毕业设计伺服系统故障实例与诊断.docx

毕业设计伺服系统故障实例与诊断.docx

《毕业设计伺服系统故障实例与诊断.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计伺服系统故障实例与诊断.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计伺服系统故障实例与诊断

陕西航空职业技术学院

毕业设计

毕业设计题目：

伺服系统故障实例与诊断

系别:

专业:

学生姓名:

班级学号:

指导教师:

2011年10月13日

目录

摘要

1、绪论………………………………………………………………………...3

1．1引言..........................................................................................................................3

1.2课题研究背景.....................................................................................................3

2、数控机床基本概念………………………………………………………...5

2.1突出性能…………………………………………………………...7

2．2疑问解答……………………………………………………………10

2．3典型机型……………………………………………………………11

2．4私服系统机型种类…………………………………………………11

2．5优势劣势…………………………………………………………....11

2．6应用趋势…………………………………………………………….13

2．7伺服电动机的概念………………………………………………….14

2．8伺服电动机的分类………………………………………………….14

2．9伺服电动机的特点................................................................................15

3、伺服进给系统常见故障形式…………………………………………16

3．1超导………………………………………………………………….16

3．2爬行…………………………………………………………………17

3．3窜动………………………………………………………………….17

3．4过载………………………………………………………………….17

3．5伺服电动机不转…………………………………………………….17

3．6伺服进给系统常见故障典型案例分析…………………………….18

4、设计小结………………………………………………………………….........................28

5、参考文献…………………………………………………………………........................29

6、致谢………………………………………………………………………….30

摘要：

数控机床和数控系统在工作时常出现由于伺服进给系统原因造成的机床故障，此类故障出现的常见形式有超程、过载、工件尺寸无规律偏差等。

针对这些典型故障现象，采用一定的机床维修技术，减少此类故障的发生率。

一、绪论

1.1引言

数控机床伺服进给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，其任务是要实现各坐标轴的位置控制因此做好进给伺服系统的故障诊断和处理工作是数控机床维护和维修工作的关键。

1.2课题研究背景

伺服源自英文单词“Servo”，顾名思义，就是指系统跟随外部指令进行人们所期望的运动，而其中的运动要素包括位置、速度和力矩等物理量。

回顾伺服系统的发展历程，从最早的液压、气动到如今的电气化，由伺服电机、反馈装置与控制器组成的伺服系统已经走过了近50个年头。

伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程,电气伺服系统根据所驱动电机类型分为直流（DC）伺服系统和交流（AC）伺服系统。

交流伺服系统按其采用的驱动电机类型又可分为永磁同步（SM型）电动机交流伺服系统和感应式异步（IM型）电动机交流伺服系统。

  由于直流伺服电动机存在机械结构复杂,维修工作量大包括电刷、换向器等则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。

随着微处理技术、大功率电力电子技术的成熟和电机永磁材料的发展和成本降低,交流伺服系统得到长足发展并将逐步取代直流伺服系统。

  1990年以前，由于技术成本等原因，国内伺服电机以直流永磁有刷电机和步进电机为主，而且主要集中在机床和国防军工行业。

1990年以后，进口永磁交流伺服电机系统逐步进入中国，此期间得益于稀土永磁材料的发展、电力电子及微电子技术日新月异的进步，交流伺服电机的驱动技术也很快从模拟式过渡到全数字式。

由于交流伺服电机的驱动装置采用了先进全数字式驱动控制技术，硬件结构简单，参数调整方便，产品生产的一致性可靠性增加，同时可集成复杂的电机控制算法和智能化控制功能，如增益自动调整、网络通讯功能等，大大拓展了交流伺服电机的适用领域；另外随着各行业，如机床、印刷设备、包装设备、纺织设备、激光加工设备、机器人、自动化生产线等，对工艺精度、加工效率和工作可靠性等要求不断提高，这些领域对交流伺服电机的需求将迅猛增长，交流伺服将逐步替代原有直流有刷伺服电机和步进电机。

  正弦波交流伺服系统综合了伺服电动机、角速度和角位移传感器的最新成就，与采用新型电力电子器件、专用集成电路和专用控制算法的交流伺服驱动器相匹配，组成新型高性能机电一体化产品。

使原有的直流伺服系统面临淘汰的危机，成为当今世界伺服驱动的主流及发展方向。

正弦波交流伺服广泛使用于航空、航天、兵器、船舶、电子及核工业等领域，如自行火炮、卫星姿态控制、雷达驱动、机载吊舱定位系统、战车火控及火力系统、水下灭雷机器人等。

如今，随着技术的不断成熟，交流伺服电机技术凭借其优异的性价比，逐渐取代直流电机成为伺服系统的主导执行电机。

交流伺服系统技术的成熟也使得市场呈现出快速的多元化发展，并成为工业自动化的支撑性技术之一。

　　伺服系统的发展趋势：

即高精度、高速度、大功率。

他解释说，伺服系统的发展要充分利用电子和计算机技术，采用数字式伺服系统，利用微机实现调节控制，增强软件控制功能，排除模拟电路的非线性误差和调整误差以及温度漂移等因素的影响，这可大大提高伺服系统的性能，并为实现最优控制、自适应控制创造条件。

同时，要开发高精度、快速检测元件与高性能的伺服电机（执行元件）。

二、数控机床基本概念

（1）伺服系统—是使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标值（或给定值）的任意变化的自动控制系统。

（2）在自动控制系统中，使输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。

 伺服的主要任务是按控制命令的要求，对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力距、速度和位置控制得非常灵活方便。

伺服系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。

又称随动系统。

在很多情况下，伺服系统专指被控制量（系统的输出量）是机械位移或位移速度、加速度的反馈控制系统，其作用是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角）。

伺服系统的结构组成

伺服系统

和其他形式的反馈控制系统没有原则上的区别。

　　伺服系统最初用于船舶的自动驾驶、火炮控制和指挥仪中，后来逐渐推广到很多领域，特别是自动车床、天线位置控制、导弹和飞船的制导等。

采用伺服系统主要是为了达到下面几个目的：

①

以小功率指令信号去控制大功率负载。

火炮控制和船舵控制就是典型的例子。

②在没有机械连接的情况下，由输入轴控制位于远处的输出轴，实现远距同步传动。

③使输出机械位移精确地跟踪电信号，如记录和指示仪表等。

是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件（电机）、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件（电机）、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

2.1突出性能

伺服系统必须具备可控性好，稳定性高和速应性强等基本性能。

说明一下，可控性好是指讯号消失以后，能立即自行停转;稳定性高是指转速随转距的增加而均匀下降;速应性强是指反应快、灵敏、响态品质好。

衡量伺服系统性能的主要指标有频带宽度和精度。

频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性来规定，反映伺服系统的跟踪的快速性。

带宽越大，快速性越好。

伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。

惯性越大，带宽越窄。

一般伺服系统的带宽小于15赫，大型设备伺服系统的带宽则在1～2赫以下。

自20世纪70年代以来，由于发展了力矩电机及高灵敏度测速机，使伺服系统实现了直接驱动，革除或减小了齿隙和弹性变形等非线性因素，使带宽达到50赫，并成功应用在远程导弹、人造卫星、精密指挥仪等场所。

伺服系统的精度主要决定于所用的测量元件的精度。

因此，在伺服系统中必须采用高精度的测量元件，如精密电位器、自整角机、旋转变压器、光电编码器、光栅、磁栅和球栅等。

此外，也可采取附加措施来提高系统的精度，例如将测量元件（如自整角机）的测量轴通过减速器与转轴相连，使转轴的转角得到放大，来提高相对测量精度。

采用这种方案的伺服系统称为精测粗测系统或双通道系统。

通过减速器与转轴啮合的测角线路称精读数通道，直接取自转轴的测角线路称粗读数通道。

　　伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统和气动伺服系统。

最基本的伺服系统包括伺服执行元件（电机、液压缸等）、反馈元件和伺服驱动器，但是要让这个系统运转起来还需要一个上位机构，PLC,专门的运动控制卡，工控机+PCI卡，以便于给伺服驱动器发送指令。

 目前，在交流同步伺服驱动系统中，普通应用的交流永磁同步伺服电动机有两大类。

  一类称为无刷直流电动机，它要求将方波电流直入定子绕组（BLDCM） 另一类称为三相永磁同步电动机，它要求输入定子绕组的电源仍然是三相正弦波形。

（PM•SM）

  无刷直流电动机（BLDCM），用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，将原直流电动机的电枢变为定子。

有刷直流电动机是依靠机械换向器将直流电流转换为近似梯形波的交流电流供给电枢绕组，而无刷直流电动机（BLDCM）是将方波电流（实际上也是梯形波）直接输入定子。

将有刷直流电动机的定子和转子颠倒一下，并采用永磁转子，就可以省去机械换向器和电刷，由此得名无刷直流电动机。

BLDCM定子每相感应电动势为梯形波，为了产生恒定的电磁转矩，要求功率逆变器向BLDCM定子输入三相对称方波电流，而SPWM、PM、SM定子每相感应电动势为近似正弦波，需要向SPWM、PM、SM定子输入三相对称正弦波电流。

  永磁同步电机的磁场来自电动机的转子上的永久磁铁，永久磁铁的特性在很大程度上决定了电机的特性，目前采用的永磁材料主要有铁淦氧，铝镍钴，钕铁硼以及SmCO5Sm2CO17.

 在转子上安装永磁铁的方式有两种。

一种是将成形永久磁铁装在转子表面，即所谓外装式；另一种是将形成永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。

永久磁铁的形状可分为扇形和矩形两种。

  根据确定的转子结构所对应的每相励磁磁动势的分布不同，三相永磁同步电动机可分为两种类型：

正弦波型和方波型永磁同步电机，前者每相励磁磁动势分布是正弦波状，后者每相励磁磁动势分布呈方波状，根据子路结构和永磁体形状的不同而不同。

对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙，如果采用系统永磁材料，由于稀土永磁的取向性好，可以方便的获得具有较好方波形状的气隙磁场。

对于采用非均匀气隙或非均匀磁化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。

  综上所述两类永磁AC同步伺服电动机的差异归纳如下:

：

  控制原理相似，给定指令信号加到AC伺服系统的输入端，电动机轴上位置反馈信号与给定位置相比较，根据比较结果控制伺服的运动，直至达到所要求的位置为止。

PM、SM和BLDCM二类伺服系统构成的基本思路是一致的。

  两种永磁无刷电动机比较而言，方波无刷直流电动机具有控制简单、成本低、检测装置简单、系统实现起来相对容易等优点。

但是方波无刷直流电动机原理上存在固有缺陷，因电枢中电流和电枢磁势移动的不连续性而存在电磁脉动，而这种脉动在高速运转时产生噪声，在中低速又是平稳的力矩驱动的主要障碍。

转矩脉动又使得电机速度控制特性恶化，从而限制了由其构成的方波无刷直流电动机伺服系统在高精度、高性能要求的伺服驱动场合下的应用（尤其是在低速直接驱动场合）。

因此，对于一般性能的电伺服驱动控制系统，选用方波无刷直流电动机及相应的控制方式。

而PM、SM伺服系统要求定子输入三相正弦波电流，可以获得更好的平稳性，具有更优越的低速伺服性能。

因而广泛用于数控机床，工业机器人等高性能高精度的伺服驱动系统中。

2.2疑问解答

　　什么是伺服电机？

有几种类型？

工作特点是什么？

　　答：

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把

伺服系统模块设计图

所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类

　　请问交流伺服电机和无刷直流伺服电机在功能上有什么区别？

　　答：

交流伺服要好一些，因为是正弦波控制，转矩脉动小。

无刷直流伺服是梯形波。

但直流伺服比较简单，便宜。

2.3典型机型

20世纪80年代以来，随着集成电路、电力电子技术和交流可变速驱动技术的发展，永磁交流伺服驱动技术有了突出的发展，各国著名电气厂商相继推出各自的交流伺服电动机和伺服驱动器系列产品并不断完善和更新。

交流伺服系统已成为当代高性能伺服系统的主要发展方向，使原来的直流伺服面临被淘汰的危机。

90年代以后，世界各国已经商品化了的交流伺服系统是采用全数字控制的正弦波电动机伺服驱动。

交流伺服驱动装置在传动领域的发展日新月异。

2.4伺服系统的种类

　　通常根据伺服驱动机的种类来分类，有电气式、油压式或电气—油压式三种。

  伺服系统若按功能来分，则有计量伺服和功率伺服系统;模拟伺服和功率伺服系统;位置伺服和加速度伺服系统等。

  电气式伺服系统根据电气信号可分为DC直流伺服系统和AC交流伺服系统二大类。

AC交流伺服系统又有异步电机伺服系统和同步电机伺服系统两种

2.5优势劣势

　　永磁交流伺服电动机同直流伺服电动机比较：

　　主要优势：

　　⑴无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。

　　⑵定子绕组散热比较方便。

　　⑶惯量小，易于提高系统的快速性。

　　⑷适应于高速大力矩工作状态。

　　⑸同功率下有较小的体积和重量。

　　主要劣势：

　　⑴永磁交流伺服系统采用了编码器检测磁极位置，算法复杂；

　　⑵交流伺服系统维修比较麻烦，因为电路结构复杂；

　　⑶交流伺服驱动器可靠性不如直流伺服，因为板件太过于精密。

　　自从德国MANNESMANN的Rexroth公司的Indramat分部在1978年汉诺威贸易博览会上正式推出MAC永磁交流伺服电动机和驱动系统，这标志着此种新一代交流伺服技术已进入实用化阶段。

到20世纪80年代中后期，各公司都已有完整的系列产品。

整个伺服装置市场都转向了交流系统。

早期的模拟系统在诸如零漂、抗干扰、可靠性、精度和柔性等方面存在不足，尚不能完全满足运动控制的要求，近年来随着微处理器、新型数字信号处理器（DSP）的应用，出现了数字控制系统，控制部分可完全由软件进行。

　　到目前为止，高性能的电伺服系统大多采用永磁同步型交流伺服电动机，控制驱动器多采用快速、准确定位的全数字位置伺服系统。

典型生产厂家如德国西门子、美国科尔摩根和日本松下及安川等公司。

伺服系统

2.6应用趋势

自动控制系统不仅在理论上飞速发展，在其应用器件上也日新月异。

模块化、数字化、高精度、长寿命的器件每隔3～5年就有更新换代的产品面市。

传统的交流伺服电机特性软，并且其输出特性不是单值的;步进电机一般为开环控制而无法准确定位，电动机本身还有速度谐振区，pwm调速系统对位置跟踪性能较差，变频调速较简单但精度有时不够，直流电机伺服系统以其优良的性能被广泛的应用于位置随动系统中，但其也有缺点，例如结构复杂，在超低速时死区矛盾突出，并且换向刷会带来噪声和维护保养问题。

目前，新型的永磁交流伺服电机发展迅速，尤其是从方波控制发展到正弦波控制后，系统性能更好，它调速范围宽，尤其是低速性能优越

关键词：

伺服进给系统；精度；伺服电动机

是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件（电机）、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

是以运动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，它是一个很典型的机电一体化系统，主要由位置控制单元、速度控制单元、驱动元件（电机）、检测与反馈单元和机械执行部件几个部分组成。

2.7伺服电动机概念

用作自动控制装置中执行元件的微特电机。

又称执行电动机。

其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服：

一词源于希腊语“奴隶”的意思。

人们想把“伺服机构”当个得心应手的驯服工具，服从控制信号的要求而动作。

在讯号来到之前，转子静止不动；讯号来到之后，转子立即转动；当讯号消失，转子能即时自行停转。

由于它的“伺服”性能，因此而得名。

伺服电动机可以把输入的电压信号变换成为电机轴上的角位移或角速度输出，在控制系统中常作为执行元件，所以伺服电动机又称执行电动机。

改变输入电压的大小和方向就可以改变转轴的转速和转向。

最基本的伺服系统要有一个伺服电机和一个伺服驱动器，要让这个系统运转起来有两种方式，一是内部使能，二是需要一个上位机构，PLC,专门的运动控制卡，工控机+PCI卡，这些给伺服驱动器信号以控制电机运转，你可以参考下什么是伺服电机。

国外，应该是欧美有一些厂家讲控制器和驱动器作到一体用到一些专门的系统中去。

还有一些把电机和驱动器作到一体的，还能够不需要控制器作一些简单的动作，例如德国百格拉公司的icla系列

2.8伺服电动机分类

　　伺服电动机分交、直流两类。

交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。

在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。

交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。

直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。

电动机转速n为

　　n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra为电枢电阻。

改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。

在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。

　　直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

2.9伺服电动机的特点

　　一般分为直流伺服和交流伺服.

　　对于直流伺服马达

　　优点:

精确的速度控制,转矩速度特性很硬,原理简单、使用方便,价格优势

　　缺点:

电刷换向,速度限制,附加阻力,产生磨损微粒（对于无尘室）

　　对于交流伺服马达

优点:

良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡;高效率，90%以上，不发热;高速控制;高精确位置控制（取决于何种编码器）;额定运行区域内，实现恒力矩;低噪音;没有电刷的磨损，免维护;不产生磨损颗粒、没有火花，适用于无尘间、易暴环境、惯量低;

缺点:

控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线。

伺服电动机又称执行电动机，在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。

分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。

　三、伺服进给系统常见故障形式

　直流伺服电机的特性较交流伺服电机硬。

通常应用于功率稍大的系统中，如随动系统中的位置控制等。

交流伺服电动机的应用

交流伺服电机的输出功率一般为0.1-100W，电源频率分50Hz、400Hz等多种。

它的应用很广泛，如用在各种自动控制、自动记录等系统中

三、伺服进给系统常见故障形式

　　3.1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，解除超程。

　　3.2爬行

　　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，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。

　　3.3窜动

　　在进给时出现窜动现象，其可能原因有：

1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；2、位置控制信号受到干扰；3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。

如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。

　　3.4过载

　　当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。

此故障一般机床可以自行诊断出来，并在CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。

同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。

　　3.5伺服电动机不转

　　当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。

此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，观察如润滑、冷却等是否满足。

如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。

　　3.6伺服进给系统常见故障典型案例分析

（1）一台配套FANUC7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。

　　为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。

在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。

证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：

　　①电动机负载过重；②机械传动系统不良；③位置环增益过高；④伺服电动机不良，等等。

　　维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。

卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。

另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。

更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。

（2）一台配套FANUC6ME系统的加工中心。

轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。

　　分析与处理过程：

仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。

从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：

系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。

　　检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。

为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试