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伺服系统的故障分析与维修
第3章伺服系统的故障分析与维修
3．1伺服系统概述
数控机床的伺服驱动系统主要有两种：
进给驱动系统和主轴驱动系统。
前者控制机床各坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。
它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运转速度和准确的位置控制。
数控机床的伺服驱动系统分直流与交流两类不同的装置。
1、伺服系统的概念
伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。
在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。
伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。
数控机床的最高移动速度、运动精度和定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动、静态性能。
研究与开发高性能的伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。
早期的数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。
从八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。
2、伺服系统的基本技术要求
（1）精度高
伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。
在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负载扰动能力。
即对静、动态精度要求都比较高。
（2）稳定性好
稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。
随伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。
稳定性直接影响数控价格的精度和表面粗糙度。
（3）快速响应
快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。
为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。
这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。
（4）调速范围宽
调速范围Rn指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比：
Rn=nmax/nmin。
通常，nmax和nmin一般对指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载的转速。
1）进给伺服系统的调速要求
数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的分辨率有关。
一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0-24m/min。
进给伺服系统的调速可分为以下几种：
①在1-24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。
②在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。
③在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求，即处于伺服锁定状态。
2）主轴调速范围要求
主轴主要考虑速度控制，其调速系统一般要求1:
100-1000范围内的恒转矩调速和1:
10以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。
（5）低速大转矩
机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。
进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。
3、电气伺服系统的控制结构
典型的电气伺服系统框图如下。
从控制角度讲，电气伺服系统一般结构为三闭环控制，即有电枢电流闭环，速度闭环，位置闭环。
为了满足三环伺服控制反馈信号，要求有多种传感元件可供选择。
电流反馈一般采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。
速度反馈一般采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。
位置反馈采用光电编码器,旋转变压器,光栅等。
在一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。
从器件上来说，电气伺服系统包括执行部件、伺服驱动器、CNC中的位置控制器三部分。
关于PID调节器（PIDregulator）的解释——
比例积分微分调节器的简称。
利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大惯性，提高精度，加快动态响应速度。
在调节系统中，其过程控制方式就是将被测量，如温度、压力、流量、成分、水位等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。
所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。
P调节就是调节器的输出和输入成比例。
调比例带，也就是调比例系数，比例带就是输出与输入之比（放大倍数）的倒数。
I调节就是输出是输入量（即偏差）的积分，只要有偏差，调节器就会不断积分，使输送到执行器的信号变化，校正被控量，直到达到无偏差为止，所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。
但要注意单独的积分调节往往是不能工作的。
所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。
D调节就是微分调节，也就是输出对输入的微分。
微分调节的优点在于它的超前性，当输入发生变化时，马上就有微分信号产生，使被控量得以提前校正，然后再由P、I进行校正，这样可以使整个调节的过渡过程时间缩短，有利于调节质量的提高。
PID调节应用最广，技术最成熟，控制结构简单，参数调整容易，是目前过程控制中使用广泛的调节方式。
3．2主轴伺服系统的故障分析与维修
一般主轴要求：
速度大范围连续可调、恒功率范围宽
伺服主轴要求：
有进给控制和位置控制
主轴变速形式：
电动机带齿轮换档（降速、增大传动比、增大主轴转矩）；电动机通过同步齿带或皮带驱动主轴（恒功率、机械传动简单）
3．2．1常用主轴伺服系统
FANUC公司主轴驱动系统
主要采用交流主轴驱动系统，有S，H，P三个系列（1.5~37，1.5~22，3.7~37千瓦）
主要特点：
1）采用微处理控制技术
2）主回路采用晶体管PWM逆变器
3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入
SIEMENS公司主轴驱动系统
直流主轴电动机：
有1GG5，1GF5，1GL5和1GH5四个系列及配套的6RA24,6RA27系列驱动装置（晶闸管）
交流主轴电动机：
有1PH5和1PH6两个系列（3~100千瓦）及配套的6SC650,6SC611A系列的主轴驱动模块
3．2．2通用变频器
（一）6SC650系列主轴交流驱动系统
1.驱动装置的组成（原理图）
驱动装置的组成（主轴驱动系统）
2.故障诊断
故障代码当交流主轴驱动变频器在运行中发生故障，变频器面板上的数码管会以代码的形式提示故障的类型。
辅助诊断除故障代码外，在控制和输入／输出模块还有测试插座，作为辅助诊断的手段通过测试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障
变频器的操作和显示面板
输入／输出模块上的测试插座
1—接线端子2—输入／输出模块3—电流测试插孔
测电机相电流测直流回路电流测电机总电流
6SC650系列变频器部分代码表
故障代码故障名称故障原因
F11转速控制开环1编码器电缆未接好；
无实际转速值……;4电机缺相工作；等
F12过电流1变频器有短路故障；
……;5转矩设定值过高；等
F14电动机过热1电动机过载；2电动机电流过大；等
（二）主轴通用变频器
3．2．3主轴伺服系统常见故障分析与排除
主轴伺服系统发生故障时，有三种表现形式：
在图像管或操作面板上显示报警内容或报警信息
在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示故障
无任何故障报警信息
主轴伺服系统常见故障有：
外界干扰：
屏蔽和接地措施不良时，主轴转速或反馈信号受电磁干扰，使主轴驱动出现随机和无规律的波动。
判别方法，使主轴转速指令为零再看主轴状态
过载：
切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。
具体表现为电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等
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，有三种实现形式：
1）机械准停控制（V形槽和定位液压缸）
2）磁性传感器的电气准停控制（图）
3）编码器型的准停控制（准停角度可任意）
上述准停均要经减速，减速或增益等参数设置不当；限位开关失灵；磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动
磁性传感器主轴准停装置
1.磁性传感器2.发磁体3.主轴4.支架5.主轴箱
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、主轴仍然运转的故障。
主轴有一个每转一个脉冲的反馈信号，一般为主轴编码器有问题。
可查图像管报警,输入／输出编码器状态或用每分钟进给指令代替
转速偏离指令值：
主轴实际转速超过所规定的范围时要考虑，电机过载，CNC输出没有达到与转速指令对应值，测速装置有故障,主轴驱动装置故障
主轴异常噪声及振动：
电气驱动（在减速过程中发生、振动周期与转速无关）；主轴机械（恒转速自由停车、振动周期与转速有关）
主轴电动机不转：
CNC是否有速度信号输出；使能信号是否接通，CTR观察输入／输出状态，分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件（润滑,冷却）；主轴驱动故障；主轴电机故障
3．3进给伺服系统的故障分析与维修
任务完成CNC对各坐标轴的位置控制
组成进给驱动、位置检测及机械传动装置
工作过程程序指令经插补运算得位置指令
同时将检测到的实际位置信号反馈数控系统构成半或闭环控制系统，是外环为位置环内环为速度环的控制系统
位置检测光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等
速度监测测速发电机和光电编码器等
3．3．1步进伺服
步进驱动系统
802S数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置及IMP5五相步进电动机
3．3．2FANUC进给驱动系统以及3．3．3SIEMENS进给驱动系统
一、常见进给驱动系统
1.直流进给驱动系统
FANUC公司直流进给驱动系统
小惯量L,中惯量M系列直流伺服电动机
采用PWM速度控制单元
大惯量H系列直流伺服电动机，采用晶闸管速度控制单元
均有过速、过流、过载等多种保护功能
姆欧的新项目公司直流进给驱动系统
1匈牙利系列多种规格的永磁式直流伺服电动机，与电机配套的速度控制单元有6RA20（晶体管PWM控制）和6RA26（晶闸管控制）两个系列。
也均有过速、过流、过载等多种保护功能
2.交流进给驱动系统
FANUC公司交流进给驱动系统
驱动装置：
晶体管PWM控制的（系列交流驱动单元
电动机：
S，L,SP和T系列永磁式三相交流同步电动机
姆欧的新项目公司交流进给驱动系统
驱动装置：
晶体管PWM控制的6SC610和6SC611A系列交流进给驱动模块，还有用于数字伺服驱动的611D系列
电动机：
1FT5和1FT6系列永磁式三相交流同步电动机
3.步进驱动系统
802S数控系统配STEPDRIVE步进驱动装置及IMP5五相步进电动机
二、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：
方式1—转速反馈与位置反馈信号处理分离
方式2—编码器同时作为转速和位置检测，处理均在数控系统中完成
方式3—编码器方式同上，处理方式不同
方式4—数字式伺服系统
3．3．4三菱进给驱动系统
（略）
3．3．5进给伺服系统常见故障及其诊断实例
一、进给伺服系统的故障形式及诊断方法
1.常见故障
超程——进给运动超过软限位或硬限位，图像管
过载——进给运动的负载过大,频繁正反转以及传动链润滑不良等引起，图像管及伺服驱动单元都会有报警信息
窜动——测速信号或速度控制信号不稳定、接线接触不良等引起
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不良、伺服系统增益过低及负载过大、联轴器松动等引起
振动——与进给速度有关，速度环增益太高或速度反馈有故障；与速度无关，位置环增益太高或位置反馈有故障；在加速过程中产生，减速时间设定过小
伺服电动机不转——数控系统速度信号是否输出；使能信号是否接通；冷却润滑条件是否满足；电磁制动是否释放；驱动单元故障；伺服电动机故障
位置误差——系统设置的允差过小；伺服增益设置不当；位置检测装置有污染；进给传动链累积误差过大；主轴箱垂直运动时平衡装置不稳
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
回参考点故障——有找不到和找不准参考点两种故障，前者主要是回参考点减速开关产生的信号或零标志脉冲信号失效所致，可用示波器检测信号；后者是参考点开关挡快位置设置不当引起，只要重新调整即可。
2.故障定位
模块交换法
X和Y的驱动单元一样，当一轴发生故障时，用另一轴代替看故障的转移情况
为确定是否伺服单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。
由干电池和变阻器组成直流回路。
二、进给驱动的故障诊断
驱动结构——模块式
驱动结构——单元式
驱动方式——直流PWM和晶闸管驱动方式，交流变频控制方式,步进电机驱动方式。
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电压，加到直流伺服电机电枢的两端，通过对方波宽度的控制改变电枢两端的平均电压，从而达到控制电枢电流，进而控制伺服电动机转速的目的。
1.直流进给驱动——晶闸管调速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
2.交流进给驱动——因采用交流同步电动机，驱动装置实质上是一个电子换向的直流电动机驱动装置
PWM驱动控制线路简图
FANUC系统进给驱动故障表示方式：
1.图像屏有报警显示的故障
报警号400~457伺服系统错误报警
报警号702~704过热报警
机床切削条件差及机床摩擦力矩增大，引起主回路中的过载继电器动作
切削时伺服电机电流太大或变压器本身故障，引起变压器热控开关动作
伺服电机电枢内部短路或绝缘不良等，引起变压器热控开关动作
2.报警指示灯指示的报警（7个灯）
BRK—无熔丝断路器切断报警
HVAL—过电压报警
HCAL—过电流报警（伴有401号报警）
OVC—过载报警（401或702报警）
LVAL—欠压报警
TGLS—速度反馈信号断线报警
DCAL—放电报警
3.无报警显示的故障
机床失控速度反馈信号为正反馈信号
机床振动与位置有关的系统参数设定错误
检测装置有故障（随进给速度）
定位精度低传动链误差大；伺服增益太低
电动机运行噪声过大换向器的表面粗糙度过低、油液灰尘等侵入电刷或换向器、电动机轴向窜动等。
6SC610交流进给驱动系统
3．4位置检测系统的故障分析与维修
位置环是外环，其指令脉冲来自收据控制经插补运算（包含对伺服系统位置和速度的要求）
位置环是伺服系统中重要的一环，检测元件的精度直接影响机床的位置精度（闭环常用光栅，半闭环常用编码器）
故障形式是在图像管上显示报警号和信息
轮廓误差、静态误差监视报警和测量装置监控报警
3．4．1常用位置检测元件
1.光栅
透射光栅与反射光栅
光栅输出信号：
二个相位和一个零标志
维护注意点
防污（冷却液轻微结晶、水雾、通入低压压缩空气、无水酒精轻檫）
防振（不能敲击避免光学元件损坏）
2.光电脉冲编码器
输出信号：
二个相位和一个零标志
维护注意点
防振和防污（内部松动和信号丢失）
联结松动（影响位置精度、进给运动的不稳定、伺服电机的换向而引起振动）
3.感应同步器
组成：
定尺和滑尺上面具有矩形绕组
维护注意点
在安装时必须保持定尺和滑尺的相对平行，不要损坏尺上耐切削液涂层和带绝缘层的铝箔,滑尺接线要分清罪和COS绕组
4.旋转变压器
输出电压与转子的角位移有固定的函数关系
维护注意点
定子和转子阻值不同不要接错、碳刷磨损要及时更换
1.电机轴2.测速发电机6.小齿轮7.旋转变压器
8.安装板10.大齿轮11.防护罩
5.磁栅尺
组成：
磁性标尺、磁头和检测电路
维护注意点
不能将磁性膜刮坏、不能用力和撞击磁性标尺和磁头避免磁性减弱或磁场紊乱、在接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组
3．4．2故障分析与维修
数控位控模块与检测装置的连接
1.输出信号（有两种形式）
电压或电流正弦信号/TTL电平信号
机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号，两组增量信号和一组基准信号
2.EXE信号处理
通道放大器整形电路报警电路细分电路
3.故障诊断
当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱开，在CNC系统的一侧，把J2连接器上的5V线同报警线ALM连在一起，合上数控电源，根据报警是否再现，可迅速判断出故障的部位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。
在测量装置的话，可再测J1连接器上有无信号输入，可将故障定位在光栅或EXE电路。
例一卧式加工中心，采用SINUMERIK8系统，带EXE光栅测量装置。
运行中出现114号报警，同时伴有113号报警。
分析：
114号电缆断线或与地短路；信号丢失
检查：
外观检查和测量；（信号漏读）检查信号源和传输系统（光源和光学系统）
实际：
灯泡表面呈毛玻璃状、指示光栅表面也有一层雾状物。
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