第三章进给驱动系统的故障诊断与维修

第三章进给驱动系统的故障诊断与维修3.1对伺服进给系统的要求1.调速范围宽2.定位精度高minmax/nrnn3.有足够的传动刚性和高的速度稳定性4.快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，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，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。5.低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。6.可靠性高要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。7.对电机的要求1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4）电机应能承受频繁启、制动和反转。3.2数控机床进给驱动系统的基本形式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4种。无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电机（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器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机，最终控制了步进电机的角位移。步进电机再经过减速装置（或直接连接）带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转移。因此，控制步进电机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图3-1为开环控制驱动系统的结构原理图。图3-1开环控制伺服驱动系统的结构原理图电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大为半闭环控制系统的结构原理图。图3-2半闭环控制系统结构原理图图3-3全闭环控制系统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，但是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。步进电机的步距角误差、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。采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与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，因此系统的稳定性较好。伺服电机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数（电子齿轮比）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广泛应用。如图3-2为半闭环控制系统的结构原理图。采用闭环控制系统的数控机床的特点是：机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置检测最终位移输出量。实际位移值被反馈到数控装置或伺服驱动中，它可以直接与输入的指令位移值进行比较，用误差进行控制，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上说，对于这样的闭环系统，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，它与机械传动的误差无关，显然，其精度将高于半闭环系统。而且它可以对传动系统的间隙、磨损自动补偿，其精度保持性要比半闭环系统好得多。图3-3为全闭环控制系统的结构原理图。由于闭环控制系统的工作特点，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。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“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。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。但在很多系统中，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，人们平时习惯上所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。3.3.1、步进电机的工作原理步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。3.3步进驱动系统3.3.2步进电机的分类：按转矩产生的原理可分为:1.反应式步进电机;2.永磁式步进电机;3.混合式步进电机；可变磁阻式步进电机又称为反应式步进电机，工作原理是由改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。永磁式步进电机的转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。从控制绕组数量上可分为:1.二相步进电机。2.三相步进电机。3.四相步进电机。4.五相步进电机。5.六相步进电机。从运动的型式上可分为：1.旋转步进电机。2.直线步进电机。3.平面步进电机。（一）.驱动电路：(a)(b)(c)VDCVDCVDC步进电机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用下图a双管串联电路,双极性电流一般采用下图b的H桥电路;对于三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路,c3.3.3步进电机的驱动电路、控制方式及接线图（二）步进电动机绕组电流控制电路VDCPWMA+=-=电流检测*i（三）.步进电机的接线图（一）步距角和步距误差：转子每步转过的空间机械角度，即步距角β为β=360°/Z*N其中Z-转子齿数，N-运行拍数。步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。（四）步进电机的主要特性：（二）静态矩角特性和最大静转矩特性：所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度θ，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失调角θ之间关系的曲线，或称为静转矩特性。T0步进电机矩角特性（三）启动惯频特性起动惯频特性f（Hz）JL0在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图表示启动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起动频率下降。若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。（四）步进电机矩频特性：矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外，还与步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线。连续运行距频特性MLf0（V2）（V1）V1V21.电机不运转1）驱动器无供电电压2）驱动器保险丝熔断3）驱动器报警(过电压、欠电压、过电流、过热)4）驱动器与电机连线断线5）系统参数设置不当6）驱动器使能信号被封锁7）接口信号线接触不良8）驱动器电路故障9）电机卡死或者出现故障10）电动机生锈11）指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低3.3.4步进电机常见故障及分析：2.电机起动后堵转1）指令频率太高2）负载转矩太大3）加速时间太短4）负载惯量太大5）电源电压降低3.电机运转不均匀，有抖动1）指令脉冲不均匀2）指令脉冲太窄3）指令脉冲电平不正确4）指令脉冲电平与驱动器不匹配5）脉冲信号存在噪声6）脉冲频率与机械发生共振4.电机运转不规则，正反转地摇摆1）指令脉冲频率与电机发生共振2）外部干扰5.电机定位不准1）加减速时间太小2）存在干扰噪声3）系统屏蔽不良6.电机过热：1）工作环境过于恶劣，环境温度过高2）参数选择不当，如电流过大，超过相电流3）电压过高7.工作过程中停车：1）驱动电源故障2）电动机线圈匝间短路或接地3）绕组烧坏4）脉冲发生电路故障5）杂物卡住8.噪声大1）电机运行在低频区或共振区2）纯惯性负载、短程序、正反转频繁3）磁路混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区4）永磁单向旋转步进电机的定向机构损坏9.失步或者多步1）负载过大，超过电动机的承载能力2）负载忽大忽小3）负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲4）传动间隙大小不均5）传动间隙产生的零件有弹性变形6）电动机工作在震荡失步区7）电路总清零使用不当8）干扰9）定、转子相檫10.无力或者是出力降低1）驱动电源故障2）电动机绕组内部发生错误3）电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落4）电动机轴断5）电动机定子与转子之间的气隙过大6）电源电压过低11.不能启动1）工作方式不对2）驱动电路故障3）遥控时，线路压降过大4）安装不正确，或电动机本身轴承、止口等故障使电动机不转5）N、S极接错6）长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈3.4进给伺服驱动系统SIMODRIVE6IIU6IIU驱动器模块6IIUE驱动器模块适用于SIMODRIVE611模拟型的1FT5交流伺服电机说明1FT5交流伺服电机高动态性能减少了非生产性时间大量的应用证明了其耐用性电源和信号的安装连接可以用于严重污染的环境连线较少从而简化了复杂的安装应用范围广广泛的选择性诸如集成内置式的编码器齿轮单元制动机构等1FT5交流伺服电机在整个速度设定范围内都能确保恒定的连续扭矩和恒定的过载容量。在设计中，特别注重用户操作的友好性，极高的可靠性和非常低的维护费用。1FT5交流伺服电机主要是针对运行时不需要外部冷却设备而设计的，热量会通过电机的外壳而传递出去。定子绕组和定子铁芯产生的热量可以直接通过高质量的热传导传到电机外壳。在这里，无刷、永磁同步电机显示了它独特的优点。应用:机床复杂的加工中心和自动车床专用机床传送线机器人和机械手木工机床一般的自动化任务适用于SIMODRIVE611的1FT6交流伺服电机说明1FT6交流伺服电机较高的旋转精度(正弦电流注入)工件表面质量高动态性能决定了较短的非生产性时间电源和信号连接可以用于严重污染的