常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:10 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 伺服系统故障诊断(二) 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 2进给伺服系统 进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及 机床进给传动链等组成,进给伺服系统的任务就是要完成各坐标 轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据,经插补运 算后得到位置控制指令,同时,位置检测装置将实际位置检测信 号反馈于数控系统,构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比 较后,数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置,经速 度控制单元驱动伺服电动机带动滚珠丝杠传动进行进给运动。伺 服电动机上的测速装置将电动机转速信号与速度控制指令比较 构成速度环控制。因此,进给伺服系统实际上是外环为位置环 内环为速度环的控制系统。对进给伺服系统的维护及故障诊断将 落实到位置环和速度环上。组成这两个环的具体装置有:用于位 置检测的光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁柵等 用于转速检测的测速发电机或光电编码器等。进给驱动系统由直 流或交流驱动装置及直流和交流伺服电动机组成 21常见进给驱动系统介绍 21.1直流进给驱动系统 2111 FANUC公司直流进给驱动系统 从1980年开始, FANUC公司陆续推出了小惯量L系列、中 惯量M系列和大惯量H系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 10 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 伺服系统故障诊断（二） 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 2 进给伺服系统 进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及 机床进给传动链等组成，进给伺服系统的任务就是要完成各坐标 轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运 算后得到位置控制指令，同时，位置检测装置将实际位置检测信 号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比 较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速 度控制单元驱动伺服电动机带动滚珠丝杠传动进行进给运动。伺 服电动机上的测速装置将电动机转速信号与速度控制指令比较， 构成速度环控制。因此，进给伺服系统实际上是外环为位置环， 内环为速度环的控制系统。对进给伺服系统的维护及故障诊断将 落实到位置环和速度环上。组成这两个环的具体装置有：用于位 置检测的光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等； 用于转速检测的测速发电机或光电编码器等。进给驱动系统由直 流或交流驱动装置及直流和交流伺服电动机组成。 2.1 常见进给驱动系统介绍 2.1.1 直流进给驱动系统 2.1.1.1 FANUC 公司直流进给驱动系统 从 1980 年开始，FANUC 公司陆续推出了小惯量 L 系列、中 惯量 M 系列和大惯量 H 系列的直流伺服电动机。中、小惯量伺服
电动机采用PWM速度控制中元,大惯里伺服电动机采用晶闸管 速度控制单元。驱动装置具打多种保护功能,如过速、过电流、 过电压和过载等。 2112 SIEMENS公司直流进给驱动系统 SIEMENS公司在70年代中期推出了IHU系列是永磁式直流 伺服电动机,规格有1HU504、1HU305、IHU307、IHU310和 IHU313。与伺服电动机配套的速度控制单元有6RA20和6RA26 两个系列,前者采用晶体管PWM控制,厅各采用晶闸管控制。 驱动系统除了各种保护功能外,另具有热效应监控等功能。 2113 MITSUBISH公司直流进给驱动系统 MITSUBISⅢ公司的HD系列永磁式直流伺服电动机、规格 有HD21、HD4、HD81、HD101、HD201和HD301等:配套的 6R系列伺服驱动单,采用晶体管PWM控制技术,具备过载、过 电流、过电压和过速保护,带有电流监控等功能。 2.1.2交流进给驱动系统 2121 FANUC公司交流进给驱动系统 FANUC公司在80年代中期推出了晶体管PWM控制的交流 驱动单元和永磁式三相交流同步电动机,电动机有s系列、L系 列、SF系列和T系列,驱动装置有α系列交流驱动单元等。 2122 SIEMENS公司交流进给驱动系统 1983年以来, SIEMENS公司推出了交流驱动系统,由6SC610 系列进给驱动装置和6SC61lA( SIMODRIVE61|A系列进给驱动 模块、1FT5和1FT6系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用 晶体管PWM控制技术,带有热监控存功能。另外, SIEMENS公 司还有用于数字伺服系统的 SIMODRIVE6lD系列进给驱动模 2123 MITSUBISH公司交流进给驱动系统 MITSUBISHI公司的交流驱动单元有通用型的MRJ2系列, 采用PWM控制技术,交流伺服电动机有HG-MF系列、HA-PF 系列、HC-SF系列和HC-RF系列。另外, MITSUBISH公司还有 用于数字伺服系统的MDS-SVJ2系列交流驱动单元。 22.4A-B公司交流进给驱动系统 A一B公司的交流驱动系统有1391系统交流驱动单元和1326 型交流伺服电动机。另外,还有1391—DES系列数字式交流驱动 单元,相应的伺服电动机有139—DESl5、1391—DES22 和1391—DES45三种规格 213步进驱动系统 在步进电动机驱动的开环控制系统中.典型的产品有KT400 数控系统及KT300步进驱动装置, SINUMERIK802S数控系统配 STEPDRIVE步进驱动装置及IMP5五相步进电动机等 2
2 电动机采用 PWM 速度控制中元，大惯里伺服电动机采用晶闸管 速度控制单元。驱动装置具打多种保护功能，如过速、过电流、 过电压和过载等。 2.1.1.2 SIEMENS 公司直流进给驱动系统 SIEMENS 公司在 70 年代中期推出了 lHU 系列是永磁式直流 伺服电动机，规格有 1HU504、1HU305、lHU307、1HU310 和 1HU313。与伺服电动机配套的速度控制单元有 6RA20 和 6RA26 两个系列，前者采用晶体管 PWM 控制，厅各采用晶闸管控制。 驱动系统除了各种保护功能外，另具有热效应监控等功能。 2.1.1.3 MITSUBISHI 公司直流进给驱动系统 MITSUBISHI 公司的 HD 系列永磁式直流伺服电动机、规格 有 HD21、HD4l、HD81、HD101、HD201 和 HD301 等；配套的 6R 系列伺服驱动单，采用晶体管 PWM 控制技术，具备过载、过 电流、过电压和过速保护，带有电流监控等功能。 2.1.2 交流进给驱动系统 2.1.2.1 FANUC 公司交流进给驱动系统 FANUC 公司在 80 年代中期推出了晶体管 PWM 控制的交流 驱动单元和永磁式三相交流同步电动机，电动机有 s 系列、L 系 列、SF 系列和 T 系列，驱动装置有 α 系列交流驱动单元等。 2.1.2.2 SIEMENS 公司交流进给驱动系统 1983 年以来，SIEMENS 公司推出了交流驱动系统，由 6SC610 系列进给驱动装置和 6SC611A(SIMODRIVE611A)系列进给驱动 模块、1FT5 和 1FT6 系列永磁式交流同步电动机组成。驱动采用 晶体管 PWM 控制技术，带有热监控存功能。另外，SIEMENS 公 司还有用于数字伺服系统的 SIMODRIVE 6l1D 系列进给驱动模 块。 2.1.2.3 MITSUBISHI 公司交流进给驱动系统 MITSUBISHI 公司的交流驱动单元有通用型的 MR-J2 系列， 采用 PWM 控制技术，交流伺服电动机有 HG-MF 系列、HA-PF 系列、HC-SF 系列和 HC-RF 系列。另外，MITSUBISHI 公司还有 用于数字伺服系统的 MDS-SVJ2 系列交流驱动单元。 2.1.2.4 A—B 公司交流进给驱动系统 A—B 公司的交流驱动系统有 1391 系统交流驱动单元和 1326 型交流伺服电动机。另外，还有 1391—DES 系列数字式交流驱动 单元，相应的伺服电动机有 139l—DESl5、1391—DES22 和 1391—DES45 三种规格。 2.1.3 步进驱动系统 在步进电动机驱动的开环控制系统中．典型的产品有 KT400 数控系统及 KT300 步进驱动装置，SINUMERIK 802S 数控系统配 STEPDRIVE 步进驱动装置及 IMP5 五相步进电动机等
22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: 221方式 转速反馈信号与位置反馈信号处理分离,驱动装置与数控系 统配接有通用性。图5-12b为 SINUMERIK800系列数控系统与 SIMODIVE61|A进给驱动模块和1FT5伺服电动机构成的进给伺 服系统 位胃控制模块(测量电路模块) 第1轴 X121 第2轴 第3轴 第3轴 51)p动 区31 ROD PT5伺服电动机光电脉冲编码器 图512伺服系统(方式一) a)框图b) SIEMENS伺服进给系统 数控系统位置控制模块上X141端口的25针插座为伺服输出 口,输出0~±l0ⅴ的模拟信号及使能信号至进给驱动模块上56 14速度控制信号接线端子和65、9使能信号接线端子;位控模块 上的X111、X121和X13端口的15针插座为位置检测信号输人 口,由IFT5伺服电动机上的光电脉冲编码器(ROD320)检测获得 速度反馈信号由1FT5伺服电动机上的二相交流测速发电机检 反馈至驱动模块X3ll插座中 222方式二 伺服电动机上的编码器既作为转速检测,又作为位置检测, 位置处理和速度处理均在数控系统中完成。图5-13b为 FANUC
3 2.2 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： 2.2.1 方式一 转速反馈信号与位置反馈信号处理分离，驱动装置与数控系 统配接有通用性。图 5—12b 为 SINUMERIK800 系列数控系统与 SIMODIVE611A 进给驱动模块和 1FT5 伺服电动机构成的进给伺 服系统。 数控系统位置控制模块上 X141 端口的 25 针插座为伺服输出 口，输出 0~±10v 的模拟信号及使能信号至进给驱动模块上 56、 14 速度控制信号接线端子和 65、9 使能信号接线端子；位控模块 上的 X111、X121 和 X13l 端口的 15 针插座为位置检测信号输人 口，由 1FT5 伺服电动机上的光电脉冲编码器(ROD320)检测获得； 速度反馈信号由 1FT5 伺服电动机上的二相交流测速发电机检测 反馈至驱动模块 X311 插座中。 2.2.2 方式二 伺服电动机上的编码器既作为转速检测，又作为位置检测， 位置处理和速度处理均在数控系统中完成。图 5—13b 为 FANUC
数控系统与用于车床进给控制的a系列2轴交流驱动单元的伺服 系统,伺服电动机上的脉冲编码器将检测信号直接反馈于数控系 统,经位置处理和速度处理,输出速度控制信号、速度反馈信号 及使能信号至驱动单元JVIB和JV2B端口中。 编码 CNC a CNC aJiB 驱动单元 脉冲编码器 图5-13何服系统(方式二) a)椎图b) FANUC伺服迸绐系统 223方式三 编码器 CNC 服驱 湖 Encoder(编码器〕 图5-14伺服系统(方式三 a)框图b)MR]2伺服进给系统
4 数控系统与用于车床进给控制的 α 系列 2 轴交流驱动单元的伺服 系统，伺服电动机上的脉冲编码器将检测信号直接反馈于数控系 统，经位置处理和速度处理，输出速度控制信号、速度反馈信号 及使能信号至驱动单元 JV1B 和 JV2B 端口中。 2.2.3 方式三
伺服电动机上的编码器同样作为速度和位置检测,检测信号 经伺服驱动单元一方面作为速度控制,另一方面输出至数控系统 进行位置控制,驱动装置具有通用性。如图5-14b为由MR-J2伺 服驱动单元和伺服电动机组成的伺服系统。数控系统输出速度控 制模拟信号(0~±10v)和使能信号至驱动单元CNB插座中的1、 针脚和5、8针脚,伺服电动机上的编码器将检测信号反馈至CN2 插座中,一方面用于速度控制,另一方面再通过CNlA插座输出 至数控系统中的位置检测输人口,在数控系统中完成位置控制。 该类型控制同样适用于由 SANYO DENKI P系列交流伺服驱 动单元和P6、P8伺服电动机组成的伺服系统。 在上述三种控制力式中,共同的特点是位置控制均在数抨系 统中进行,且速度控制信号均为模拟信号。 224方式四 [=c哥 编码器 MELDAS 50 CNC 轴驱动单 MDS-sv2驱动单元 Encoder(编码器 框图 15伺服系统(方式四) b)MSSv2伺服进给系统 图5-15a所示为数字式伺服系统。在数字式伺服系统中,数 控系统将位置控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统,数 字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能,能独立完成 位置控制。数控系统和数字伺服驱动单元采用串行通行的方式 可极大地减少连接电缆,便于机床安装和维护,提高了系统的可 靠性。由于数字伺服系统读取指令的周期必须与数控系统的插补 周期严格保持同步,因此决定了数控系统的伺服系统之间必须有 特定的通信协议。就数字式伺服系统而言,CNC系统与伺服系统
5 伺服电动机上的编码器同样作为速度和位置检测，检测信号 经伺服驱动单元一方面作为速度控制，另一方面输出至数控系统 进行位置控制，驱动装置具有通用性。如图 5--14b 为由 MR-J2 伺 服驱动单元和伺服电动机组成的伺服系统。数控系统输出速度控 制模拟信号(0~±10v)和使能信号至驱动单元 CN1B 插座中的 1、2 针脚和 5、8 针脚，伺服电动机上的编码器将检测信号反馈至 CN2 插座中，一方面用于速度控制，另一方面再通过 CN1A 插座输出 至数控系统中的位置检测输人口，在数控系统中完成位置控制。 该类型控制同样适用于由 SANYO DENKI P 系列交流伺服驱 动单元和 P6、P8 伺服电动机组成的伺服系统。 在上述三种控制力式中，共同的特点是位置控制均在数抨系 统中进行，且速度控制信号均为模拟信号。 2.2.4 方式四 图 5—15a 所示为数字式伺服系统。在数字式伺服系统中，数 控系统将位置控制指令以数字量的形式输出至数字伺服系统，数 字伺服驱动单元本身具有位置反馈和位置控制功能，能独立完成 位置控制。数控系统和数字伺服驱动单元采用串行通行的方式， 可极大地减少连接电缆，便于机床安装和维护，提高了系统的可 靠性。由于数字伺服系统读取指令的周期必须与数控系统的插补 周期严格保持同步，因此决定了数控系统的伺服系统之间必须有 特定的通信协议。就数字式伺服系统而言，CNC 系统与伺服系统