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摘要：伺服系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高依賴于進(jìn)給和主軸驅(qū)動的改善。并要求伺服系統(tǒng)有一定的故障診斷能力。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng),主軸進(jìn)給,故障診斷
SUMMARY：ServoSystemisactlinkofCNCSystemandmachine.TheCNCmachinetechniqueleveldependsonthefeedandspindledrive’simprove.Andrequiresservosystemhasacapabilitytodiagnosethetrouble.
KEYWORDS：ServoSystem，mainspindlefeed,diagnosethetrouble
前言：伺服驅(qū)動系統(tǒng)（ServoSystem）簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動慣量。（使用在機(jī)電系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了能夠和絲杠等機(jī)械部件直接相連。伺服電機(jī)有一種專門的小慣量電機(jī)，為了得到極高的響應(yīng)速度。但這類電機(jī)的過載能力低，當(dāng)使用在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時，必須加減速裝置。轉(zhuǎn)動慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機(jī)時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的3倍。）較大等特點(diǎn)，這類專用的電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒有什么不同。該類電機(jī)的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時簡稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。
一概述
伺服系統(tǒng)是以機(jī)械運(yùn)動的驅(qū)動設(shè)備，電動機(jī)為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動機(jī)械的運(yùn)動要求。具體在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動機(jī)和機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)驅(qū)動機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。作為數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。
1伺服驅(qū)動系統(tǒng)的作用：
伺服驅(qū)動系統(tǒng)是CNC裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。CNC裝置發(fā)出的控制信息，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動，完成程序所規(guī)定的操作。伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服驅(qū)動系統(tǒng)作用有：
（1）伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有放大控制信號的能力；
（2）根據(jù)CNC裝置發(fā)出的控制信號對機(jī)床移動部件的位置和速度進(jìn)行控制。
2數(shù)控機(jī)床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求：
數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動機(jī)床，精密機(jī)床和萬能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率，高精度和高柔性集中于一體。
（1）可逆運(yùn)行
（2）速度范圍寬
（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性
（4）響應(yīng)快速并無超調(diào)
（5）高精度
（6）低速度大轉(zhuǎn)矩
二伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類
數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。
1.進(jìn)給驅(qū)動與主軸驅(qū)動
進(jìn)給驅(qū)動是用于數(shù)控機(jī)床工作臺或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動，并提供切削過程所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。一般地，對于進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。
2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制
數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成如圖所示。數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無反饋檢測單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型(見數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類)，這兩種類型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動控制單元都必不可少。驅(qū)動控制單元的作用是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則將該信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械位移。
開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進(jìn)電機(jī)。執(zhí)行元件對系統(tǒng)的特性具有重要影響。
閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機(jī)床，以及反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)組成。反饋檢測單元將工作臺的實(shí)際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進(jìn)行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)驅(qū)動控制單元，驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運(yùn)動。
在CNC系統(tǒng)中，由于計算機(jī)的引入，比較控制環(huán)節(jié)的功能由軟件完成，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些改變，但基本上還是由執(zhí)行元件、反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動控制單元和機(jī)床組成。
3.直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動
70年代和80年代初，數(shù)控機(jī)床多采用直流伺服驅(qū)動。直流大慣量伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)，而且，由于電機(jī)慣性與機(jī)床傳動部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機(jī)及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動裝置，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電機(jī)一個最大的特點(diǎn)是具有電刷和機(jī)械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應(yīng)用受到限制。
進(jìn)入80年代，在電機(jī)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)大舉進(jìn)入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機(jī)容易維修，制造簡單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機(jī)比直流電機(jī)將更合理。
三數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的故障診斷
數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障占機(jī)床總故障的比率較高。由于伺服系統(tǒng)涉及的環(huán)節(jié)較多，加之種類繁多、技術(shù)原理各具特色，給維修診斷帶來困難，因此歸納一些故障診斷方法很有必要。
數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的移動定位是由位置伺服系統(tǒng)來完成的。位置伺服系統(tǒng)一般采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制。(半)閉環(huán)控制的特點(diǎn)就是任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)定位不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定或失效。診斷定位故障環(huán)節(jié)就成為維修的關(guān)鍵。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)接口的特性，對系統(tǒng)進(jìn)行分解判斷，已成為行之有效的方法。
1主軸伺服系統(tǒng)的故障及診斷方法
當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常有三種表現(xiàn)形式：一是在CRT或操作面板上顯示報警信息或報警內(nèi)容；二是在主軸驅(qū)動裝置上用警報燈數(shù)碼管顯示主軸驅(qū)動裝置的故障；三是主軸工作不正常，但無任何報警信息，主軸伺服系統(tǒng)常見的故障有：
（1）、外界干擾
由于受電磁干擾，屏蔽和接地措施不良，主軸轉(zhuǎn)速指令信號或反饋信號受到干擾，使主軸驅(qū)動出現(xiàn)隨機(jī)和無規(guī)律性的波動。判別有無干擾的方法是：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速指令為零時，主軸仍往復(fù)轉(zhuǎn)動，調(diào)整零速平衡和漂移補(bǔ)償也不能消除故障。
（2）、過載
切削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸電動機(jī)過熱、主軸驅(qū)動張制顯示過電流報警等。
（3）、主軸定位抖動
主軸準(zhǔn)停用于刀具交換，精鏜退刀以及齒輪換檔等場合，有三種實(shí)現(xiàn)方式：
（1）機(jī)械準(zhǔn)停控制
（2）磁性傳感器的電氣準(zhǔn)停控制
（3）編碼器型的準(zhǔn)停控制
（4）、主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配
當(dāng)進(jìn)行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令切削時，會出現(xiàn)停止進(jìn)給，主軸仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。要執(zhí)行每轉(zhuǎn)進(jìn)給的指令，主軸必須有每轉(zhuǎn)一個脈沖的反饋信號，一般情況下為主軸編碼器有問題。可以用下列方法來確定：1.CRT畫面有報警顯示。2.通過CRT調(diào)用機(jī)床數(shù)據(jù)或I/O狀態(tài)，觀察編碼器的信號狀態(tài)，3.用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給來執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。
（5）、轉(zhuǎn)速偏離指令值
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時，要考慮：1.電動機(jī)過載。2.CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（通常為0—+-10V）沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的值。3.測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。4.主軸驅(qū)動裝置故障。
（6）、主軸異常噪聲及振動
首先要區(qū)別異常噪聲及振動發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是在電氣驅(qū)動部分。1.在減速過程中發(fā)生一般是又驅(qū)動裝置造成的，如交流驅(qū)動中的再生回路故障。2.在恒轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生，可通過觀察主軸電動機(jī)自由停車過程中是否有噪音和振動的來區(qū)別，如存在，則主軸機(jī)械部分有問題3.檢查
振動周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)。如無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動裝置未調(diào)整好；如有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否良好，測速裝置是否不良。
（7）、主軸電動機(jī)不轉(zhuǎn)
CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動裝置除了轉(zhuǎn)速模擬量控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。1.檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。2.檢查能使信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC圖形（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。3.主軸驅(qū)動裝置故障。4.主軸電動機(jī)故障。
四進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障及診斷方法
1．超程
當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動超過由軟件設(shè)定的軟限位或由限位開關(guān)設(shè)定的硬限位時，就會發(fā)生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內(nèi)容，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)說明書，即可排除故障，解除報警。
2．過載
當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動的負(fù)載過大，頻繁正、反向運(yùn)動以及傳動鏈潤滑狀態(tài)不良時，均會引起過載報警。一般會在CRT上顯示伺服電動機(jī)過載、過熱或過流等報警信息。同時，在強(qiáng)電柜中的進(jìn)給驅(qū)動單元上、指示燈或數(shù)碼管會提示驅(qū)動單元過載、過電流等信息。
3．竄動
在進(jìn)給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象：①測速信號不穩(wěn)定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等；②速度控制信號不穩(wěn)定或受到干擾；③接線端子接觸不良，如螺釘松動等。當(dāng)竄動發(fā)生在由正方向運(yùn)動與反向運(yùn)動的換向瞬間時，一般是由于進(jìn)給傳動鏈的反向間隙或伺服系統(tǒng)增益過大所致。
4．爬行
發(fā)生在起動加速段或低速進(jìn)給時，一般是由于進(jìn)給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益低及外加負(fù)載過大等因素所致。尤其要注意的是：伺服電動機(jī)和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于聯(lián)接松動或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉(zhuǎn)動與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動不同步，從而使進(jìn)給運(yùn)動忽快忽慢，產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。
5．機(jī)床出現(xiàn)振動
機(jī)床以高速運(yùn)行時，可能產(chǎn)生振動，這時就會出現(xiàn)過流報警。機(jī)床振動問題一般屬于速度問題，所以就應(yīng)去查找速度環(huán)；而機(jī)床速度的整個調(diào)節(jié)過程是由速度調(diào)節(jié)器來完成的，即凡是與速度有關(guān)的問題，應(yīng)該去查找速度調(diào)節(jié)器，因此振動問題應(yīng)查找速度調(diào)節(jié)器。主要從給定信號、反饋信號及速度調(diào)節(jié)器本身這三方面去查找故障。
6．伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)
數(shù)控系統(tǒng)至進(jìn)給驅(qū)動單元除了速度控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。伺服電動機(jī)不轉(zhuǎn)，常用診斷方法有：①檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出；②檢查使能信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖(或流程圖)，以確定進(jìn)給軸的起動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足；③對帶電磁制動的伺服電動機(jī)，應(yīng)檢查電磁制動是否釋放；④進(jìn)給驅(qū)動單元故障；⑤伺服電動機(jī)故障。
為了使數(shù)控系統(tǒng)能更好地加工零件，要加強(qiáng)對伺服系統(tǒng)及其故障診斷的了解。
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