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:09 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(一) 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 数控机床中的伺服系统取代了传统机床的机械传动,这是数 控机床重要特征之一。由于伺服系统包含了众多的电子电力器件 并应用反馈控制原理将它们有机地组织起来,因此在一定意义上, 伺服系统的高性能和高可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠 驱动系统与CNC位置控制部分构成位置伺服系统。伺服系统 如果离开了高精度的位置检测装置,就满足不了数控机床的要求 数控机床的驱动系统主要有两种:进给驱动系统和主轴驱动系统。 从作用看,前者是控制机床各坐标的进给运动,后者是控制机床 主轴旋转运动。驱动系统的性能,在较大程度上决定了现代数控 机床的性能。数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取 决于驱动系统及CNC位置控制部分的动态和静态性能。另外,对 某些加工中心而言,刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴, 用以控制刀库中刀具的定位 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统,从电气控制原理来 分都可分为直流和交流驱动。直流驱动系统在70年代初至80 代中期在数控机床上占据主导地位,这是由于直流电动机具有良 好的调速性能,输出力矩大,过载能力强,精度尚,控制原理简 单,易于调整。随着微电子技术的迅速发展,加之交流伺服电动 机材料、结构及控制理论有丁突破性的进展,80年代初期出了交 流驱动系统,标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统 保持了直流驱动系统的优越性,而且交流电动机无需维护,便于 制造,不受恶劣环境影响,所以目前直流驱动系统已逐步被交流 驱动系统所取代。从90年代开始,交流伺服驱动系统已走向数字 化,驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化,系
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: 09 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（一） 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 数控机床中的伺服系统取代了传统机床的机械传动，这是数 控机床重要特征之一。由于伺服系统包含了众多的电子电力器件， 并应用反馈控制原理将它们有机地组织起来，因此在一定意义上， 伺服系统的高性能和高可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠 性。 驱动系统与 CNC 位置控制部分构成位置伺服系统。伺服系统 如果离开了高精度的位置检测装置，就满足不了数控机床的要求。 数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。 从作用看，前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床 主轴旋转运动。驱动系统的性能，在较大程度上决定了现代数控 机床的性能。数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取 决于驱动系统及 CNC 位置控制部分的动态和静态性能。另外，对 某些加工中心而言，刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴， 用以控制刀库中刀具的定位。 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统，从电气控制原理来 分都可分为直流和交流驱动。直流驱动系统在 70 年代初至 80 年 代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具有良 好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度尚，控制原理简 单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动 机材料、结构及控制理论有丁突破性的进展，80 年代初期出了交 流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统 保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无需维护，便于 制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已逐步被交流 驱动系统所取代。从 90 年代开始，交流伺服驱动系统已走向数字 化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系
统的控制模型和动态补偿均出高速微处理器实时处理,增强了系 统自诊断能力,提高了系统的快速性和精度。 1主轴驱动系统 数控机床对主轴要求在很宽范围内转速连续可调,恒功率范 围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功 能时,就要对主轴提出4H应的进给控制和位置控制要求:此时, 主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统,相应的主轴电动机装配有 编码器作为主轴位置检测;另一种方法就是在主轴上直接安装外 置式的编码器,这在机床改造和经济型数控车床中用得较多 主轴驱动变速目前主要有两种形式;一是主轴电动机带齿轮 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铀, 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,主轴箱内省却了齿轮和离合器,主轴 箱实际上成为主轴支架,简化了主传动系统,从而提高了传功链 的可靠性 11常用主轴驱动系统介绍 1.1.1 FANUC公司主轴驱动系统 从80年代开始,该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。目前三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1.5~37kw;H系列电动机, 额定输出功率范围1.5~22kw:P系列电动机,额定输出功率范围 3.7~37kw:该公司交流主轴驱动系统的特点为:①采用微处理器 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 112 SIEMENS公司主轴驱动系统 SIEMEN公司生产的直流主轴电动机有1GG5、lGF5、lGL5 和1GH5四个系列,与上述四个系列电动机配套的6RA24、6RA27 系列驱动装置采用晶间管控制 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3~100kW。驱动装置为6SC650系列 交流主轴驱动装置或6SC61A( SIMODRIVE611A)主轴驱动模 块,主回路采用晶体管SPWM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,实现主轴的定位控制 12主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 当主轴伺服系统发生故障时,通常有三种表现形式:一是在 CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息;二是在主轴驱动装 2
2 统的控制模型和动态补偿均出高速微处理器实时处理，增强了系 统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。 1 主轴驱动系统 数控机床对主轴要求在很宽范围内转速连续可调，恒功率范 围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功 能时，就要对主轴提出 4H 应的进给控制和位置控制要求：此时， 主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，相应的主轴电动机装配有 编码器作为主轴位置检测；另一种方法就是在主轴上直接安装外 置式的编码器，这在机床改造和经济型数控车床中用得较多。 主轴驱动变速目前主要有两种形式；一是主轴电动机带齿轮 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铀， 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，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴 箱实际上成为主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传功链 的可靠性。 1.1 常用主轴驱动系统介绍 1.1.1 FANUC 公司主轴驱动系统 从 80 年代开始，该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。目前三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 1.5~37kw； H 系列电动机， 额定输出功率范围 1.5~22kw；P 系列电动机，额定输出功率范围 3.7~37kw：该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用微处理器 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。 1.1.2 SIEMENS 公司主轴驱动系统 SIEMENS 公司生产的直流主轴电动机有 1GG5、IGF5、1GL5 和 1GH5 四个系列，与上述四个系列电动机配套的 6RA24、6RA27 系列驱动装置采用晶间管控制。 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 3~100kW。驱动装置为 6SC650 系列 交流主轴驱动装置或 6SC611A(SIMODRIVE 611A)主轴驱动模 块，主回路采用晶体管 SPWM 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，实现主轴的定位控制。 1.2 主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在 CRT 或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装
置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障;三是主轴工作 不正常,但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有: 12.1外界干扰 由于受电磁干扰,屏蔽和接地措施不良,主轴转速指令倍号 反馈信号受到干扰,使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判 别有无干扰的方法是:当主轴转速指令为零时,主轴仍往复转动, 调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 122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 现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 123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 种实现方式 (1)机械准停控制由带ⅴ形槽的定位盘和定位用的液压缸配 合动作。 (2)磁性传感器的电气准停控制图5~1所示为机床主轴采用 磁性传感器准停的装置。发磁体安装在主轴后端,磁传感器安装 在主轴箱上,其安装位置决定了主轴的准停点,发磁体和磁传感 器之间的间隙为(1.5±0.5)mm 图5-1磁性传感器主轴准停装置 1-磁传感器2-发磁体3-主轴-4-支架5一主轴箱 (3)编码器型的准停控制通过主轴电动机内置安装或在机 床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制,准停角度可 任意设定。 上述准停均要经过减速的过程,如减速或增益等参数设置不 当,均可引起定位抖动。另外,限定方式(1)中定位液压缸活塞移 动的限位开关失灵,准定方式(2)中发磁体和磁传感器之间的间隙 发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动
3 置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；三是主轴工作 不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有： 1.2.1 外界干扰 由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令倍号或 反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判 别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动， 调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 1.2.2 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 现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 1.2.3 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 种实现方式： (1)机械准停控制 由带 v 形槽的定位盘和定位用的液压缸配 合动作。 (2)磁性传感器的电气准停控制 图 5~1 所示为机床主轴采用 磁性传感器准停的装置。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装 在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感 器之间的间隙为(1.5±0.5)mm。 图 5—l 磁性传感器主轴准停装置 1--磁传感器 2--发磁体 3--主轴- 4--支架 5 一主轴箱 (3)编码器型的准停控制 通过主轴电动机内置安装或在机 床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可 任意设定。 上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不 当，均可引起定位抖动。另外，限定方式(1)中定位液压缸活塞移 动的限位开关失灵，准定方式(2)中发磁体和磁传感器之间的间隙 发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动
124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 主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令,主轴必须有每 转一个脉冲的反馈信号,一般情况下为主轴编码器有问题。可用 以下方法来确定:①CRT画面有报警显示。②通过CRT调用机床 数据或O状态,观察编码器的信号状态。③用每分钟进给指令 代替每转进给指令来执行程序,观察故障是否消失。 12.5转速偏离指令值 当主轴转速超过技术要求所规定的范围时,要考虑:①电动 机过载。②CNC系统输出的主轴转速模拟量(通常为0~±10V)没 有达到与转速指令对应的值。③测速装置有故障或速度反馈信号 断线。④主轴驱动装置故障 126主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气 驱动部分。①在减速过程中发生,一般是由驱动装置造成的,如 交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时产生,可通过观察主 轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别,如存在,则 主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无 关.一般是主轴驱动装置末调整好:如有关,应检査主轴机械部 分是否良好,测速装量是否不良。 127主轴电动机不转 CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外.还有 位能控制信号,一般为DC+24v继电器线圈电压。①检查CNC系 统是否有速度控制信号输出。②检査使能信号是否接通。通过CRT 观察I/O状态,分析机床PLC梯形图(或流程图),以确定主轴的 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 13直流主轴驱动的故障诊断 由于直流调速性能的优越性,直流主轴电动机在数控机床的 主轴驱动中得到广泛应用,主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的 方式。 13.1控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭外调速系统,其中 内环是电流环,外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机, 励磁绕组与电枢绕组无联接关系,由另一路直流电源供电。图5-2 为 FANUC直流主轴电动机驱动控制示意图 双闭环调速系统的特点是,速度调节器的输出作为电流调节 器的给定信号来扦制电动机的电流和转矩。其优点在于:可以根 据速度指令的模拟电压信号与实际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,电动机转矩大,速度变化快
4 1.2.4 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、 主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每 转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可用 以下方法来确定：①CRT 画面有报警显示。②通过 CRT 调用机床 数据或 I/O 状态，观察编码器的信号状态。③用每分钟进给指令 代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。 1.2.5 转速偏离指令值 当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：①电动 机过载。②CNC 系统输出的主轴转速模拟量(通常为 0~±10V)没 有达到与转速指令对应的值。③测速装置有故障或速度反馈信号 断线。④主轴驱动装置故障。 1.2.6 主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气 驱动部分。①在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如 交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时产生，可通过观察主 轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则 主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无 关．一般是主轴驱动装置末调整好；如有关，应检查主轴机械部 分是否良好，测速装量是否不良。 1.2.7 主轴电动机不转 CNC 系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外．还有 位能控制信号，一般为 DC+24v 继电器线圈电压。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 CRT 观察 I／O 状态，分析机床 PLC 梯形图(或流程图)，以确定主轴的 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。 1.3 直流主轴驱动的故障诊断 由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的 主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的 方式。 1.3.1 控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭外调速系统，其中 内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机， 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，由另—路直流电源供电。图 5--2 为 FANUC 直流主轴电动机驱动控制示意图。 双闭环调速系统的特点是，速度调节器的输出作为电流调节 器的给定信号来扦制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根 据速度指令的模拟电压信号与实际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，电动机转矩大，速度变化快
以使尽快地使电动机的转速达到给定俏;而当转速接近给定值时, 又能使电动机的转矩自功地减小,这样可以进免过大的超调,使 转速很快达到给走值,保证转速稳态无静差。电流环的作用是, 当系统受到外来干扰时,能迅速地作出抑制干扰的响应,保证系 统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外,双闭环调迫系统以 速度调书器的输出作为电流调节器的输入给定值,速度调节器的 输出限幅位就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程 中,电动机转矩和电枢电流急剧增加,电枢电流达到限定值,使 电动机以最大转矩加速,转速直线上升。当电动机的转速达到甚 至超过了给定值时,速度反馈电压大于速度给定电压,速度调节 器的输出从限幅位降下来,它作为电流调节器的输入给定值将使 电枢电流下降,随之电动机的转矩也将下降、开始减速。当电动 机的转矩小于负载转矩时,电动机又会加速直到重新回到速度给 定值,因此双闭环直流调速系统对主轴的快速起停,保持稳定运 行等功能是很重要的。 电流设定 放大 度指令 速度调 电流调节 图5-2FANU直流主轴电动机驱动控制 直流主轴驱动装置一般具有速度到达,零速检测等辅助信号 输出,同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等 多项报警保护措施,以确保系统安全可靠工作 13.2主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大,是要求正、反转及 停止迅速,故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆 调速系统,这样在制动时,除了缩短制动时间外,还能将主轴旋 转的机械能转换成电能送回电网。图5-3为三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统的主电路,图5-4为该系统的四象限运行示 意图。 逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路,使一组晶间管在工作 时,另一组晶闸管的触发脉冲被封锁,从而切断正、反两组晶闸 管之间流通的电流(简称环流) 在图5-4中,正组晶闸管VTl提供电动机顺时针驱动(正转) 的电枢电流Ia,若速度指令由正变负,即电动机由正转到反转过 程中,正组晶闸管进入有源逆变状态,将电感储能逆变回送电网
5 以使尽快地使电动机的转速达到给定俏；而当转速接近给定值时， 又能使电动机的转矩自功地减小，这样可以进免过大的超调，使 转速很快达到给走值，保证转速稳态无静差。电流环的作用是， 当系统受到外来干扰时，能迅速地作出抑制干扰的响应，保证系 统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外，双闭环调迫系统以 速度调书器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节器的 输出限幅位就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程 中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，电枢电流达到限定值，使 电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚 至超过了给定值时，速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节 器的输出从限幅位降下来，它作为电流调节器的输入给定值将使 电枢电流下降，随之电动机的转矩也将下降、开始减速。当电动 机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速直到重新回到速度给 定值，因此双闭环直流调速系统对主轴的快速起停，保持稳定运 行等功能是很重要的。 直流主轴驱动装置一般具有速度到达，零速检测等辅助信号 输出，同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等 多项报警保护措施，以确保系统安全可靠工作。 1.3.2 主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大，是要求正、反转及 停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆 调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋 转的机械能转换成电能送回电网。图 5--3 为三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统的主电路，图 5--4 为该系统的四象限运行示 意图。 逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶间管在工作 时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸 管之间流通的电流(简称环流)。 在图 5—4 中，正组晶闸管 VT1 提供电动机顺时针驱动(正转) 的电枢电流 Id，若速度指令由正变负，即电动机由正转到反转过 程中，正组晶闸管进入有源逆变状态，将电感储能逆变回送电网