14进给异常故障诊断与维修.docx
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14进给异常故障诊断与维修
第5章学习情境四
伺服进给系统异常故障诊断与维修
5.1概述
5.1.1进给伺服系统的作用及其分类
数控系统所发出的控制指令，是通过进给伺服系统驱动执行元件，最终实现精度的进给运动的，因此，进给伺服系统实际上是一种高精度的位置跟随与定位系统。
数控机床的精度及性能与其使用的伺服系统的类型有关，一般对进给伺服系统有以下几种分类方式：
（1）按驱动方式分，可分为液压伺服系统、气压伺服系统和电气伺服系统。
（2）按执行元件的类别分，可分为步进电动机伺服系统、直流电动机伺服系统和交流电动机伺服系统。
（3）按有无检测元件分，可分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统。
（4）按输出被控制量的性质分，可分为位置伺服系统和速度伺服系统。
5.1.2数控机床对进给伺服系统的要求
进给伺服系统的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。
一般对进给伺服系统有如下要求：
（1）精度高。
数控机床的加工精度是其主要性能指标之一，为了保证高的加工精度，要求位置控制中有高的定位精度，而在速度控制中要有较高的调速精度。
此外还要求有较强的抗负载干扰的能力。
（2）响应快。
为了保证轮廓切削形状精度，降低加工表面的粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，滞后要小。
（3）调速范围宽。
调速范围是指生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比。
对于一般数控机床而言，要求进给驱动机构在0～24m/min的速度范围内都能工作，根据这一要求，对于伺服电动机及其速度控制单元而言，其调速范围至少要达到1：
1000。
（4）低速大转矩。
根据机床加工特点，大都是在低速时进行重切削，即在低速时进给驱动有大的转矩输出。
这样可使动力源尽量靠近机床的执行机构，从而可缩短进给驱动的传动链，使传动装置机械部分的结构简化，系统的刚性增加。
5.1.3电气伺服驱动系统
早期的数控机床以采用电液伺服驱动的较多，现在数控机床均采用全电气伺服驱动系统，它分为步进驱动系统、直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统三大类。
1.步进驱动系统
步进驱动系统采用步进电动机作为执行元件，步进电动机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的角位移的电动机，目前均选用功率型步进电动机，步进驱动系统一般与脉冲增量插补算法相配合。
这种系统控制简单、价格低廉，主要用于经济型数控机床或者普通机床的数控化改造。
2.直流伺服驱动系统
直流伺服驱动系统采用直流电动机作为执行元件，由于大惯量直流电动机具有良好的宽调速特性。
输出转矩大，过载能力强，且由于其自身惯量大，与机床传动部件的惯量相当，因此，所构成的闭环系统在电动机安装到机床上之前调整好后，在机床上几乎不需要再作调整，使用方便。
此类电动机大多配有晶闸管全控或半控桥SCR-D调速装置。
为适应一部分数控机床（如钻床、冲床等）频繁起动、制动及快速定位的要求，又发展了直流中小惯量伺服电动机以及大功率晶体管脉宽调制（PWM）驱动装置。
由于直流电动机具有良好的调速性能，因此，在一段时期内（20世纪70年代到80年代中期），直流伺服系统被广泛应用于数控机床的进给驱动以及其他工业控制之中。
3.交流伺服驱动系统
由于直流伺服电动机使用机械（电刷、换向器）换向，因此它存在许多缺点。
多年来。
人们一直在试图使用交流电动机代替直流电动机，其困难在于交流电动机很难达到直流电动机那样满意的调速性能。
进入20世纪80年代后，由于交流伺服电动机的材料、结构以及控制理论与方法均有了突破性发展，微电子技术和功率半导体器件的发展又为其控制方法的实现创造了条件，使得交流驱动装置发展很快，而且交流伺服电动机最大的优点在于不需要维护，制造简单，适合于恶劣环境下工作，目前交流伺服系统已逐渐取代直流伺服系统，成为数控机床进给驱动的主流。
应用于进给驱动的交流伺服电动机有交流同步电动机与笼型异步电动机两大类。
由于数控机床进给驱动是功率一般不大（一般在数百瓦至数千瓦），加之笼型异步电动机调速指标一般不如交流同步电动机，因此大多数进给驱动装置采用的是交流同步电动机。
目前常见的应用于数控机床的交流伺服驱动装置主要有如下三类：
（1）有晶体管（TGR）或其他元件（如IGBT等）作为驱动器件组成的变频器供电，控制交流永磁同步电动机。
（2）采用将交流电动机模拟成直流电动机等效控制的矢量变换控制算法控制交流感应异步电动机。
（3）无刷直流电动机。
它实际上采用具有位置检测的交流同步电动机，使用大功率晶体管或其他驱动器件和位置检测完成成电子换向，代替了直流电动机的电刷和机械换向器，由变频装置供电。
5.1.4进给伺服系统的开环、闭环与半闭环控制
数控机床伺服系统按有无位置检测元件又分为开环和闭环两大类，闭环系统按位置检测元件的安装位置又分为全闭环和半闭环两种。
开环控制采用步进电动机作为驱动元件，没有位置反馈回路和速度控制回路，简化了电路，因此设备投资低，调试维修方便，但进给速度和精度较低，被应用于经济型数控机床及一般的机床改造。
闭环控制采用直流或交流伺服电动机作为执行元件。
全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。
但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求，因闭环环路包括了机械传动机构，其闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯量有关，还取决于阻尼、油的黏度、滑动面摩擦因素等因素。
而且这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了许多困难。
这些困难使调整闭环环路时不得不降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生不利影响。
所以采用全闭环方式时必须增大机床刚度，改善滑动面摩擦特性，减少传动间隙，这样才有可能提高位置增益。
全闭环方式被大量应用在精度要求较高的大型数控机床上。
半闭环方式一般将位置检测元件安装在电动机轴上或丝杠的一端，进给系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度等非线性因素对系统稳定性没有影响，安装调试比较方便，且其快速性好，动态精度高。
但由于机床的定位精度与机械传动装置的精度有关，而数控装置都有螺距误差补偿和间隙补偿功能，在传动装置精度不高的情况下，可以利用补偿功能将加工精度提高到满意的程度。
因此在精度要求适中的中小型数控机床上，半闭环控制得到广泛应用。
但如果程度机构的误差过大或其误差不稳定，则数控系统难以补偿。
如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性间隙，因其与负载力矩有关，故无法补偿。
由制造与安装所引起的重复定位误差以及由于环境温度与丝杠变化所引起的丝杠螺距误差也是不能补偿的。
5.1.5数控机床进给系统机械结构的要求
1、高传动刚度
进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副（直线运动）或蜗轮蜗杆副（回转运动）及其支承部件的刚度。
刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。
缩短传动链，合理选择丝杆尺寸以及对丝杆螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。
2．高谐振
为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的2～3倍。
3．低摩擦
进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。
4．低惯量
进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负载并使系统动态性能变差。
因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。
5．无间隙
机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：
齿轮副、丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等等均应采用消除间隙的结构措施。
5.2进给连接与控制
5.2.1GSK980TD数控系统驱动器和手轮接口
1．驱动器接口
GSK980TD数控系统通过XS30、XS31接口与X轴、Z轴驱动器连接，接口定义如图5－1所示：
图5－1XS30、XS31驱动器接口定义
2．手轮接口
GSK980TD数控系统通过XS38接口与手轮连接，HA、HB分别为手轮的A相、B相输入信号，接口定义及连接如图5－2和5－3所示：
图5－2XS38手轮接口定义图5－3GSK980TD与手轮的连接
5.2.2DA98驱动器
1．DA98交流伺服系统介绍
DA98交流伺服系统是国产第一代全数字交流伺服系统，采用国际最新数字信号处理器（DSP）、大规模可编程门阵列（CPLD）和MITSUBISHI智能化功率模块（IPM），集成度高、体积小、保护完善、可靠性好。
采用最优PID算法完成PWM控制，性能已达到国外同类产品的水平，驱动器和伺服电机的外观图如图5－4和5－5所示。
与步进系统相比，DA98交流伺服系统具有以下优点：
（1）避免失步现象：
伺服电机自带编码器，位置信号反馈至伺服驱动器，与开环位置控制器一起构成半闭环控制系统。
（2）宽速比、恒转矩：
调速比为1：
5000，从低速到高速都具有稳定的转矩特性。
（3）高速度、高精度：
伺服电机最高转速可达3000rpm，回转定位精度1/10000r。
（4）控制简单、灵活：
通过修改参数可对伺服系统的工作方式、运行特性作出适当的设置，以适应不同的要求。
图5－4DA98驱动器外观图图5－5伺服电机外观图
2．驱动器的连接要求
（1）电源端子TB
线径：
R、S、T、PE、U、V、W端子线径≥1.5mm2（AWG14-16），r、t端子线径≥1.0mm2（AWG16-18）。
接地：
接地线应尽可能粗一点，驱动器与伺服电机在PE端子一点接地，接地电阻＜100Ω。
要求：
端子连接采用JUT-1.5—4预绝缘冷压端子，务必连接牢固；建议由三相隔离变压器供电，减少电击伤人可能性；建议电源经噪声滤波器提供电，提高抗干扰能力；请安装非熔断型（NFB）断路器，使驱动器故障时能及时切断外部电源。
表5－1为电源端子TB功能介绍：
表5－1电源端子TB
端子号
端子记号
信号名称
功能
TB-1
R
主回路电源
单相或三相
主回路电源输入端子
AC220V50Hz
注意：
不要同电机输出端子U、V、W连接
TB-2
S
TB-3
T
TB-4
PE
系统接地
接地端子，接地电阻<100欧姆
伺服电机输出和电源输入公共一点接地
TB-5
U
伺服电机输出
伺服电机输出端子
必须与电机U、V、W端子对应连接
TB-6
V
TB-7
W
TB-8
P
备用
TB-9
D
备用
TB-10
r
控制电源
单相
控制回路电源输入端子
AC220V50Hz
TB-11
t
（2）控制信号CN1、反馈信号CN2
线径：
采用屏蔽电缆（最好选用绞合屏蔽电缆），线径≥0.12mm2（AWG24-26），屏蔽层须接FG端子。
线长：
电缆长度尽可能短，控制CN1电缆不超过3米，反馈信号CN2电缆长度不超过20米。
布线：
远离动力线路布线，防止干扰串入；请给相关线路中的感性元件（线圈）安装浪涌吸收元件；直流线圈反向并联续流二极管，交流线圈并联阻容吸收回路。
图5－6为GSK980TD数控系统的XS30、XS31接口与驱动器控制信号端子CN1的连接：
图5－6驱动器控制信号端子的连接
3．驱动器的外部连线
图5－7为驱动器的外部连线图：
图5－7驱动器的外部连接
4．驱动器的面板操作
驱动器面板由6个LED数码管显示器和4个按键↑、↓、←、Enter组成，用来显示系统各种状态、设置参数等，按键功能如下：
↑：
序号、数值增加，或选项向前；
↓：
序号、数值减少，或选项退后；
←：
返回上一层操作菜单，或操作取消；
Enter：
进入下一层操作菜单，或输入确认。
注意：
↑、↓保持按下，操作重复执行，并且保持时间越长，重复速率越快。
6位LED数码管显示系统各种状态及数据，全部数码管或最右边数码管的小数点显示闪烁，表示发生报警。
5．驱动器基本增益调整
（1）[速度比例增益]（参数No.5）的设定值，在不发生振荡的条件下，尽量设定得较大。
一般情况下，负载惯量越大，[速度比例增益]的设定值应越大。
（2）[速度积分时间常数]（参数No.6）的设定值，根据给定的条件，尽量设置得较大。
[速度积分时间常数]设定的太大时，响应速度将会提高，但是容易产生振荡。
所以在不发生振荡的条件下，尽量设置的较大。
[速度积分时间常数]设定的太大时，在负载变动的时候，速度将变动较大。
一般情况下，负载惯量越大，[速度积分时间常数]的设定值应越小。
（3）[位置比例增益]（参数No.9）的设定值，在稳定范围内，尽量设置得较大。
[位置比例增益]设置得太大时，位置指令的跟踪特性好，滞后误差小，但是在停止定位时，容易产生振荡。
（4）如果要求位置跟踪特性特别高时，可以增加[位置前馈增益]设定值。
但如果太大，会引起超调。
（5）增益调整注意事项：
1）[位置比例增益]设定的较小时，系统处于稳定状态，但是位置跟踪特性变差，滞后误差偏大，为了使用较高的[位置比例增益]，可以减小[速度指令滤波时间常数]（参数No.11）设定值，避免超调。
2）[位置比例增益]的设定值可以参考如下：
低刚度58～118；中刚度118～138；高刚度138～198。
6．驱动器报警一览表（表5－2）
表5－2报警一览表
报警代码
报警名称
内容
--
正常
1
超速
伺服电机速度超过设定值
2
主电路过压
主电路电源电压过高
3
主电路欠压
主电路电源电压过低
4
位置超差
位置偏差计数器的数值超过设定值
5
电机过热
电机温度过高
6
速度放大器饱和故障
速度调节器长时间饱和
7
驱动禁止异常
CCW、CW驱动禁止输入都OFF
8
位置偏差计数器溢出
位置偏差计数器的数值的绝对值超过230
9
编码器故障
编码器信号错误
10
控制电源欠压
控制电源±15V偏低
11
IPM模块故障
IPM智能模块故障
12
过电流
电机电流过大
13
过负载
伺服驱动器及电机过负载（瞬时过热）
14
制动故障
制动电路故障
15
编码器计数错误
编码器计数异常
16
电机热过载
电机电热值超过设定值（I2t检测）
19
热复位
系统被热复位
20
IC4（EEPROM）错误
IC4（EEPROM）错误
21
IC3（PWM芯片）错误
IC3（PWM芯片）错误
22
IC2（CODER芯片）错误
IC2（CODER芯片）错误
23
IC7（A/D芯片）错误
IC7（A/D芯片）或电流传感器错误
30
编码器Z脉冲丢失
编码器Z脉冲错
31
编码器UVW信号错误
编码器UVW信号错误或与编码器不匹配
32
编码器UVW信号非法编码
UVW信号存在全高电平或全低电平
5.2.3数控系统进给参数
005
PCMD
PCMD=1:
CNC输出波形是脉冲；
=0:
CNC输出波形是方波。
008
DIRZ
DIRX
X、Z轴电机旋转方向选择，机床移动方向与指令要求方向不符时，可调整此参数进行修正。
DIRX、DIRZ=1：
执行面板上正方向键时，nDIR+为高电平，nDIR-为低电平；执行面板负方向键时，nDIR+为低电平，nDIR-为高电平；
=0：
执行面板上负方向键时，nDIR+为高电平，nDIR-为低电平；执行面板正方向键时，nDIR+为低电平，nDIR-为高电平。
009
ZALM
XALM
驱动器报警电平选择，根据驱动器报警信号输出是高电平还是低电平进行调整此参数。
XALM、ZALM=1:
XDALM、ZDALM信号与0V断开时报警；
=0:
XDALM、ZDALM信号与0V接通时报警。
175
SPFD
SPFD=1：
切削时主轴停止旋转，进给也停止；
=0：
切削时主轴停止旋转，进给不停止。
022
RPDFX
023
RPDFZ
RPDFX、RPDFZ：
X、Z轴快速移动速率（半径值）
设定范围：
X=10～3825000（单位：
毫米/分）Z=10～7650000（单位：
毫米/分）
X配伺服电机时设为3800，配步进电机时设为3000；
Z配伺服电机时设为7600，配步进电机时设为6000。
024
LINTX
025
LINTZ
LINTX、LINTZ：
X、Z轴快速移动时，线性加减速时间常数值，数值越大，加减速过程越慢。
设定范围：
0～4000（单位：
毫秒）
配伺服电机时设为100，配步进电机时设为350。
027
FEDMX
FEDMX：
X、Z轴切削进给上限速度。
设定范围：
10～8000（单位:
毫米/分）
029
FEEDT
FEEDT：
切削进给和手动进给时指数加减速时间常数，设为0时，不进行指数加减速。
设定范围：
0～4000（单位：
毫秒）
030
FEDFL
FEDFL：
切削和手动进给时的指数加速的起始速度，减速的终止速度。
设置的速度越大，加减速过程越快，启动或停止时冲击越大。
设定范围：
0～8000（单位:
毫米/分）
032
RPDFL
RPDFL：
X、Z轴快速移动时，F0（最低的快速速率）的速率。
设定范围：
6～4000（单位：
毫米/分）
5.3数控车床伺服进给的具体电路控制
1．伺服进给的具体控制电路如图5－8所示：
图5－8伺服驱动控制电路图
2．伺服驱动电路的连接分析
首先是从主电路U、V、W引入三相交流380V电源，经QF4小型空气开关后，再经KM5接触器的触点，连接到隔离降压变压器（TC1）的输入端，输出端的三相交流220V提供给伺服驱动器动力电源，r、t端子连接的是内部控制电源，伺服驱动器的U、V、W用于驱动伺服电机。
伺服驱动器上有两个接口，CN1接口是用于NC系统与伺服驱动器连接，执行系统发出的信号。
CN2接口是用于伺服驱动器与伺服电机的反馈线连接，把编码器反馈信号传送到伺服驱动器。
5.4伺服进给系统异常故障诊断与维修实例分析
5.4.1伺服驱动系统故障处理的一般方法
1．进给驱动系统故障的处理：
根据统计,这部分的故障率约占数控机床全部故障率的l/3左右。
故障现象大致分三类：
（1）软件报警现象：
包括有伺服进给系统出错报警（大多是速度控制单元故障引起或是主控印刷线路板内与位置控制或伺服信号有关部分发生故障）、检测元件（如测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器等）故障、检测信号引起故障、过热报警（包括伺服单元过热、变压器过热及伺服电机过热〉等情况。
（2）硬件报警现象：
包括高压报警（电网电压不稳定）、大电流报警（晶闸管损坏）、电压过低报警（大多为输入电压低于额定值的85%或电源线联结不良）、过载报警（机械负载过大）、速度反馈断线报警、保护开关动作有误等。
这些故障在处理中应按具体情况分别对待。
（3）无报警显示的故障现象：
包括机床失控、机床振动、机床过冲（参数设置不当）、噪声过大（电机方面有故障）、快进时不稳定等现象。
这些故障要从检查速度控制单元，参数设置、传动副间隙、异物浸人、电机轴向窜动、电刷接触不良等方面去查找故障源。
总之,对待驱动伺服系统方面的故障处理，要有耐心、细微的检查、测试与分析，当然经验积累多了也就比较易于判断了。
2．进给伺服系统的常见故障及诊断方法
进给伺服系统的常见故障有以下几种：
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设定的硬限位时，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．过载
当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。
一般会在CRT上显示伺服电动机过载、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、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。
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；②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。
当窜动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，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。
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联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动与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。
5．机床出现振动
机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。
机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。
主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。
6．伺服电动机不转
数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。
伺服电动机不转，常用诊断方法有：
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，应检查电磁制动是否释放；④进给驱动单元故障；⑤伺服电动机故障。
7．位置误差
当伺服轴运动超过位置允差范围时，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。
主要原因有：
①系统设定的允差范围小；②伺服系统增益设置不当；③位置检测装置有污染；④进给传动链累积误差过大；⑤主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳。
8．漂移
当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。
通过误差补偿和驱动单元的零速调整来消除。
9．机械传动部件的间隙与松动
在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构之外，对加工和装配必须进行严查。
在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因，表5－3为滚珠丝杠副的常见故障及排除方法。
表5－3滚珠丝杠副的常见故障及排除方法
序号
故障现象
故障原因
排除方法
1
滚珠丝杠副噪声
丝杠支承轴承的压盖压合情况不好
调整轴承压盖，使其压紧轴承端面
丝杠支承轴承可能破裂
如轴承破损，更换新轴承
电动机与丝杠联轴器松动
拧紧联轴器锁紧螺钉
丝杠润滑不良
改善润滑条件，使润滑油量充足
滚珠丝杠副滚珠有破损
更换新滚珠
2
滚珠丝杠运动不灵活
轴向预加载荷太大
调整轴向间隙和预加载荷
丝杠与导轨不平行
调整丝杠支座位置，使丝杠与导轨平行
螺母轴线与导轨不平行
调整螺母
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