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:L1 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(三) 授课类型 讲授 课时数 教 难 教 学的点点具图 挂 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 3位置检测装置 数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的,对于闭环控制 的伺服系统,位置检测元件的精度将直接影响到机床的位置精度。 目前,用于闭环控制的位置检测元件多用光栅尺:用于半闭环控 制的位置检测元件多用光电编码器。 31故障形式 当位置控制出现故障时,往往在CRT上显示报警号及报警信 息。大多数情况下,若正在运动着的轴实际位置超过机床参数所 设定的允差值,则产生轮廓误差监视报警:若机床坐标轴定位时 的实际位置与给定位置之差超过机床参数设定的允差值,则产生 静态误差监视报警:若位置测量硬件有故障,则产生测量装置监 控报警等。表5-6为西门子数控系统有关位置控制报警对照表 裹56位置控制报警 内容 SINUMERIK 3/8 SINUMERIK810320850880 超出夹紧允差( Camina priori 1,2 度实际指令值太大( Set spead tm high) 28·、130·、1306 位测量硬件故障( Measuring circuit 15 漂移太太 Drft too high)
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: 11 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（三） 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 3 位置检测装置 数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的，对于闭环控制 的伺服系统，位置检测元件的精度将直接影响到机床的位置精度。 目前，用于闭环控制的位置检测元件多用光栅尺；用于半闭环控 制的位置检测元件多用光电编码器。 3.1 故障形式 当位置控制出现故障时，往往在 CRT 上显示报警号及报警信 息。大多数情况下，若正在运动着的轴实际位置超过机床参数所 设定的允差值，则产生轮廓误差监视报警；若机床坐标轴定位时 的实际位置与给定位置之差超过机床参数设定的允差值，则产生 静态误差监视报警；若位置测量硬件有故障，则产生测量装置监 控报警等。表 5—6 为西门子数控系统有关位置控制报警对照表
32位置检测元件的维护 321光栅 光栅有两种形式,一是透射光栅,即在一条透明玻璃片上刻 有一系列等间隔密集线纹;二是反射光栅,即在长条形金属镜面 上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有: 两个相位信号输出,用于辨向:一个零标志信号,用于机床回参 考点的控制。对光栅尺的维护要注意: )防污光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上,因 此,极易受到冷却液的污染,从面造成信号丢失,影响位置控制 精度 冷却液在使用过程中会产生轻微结晶,这种结晶在扫描头 上形成一层薄膜且透光性不易清除,故在选用冷却液时要慎重。 2)加工过程中,冷却液的压力不要太大,流量不要过大,以 免形成大量的水雾进入光栅。 3)光栅最好通入低压压缩空气(10Pa左右),以免扫描头运动 时形成的负压把污物吸入光栅。压缩空气必须净化,滤芯应保持 清洁并定期更换 4)光栅上的污物可以用脱脂棉蘸无水酒精轻轻撩除。 (2)防振光栅拆装时要用静力,不能用硬物敲击,以免引起 光学元件的损坏。 322光电脉冲编码器 光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝 隙,在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时,光线的 明暗变化,经光敏元件生成电信号的强弱,从而得到脉冲信号。 编码器的输出信号有:两个相位信号输出,用于辨向:;一个零标 志信号(又称一转信号),用于机床回参考点的控制。另外还有+5v 电源和接地端。编码器的维护主要注意两个问题: (1)防振和防污由于编码器是精密测量元件,使用环境或拆 装时要与光栅一样注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失, 振动容易使编码器内的紧固件松动脱落,造成内部电源短路。 (2)联接松动脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式, 种是与伺服电动机同轴安装,称为内装式编码器,如西门 IFT5、lFT6伺服电动机上的ROD320编码器,另一种是编码器 安装于传动链末端,称为外装式编码器,当传动链较长时,这种 安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管 是哪种安装方式,都要注意编码器联接松动的问题。由于联接松 动,往往会影响位置控制精度。另外,在有些交流伺服电动机中 内装式编码器除了位置检测外,同时还具有测速和交流伺服电动 机转子位置检测的作用,如三菱以系列交流伺服电动机中的编码 器( ROTARY ENCODER OSE253S)。因此,编码器联接松动还会 引起进给运动的不稳定,影响交流伺服电动机的换向控制,从而 引起机床的振动。 2
2 3.2 位置检测元件的维护 3.2.1 光栅 光栅有两种形式，一是透射光栅，即在一条透明玻璃片上刻 有一系列等间隔密集线纹；二是反射光栅，即在长条形金属镜面 上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有： 两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号，用于机床回参 考点的控制。对光栅尺的维护要注意： (1)防污 光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因 此，极易受到冷却液的污染，从面造成信号丢失，影响位置控制 精度。 1)冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶在扫描头 上形成一层薄膜且透光性不易清除，故在选用冷却液时要慎重。 2)加工过程中，冷却液的压力不要太大，流量不要过大，以 免形成大量的水雾进入光栅。 3)光栅最好通入低压压缩空气(105Pa 左右)，以免扫描头运动 时形成的负压把污物吸入光栅。压缩空气必须净化，滤芯应保持 清洁并定期更换。 4)光栅上的污物可以用脱脂棉蘸无水酒精轻轻撩除。 (2)防振 光栅拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起 光学元件的损坏。 3.2.2 光电脉冲编码器 光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝 隙，在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时，光线的 明暗变化，经光敏元件生成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。 编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标 志信号(又称一转信号)，用于机床回参考点的控制。另外还有+5v 电源和接地端。编码器的维护主要注意两个问题： (1)防振和防污 由于编码器是精密测量元件，使用环境或拆 装时要与光栅一样注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失， 振动容易使编码器内的紧固件松动脱落，造成内部电源短路。 (2)联接松动 脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式， 一种是与伺服电动机同轴安装，称为内装式编码器，如西门子 1FT5、1FT6 伺服电动机上的 ROD320 编码器，另一种是编码器 安装于传动链末端，称为外装式编码器，当传动链较长时，这种 安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管 是哪种安装方式，都要注意编码器联接松动的问题。由于联接松 动，往往会影响位置控制精度。另外，在有些交流伺服电动机中， 内装式编码器除了位置检测外，同时还具有测速和交流伺服电动 机转子位置检测的作用，如三菱以系列交流伺服电动机中的编码 器(ROTARY ENCODER OSE253S)。因此，编码器联接松动还会 引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，从而 引起机床的振动
323感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件,它由 定尺和滑尺两部分组成且相对平行安装,定尺和滑尺上的绕组均 为矩形绕组,其中定尺绕组是连续的,滑尺上分布着两个励磁绕 组,即sin绕组和cos绕组,分别接人交流电。对感应同步器的 维护应注意:①安装时,必须保持定尺和滑尺相对平行,且定尺 固定蛆柱不得超过尺面,调整间隙在009~0.15mm为宜。②不要 损坏定尺表面耐切削液涂层和滑尺表面一层带绝缘层的铝箔,否 则会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时要分清滑尺的sin绕织 和cos绕组,其阻值基本相同,这两个绕组必须分别接入励磁电 324旋转变压器 旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系、可 用作角度检测元件,一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及 中测系统。对旋转变压器的维护应注意:①接线时,定子上有相 等匝数的励磁绕组和补偿绕组,转子上也有相等匝钦的sin绕组 和cos但转于和定子的绕组阻值却不同,一般定子电阻阻值稍大, 有时补偿绕组自行短接或接入一个阻抗。②由于结构上与绕线转 子异步电动机相似,因此,碳刷磨损到一定程度后要更换 32.5磁栅尺 磁栅是由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性你尺 是在非导磁材料,如玻璃,不锈钢等材料的基体上,覆盖上一层 10一20Pm厚的磁性材料,形成一层均匀有规则的磁性膜。对磁 栅尺的维护应注意:①不能将磁性膜刮坏,防止铁屑和油污落在 磁性标尺和磁头上,要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。②不能 用力拆装和撞击磁性标尺和磁头,否则会使磁性减弱或使磁场紊 乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组,前者绕在磁路 截面尺寸较小的横臂上,后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。 33位置检测的故障诊断 331输出信号 如图5一3为 SIEMENS数控系统位控模块与位置检测装置的 连接关系 图5-31中,增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信 号有两种形式:一是电压或电流正弦信号,其中EXE为脉冲整形 插值器;二是TIL电平信号。以 HDENHAIN公司的正弦电流输 出型的光栅尺为例,该光栅由光栅尺、脉冲整形插值器(EXE)、电 缆及接插件等部件组成,如图5-32所示 机床在运动过程中,从扫描单元输出三组信号:两组增量信 号由4个光电池产生,把两个相差180°的光电池接在一起,它们
3 3.2.3 感应同步器 感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件，它由 定尺和滑尺两部分组成且相对平行安装，定尺和滑尺上的绕组均 为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕 组，即 sin 绕组和 cos 绕组，分别接人交流电。对感应同步器的 维护应注意：①安装时，必须保持定尺和滑尺相对平行，且定尺 固定蛆柱不得超过尺面，调整间隙在 0.09~0.15mm 为宜。②不要 损坏定尺表面耐切削液涂层和滑尺表面一层带绝缘层的铝箔，否 则会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时要分清滑尺的 sin 绕织 和 cos 绕组，其阻值基本相同，这两个绕组必须分别接入励磁电 压。 3.2.4 旋转变压器 旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系、可 用作角度检测元件，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及 中测系统。对旋转变压器的维护应注意：①接线时，定子上有相 等匝数的励磁绕组和补偿绕组，转子上也有相等匝钦的 sin 绕组 和 cos 但转于和定子的绕组阻值却不同，一般定子电阻阻值稍大， 有时补偿绕组自行短接或接入一个阻抗。②由于结构上与绕线转 子异步电动机相似，因此，碳刷磨损到一定程度后要更换。 3.2.5 磁栅尺 磁栅是由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性你尺 是在非导磁材料，如玻璃，不锈钢等材料的基体上，覆盖上一层 10 一 20Pm 厚的磁性材料，形成一层均匀有规则的磁性膜。对磁 栅尺的维护应注意：①不能将磁性膜刮坏，防止铁屑和油污落在 磁性标尺和磁头上，要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。②不能 用力拆装和撞击磁性标尺和磁头，否则会使磁性减弱或使磁场紊 乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组，前者绕在磁路 截面尺寸较小的横臂上，后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。 3.3 位置检测的故障诊断 3.3.1 输出信号 如图5—3l为SIEMENS 数控系统位控模块与位置检测装置的 连接关系。 图 5—31 中，增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信 号有两种形式：一是电压或电流正弦信号，其中 EXE 为脉冲整形 插值器；二是 TTL 电平信号。以 HDENHAIN 公司的正弦电流输 出型的光栅尺为例，该光栅由光栅尺、脉冲整形插值器(EXE)、电 缆及接插件等部件组成，如图 5—32 所示。 机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信 号由 4 个光电池产生，把两个相差 180O 的光电池接在一起，它们
的推挽就形成了相位差90、幅值为11uA左右的I和Ie2两组 近似正弦波,一组基准信号也由两个相差180°的光电池接成推挽 形式,输出为一尖峰信号I.其有效分量约为55uA,此信号只 有经过基准标志时才产生。所谓基准标志,是在光栅尺身外壳上 装有一块磁铁,在扫描单元上装有一只干簧管在接近磁铁时,干 簧管接通,基准信号才能输出 增量式旋转测量 装置或直线测量 CNc控模块 装置 增量式测量装置 (位掉横块中有 EXE X131 增量式数字测 X121 量装算 几的RD20 在伺服电动机中 几。感应同步器成旋转 Q变压馨(另加洲) 图531位控模块与位置检测装置的连接 产 图532光栅尺组成 1—光栅尺2一描头3—连接电螅4EXE 两组增量信号I1、l经传输电缆和插接件进入EXE,经放大、 整形后,输出两路相位差90的方波纹号Ua1、Ua2及参考信号Ua0, 这些信号经适当组合处理,即可在一个信号周期内产生5个脉冲, 即5倍频处理,经连接器送至CNC位控模块,如图5-33所示 uuuuuu Ua via uuuuuuu 图5—33EXE信号处理 a)正弦测量信号b数字化后的测量信号c)5倍频后的测量信号
4 的推挽就形成了相位差 90O、幅值为 11uA 左右的 Ie1 和 Ie2 两组 近似正弦波，一组基准信号也由两个相差 180O 的光电池接成推挽 形式，输出为一尖峰信号 Ieo．其有效分量约为 5.5uA，此信号只 有经过基准标志时才产生。所谓基准标志，是在光栅尺身外壳上 装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管在接近磁铁时，干 簧管接通，基准信号才能输出。 两组增量信号 Ie1、Ie2 经传输电缆和插接件进入 EXE，经放大、 整形后，输出两路相位差 90O 的方波纹号 Ua1、Ua2 及参考信号 Ua0， 这些信号经适当组合处理，即可在一个信号周期内产生 5 个脉冲， 即 5 倍频处理，经连接器送至 CNC 位控模块，如图 5—33 所示。 图 5—33EXE 信号处理 a)正弦测量信号 b)数字化后的测量信号 c)5 倍频后的测量信号
332EXE信号处理 脉冲整形插值器(EXE的作用是将光栅尺或编码器输出的增 量信号Iel、l和Iso进行放大、整形、倍频和报警处理,输出至 CNC进行位置控制。EXE由基本电路和细分电路组成,如图5-34 整形电路 动 CNC 图534EXE电路组成 基本电路印制线路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报 警电路等,细分电路作为任选功能单独制成一块线路板,两板之 间通过J3连接器连接。 (1)通道放大器当光栅检测产生正弦波电流信号L、l2和Lo 后,经通道放大器,输出一定幅值的正弦电流电压。 (2)整形电路在对I、Ia和I放大的基础上,经整形电路 转换成与之相对应的三路方波信号U、Ua和U20,其TIL高电 平大于等于25V,低电平小于等于0.5V。 (3)报警电路当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损 坏等原因,造成通道放大器输出信号为零,这时报警信号经驱动 电路驱动后,由连接器J2输出至CNC系统 (4)细分电路在某些精度很高的数控机床,如数控磨床的位 置控制中,要求位置测量有较高的分辨率,如仅靠光栅尺本身的 精度不能满足,为此必须采用细分电路来提高分辨率,以适应高 精度机床的需求。基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3接 人细分电路,经细分电路处理后,又通过连接器J3输出在一个周 期内两路相位差90°、占空比为1:1的五细分方波信号。这两路 方波信号经基本电路中的驱动电路驱功后,即为对应的Ua1和Ua 通道信号,由连接器J2输出至CNC系统。 另外,同步电路的目的是为了获得与Ua1和Ua2两路方波信号 前、后沿精确对应的方波参考脉冲
5 3.3.2 EXE 信号处理 脉冲整形插值器(EXE 的作用是将光栅尺或编码器输出的增 量信号 Ie1、Ie2 和 Ie0 进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至 CNC 进行位置控制。EXE 由基本电路和细分电路组成，如图 5-34 所示。 基本电路印制线路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报 警电路等，细分电路作为任选功能单独制成一块线路板，两板之 间通过 J3 连接器连接。 (1)通道放大器 当光栅检测产生正弦波电流信号 Ie1、Ie2 和 Ie0 后，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。 (2)整形电路 在对 Ie1、Ie2 和 Ie0 放大的基础上，经整形电路 转换成与之相对应的三路方波信号 Ue1、Ue2 和 Ue0，其 TTL 高电 平大于等于 2.5V，低电平小于等于 0.5V。 (3)报警电路 当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损 坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时报警信号经驱动 电路驱动后，由连接器 J2 输出至 CNC 系统。 (4)细分电路 在某些精度很高的数控机床，如数控磨床的位 置控制中，要求位置测量有较高的分辨率，如仅靠光栅尺本身的 精度不能满足，为此必须采用细分电路来提高分辨率，以适应高 精度机床的需求。基本电路通道放大器的输出信号经连接器 J3 接 人细分电路，经细分电路处理后，又通过连接器 J3 输出在一个周 期内两路相位差 90O、占空比为 1：1 的五细分方波信号。这两路 方波信号经基本电路中的驱动电路驱功后，即为对应的Ua1 和Ua2， 通道信号，由连接器 J2 输出至 CNC 系统。 另外，同步电路的目的是为了获得与 Ua1 和 Ua2 两路方波信号 前、后沿精确对应的方波参考脉冲