来自数控装置中插补器的指令脉冲或计算机插补软件生成的指令脉冲，经变换和放大后，转换为机床移动部件的机械运动，并保证动作的快速和准确。数控机床的精度和速度等技术指标，常常主要取决于伺服系统。下一页上一页返回8.1概述8.1.5伺服系统的分类数控机床伺服系统的分类方法很多。按伺服系统有无检测元件或调节原理不同可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按作用或功能不同可分为主轴伺服系统（控制主轴的切削运动，以旋转运动为主）和进给伺服系统（控制机床各坐标轴的切削进给运动）；按驱动电动机不同可分为直流伺服系统和交流伺服系统；按反馈比较控制方式不同可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修机床主轴主传动是旋转运动，传递切削力，伺服驱动系统分为直流主轴驱动系统和交流主轴驱动系统两大类，有的数控机床主轴利用通用变频器，驱动三相交流电动机，进行速度控制。数控机床要求主轴伺服驱动系统能够在很宽范围内实现转速连续可调，并且稳定可靠。当机床有螺纹加工功能、C轴功能、准停功能和恒线速度加工时，主轴电动机需要装配检测元件，对主轴速度和位置进行控制。下一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修主轴驱动变速目前主要有3种形式：一是带有变速齿轮传动方式，可实现分段无级调速，扩大输出转矩，满足强力切削要求的转矩；二是通过带传动方式，可避免齿轮传动时引起的震动与噪声，适用于低转矩特性要求的小型机床；三是由调速电动机直接驱动的传动方式，主轴传动部件结构简单，紧凑，这种方式主轴输入的转矩小。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修8.2.1常用主轴驱动系统介绍1．FANUC公司主轴驱动系统从20世纪80年代开始，FANUC公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前3个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5kW~37kW；H系列电动机，额定输出功率范围1.5kW～22kW；P系列电动机，额定输出功率范围3.7kW~37kW。该公司交流主轴驱动系统的特点为：下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修1)采用CPU控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制；2)主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形；3)具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修2.SIEMENS公司主轴驱动系统SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5这4个系列，与上述4个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修20世纪80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3kW~100kW。驱动装置为6SC650D系列交流主轴驱动装置或6SC611A(SIMODRIVE61lA)主轴驱动模块，主回路采用晶体管PWM变频控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴定位控制。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修3．MITSUBISHI公司主轴驱动系统MITSUBISHI公司主轴躯动装置与CNC采用总线连接，主回路采用PWM技术。主轴与进给轴完全同步，使用90000P/RPM脉冲编码器实现C轴功能。MITSUBISHI公司主轴驱动有SPJ、SPJ2型小型化系列，SPJ2可通过增加PJEX扩展单元实现主轴的定位和C轴控制，所配备的主轴电动机为SJ-P、SJ-PF系列，其功率为0．2~7．5kW。SP系列是大型主轴驱动装置，所配备的主轴电机为SJ系列，其功率为0.5～45kW。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修8.2.2主轴伺服系统的常见故障形式当主轴伺服系统发生故障时，通常有3种表现形式：一是在操作面板上用指示灯或CRT显示报警信息；二是在主轴驱动装置上用指示灯或数码管显示故障状态；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。常见数控机床主轴伺服系统的故障有以下几种。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修1．外界干扰故障现象：主轴在运转过程中出现无规律性的振动或转动。原因分析：主轴伺服系统受电磁、供电线路或信号传输干扰的影响，主轴速度指令信号或反馈信号受到干扰，主轴伺服系统误动作。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修检查方法：令主轴转速指令信号为零，调整零速平衡电位计或漂移补偿量参数值，观察是否因系统参数变化引起的故障。若调整后仍不能消除该故障，则多为外界干扰信号引起主轴伺服系统误动作。采取措施：电源进线端加装电源净化装置，动力线和信号线分开，布线要合理，信号线和反馈线按要求屏蔽，接地线要可靠。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修2．主轴过载故障现象：主轴电动机过热、CNC装置和主轴驱动装置显示过电流报警等。原因分析：主轴电动机通风系统不良、动力连线接触不良、机床切削用量过大、主轴频繁正、反转等引起电流增加，电能以热能的形式散发出来，主轴驱动系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修检查方法：根据CNC和主轴驱动装置提示报警信息，检查可能引起故障的各种因素。采取措施：保持主轴电动机通风系统良好，保持过滤网清洁；检查动力接线端子接触情况；正确使用和操作机床，避免超载。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修3．主轴定位抖动故障现象：主轴在正常加工时没有问题，仅在定位时产生抖动。原因分析：主轴定位一般分机械、电气和编码器3种准停定位，当定位机械执行机构不到位，检测装置信息有误会时产生抖动。另外主轴定位要有一个减速过程，如果减速或增益等参数设置不当，也会引起故障。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修检查方法：根据主轴定位的方式，主要检查各定位、减速检测元件的工作状况和安装固定情况，如限位开关、接近开关、霍尔元件等。采取措施：保证定位执行元件运转灵活，检测元件稳定可靠。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修4．主轴转速与进给不匹配故障现象：当进行螺纹切削、刚性攻牙或要求主轴与进给同步配合的加工时，出现进给停止主轴仍继续运转，或加工螺纹零件出现乱牙现象。原因分析：当主轴与进给同步配合加工时，要依靠主轴上的脉冲编码器检测反馈信息，若脉冲编码器或连接电缆线有问题，会引起上述故障。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修检查方法：通过调用I/0状态数据，观察编码器信号线的通断状态；取消主轴与进给同步配合，用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，可判断故障是否与编码器有关。采取措施：更换维修编码器，检查电缆线接线情况，特别注意信号线的抗干扰措施。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修5．转速偏离指令值故障现象：实际主轴转速值超过技术要求规定指令值的范围。原因分析：（1）电动机负载过大，引起转速降低，或低速极限值设定太小，造成主轴电动机过载；（2）测速反馈信号变化，引起速度控制单元输入变化；（3）主轴驱动装置故障，导致速度控制单元错误输出；（4）CNC系统输出的主轴转速模拟量（±10V）没有达到与转速指令相对应的值。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修检查方法：（1）空载运转主轴，检测比较实际主轴转速值与指令值，判断故障是否由负载过大引起；（2）检查测速反馈装置及电缆线，调节速度反馈量的大小，使实际主轴转速达到指令值；（3）用备件替换法判断驱动装置故障部位；（4）检查信号电缆线连接情况，调整有关参数使CNC系统输出的模拟量与转速指令值相对应。采取措施：更换维修损坏的部件，调整相关的参数。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修6.主轴异常噪声及震动首先要区别异常噪声及振动发生在机械部分还是在电气驱动部分：（1）若在减速过程中发生，一般是驱动装置再生回路有故障；（2）主轴电动机在自由停车过程中若存在噪声和振动，则多为主轴机械部分故障；（3）若振动周期与转速有关，应检查主轴机械部分及测速装置。若无关，一般是主轴驱动装置参数未调整好。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修7．主轴电动机不转CNC系统至主轴驱动装置一般有速度控制模拟量信号和使能控制信号，主轴电动机不转应重点围绕着两个信号进行检查。（1）检查CNC系统是否有速度控制信号输出；（2）检查使能信号是否接通。通过I/0状态，确定主轴的启动条件如润滑、冷却等是否满足；（3）主轴驱动装置故障；（4）主轴电动机故障。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修下一页上一页返回8.2.3直流主轴伺服系统的特点和故障诊断1.直流主轴伺服系统的特点1）简化了变速机构系统简化了传统的主轴变速机构，传统的主轴变速机构采用恒定速度的交流异步电动机，由离合器、齿轮等组成的多级机械变速装置的结构。8.2主轴伺服系统故障诊断与维修2）具有适应工厂环境的全封闭结构直流主轴电动机采用全封闭的结构形式，所以能在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。3）轴电动机采用特殊的热管冷却系统，外形小在主轴电动机轴上装入了比铜的热传导率大数百倍的热管，能将转子产生的热立即向外部发散。为了把发热限制在最小限度以内，定子内采用了独特方式的特殊附加磁极，减小了损耗，提高了效率。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修4）驱动方式性能好主轴伺服单元采用晶闸管三相全波驱动方式，主轴振动小，旋转灵活。5）轴控制功能强，容易与数控系统配合在与NC结合时，主轴伺服单元准备了必要的D/A转换器、超程输入、速度计数器用输出等功能。6）纯电式主轴定位控制功能采用纯电式主轴定位控制，能用纯电式手段控制主轴的定位停止，故无需机械定位装置，可进一步缩短定位时间。下一页上一页返回8.2主轴伺服系统故障诊断与维修2．直流主轴伺服系统的日常维护1）安装注意事项（1）伺服单元应置于密封的强电柜内。为了不使强电柜内温度过高，应将强电柜内部的温升设计在15℃以下；强电柜的外部空气引入口务必设置过滤器；要注意从排气口侵入尘埃或烟雾；要注意电缆出人口、门等的密封；冷却风扇的风