第六章进给伺服系统.

数控机床维修创新型应用人才培养系列教材现代数控机床故障诊断与维修2019/12/181第六章进给伺服系统的故障诊断与维修天津工程师范学院•教学提示：进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别一般机床的一个特殊部分，它的定位精度高，跟踪指令信号响应快，稳定性好，保证进给伺服系统的正常工作对充分发挥数控机床的作用至关重要。本章分别介绍了FANUC、华中、SIEMENS进给伺服系统的分类，参数设定，常见故障诊断及维修。•教学要求：了解进给伺服系统的组成和分类，FANUC、华中、SIEMENS系统常用的进给伺服系统的分类和工作原理，数控机床常用位置检测装置的工作原理；掌握FANUC、华中、SIEMENS进给伺服系统的参数设定、初始化、常见故障的诊断与维修，数控机床常用位置检测装置常见故障的诊断与维修。2019/12/1826.1进给伺服系统概述•一、进给伺服系统的组成数控机床进给伺服系统主要由伺服驱动控制系统与数控机床进给机械传动机构两部分组成。机床进给机械传动机构通常由减速齿轮、滚珠丝杠、机床导轨和工作台拖板等组成，对于伺服驱动控制系统，按其反馈信号的有无，分为开环、半闭环和全闭环三种控制方式。对于开环伺服系统一般由步进电机驱动，它由步进电动机驱动电源与步进电动机组成。闭环控制系统是由位置环、速度环和电流环组成的三环结构。2019/12/183位置环称为外环，它的输入信号有两个，一个是数控装置给出的指令信号，另一个是由位置检测元件反馈的实际位移量信号，该信号是负反馈信号。速度环称为中环，其输入信号有两个，一个是位置环的输出信号，另一个是速度检测元件反馈的信号，该信号也是负反馈信号。电流环称为内环，它也有两个输入信号，一个是速度环输出信号，另一个是电流检测元件反馈的信号。在实际应用中，速度环和电流环制作成一个整体单位，称为速度伺服单元或简称伺服单元，也称作伺服放大器。2019/12/184三环的具体结构和各类检测元件在实际的数控机床中会有较大的变化，但是实现控制的基本思想大体是一致的。伺服单位和伺服电动批量配套使用的不同种类的伺服单元和伺服电动机之间没有互换性。根据其位置检测信号所取部位的不同，闭环伺服系统又分为半闭环与全闭环两种，如图6-1所示。2019/12/185•1．电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由厂家作好或指定了相应的匹配参数，其反馈信号一般在伺服控制系统内连接完成，因此不需接线与调整。2019/12/186•2．速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分（PI）调节器，其P、I调解值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统（导轨、传动机构）的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环（PI）调节器。速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂直运动坐标轴，位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整.2019/12/187•3．位置环是控制各坐标轴按指令位置精度定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。其中有两个方面的工作。•①位置测量元件的精度与数控系统脉冲当量的匹配问题，测量元件单位移动距离发出的脉冲数目经过外部倍频电路和/或数控系统内部倍频系数的倍频后，要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。2019/12/188•②位置环增益系数值的正确设定与调节。通常值是作为数控机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。值是数控机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。2019/12/189•4．前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能，本文不详述，只是要注意，前馈控制必须是在上述三个控制环均调试最佳后方可进行。2019/12/1810二、进给伺服系统的分类从广义上讲，位置伺服系统包括机械执行机构和电气自动控制两大组成部分。根据应用场合和对控制性能要求的不同，位置伺服系统具有多种不同的结构形式。按照系统的构造特点，大体上可以将其分为四种基本结构类型，即：开环位置伺服系统、半闭环位置伺服系统、全闭环位置伺服系统和混合闭环位置伺服系统。2019/12/1811•1．开环位置伺服系统开环位置伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系统。它的伺服机构按照指令装置发出来的位置移动指令，驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或转角进行检测，从而也无法将其与指令值进行比较。它的位置控制精度只能靠伺服机构本身的传动精度来保证。2019/12/1812早期简易型的数控机床的进给驱动位置伺服系统，常采用步进电动机为主要部件的开环位置伺服系统，组成如图6-2所示。步进电动机实质上是一种同步电动机，每当数控装置向步进电动机发出一个进给脉冲指令的时候，步进电机的转子就在此脉冲所产生的同步转矩作用下旋转一个固定的角度，通常称之为步距角，因此它是一种将电脉冲变为角位移的电磁装置。2019/12/1813这种开环位置伺服系统的位置控制精度完全依赖于步进电动机的步距角精度和齿轮、丝杠等传动部件的精度。若传动链存在误差，系统是无法随时进行修正的。加上受步进电机本身力矩频率特性的制约，系统的进给移动速度不能很高，所以这种开环位置伺服系统仅适用于那些对位置控制精度要求不高、位移速度较低的简易型数控系统。它的位置控制精度一般在0.01mm左右。但由于它结构简单、造价低、调试容易，所以仍被广泛用于各种低档的位置控制系统。开环位置伺服系统是最早被采用的伺服系统。2019/12/1814•2．半闭环位置伺服系统与开环位置伺服系统不同，半闭环位置伺服系统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统。它的位置检测装置与伺服电机同轴相连，可通过它直接测出电动机轴旋转的角位移，进而推知当前执行机械（如机床工作台）的实际位置。由于位置检测装置不是直接装在执行机械上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以被称之为半闭环，它只能间接的检知当前的位置信息，且难以随时修正、消除因电动机轴后传动链误差引起的位置误差。数控机床进给驱动最常用的半闭环位置伺服系统如图6-3所示。2019/12/1815半闭环位置伺服系统中一般常用伺服电动机（交流伺服电动机或直流伺服电动机）作执行电动机，与普通电动机相比，它具有调速范围宽和短时输出力矩大的特点。这样，系统设计时不必再为保证低速性能和增大力矩而添置减速齿轮，而可将电动机轴与丝杠（一般采用滚珠丝杠）直接连接，使传动链误差和非线性误差（齿轮间隙）减小，在机床导轨几何精度和润滑良好时，一般可以达到微米数量级的位置控制精度。2019/12/1816•3．全闭环位置伺服系统全闭环位置伺服系统典型构成如图6-4所示。它将位置检测器件直接安装在机床工作台上，从而可以获取工作台实际位置的精确信息，通过反馈闭环实现高精度的位置控制。在实际的数控机床系统中却极少采用全闭环结构方案。这主要是当采用全闭环时，机床本身的机械传动链也被包含在位置闭环中，伺服的电气自动控制部分和执行机械不再相对独立，传动的间隙、摩擦特性的非线性、传动链的刚性等，都将会影响控制系统的稳定，使系统容易产生机电共振和低速爬行。同时，工作台上的负载变化也会对系统的摩擦特性、机械惯量等产生影响，给系统的整定造成困难。2019/12/18174．混合闭环位置伺服系统系统工作时，半闭环起主要控制作用。由于半闭环中电气自动控制部分与执行机械相对独立，可以采用较高的位置增益，使系统易整定、响应快、跟踪误差小；而全闭环只用于稳态误差补偿，位置增益可选的较低以保证系统的稳定性。两者相结合可最后获得较高的位置控制精度和跟踪速度。但由于系统中同时存在两个闭环，使系统的控制复杂程度大大增加，它们之间的配合、增益调整等都必须仔细整定，位置伺服系统也因此不再具有通用性。混合闭环位置伺服系统如图6-5所示。2019/12/18186.2FANUC进给系统的故障诊断与维修•一、FANUC伺服进给系统FANUC公司从1982年开始开发PWM交流伺服控制系统，1983年形成系列产品，先后经过模拟量交流伺服、数字交流伺服S系列和全数字交流伺服系统α系列。21世纪初，FANUC公司又成功地开发出高速串行总线（FSSB）控制的全数字交流伺服系统αi系列和βi系列，实现了数控机床的高精度、高速度、高可靠性及高效节能的控制。2019/12/1819FANUC系统进给伺服接口形式有A型和B型两种形式。A型伺服接口是指进给伺服电动机的内装编码器信号反馈到CNC系统；B型伺服接口是指进给伺服电动机的内装编码器信号反馈到伺服放大器。FANUC-0C/0D系统可采用A型和B型伺服接口两种形式，多数采用A型伺服接口。FANUC-16/18/0iA系统和FANUC-16i/18i/0iB/0iC均为B型伺服接口。2019/12/1820FANUC伺服装置按主电路的电压输入时交流还是直流，可分为伺服单元（SVU）和伺服模块（SVM）两种。伺服单元的输入电源通常为三相交流电（220V，50Hz），电动机的再生能量通常通过伺服单元的再生放电单元的制动电阻消耗掉。FANUC伺服单元有α系列、β系列、βi系列。伺服模块的输入电源为直流电源（通常为300DV），电动机的再生能量通过系统电源模块反馈到电网。FANUC系统的伺服模块有α系列、αi系列。2019/12/1821•二、FANUC进给伺服系统的分类FANUC进给伺服系统分类如表6-1所示。2019/12/1822•三、伺服系统连接FANUC交流α系列伺服单元、交流ßi系列伺服单元、交流α系列伺服模块、交流αi系列伺服模块系统连接。•1．FANUC系统α系列伺服单元连接•（1）α系列伺服单元的端子功能•α系列伺服单元的结构、接口如图6-6，6-7，6-8所示。2019/12/1823其中：•L1、L2、L3：三相输入动力电源端子，交流200V。•L1C、L2C：单相输入控制电路电源端子，交流200V（出厂时与L1、L2短接）。•TH1、TH2：为过热报警输入端子（出厂时，TH1-TH2已短接），可用于伺服变压器及制动电阻的过热信号的输入。•RC、RI、RE：外接还是内装制动电阻选择端子。•RL2、RL3：MCC动作确认输出端子（MCC的常闭点）。•100A、100B：C型放大器内部交流继电器的线圈外部输入电源（α型放大器已为内部直流24V电源）。2019/12/1824•UL、VL、WL：第一轴伺服电动机动力线。•UM、VM、WM：第二轴伺服电动机动力线。•JV1B、JV2B：A型接口的伺服控制信号输入接口。•JS1B、JS2B：B型接口的伺服控制信号输入接口。•JF1、JF2：B型接口的伺服位置反馈信号输入接口。•JA4：伺服电动机内装绝对编码器电池电源接口（6V）。•CX3：伺服装置内MCC动作确认接口，一般可用于伺服单元主电路接触器的控制。•CX4：伺服紧急停止信号输入端，用于机床面板的急停开关（常闭点）。2019/12/1825•（2）α系列伺服单元的连接FANUC-0TD与α系列伺服单元的连接如图6-9所示。TC1为伺服变压器，动力电源经过TC1后由380V变为200V后连接到伺服单元的L1、L2、L3端子，作为伺服单元的主电路的输入电源。L1C、L2C分别与L1、L2相连，作为伺服单元控制电路的输入电源。伺服单元的TH1、TH2端子与伺服变压器绕组内装的热偶开关连接，作为伺服变压器的过热保护检测信号。JV1B、JV2B分别与系统轴板的M184、M187连接，作为