第9章_伺服系统故障诊断

第9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、位置检测的故障诊断第四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第四章伺服系统故障诊断在三环系统中，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一节主轴驱动系统故障诊断一般主轴要求：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）第一节主轴驱动系统故障诊断一、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（1.5~371.5~223.7~37kW）主要特点：1）采用微处理控制技术2）主回路采用晶体管PWM逆变器3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入第一节主轴驱动系统故障诊断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（3~100kW）及配套的6SC650、6SC611A系列的主轴驱动模块第一节主轴驱动系统故障诊断二、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：1、在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息2、在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示故障3、无任何故障报警信息第一节主轴驱动系统故障诊断主轴伺服系统常见故障有：1、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2、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一节主轴驱动系统故障诊断3、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的过程，如果减速或增益等参数设置不当；限位开关失灵；磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动第一节主轴驱动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.主轴箱第一节主轴驱动系统故障诊断4、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5、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输出转速的模拟量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一节主轴驱动系统故障诊断6、主轴异常噪声及振动：电气驱动故障（如果是在减速过程中发生或振动周期与转速无关）；主轴机械故障（如果发生在恒转速自由停车时或振动周期与转速有关）7、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；主轴电机故障第一节主轴驱动系统故障诊断三、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，转矩自动减小，避免超调第一节主轴驱动系统故障诊断第一节主轴驱动系统故障诊断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一节主轴驱动系统故障诊断第一节主轴驱动系统故障诊断例：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M05指令使主轴停止时，换向片上出现强烈的火花，同时伴“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。第一节主轴驱动系统故障诊断例：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，即可排除故障第一节主轴驱动系统故障诊断四、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）第一节主轴驱动系统故障诊断驱动装置的组成（主轴驱动系统）第一节主轴驱动系统故障诊断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。变频器的操作和显示面板第一节主轴驱动系统故障诊断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试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障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第一节主轴驱动系统故障诊断6SC650系列变频器部分代码表故障代码故障名称故障原因F11转速控制开环无实际转速值1、编码器电缆未接；2、电机缺相工作；等F12过电流1、变频器有短路故障2、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一节主轴驱动系统故障诊断（二）主轴通用变频器通用变频器主要和通用三相变频笼式异步电机配合使用通用变频器接口定义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SIEMENS公司直流进给驱动系统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IMP5五相步进电动机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a框图b西门子进给伺服系统方式一从图中可以看出：速度反馈信号和位置反馈信号是分离处理的。图a中ＴＧ为测速装置，编码器测量位置信号。图b中Ｘ311为速度反馈插座，而X111、X121、X131为三根轴的位置反馈信号输入口；X141为三根轴的伺服驱动口。速度反馈信号和位置反馈信号分开处理第二节进给伺服系统方式二a方式二框图bFANUC伺服进给系统编码器同时作为速度和位置检测，由CNC完成处理第二节进给伺服系统方式三编码器将检测信号反馈至CN2口，一方面用于速度控制，另一方面再通过CN1A口输入至CNC中的位置检测口。第二节进给伺服系统方式四数字伺服系统编码器将检测信号直接反馈到驱动单元上的CN2口，在驱动单元中完成位置控制和速度控制。三菱数字伺服系统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报警、驱动单元提示信息、无1.常见故障超程—进给运动超过软限位或硬限位，CRT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；伺服电动机故障第二节进给伺服系统位置误差—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二节进给伺服系统2.故障定位模块交换法X和Y的驱动单元一样，当一轴发生故障时，用另一轴代替看故障的转移情况模块交换法第二节进给伺服系统为确定是否伺服单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。有干电池和变阻器组成直流回路第二节进给伺服系统四、进给驱动的故障诊断驱动结构1、模块式模块式驱动单元第二节进给伺服系统驱动结构2、单元式单元式驱动单元第二节进给伺服系统驱动方式—直流PWM和晶闸管驱动方式、交流变频控制方式、步进电机驱动方式1.直流进给驱动（1）PWM调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成一定频率的电压，加到直流伺服电机电枢的两端，通过对方波宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到控制电枢电流，进而控制伺服电动机转速的目的。（2）晶闸管调速是利用速度调节器对晶闸管的导通角进行控制，通过改变导通角的大小来改变电枢两端的电压，从而达到调速的目的。2、交流进给驱动因采用交流同步电动机，驱动装置实质上是一个电子换向的直流电动机驱动装置第二节进给伺服系统FANUC系统进给驱动故障表示方式：1、CRT有报警显示的故障报警号400~457伺服系统错误报警报警号702~704过热报警故障原