第3章伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修第3章伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修3.1概述3.2主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障及診斷3.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)故障及診斷3.4位置檢測(cè)裝置故障及診斷3.1概述數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位移和速度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由數(shù)控裝置和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成。3.1.1伺服系統(tǒng)的組成數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行部件和檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)等組成。位置控制模塊速度控制單元電機(jī)機(jī)械執(zhí)行部件測(cè)量反饋單元速度環(huán)位置環(huán)3.1.2伺服系統(tǒng)的分類1．按調(diào)節(jié)理論分類（1）開環(huán)伺服系統(tǒng)（2）閉環(huán)伺服系統(tǒng)（3）半閉環(huán)系統(tǒng)2．按使用直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)分類（1）直流伺服系統(tǒng)（2）交流伺服系統(tǒng)3．按進(jìn)給驅(qū)動(dòng)和主軸驅(qū)動(dòng)分類（1）進(jìn)給伺服系統(tǒng)（2）主軸伺服系統(tǒng)3.1.2伺服系統(tǒng)的分類4．按反饋比較控制方式分類（1）脈沖、數(shù)字比較伺服系統(tǒng)（2）相位比較伺服系統(tǒng)（3）幅值比較伺服系統(tǒng)（4）全數(shù)字伺服系統(tǒng)3.2主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障及診斷主軸伺服系統(tǒng)主要完成切削加工時(shí)主軸刀具旋轉(zhuǎn)速度的控制，主軸要求調(diào)速范圍寬，當(dāng)數(shù)控機(jī)床有螺紋加工、準(zhǔn)停和恒線速度加工等功能時(shí)，主軸電動(dòng)機(jī)需要裝配脈沖編碼器位置檢測(cè)元件作為主軸位置反饋。主軸伺服系統(tǒng)分為直流主軸系統(tǒng)和交流主軸系統(tǒng)。3.2主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障及診斷數(shù)控機(jī)床對(duì)主軸一般有如下要求：1）輸出功率大。2）在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)速度穩(wěn)定，盡可能在全速度范圍內(nèi)提供主軸電動(dòng)機(jī)的最大功率，即恒功率范圍要寬。3）加減速時(shí)間短，主軸要具有四象限驅(qū)動(dòng)能力。4）振動(dòng)、噪聲小。5）電動(dòng)機(jī)可靠性高、壽命長(zhǎng)、容易維護(hù)。6）系統(tǒng)有螺紋加工、準(zhǔn)停和線速度加工等功能時(shí)，主軸要具有進(jìn)給軸控制和位置控制功能。3.2.1常用主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理1．直流主軸速度控制在數(shù)控機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)中，直流主軸電動(dòng)機(jī)通常采用晶閘管直流調(diào)速。（1）主電路及其工作原理（2）主電路控制要求（3）勵(lì)磁控制回路（4）每組晶閘管的控制系統(tǒng)3.2.1常用主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理2．交流主軸速度控制（1）6SC650系列交流主軸驅(qū)動(dòng)裝置3.2.1常用主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理（2）主軸通用變頻器1）變頻器的電源顯示變頻器的電源顯示也稱充電顯示，它除了表明是否已經(jīng)接上電源外，還顯示了直流高壓濾波電容器上的充、放電狀況。2）變頻器的參數(shù)設(shè)置變頻器和主軸電動(dòng)機(jī)配用時(shí)，根據(jù)主軸加工的特性和要求，必須先進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如加減速時(shí)間等3.2.1常用主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理三菱FR-A500系列變頻器的系統(tǒng)組成及接口定義如圖3-13所示。3.2.1常用主軸系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理為了減小輸入電流的高次諧波，電源側(cè)采用了交流電抗器，直流電抗器則是用于功率因數(shù)校正。3.2.2主軸伺服系統(tǒng)的故障形式及診斷方法主軸伺服系統(tǒng)常見故障有：1．外界干擾2．過(guò)載3．主軸定位抖動(dòng)4．主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配5．轉(zhuǎn)速偏離指令值6．主軸異常噪聲及振動(dòng)7．主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)3.2.3主軸驅(qū)動(dòng)的故障診斷【例3-1】主軸系統(tǒng)故障的排除故障現(xiàn)象：SABRE-750數(shù)控龍門式加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC-0M。該加工中心無(wú)論在MDI方式或AUTO方式，送入主軸速度指令，一按起動(dòng)鍵，機(jī)床PLC立刻送出“主軸單元故障”的報(bào)警信息。觀察電柜中主軸伺服單元的報(bào)警號(hào)為AL-123.2.3主軸驅(qū)動(dòng)的故障診斷【例3-2】主軸驅(qū)動(dòng)模塊故障維修故障現(xiàn)象：日本FANUC-α系列主軸驅(qū)動(dòng)模塊，型號(hào)為：A06B-6087-H126B（POWERSUPPLYMODULE）。在使用過(guò)程中，頻繁出現(xiàn)該模塊主電路IGBT（絕緣柵大功率晶體管）擊穿燒毀及IGBT的驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)燒毀。前幾次在分析故障原因時(shí)，將著眼點(diǎn)放在了電網(wǎng)電壓過(guò)高、電源高次諧波過(guò)多、環(huán)境溫度較高或器件不良等方面，但隨著故障的頻繁出現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)了以下不容忽視的現(xiàn)象：1）IGBT總是三塊同時(shí)被燒毀。2）IGBT燒毀并伴隨驅(qū)動(dòng)電路燒毀，貼片式PNP及NPN晶體管也被擊穿，電路燒斷，光耦合器燒壞，電路如圖3-15所示。3）燒毀的驅(qū)動(dòng)模塊主回路中配置的MSS接觸器主觸頭嚴(yán)重?zé)g，前置空氣開關(guān)主觸頭也燒蝕。3.3.1常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)形式1．常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（1）直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）FANUC公司直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）SIEMENS公司直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3）MITSUBISHI公司直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.3.1常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)形式（2）交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)1）FANUC公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2）SIEMENS公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3）MITSUBISHI公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)4）A-B公司交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（3）步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)3.3.1常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)形式2．伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式3.3.1常見進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)形式3.3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障形式及診斷方法1．軟件報(bào)警形式（1）伺服進(jìn)給系統(tǒng)出錯(cuò)報(bào)警（2）檢測(cè)出錯(cuò)報(bào)警（3）過(guò)熱報(bào)警2．硬件報(bào)警形式（1）大電流報(bào)警（2）高電壓報(bào)警（3）電壓過(guò)低報(bào)警（4）速度反饋線報(bào)警（5）過(guò)載報(bào)警3.3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障形式及診斷方法3．無(wú)報(bào)警顯示的故障（1）機(jī)床失控（2）機(jī)床振動(dòng)（3）機(jī)床過(guò)沖（4）機(jī)床移動(dòng)時(shí)噪聲過(guò)大（5）機(jī)床在快速移動(dòng)時(shí)振動(dòng)或沖擊（6）圓柱度超差3.3.3進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的故障診斷進(jìn)給伺服系統(tǒng)由各坐標(biāo)軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置、位置檢測(cè)裝置及機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈等組成，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的任務(wù)就是要完成各坐標(biāo)軸的位置控制。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序指令及數(shù)據(jù)，經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算后得到位置控制指令，同時(shí)，位置檢測(cè)裝置將實(shí)際位置檢測(cè)信號(hào)反饋于數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成全閉環(huán)或半閉環(huán)的位置控制。經(jīng)位置比較后，數(shù)控系統(tǒng)輸出速度控制指令至各坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)裝置，經(jīng)速度控制單元驅(qū)動(dòng)伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)上的測(cè)速裝置將電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)與速度控制指令比較，構(gòu)成速度環(huán)控制。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)實(shí)際上是外環(huán)為位置環(huán)、內(nèi)環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)。對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的維護(hù)及故障診斷將落實(shí)到位置環(huán)和速度環(huán)上。組成這兩個(gè)環(huán)的具體裝置有：用于位置檢測(cè)的光柵、光電編碼器、感應(yīng)同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁柵等；用于轉(zhuǎn)速檢測(cè)的測(cè)速發(fā)電機(jī)或光電編碼器等。進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由直流或交流驅(qū)動(dòng)裝置及直流和交流伺服電動(dòng)機(jī)組成。3.4位置檢測(cè)裝置故障及診斷位置檢測(cè)元件是由檢測(cè)元件（傳感器）和信號(hào)處理裝置組成的，是數(shù)控機(jī)床閉環(huán)伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測(cè)工作臺(tái)的位置和速度的實(shí)際值，并向數(shù)控裝置或伺服裝置發(fā)送反饋信號(hào)，從而構(gòu)稱閉環(huán)控制。檢測(cè)元件一般利用光或磁的原理完成對(duì)位置或速度的檢測(cè)。位置檢測(cè)元件按照檢測(cè)方式分為直接測(cè)量元件和間接測(cè)量元件。3.4位置檢測(cè)裝置故障及診斷進(jìn)給伺服系統(tǒng)對(duì)位置測(cè)量裝置有著很高的要求：1）受溫度、濕度的影響小，工作可靠，精度保持性好，抗干擾能力強(qiáng)；2）能滿足精度、速度和測(cè)量范圍的要求：3）使用維護(hù)方便，適應(yīng)機(jī)床工作環(huán)境；4）成本低。5）易于實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)測(cè)量和處理，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。3.4.1常用位置檢測(cè)元件的工作原理1．脈沖編碼器（1）脈沖編碼器的工作原理（2）脈沖編碼器的特點(diǎn)1）非接觸測(cè)量，無(wú)接觸磨損，碼盤壽命長(zhǎng)，精度保證性好；2）允許測(cè)量轉(zhuǎn)速高，精度較高；3）光電轉(zhuǎn)換，抗干擾能力強(qiáng)；4）體積小，便于安裝，適合于機(jī)床運(yùn)行環(huán)境；5）結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，光源壽命短；6）碼盤基片為玻璃，抗沖擊和抗震動(dòng)能力差。3.4.1常用位置檢測(cè)元件的工作原理圖3-23脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖圖3-23脈沖編碼器結(jié)構(gòu)示意圖信號(hào)處理裝置abz碼盤基片透鏡光源光敏元件透光狹縫光欄板節(jié)距τm+τ/43.4.1常用位置檢測(cè)元件的工作原理2．光柵（1）光柵的工作原理（2）光柵的特點(diǎn)光柵具有如下特點(diǎn)：1）響應(yīng)速度快、量程寬、測(cè)量精度高。測(cè)直線位移，精度可達(dá)0.5~3μm（300mm范圍內(nèi)），分辨率可達(dá)0.1μm；測(cè)角位移，精度可達(dá)0.15″，分辨率可達(dá)0.1″，甚至更高。2）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。3）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。4）怕振動(dòng)、怕油污，高精度光柵的制作成本高。3.4.1常用位置檢測(cè)元件的工作原理圖3-27光柵的工作原理圖3.4.1常用位置檢測(cè)元件的工作原理3．直線感應(yīng)同步器（1）直線感應(yīng)同步器的工作原理（2）感應(yīng)同步器的優(yōu)點(diǎn)1）具有較高的精度與分辨力。2）抗干擾能力強(qiáng)。3）使用壽命長(zhǎng)，維護(hù)簡(jiǎn)單。4）可以作長(zhǎng)距離位移測(cè)量。5）工藝性好，成本較低，便于復(fù)制和成批生產(chǎn)。3.4.2位置檢測(cè)裝置故障的常見形式及診斷方法1．機(jī)械振蕩（加/減速時(shí)）2．機(jī)械暴走（飛車）3．主軸不能定向或定向不到位4．坐標(biāo)軸振動(dòng)進(jìn)給5．NC報(bào)警中因程序錯(cuò)誤，操作錯(cuò)誤引起的報(bào)警6．伺服系統(tǒng)的報(bào)警3.4.3位置檢測(cè)裝置故障的診斷與排除