教案10数控机床故障诊断及维护.docx

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教案10数控机床故障诊断及维护

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

2.1.1.1FANUC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。

2.1.1.2SIEMENS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。

2.1.1.3MITSUBISHI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

2.1.2.1FANUC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。

2.1.2.2SIEMENS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SIMODRIVE6l1D系列进给驱动模块。

2.1.2.3MITSUBISHI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。

2.1.2.4A—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，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SANYODENKIP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系统与伺服系统之间传递的信息有：

①位置指令和实际位置。

速度指令和实际速度。

③扭矩指令和实际扭矩。

④伺服驱动及伺服电动机参数。

伺服状态和报警。

⑥控制方式命令。

图5—15b为三菱MELDAS50系列数控系统和MDS-SVJ2伺服驱动单元构成的数字式伺服系统。

数控系统伺服输出口（SERVO）与驱动单元上的CNIA端口实行串行通信，通信信息经CN1B端口再输出至第二轴驱动单元上的CN1A端口。

伺服电动机上的编码器将检测信号直接反馈至驱动单元上的CN2瑞口中，在驱动单元中完成位置控制和速度控制。

能实现数字伺服控制的数控系统还有FANUC0D、SINUMERIK810D和840D等。

2.3进给伺服系统的故障形式及诊断方法

2.3.1故障形式

当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现方式：

一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；三是进给运动不正常，但无任何报警信息。

进给伺服系统常见的故障有：

2.3.1.1超程

当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。

2.3.1.2过载

当进给运动的负载过大、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警：

一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流等报警信息。

同时，在强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过电流等信息。

2.3.1.3窜动

在进给时出现窜动现象：

①测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。

速度控制信号不稳定或受到干扰。

③接线端子接触不良，如螺钉松动等。

当窜动发生在由正向运动向反向运动的瞬间，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。

2.3.1.4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状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。

尤其要注意的是，伺服电动机和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。

2.3.1.5振动

分析机床振动周期是否与进给速度有关，，①如与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或速度反馈故障有关；

若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关。

③如振动在加减速过程中产生，往往是系统加减速时间汲定过小造成的。

2.3.1.6伺服电动机不转

数控系统至进给驱动单元际了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC±24v继电器线圈电压：

①检查数控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），以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足。

③对带电磁制动的伺服电动机，应检查电滋制动是否释放。

④进给驱动单元故障。

⑤伺服电动机故障。

2.3.1.7位置误差

当伺服轴运动超过位量允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。

主要原因；①系统设定的允差范围过小。

伺服系统增益设置不当。

③位置检测装置有污染。

④进给传动能累积误差过大。

⑤主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡油缸等）不稳。

2.3.1.8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。

2.3.1.9回参考点故障

在全数字式的数控系统中，由于数控系统与伺服系统的通信联系，伺服系统的状态可通过数控系统的CRT来监控。

图5—16所示为MELDAS50系列数控系统CRT的伺服监控页面，表5—3为伺服控制页面中各参数的含义。

2.3.2故障定位

由于伺服系统是由位置环和速度环组成的，当伺服系统出现故障时，为了快速定位故阵的部位，可以采用如下两种方法。

2.3.2.1模块交换法

数控机床有些进结轴的驱动单元具有相同的当量，如立式加工中心，X轴和Y轴的驱动单元往往是一致的，当其中的某一轴发生效障时．可以用另一轴来替代，观察故障的转移情况，快速确定故障的部位，图5—18为采用模块交换法故障诊断的入法。

图5—18模块交换法故障诊断

a）系统简图b）诊断流程图

其中，X和Y针型插座为CNC系统位置控制模块至X轴和Y轴驱动模块的控制信号，包括速度控制信号和伺服使能信号等；XM和YM为伺服电动机动力线端子；XF和YF针插为伺服电动机上检测装置的反馈信号。

2.3.2.2外接参考电压法

当某轴进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。

如图5—19为SIMODRIVE611A进给驱动模块接线图。

首先断开闭环控制模块上X331-56速度给定输入正端和X33l-14速度给定值输入负端两接点，外加由9V干电池和电位器组成的直流回路；再短接该模块上X331-9使能电压+24v和X331-65使能信号两接点。

接通机床电源，起动数控系统，再短接电源和监控模块上X141-63脉冲使能和X141-9使能电压+24V两接点，X141-64驱动使能和X141-9使能电压+24v。

使能信号时序如图5-20所示。

从图5—20可知，只有当三个使能信号都有效时，电动机才能工作。

当使能端子63无效时，驱动装置立即禁止所有进给轴运行，伺服电动机无制动地自然停止；当使能端子64无效时，驱动装置立即置所有进结轴的速度定值为零，伺服电动机进入制动状态，200ms后电动机停转；当使能端子65无效时，对应轴的速度给定值立即置零，伺服电动机进入制动状态，200ms后电动机停转。

正常情况下，伺服电动机就在外加的参考电压控制下转动，调节电位器可控制电动机的转速，参考电压的正、负则决定电动机的旋转方向。

这时可判断驱动装置和伺服电动机是否正常，以判断故障是在位置环还是在速度环。

2.4伺服电动机的维护

2.4.1直流伺服电动机的维护

直流伺服电动机带有数对电刷，电动机旋转时，电刷与换向器摩擦而逐渐磨损。

电刷异常或过度磨损，会影响电动机工作性能，所以对直流伺服电动机进行定期检查和维护是相当必要的。

数控车床、铣床和加工中心中的直流伺服电动机应每年检查一次，频繁加、减速的机床（如冲床等）中的直流伺服电动机应每两个月检查一次，检查步骤如下：

1）在数控系统处于断电状态且电动机已经完全冷却的情况下进行检查。

2）取下橡胶刷帽，用螺钉旋具刀拧下刷盖取出电刷。

3）测量电刷长度，如FANUC直流伺服电动机的电刷由10mm磨损到小于5mm时，必须更换同型号的新电刷：

4）仔细检查电刷的弧形接触而是否有深沟或裂痕，以及电刷弹簧上有无打火痕迹。

如有上述现象，则要考虑电动机的工作条件是否过分恶劣或电功机本身是否有问题。

5）用不合金属粉末及水分的压缩空气导入装电刷的刷把孔，吹净粘在刷孔壁上的电刷粉末。

如果难以吹净，可用螺钉旋具尖轻轻清理，直至孔壁全部干净为止．但要注意不要碰到换向器表面。

6）重新装上电刷，拧紧刷盖。

如果更换了新电刷，应使电动机空运行跑合一段时间，以使电制表面和换向器表面相吻合。

2.4.2交流伺服电动机的维护

交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，最大的优点是不存在电刷维护的问题。

应用于进给驱动的交流伺服电动机多采用交流永滋同步电动机，其特点是磁极是转子，定子的电枢绕组与三相交流电动机电枢绕组——样，但它由三相逆变器供电，通过电动机转子位置检测器产生的信号去控制定子绕组的开关器件，使其有序轮流导通，实现换流作用，从而使转子连续不断地旋转。

转子位置检测器与电动机转子同轴安装，用于转子的位置检测，检测装置一般为霍尔开关或具有相位检测的光电脉冲编码器。

交流伺服电动机常见的故障有：

（1）接线故障内于接线不当，在使用一段时问后就可能出现一些故障，主要为插座脱焊，端于接线松开引起接触不良。

（2）转子位置检测装置故障当霍尔开关或光电脉冲编码器发生故障时，会引起电动机失控，进给有振动，

（3）电磁制动故障带电磁制动的伺服电动机不松开，失电不制动的现象。

交流伺服电动机故障判断的方法有；

1）用万用表或电桥测量电枢绕组的直流电阻，检查是否断路，并用兆欧表查绝缘是否良好。

2）将电动机与机械装置分离，用手转动电动机转子，正常情况下感觉有阻力，转一个角度后手放开，转子有返回现象；如果用手转动转子时能连续转几圈并自由停下，该电动机已损坏；如果用手转不动或转动后无返回，电动机机械部分可能有故障。

由交流伺服电动机故障引起的机床故障，主要表现为机床振动和紧急制动等。

2.5进给驱动的故障诊断

进给驱动的任务是：

驱动装置接受数控系统的速度控制等信号，拖动伺服电动机带动滚珠丝杠实现工作台、刀架或主轴箱的直线位移。

驱动装置在结构上有：

①模块式。

如图5—23为SIMODRIVE611A驱动装置简图，整个装置由电源模块、功率模块和闭环控制模块等组成。

②单元式。

如图5—24为三菱MN2驱动装置简图，整个装置集电源、控制和功率驱动为一体，组成一个单元。

在驱动方式上有；①直流PWM和晶闸管驱动方式。

②交流同步电动机变频控制方式。

步进电动机驱动方式。

由于进给驱动装置在伺服系统中进行的是速度环控制，故进给驱动装置也称速度控制单元。

2.5.1直流进给驱动

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方波电压，加到直流伺服电动机的电枢两础，通过对方波宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从衡达到控制电枢电流，进而控制伺服电动机转速的目的。

晶闸管调速则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。

图5—25为以FANUC系统采用PWM进给驱动的控制简图。

图5—25中，位置和转速检测采用脉冲编码器。

该系统也可采用旋转变压器或感应同步器和侧速发电机作为位置和转速检测元件。

数控系统中的CPU发出的信号经过DDA插补器输出一系列均匀脉冲，这些脉冲经过指令倍率器CMR后，与位置反馈脉冲比较所得的差值，送到误差寄存器，然后与位置增益和偏移量补

图5-25FANUC系统PWM进给驱动

偿运算后送到脉宽调制器PWM进行脉宽调制，随后经D/A变换成模拟电压，作为速度控制信号VCMD送到速度控制单元。

伺服电动机旋转时。

脉冲编码器发出的脉冲经断线检查器确认无信号断线后，送到鉴相器，对两组脉冲PA、PB进行鉴相，以确定电机的旋转方向。

从鉴相器分二路输出，一路径F/V变换器，将脉冲变换电压，作为速度反馈信号TSA送速度控制单元，并与VCMD进行比较，从而完成速度环控制；另一路输出经检测倍率器DMR，再造到位置比较器完成位置控制。

参考点计数器及一转信号PC用于栅格法回参考点的操作。

设置CMR和DMR的目的是为适应各种处杠螺距的场合，使指令的每个脉冲移动量和实际的每个脉冲移动量一致。

驱动电路采用PWM控制方式，由V1~V4功率开关晶体管组成H型驱动电路。

其中，CDR用于检测电枢电流，作为电流反馈，其压降由CD1和CD2端输出；MOL热继电器，串联于电枢电路，用于电动机的过载保护；DBR为能耗制劝电阻，并联于电枢，当主回路电源切断时，MCC常闭触点闭合，实现电动机的能耗制动。

图5-26为PWM驱动控制线路简图。

图5—25中，RP2、RP9为零飘调整，RP3为速度给定调整、RP4为速度反馈系数调整，RP5为速度增益调整。

RP6为电流反馈系数调整，RP8为电流给定调整。

场效应品体管V处于开关工作状态。

当电动机正常工作时，复位信号RST为低屯平、场效应晶体管处于关断状态，PI调节器正常工作；当停机或出现故障时，RST为高电平，场效应晶体管处于饱和导通状态，将PI调节器的RC网络短接，而只能工作在比例状态。

场效应品体管的饱和内阻很小，故比例放大倍数很小，输出电压很低，使PWM的脉宽减小，电枢电压大大降低。

CNC系统与速度控制单元的连接信号有：

1）VCMD信号为CNC至速度控制单元用来控制伺服电动机转速的模拟电压控制信号。

2）TSA、TSB信号为CNC至速度控制单元的伺服电动机转速的反馈信号。

3）PRDY1、PRDY2信号为位置准备好控制信号。

当PRDY1和PMY2短接时，速度控制单元主回路接通。

4）ENBL1、ENBL2信号为能使控制信号。

当ENBLl和ENBL2短接时，速度控制单元开始正常工作，并接受VCMD信号的控制。

5）VRDY1、VRDY2信号为速度控制单元通知CNC其正常工作的触点信号。

当速度控制单元出现报警时，VRDYl和VRDY2立即断开，系统封闭。

6）OVLl、OVL2信号为过载信号。

当速度控制单中的过载继电器MOL或变压器内的热控开关TOH动作时，通知CNC产生过热报警。

图5—27为信号时序图及信号失效原因。

2.5.2交流进给驱动

由于交流伺服电动机通常采用交流永磁式同步电动机，因此，交流进给驱动装置从本质说是一个电子换向的直流电动机驱动装置。

虽然电路形式同变频器电路相似，但在控制上不产生旋转磁场的内部节拍，各种调节是建立在直流电压特性上的。

图5—29所示为西门子6SC610交流进给驱动装置和1FT5系列三相交流水永磁式同步伺服电机组成的交流进给驱动系统。

因5--296SC610交流进给驱动系统

a）系统框图b）调节器组件上的测试孔及LED

1一调节器组件2—测试孔及LED3一接线端子

图5—29a中TG为lFT5伺服电动机上的三相交流测速发电机，RLG为霍尔式转子位置检测器。

图5—29b中，测试孔X为转速实际值，R为转速给定值，W为电流实际值，T为电流给定位，ML5为±24v和±15v的参考地，NZ为转速辅助给定值。

发光二极管LED1不用，LED2为速度调节器，200ms监控有效时亮，LED3为监控有效时亮，LED4以为电动机过热监控有效时亮。

在有些交流伺服电动机中，也有采用光电编码器作为转速和转子位置检测器的。

综合各类交流进给驱动装置的常见故障，如表5—4所示。

2.5.3步进电动机驱动

如图5—30为KT400T数控系统与KT300步进驱动器及步进电动机的连接图。

图5—30中，Al和A2是KT400—T数控系统上分别用于X轴和Z轴步进电动机脉冲输出连接插座，CW和CW为正转和正转非信号，DIR和DR为方向和方向非信号，FRAME为屏蔽接地。

CN1为KT300步进驱动器脉冲输入连接插座。

步进电动机驱动常见的故障如表5—5所示。

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