数控进给伺服系统常见故障浅析

天津滨海职业学院毕业论文目录摘要……………………………………………………………………………………1前言……………………………………………………………………………………2第一章数控伺服系统………………………………………………………………31.1伺服系统……………………………………………………………………31.1.1伺服系统的组成……………………………………………………31.2伺服驱动系统的工作原理…………………………………………………41.2.1开环控制系统………………………………………………………41.2.2半闭环控制系统……………………………………………………51.2.3闭环控制系统………………………………………………………6第二章数控进给伺服系统的常见故障分析………………………………………82.1进给伺服系统概述…………………………………………………………82.2数控机床进给伺服系统常见故障分析……………………………………82.2.1步进电动机伺服驱动系统…………………………………………82.2.2步进电动机驱动系统的常见故障及其维修………………………82.2.3直流进给驱动系统………………………………………………102.2.4直流（PWM）进给驱动系统的故障诊断与维修…………………102.2.5直流伺服电动机的维护…………………………………………122.2.6交流伺服电动机故障诊断………………………………………12第三章进给伺服系统的常见故障形式及定位……………………………………143.1进给伺服系统的故障形式………………………………………………143.2故障定位…………………………………………………………………20结论…………………………………………………………………………………21致谢…………………………………………………………………………………22参考文献……………………………………………………………………………23天津滨海职业学院毕业论文1摘要本文概述了数控机床伺服系统和进给伺服系统及其工作原理，并结合了实际工作中数控机床进给伺服系统常见的故障现象，分析了进给伺服系统几类故障（如超程、过载、回参考点故障、伺服电机不转、振动、位置误差、爬行、漂移等）的原因及应对措施，并给出了维修这些故障的常用方法。关键词：数控伺服系统，进给伺服系统，原理，常见故障天津滨海职业学院毕业论文2前言数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台(即工件)相对于刀具运动的控制系统。它由进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链组成，其任务是完成各坐标轴的位置控制，在整个系统中它又包括位置环、速度环和电流环。在这些环节中，任何一环出现异常或故障都会对伺服系统的正常工作造成影响。因而，它是实现数控机床加工目的的关键环节，也是数控机床故障的高发区域。数控机床常见故障有三分之一以上发生在机床的进给伺服系统。总的来说对于进给伺服系统的故障诊断分析，应以区分内因和外因为前提。所谓外因指的是伺服系统启动的条件是否满足，例如供给伺服系统的电源是否正常，供给伺服系统的信号是否出现，伺服系统的参数设置是否正确；内因指的是确认伺服系统故障，在满足正常供电及驱动条件下，伺服系统能不能正常驱动伺服电动机的运动。现在我将通过典型实例及在使用数控机床过程中经常遇到的进给伺服系统故障的分析和排除方法写于此，希望本文能为我国数控技术的推广应用有所帮助。天津滨海职业学院毕业论文3第一章数控伺服系统1.1伺服驱动系统数控机床的驱动系统主要包括伺服控制系统和电机两个部分，其作用是直接驱动各种机械执行机构完成预定的工作任务。驱动装置位于数控装置和机床工作装置之间，包括进给伺服驱动装置和主轴驱动装置其动能是在控制信息的作用下为系统提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。伺服系统是以驱动装置——电动机位控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电动机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证运动的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。1.1.1伺服驱动系统的组成数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。如图1-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服系统的组成不完全相同。但是不管哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。天津滨海职业学院毕业论文4图1-1伺服驱动系统的基本组成开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机，执行元件对系统的特性有重要影响。闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床、反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。1.2伺服驱动系统的工作原理数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。1.2.1开环控制系统无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电动机作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出脉冲，经过步进电动机的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角和转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图驱动控制元件执行元件机床反馈检测单元比较控制环节天津滨海职业学院毕业论文51-2所示为开环控制伺服驱动系统的结构原理图。采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本低，但由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度，特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。图1-2开环控制伺服驱动系统的结构原理图1.2.2半闭环控制系统半闭环控制数控机床的特点是机床的传动丝杠或伺服电机上装有角位移检测装置（如光电编码器等），通过它可以检测电动机或丝杠的转角，从而间接地检测了移动部件的位移。角位移信号等被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，因此间接地控制了移动部件的移动速度与位移量。这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统。采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制以机械传动间有明显的分界，因此调试、维修与故障诊断较方便。且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统稳定性较好。伺服电动机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接连接或通过减速装置连接；位置检测单元和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛的驱动电源步进电机位移指令工作台天津滨海职业学院毕业论文6应用。如图1-3和图1-4所示均为半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图。其中，图1-3为伺服电动机内装编码器的情况，图1-4为编码器安装于丝杠上的情况。图1-3半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图（一）图1-4半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图（二）1.2.3闭环控制系统由于闭环控制系统的特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。大大简化机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。位移指令比较电路D/A速度控制电机工作台速度测量位置反馈位移指令比较电路D/A速度控制电机工作台速度测量位置反馈天津滨海职业学院毕业论文7从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在多数系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，习惯上说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。闭环伺服系统如图1-5所示，这种系统由比较环节、驱动线路、伺服电动机、检测反馈单元组成。安装在工作台的位置检测装置，将工作台的实际位移量测出并转换成电信号，经反馈线路与指令信号进行比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电动机带动工作台移动，直至差值消除时才停止修正动作。该系统精度理论上取决于测量位置的精度，消除了放大和传动部分的误差、间隙误差等的直接影响。但系统比较复杂，调试和维修较困难，对检测元件要求较高，且有一定的保护措施，成本较高。适用于大型或比较精密的数控设备。图1-5闭环控制伺服驱动系统结构原理图位置指令位置调节伺服放大伺服电动机工作台传动机构速度调节速度测量装置位置测量装置天津滨海职业学院毕业论文8第二章数控机床进给伺服系统常见故障及分析2.1进给伺服系统概述进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链等组成。进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据，经差补运算后得到位置控制指令。同时，位置检测装置将实际位置检测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服电动机带动滚珠丝杠传动进行进给运动。伺服电动机上的测速装置将电动机转速信号与速度控制指令比较，构成速度控制。其中驱动装置在结构上有：单片式和模块式。2.2数控机床进给伺服系统常见故障分析2.2.1步进电动机伺服驱动系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电动机，又称脉冲电动机。对步进电动机输入一个控制脉冲，则步进电动机输出一个位移，称为一步。步进电动机伺服驱动系统中，输入的脉冲数决定步进电动机的位移量；脉冲频率决定步进电动机的位移速度；脉冲的相序决定步进电动机的位移方向。步进电动机具有快速启动、制动和反转功能。当停止输入控制脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电动机就可以保持在某一固定位置上。因此，步进电动机具有自整步的能力，而且没有积累误差，所以定位精度较高。2.2.2步进电动机驱动系统的常见故障及其维修（1）步进驱动器故障故障现象：驱动器上的绿色发光二极