數(shù)控機床進給系統(tǒng)故障診斷及維修

1、第 4章數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維修進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的性能，直接影響了加工工件的精度。對它做好良好的維護與維修，是數(shù)控機床的關鍵。本章主要內(nèi)容：對數(shù)控機床進給驅(qū)動系統(tǒng)作一半的介紹；介紹步進驅(qū)動系統(tǒng)的原理和主要特性作簡單介紹后，列出了步進驅(qū)動系統(tǒng)的主要故障及排除，并列出相應維修實例。簡介了進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)，列出了進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的主要報警及處理、主要故障及排除，并列出了維修實例。4.1 進給驅(qū)動系統(tǒng)概述進給驅(qū)動系統(tǒng)的性能在一定程度上決定了數(shù)控系統(tǒng)的性能， 決定了數(shù)控機床的檔次，因此，在數(shù)控技術(shù)發(fā)展的歷程中，進給驅(qū)動系統(tǒng)的研制和發(fā)展總是放在首要的位置。數(shù)控系統(tǒng)所發(fā)出

2、的控制指令，是通過進給驅(qū)動系統(tǒng)來驅(qū)動機械執(zhí)行部件，最終實現(xiàn)機床精確的進給運動的。 數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)是一種位置隨動與定位系統(tǒng)，它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的運動命令，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數(shù)控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。4.1.1數(shù)控機床對進給驅(qū)動系統(tǒng)的要求1. 調(diào)速范圍要寬調(diào)速范圍 rn 是指進給電動機提供的最低轉(zhuǎn)速nmin 和最高轉(zhuǎn)速 nmax 之比，即：rn =nmin/nmax。在各種數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材料、主軸轉(zhuǎn)速以及零件加工工藝要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅(qū)動

3、系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼臒o級調(diào)速范圍（通常大于 1 10000）。尤其在低速（如 <0.1r/min）時，要仍能平滑運動而無爬行現(xiàn)象。脈沖當量為 1 m/P 情況下，最先進的數(shù)控機床的進給速度從 0240m/min 連續(xù)可調(diào)。但對于一般的數(shù)控機床， 要求進給驅(qū)動系統(tǒng)在 024m/min 進給速度下工作就足夠了。2. 定位精度要高使用數(shù)控機床主要是為了： 保證加工質(zhì)量的穩(wěn)定性、 一致性，減少廢品率；解決復雜曲面零件的加工問題；解決復雜零件的加工精度問題，縮短制造周期等。數(shù)控機床是按預定的程序自動進行加工的，避免了操作者的人為誤差，但是，它不可能應付事先沒有預料到的情況。就是說，數(shù)控機床不能像普

4、通機床那樣，可隨時用手動操作來調(diào)整和補償各種因素對加工精度的影響。因此，要求進給驅(qū)動系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性和較高的剛度，從而達到較高的定位精第 1 頁度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差（目前進給伺服系統(tǒng)的分辨率可達 1m 或 0.1 m，甚至 0.01 m）；同時進給驅(qū)動系統(tǒng)還要具有較好的動態(tài)性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。3. 快速響應，無超調(diào)為了提高生產(chǎn)率和保證加工質(zhì)量，除了要求有較高的定位精度外，還要求有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。一方面，在啟、制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短進給系統(tǒng)的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。一般電動機的速度從零變

5、到最高轉(zhuǎn)速，或從最高轉(zhuǎn)速降至零的時間在 200ms 以內(nèi)，甚至小于幾十毫秒。這就要求進給系統(tǒng)要快速響應，但又不能超調(diào)，否則將形成過切，影響加工質(zhì)量；另一方面，當負載突變時，要求速度的恢復時間也要短，且不能有振蕩，這樣才能得到光滑的加工表面。要求進給電動機必須具有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的制動轉(zhuǎn)矩， 盡可能小的機電時間常數(shù)和起動電壓。電動機具有 4000r/s2以上的加速度。4. 低速大轉(zhuǎn)矩，過載能力強數(shù)控機床要求進給驅(qū)動系統(tǒng)有非常寬的調(diào)速范圍， 例如在加工曲線和曲面時，拐角位置某軸的速度會逐漸降至零。這就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)在低速時保持恒力矩輸出，無爬行現(xiàn)象，并且具有長時間內(nèi)較強的過載能力，和頻繁的起動

6、、反轉(zhuǎn)、制動能力。一般，伺服驅(qū)動器具有數(shù)分鐘甚至半小時內(nèi) 1.5 倍以上的過載能力，在短時間內(nèi)可以過載 46 倍而不損壞。5. 可靠性高數(shù)控機床，特別是自動生產(chǎn)線上的設備要求具有長時間連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，同時數(shù)控機床的維護、維修也較復雜，因此，要求數(shù)控機床的進給驅(qū)動系統(tǒng)可靠性高、工作穩(wěn)定性好，具有較強的溫度、濕度、振動等環(huán)境適應能力，具有很強的抗干擾的能力。4.1.2進給驅(qū)動系統(tǒng)的基本形式進給驅(qū)動系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)控制兩種控制方式， 根據(jù)控制方式， 我們把進給驅(qū)動系統(tǒng)分為步進驅(qū)動系統(tǒng)和進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)。 開環(huán)控制與閉環(huán)控制的主要區(qū)別為是否采用了位置和速度檢測反饋元件組成了反饋系統(tǒng)。 閉環(huán)控制一

7、般采用伺服電動機作為驅(qū)動元件， 根據(jù)位置檢測元件所處在數(shù)控機床不同的位置，它可以分為半閉環(huán)、全閉環(huán)和混合閉環(huán)三種。1. 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無位置反饋裝置的控制方式就稱為開環(huán)控制，采用開環(huán)控制作為進給驅(qū)動系統(tǒng)，則稱開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。一般使用步進驅(qū)動系統(tǒng)（包括電液脈沖馬達）作為伺服執(zhí)行元件。所以也叫步進驅(qū)動系統(tǒng)。在開環(huán)控制系統(tǒng)中，數(shù)控裝置輸出的脈沖，經(jīng)過步進驅(qū)動器的環(huán)形分配器或脈沖分配軟件的處理，在驅(qū)動電路中進行功率放大后控制步進電動機，最終控制步進電動機的角位移。步進電動機再經(jīng)過減速裝置（一般為同步帶，或直接連接）帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠將角位移轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。因此，控制步進電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速，就

8、可以CNC 指令步進電源步進傳動機床驅(qū)動器電動機機構(gòu)工作臺間接控制移動部件的移動，俗稱位移量。圖 4-1 為開環(huán)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。第 2 頁圖 4-1 開環(huán)控制的進給驅(qū)動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)的數(shù)控機床結(jié)構(gòu)簡單，制造成本較低，但是由于系統(tǒng)對移動部件的實際位移量不進行檢測， 因此無法通過反饋自動進行誤差檢測和校正。另外，步進電動機的步距角誤差、齒輪與絲杠等部件的傳動誤差，最終都將影響被加工零件的精度。特別是在負載轉(zhuǎn)矩超過輸出轉(zhuǎn)矩時，將導致的“丟步”，使加工出錯。因此，開環(huán)控制僅適用于加工精度要求不高，負載較輕且變化不大的簡易、經(jīng)濟型數(shù)控機床上。2. 半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)圖 4-2 所示為半閉環(huán)

9、數(shù)控系統(tǒng)的進給控制框圖。半閉環(huán)位置檢測方式一般將位置檢測元件安裝在電動機的軸上（通常已由電動機生產(chǎn)廠家安裝好），用以精確控制電動機的角度，然后通過滾珠絲杠等傳動機構(gòu)，將角度轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移，如果滾珠絲杠的精度足夠高，間隙小，精度要求一般可以得到滿足。而且傳動鏈上有規(guī)律的誤差（如間隙及螺距誤差）可以由數(shù)控裝置加以補償，因而可進一步提高精度，因此在精度要求適中的中、小型數(shù)控機床上半閉環(huán)控制得到了廣泛的應用。位置控制單元速度控制單元+位置控制調(diào)節(jié)+速度控制機械執(zhí)行部件-器-調(diào)節(jié)與驅(qū)動實際位實際速電機度反饋置反饋檢測與反饋單元圖 4-2：半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給控制框圖半閉環(huán)方式的優(yōu)點是它的閉環(huán)環(huán)路短

10、（不包括傳動機械），因而系統(tǒng)容易達到較高的位置增益，不發(fā)生振蕩現(xiàn)象。它的快速性也好，動態(tài)精度高，傳動機構(gòu)的非線性因素對系統(tǒng)的影響小。但如果傳動機構(gòu)的誤差過大或誤差不穩(wěn)定，則數(shù)控系統(tǒng)難以補償。例如由傳動機構(gòu)的扭曲變形所引起的彈性變形，因其與負載力矩有關，故無法補償。由制造與安裝所引起的重復定位誤差，以及由于環(huán)境溫度與絲杠溫度的變化所引起的絲杠螺矩誤差也不能補償。 因此要進一步提高精度，只有采用全閉環(huán)控制方式。3. 全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)圖 4-3 所示為全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給控制框圖。全閉環(huán)方式直接從機床的移動部件上獲取位置的實際移動值，因此其檢測精度不受機械傳動精度的影響。但不能認為全閉環(huán)方式可以降低對傳

11、動機構(gòu)的要求。 因閉環(huán)環(huán)路包括了機械傳動機構(gòu)，它的閉環(huán)動態(tài)特性不僅與傳動部件的剛性、慣性有關，而且還取決于阻尼、油的粘度、滑動面摩擦系數(shù)等因素。這些因素對動態(tài)特性的影響在不同條件下還會發(fā)生變化，這給位置閉環(huán)控制的調(diào)整和穩(wěn)定帶來了困難，導致調(diào)整閉環(huán)環(huán)路時必須要降低位置增益， 從而對跟隨誤差與輪廓加工誤差產(chǎn)生了不利影響。所以采用全閉環(huán)方式時必須增大機床的剛性，改善滑動面的摩擦特性，減小傳動間隙，這樣才有可能提高位置增益。全閉環(huán)方式廣泛應用在精度要求較高的大型數(shù)控機床上。第 3 頁由于全閉環(huán)控制系統(tǒng)的工作特點，它對機械結(jié)構(gòu)以及傳動系統(tǒng)的要求比半閉環(huán)更高，傳動系統(tǒng)的剛度、間隙、導軌的爬行等各種非線性因

12、素將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，嚴重時甚至產(chǎn)生振蕩。解決以上問題的最佳途經(jīng)是采用直線電動機作為驅(qū)動系統(tǒng)的執(zhí)行器件。采用直線電動機驅(qū)動，可以完全取消傳動系統(tǒng)中將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動的環(huán)節(jié)，大大簡化機械傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了所謂的“零傳動”。它從根本上消除了傳動環(huán)節(jié)對精度、剛度、快速性、穩(wěn)定性的影響，故可以獲得比傳統(tǒng)進給驅(qū)動系統(tǒng)更高的定位精度、快進速度和加速度位置控制單元速度控制單元CNC+位置控制調(diào)節(jié)+速度控制插補機械執(zhí)行部件-器-調(diào)節(jié)與驅(qū)動指令實際位實際速電機度反饋置反饋檢測與反饋單元圖 4-3：全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)進給控制框圖4. 混合式閉環(huán)控制圖 4-4 所示為混合閉環(huán)控制?；旌祥]環(huán)方式采用半閉環(huán)與全

13、閉環(huán)結(jié)合的方式。它利用半閉環(huán)所能達到的高位置增益，從而獲得了較高的速度與良好的動態(tài)特性。它又利用全閉環(huán)補償半閉環(huán)無法修正的傳動誤差，從而提高了系統(tǒng)的精度?；旌祥]環(huán)方式適用于重型、超重型數(shù)控機床，因為這些機床的移動部件很重，設計時提高剛性較困難。指令電源進給伺服傳動機床CNC驅(qū)動器 速度 / 位 電動機機構(gòu)工作臺位置置反饋反饋位置反饋位置反饋圖 4-4混合閉環(huán)控制的進給驅(qū)動系統(tǒng)4.2 步進驅(qū)動系統(tǒng)常見故障及排除步進驅(qū)動系統(tǒng)簡單來說，包括有步進電動機和步進驅(qū)動器。4.2.1 步進電動機原理簡介及分類1. 步進電動機原理簡介步進電動機流行于 70 年代，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制容易、維修方面，且控制為全

14、數(shù)字化；是一種能將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化成一個步距角增量的電磁執(zhí)行元件；能很方便地將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤差的優(yōu)點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動機使用。隨第 4 頁著計算機技術(shù)的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其它部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結(jié)構(gòu)。因此，至今國內(nèi)外對這種系統(tǒng)仍在進一步開發(fā)。但是，由于步進電動機基本上是用開環(huán)系統(tǒng)，精度不高，不能應用于中高檔數(shù)控機床；步進電動機耗能大，速度低 (遠不如交、直流電動機 )。因此，目前步進電動機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經(jīng)濟型數(shù)控，打印機、繪圖機等計算機的外部設備。步進電動機是一種同步電動機， 其

15、結(jié)構(gòu)同其它電動機一樣， 由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子為激磁場，其激磁磁場為脈沖式，即磁場以一定頻率步進式旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子則隨磁場一步一步前進。2. 步進電動機分類步進電動機按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的原理可分為反應式、永磁式及混合式步進電動機；從控制繞組數(shù)量上可分為二相、三相、四相、五相、六相步進電動機；從電流的極性上可分為單極性和雙極性步進電動機；從運動的型式上可分為旋轉(zhuǎn)、直線、平面步進電動機。4.2.2 步進電動機的驅(qū)動電路控制方式和應用舉例1. 步進電動機的驅(qū)動電路控制方式步進電動機繞組的驅(qū)動電路， 單極性電流一般采用圖 4-5<a>雙管串聯(lián)電路 , 雙極性電流一般采用圖 4-5<b>的 H

16、 橋電路 ; 對于三相混合式步進電動機則采用三相逆變橋電路 , 見圖 4-5<c>VDCVDCVDC(a)(b)(c)圖 4-5 步進電動機驅(qū)動電路第 5 頁圖7 步進電機繞組驅(qū)動電路2. 開環(huán)控制系統(tǒng)的應用舉例以 SH-50806A五相步進驅(qū)動器為例，步進進給驅(qū)動裝置的基本接口如圖4-6 所示。步進驅(qū)動裝置驅(qū)動變壓器SH-50806A驅(qū)動電源AC 1PAC80XS30屏蔽層CNI/FAC80380/8014CP+CW+3A+CNC7CP-CW-4A-15DIR+CCW+ 5B+8DIR-CCW- 6C+B-13GNDC-電機電源D+D-E+E-步進電機FG伺服電機指令接口電源接口

17、電動機驅(qū)動接口圖 4-6 進給驅(qū)動裝置的基本接口（以 SH-50806A五相 步進驅(qū)動器為例）3. 百格拉公司步進電機 WD3-007的面板接線圖 4-7 。PULSE/CW+PULSE/CW-DIR/CCW+DIR/CCW-RESET+RESET-READYREADY信號接口：PULSE+電機輸入控制脈沖信號；DIR+電機轉(zhuǎn)動方向控制信號；RESET+復位信號，用于封鎖輸入信號；READY+報警信號；PULSE、-DIR-、RESET和-READY短-接為公共地；RDYTEMPFLTMOT.CURRSTEP1STEP2CURR.REDPULSE.SYSDC+DC-UVWPELNPE狀態(tài)指示：

18、RDY燈亮表示驅(qū)動器正常工作；TEMP燈亮表示驅(qū)動器超溫；FLT燈亮表示驅(qū)動器故障；功能選擇：MOT.CURR設置電機相電流；STEP1、STEP2設置電機每轉(zhuǎn)的步數(shù)；PULSE.SYS可設置成“脈沖和方向”控制方式；也可設置成“正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)”控制方式；CURR.RED用于設置半流功能；功率接口：DC+和DC-接制動電容（用戶使用時請與代理商聯(lián)系）；U、V、W接電機動力線，PE是地；L、N接供電電源；WD3-007圖 4-7 ： WD3-007步進電動機的面板接線圖控制信號說明：PULSE：脈沖信號輸入端，每一個脈沖的上升沿使電動機轉(zhuǎn)動一步。第 6 頁DIR：方向信號輸入端，如“DIR”為低電平

19、，電機按順時針方向旋轉(zhuǎn)；“ DIR”為高電平電機按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。CW：正轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機正向轉(zhuǎn)動一步。CCW：反轉(zhuǎn)信號，每個脈沖使電機反向轉(zhuǎn)動一步。RESET：復位信號，如復位信號為低電平時 , 輸入脈沖信號起作用，如果復位信號為高電平時就禁止任何有效的脈沖，輸入信號無效，電機無保持扭矩。READDY:輸入報警信號： READY是繼電器開關，當驅(qū)動器正常工作時繼電器閉合，當驅(qū)動器工作異常時繼電器斷開。 繼電器允許最高輸入電壓和電流是：35VDC，10mA I 200mA，電阻性負載。如用該繼電器，要把他串聯(lián)到 CNC的某輸入端。當驅(qū)動器正常工作時繼電器閉合， 外部 24VDC通過繼電器

20、輸入到 CNC 輸入端，否則外部 24VDC無法輸入到 CNC輸入端。注意： PULSE+與 CW+， PULSE與- CW，-DIR- 與 CCW對-應同一個接線口，按控制方式不同給出的兩種定義名稱。4.2.3步進電動機的主要特性1. 步距角和步距誤差轉(zhuǎn)子每步轉(zhuǎn)過的空間機械角度，即步距角 為=360°o/Z 2 *N其中 Z 2- 轉(zhuǎn)子齒數(shù)， N-運行拍數(shù)。步進電動機每走一步，轉(zhuǎn)子實際的角位移與設計的步距角存在有步距誤差。連續(xù)走若干步時，上述誤差形成累積值。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一圈后，回至上一轉(zhuǎn)的穩(wěn)定位置，因此步進電動機步距的誤差不會長期積累。步進電動機步距的積累誤差，是指一轉(zhuǎn)范圍內(nèi)步距積累誤

21、差的最大值， 步距誤差和積累誤差通常用度、分或者步距角的百分比表示。 影響步距誤差和積累誤差的主要因素有 : 齒與磁極的分度精度；鐵心迭壓及裝配精度；各相矩角特性之間差別的大??；氣隙的不均勻程度等。2. 靜態(tài)矩角特性和最大靜轉(zhuǎn)矩特性所謂靜態(tài)是指電動機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時的工作狀態(tài)?？蛰d時，步進電動機某相通以直流電流時，該相對應的定、轉(zhuǎn)子齒對齊，這時轉(zhuǎn)子無轉(zhuǎn)矩輸出。如在電動機軸上加一順時針方向的負載轉(zhuǎn)矩，步進電動機轉(zhuǎn)子則按順時針方向轉(zhuǎn)過一個小角度，稱為失調(diào)角 , 這時轉(zhuǎn)子電磁轉(zhuǎn)矩T 與負載轉(zhuǎn)矩相等。矩角特性是描述步進電動機穩(wěn)態(tài)時，電磁轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角 之間關系的曲線，或稱為靜轉(zhuǎn)矩特性。見圖4-

22、7 。第 7 頁T0圖10 步進電機矩角特性圖 4-7 步進電動機矩角特性3. 步進電動機矩頻特性矩頻特性是用來描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩寫連續(xù)運行頻率之間的關系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進電動機結(jié)構(gòu)及材料有關外，還與步進電動機繞組連接、驅(qū)動電路、驅(qū)動電壓有密切的關系。如圖4-8（a）所示的并聯(lián)繞組和串聯(lián)繞組的矩頻特性圖。圖 4-8（b）是混合式步進電動機連續(xù)運行時的典型的矩頻特性曲線。TNmM L繞組并聯(lián)繞組串聯(lián)（V 1）V1>V 2（V 2）0f0f圖 4-8 （a） 步進電動機矩頻特性4-8（b）連續(xù)運行距頻特性4.啟動慣頻特性

23、第 8 頁在負載轉(zhuǎn)矩 ML=0 的條件下，步進電動機由靜止狀態(tài)突然啟動，不丟步地進入正常運行狀態(tài)所允許的最高啟動頻率，稱為啟動頻率或突跳頻率，超過此值就不能正常啟動。啟動頻率與機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量有關，包括步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，加上其它運動部件折算至步進電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。下圖4-9表示啟動頻率與負載轉(zhuǎn)動慣量之間的關系。隨著負載慣量的增加，起動頻率下降。若同時存在負載轉(zhuǎn)矩ML；則起動頻率將進一步降低。在實際應用中，由于ML 的存在，可采用的啟動頻率要比慣頻特性還要低。f （ Hz）0JL圖 4-9步進電機起動慣頻特性4.2.4步進驅(qū)動裝置常見故障及排除正如前所述，步進驅(qū)動是開環(huán)控制系統(tǒng)中最

24、常選用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)。開環(huán)進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應用。使用過程中，步進驅(qū)動系統(tǒng)常見如下故障：1. 電動機過熱報警， 可能原因及故障排除見表 4-1 。表 4-1 ：步進電動機過熱的報警綜述故障現(xiàn)象可能原因排除措施有些系統(tǒng)會報警，顯工作環(huán)境過于惡劣，環(huán)境重新考慮機床應用條示電動機過熱。用手溫度過高件，改善工作環(huán)境摸電動機，會明顯感參數(shù)選擇不當，如電流過根據(jù)參數(shù)說明書，重新覺溫度不正常，甚至大，超過相電流設置參數(shù)燙手電壓過高建議穩(wěn)壓電源2. 工作中，尖叫后不轉(zhuǎn) ，具體情況為加工或運行過程中， 驅(qū)動器或步進電動機發(fā)出

25、刺耳的尖叫聲?？赡茉蚣芭懦胧┮姳?4-2 ：表 4-2 ：步進驅(qū)動器尖叫后不轉(zhuǎn)的故障原因及排除綜述第 9 頁故障現(xiàn)象可能原因排除措施驅(qū)動器或步進電動機輸入脈沖頻率太高， 引起降低輸入脈沖頻率發(fā)出刺耳的尖叫聲， 然堵轉(zhuǎn)后電動機停止不轉(zhuǎn)輸入脈沖的突調(diào)頻率太降低輸入脈沖的突調(diào)頻高率輸入脈沖的升速曲線不調(diào)整輸入脈沖的升速曲夠理想引起堵轉(zhuǎn)線3. 工作過程中停車， 在工作正常的狀況下， 發(fā)生突然停車的故障。 引起此故障的可能原因見表 4-3 。表 4-3 工作過程中停車的故障綜述可能原因檢查步驟排除措施驅(qū)動電源故障用萬用表測量驅(qū)動電源的輸出更換驅(qū)動器驅(qū)動電路故障發(fā)生脈沖電路故障電動機故障繞組燒壞電動機

26、線圈匝間短路用萬用表測量線圈間是否短更換電動機或接地路雜物卡住可目測消除外界的干擾因素4. 工作噪聲特別大 ，仔細觀察加工或運行過程中， 還有進二退一現(xiàn)象。 可能原因及排除措施見表 4-4 ：表 4-4 ：工作噪聲特別大的故障原因及排除綜述故障現(xiàn)象可能原因排除措施低頻旋轉(zhuǎn)時有進檢查相序正確連接動力線二退一現(xiàn)象，高速上不去電動機運行在低頻區(qū)或共振區(qū)分析電動機速度及電動機頻率后，調(diào)整加工切削參數(shù)純慣性負載、正反轉(zhuǎn)頻繁重新考慮次機床的加工能力電動機故障磁路混合式或永磁式轉(zhuǎn)子磁鋼更換電動機退磁后以單步運行或在失步區(qū)如永磁單向旋轉(zhuǎn)步進電動機的更換電動機定向機構(gòu)損壞第 10頁5. 無力或者是出力降低或稱“

27、悶車” ，即在工作過程中，某軸有可能突然停止，俗稱“悶車”，可能原因見表 4-5 。表 4-5：“悶車”的可能原因及排除措施故障部位可能原因排除措施驅(qū)動器端電壓沒有從驅(qū)動器輸出來檢查驅(qū)動器，確保有輸出故障驅(qū)動器故障更換驅(qū)動器電動機繞組內(nèi)部發(fā)生錯誤電動機端電動機繞組碰到機殼，發(fā)生相間短路或故障者線頭脫落電動機軸斷更換電動機電動機定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙過大專業(yè)電動機維修人員調(diào)整好氣隙或更換電動機外部故障電壓不穩(wěn)重新考慮負載和切削條件會造成“悶車” 的原因可能是： 負載過重新考慮負載和切削條大或切削條件惡劣件6. 電動機一開始就不轉(zhuǎn) 。造成此故障的可能原因及排除措施見表 4-6 。表 4-6 ：電動機

28、已開始就不轉(zhuǎn)的故障綜述故障部位可能原因排除措施步進驅(qū)動驅(qū)動器與電動機連線斷線確定連線正常器保險絲是否熔斷更換保險絲當動力線斷線時，二線式步進確保動力線的連接正常電動機是不能轉(zhuǎn)動的，但三相五線制電動機仍可轉(zhuǎn)動，但力矩不足。驅(qū)動器報警 (過電壓、欠電壓、按相關報警方法解除過電流、過熱 )驅(qū)動器使能信號被封鎖通過 PLC觀察是否使能信號正常驅(qū)動器電路故障最好用交換法， 確定是否驅(qū)動器電路故障， 更換驅(qū)動器電路板或驅(qū)動器接口信號線接觸不良重新連接好信號線系統(tǒng)參數(shù)設置不當如：工作方依照參數(shù)說明書， 重新設置式不對相關參數(shù)步進電動電動機卡死主要是機械故障， 排除卡死機的故障原因，經(jīng)驗證，確保電動機正常后，

29、 方可繼續(xù)使用第 11頁長期在潮濕場所存放，造成電動機部分生銹電動機故障指令脈沖太窄、頻率過高、脈沖電平太低外部故障安裝不正確電動機本身軸承等故障更換步進電動機會出現(xiàn)尖叫后不轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，按尖叫后不轉(zhuǎn)的故障處理一般發(fā)生在新機調(diào)試時， 重新安裝調(diào)成重新進行機械的調(diào)整7. 步進電動機失步或多步 ，此故障引起的可能現(xiàn)象是工作過程中，配置步進驅(qū)動系統(tǒng)的某軸突然停頓，而后，又繼續(xù)走動。此故障的可能原因具體綜述見表 4-7。表 4-7 ：步進電動機失步或多步的可能原因及排除措施可能原因檢查步驟排除措施負載過大，超過電動機的承重新調(diào)整加工程序切載能力削參數(shù)負載忽大忽小是否毛坯余量分配不均調(diào)整加工條件勻等負載的轉(zhuǎn)

30、動慣量過大， 啟動可在不正式加工的條件重新考慮負載的轉(zhuǎn)動時失步、停車時過沖下進行試運行，判斷是慣量否有此想象發(fā)生傳動間隙大小不均進行機械傳動精度的檢進行螺距誤差補償驗傳動間隙產(chǎn)生的零件有彈重新考慮這種材料的性變形工件的加工方案電動機工作在震蕩失步區(qū)分析電動機速度及電動調(diào)整加工切削參數(shù)機頻率電路總清零使用不當干擾處理好接地，做好屏蔽處理電動機故障，如定、轉(zhuǎn)子相有的嚴重的情況，聽聲更換電動機檫音度可以感覺出來8. 運轉(zhuǎn)不均勻，有抖動 ，反映在加工中是加工的工件有振紋， 表面光潔度差。引起此故障的可能原因及排除措施見表 4-8 。表 4-8 ：數(shù)控裝置顯示時有時無或抖動的故障綜述可能原因檢查步驟排除

31、措施指令脈沖不均勻用示波是觀察指令脈沖指令脈沖太窄從數(shù)控系統(tǒng)找故障，去排除指令脈沖電平不正用萬用表觀測指令脈沖電確平第 12頁指令脈沖電平與驅(qū)用萬用表測量指令脈沖電動器不匹配平后比較，是否與驅(qū)動器確實電平能匹配匹配脈沖信號存在噪聲用示波器觀測脈沖信號注意觀察電平是否變化頻繁脈沖頻率與機械發(fā)可目測調(diào)節(jié)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)， 避免共振生共振9. 電動機定位不準。 反映在加工中的故障就是加工工件尺寸有問題?？赡茉蚣肮收吓懦胧┮姳?4-9表 4-9 電動機定位不準的故障綜述可能原因檢查步驟排除措施加減速時間太小根據(jù)參數(shù)說明書， 重新設置好參數(shù)指令信號存在干利用示波器，檢查指令如果示波器顯示， 信號只是受到

32、小擾噪聲信號是否正常幅度的變化， 可加注磁環(huán)或抗干擾系統(tǒng)屏蔽不良的元器件，同時處理好接地，做好屏蔽處理4.2.5步進電動機常見故障及維修常見故障見表4-10。表 4-10：步進電動機常見故障綜述故障現(xiàn)象可能原因電動機尖叫CNC中與伺服驅(qū)動有關的參數(shù)設定、調(diào)整不當引起的電動機不能旋 保險絲是否熔斷轉(zhuǎn)動力線短線參數(shù)設置不當電動機卡死生銹或故障電動機發(fā)熱異動力線 R、S、T 連線不搭配常排除措施正確設置參數(shù)更換保險絲確保動力線連接良好依照參數(shù)說明書，重新設置相關參數(shù)主要是機械故障，排除卡死的故障原因，經(jīng)驗證，確保電動機正常后，方可繼續(xù)使用更換步進電動機正確連接 R、S、T 線4.2.6 步進驅(qū)動系統(tǒng)

33、維修實例：例 1：加工大導程螺紋時，出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。故障診斷和處理過程：開環(huán)控制的數(shù)控機床的CNC 裝置的脈沖當量一般為0.01mm，Z 坐標軸 G00 指令速度一般為2000mm/min3000mm/min。開環(huán)控制的數(shù)控車床的主軸結(jié)構(gòu)一般有兩類：第 13頁一類是由普通車床改造的數(shù)控車床，主軸的機械結(jié)構(gòu)不變，仍然保持換檔有級調(diào)速；另一類是采用通用變頻器控制數(shù)控車床主軸實現(xiàn)無級調(diào)速。這種主軸無級調(diào)速的數(shù)控車床在進行大導程螺紋加工時，進給軸會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，這是高速低轉(zhuǎn)矩特性造成的。如果主軸無級調(diào)速的數(shù)控車床加工 10mm導程的螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速選擇 300r/min ，那么刀架沿 Z 坐標軸需要用 30

34、00mm/min的進給速度配合加工， Z 坐標軸步進電動機的轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩是無法達到這個要求的， 因此會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如果將主軸轉(zhuǎn)速降低，刀架沿 Z 坐標軸加工的速度減慢， Z 坐標軸步進電動機的轉(zhuǎn)矩增大，螺紋加工的問題似乎可以得到改善，然而由于主軸采用通用變頻器調(diào)速，使得主軸在低速運行時轉(zhuǎn)矩變小，主軸會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。對于主軸保持換檔變速的開環(huán)控制的數(shù)控車床，在加工大導程螺紋時，主軸可以低速正常運行，大導程螺紋加工的問題可以得到改善，但是光潔度受到影響。如果在加工過程中，切削進給量過大，也會出現(xiàn)Z 坐標軸堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。例 2：步進電動機驅(qū)動單元的常見故障功率管損壞。故障診斷和處理過程： 步進電動機驅(qū)動

35、單元的常見故障為功率管損壞。功率管損壞的原因主要是功率管過熱或過流造成的。 要重點檢查提供功率管的電壓是否過高，功率管散熱環(huán)境是否良好，步進電動機驅(qū)動單元與步進電動機的連線是否可靠，有沒有短路現(xiàn)象等，如有故障要逐一排除。為了改善步進電動機的高頻特性， 步進電動機驅(qū)動單元一般采用大于 80V 交流電壓供電（以前有 50V），經(jīng)過整流后，功率管上承受較高的直流工作電壓。如果步進電動機驅(qū)動單元接入的電壓波動范圍較大或者有電氣干擾、散熱環(huán)境不良等原因，就可能引起功率管損壞。對于開環(huán)控制的數(shù)控機床，重要的指標是可靠性。因此，可以適當降低步進電動機驅(qū)動單元的輸入電壓，以換取步進電動機驅(qū)動器的穩(wěn)定性和可靠性

36、。例 3：經(jīng)濟型數(shù)控機床的啟動、停車影響工件的精度。故障診斷和處理過程： 步進電動機旋轉(zhuǎn)時， 其繞組線圈的通、 斷電流是有一定順序的。以一個五相十拍步進電動機為例，啟動時，A 相線圈通電，然后各相線圈按照 AAB BBCCCDDDEEEAA 所示順序通電。我們稱 A 相為初始相，因為每次重新通電的時候，總是A 相處于通電狀態(tài)。當步進電動機旋轉(zhuǎn)一段時間后，通電的狀態(tài)是其中的某個狀態(tài)。這時機床斷電停止運行時，步進電動機在該狀態(tài)初結(jié)束。當機床再次啟動通電工作時，步進電動機又從 A 向開始，與前次結(jié)束不一定是同相， 這兩個不同的狀態(tài)會使偏轉(zhuǎn)若干個步距角，工作臺的位置產(chǎn)生偏差， CNC 對此偏差是無法進

37、行補償?shù)?。?shù)控機床在批量加工零件時， 如果因換班斷電停車或者有其他原因斷電停車更換加工零件，根據(jù)上述的原因，這時所加工的零件尺寸會有偏差。解決這個問題可以通過檢測步進電動機驅(qū)動單元的初始相信號，使機床在初始相處斷電停車來解決。另一種解決方法是在數(shù)控機床上安裝機床回參考點來解決。4.3 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)介紹4.3.1進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成及分類第 14頁1. 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元，驅(qū)動單元，機械傳動部件，執(zhí)行機構(gòu)和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動單元組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機械傳動部件和執(zhí)行機構(gòu)組成機械傳動系統(tǒng)。 檢測元件和反饋電路組成檢測裝置，也稱檢測系統(tǒng)

38、。進給伺服系統(tǒng)的任務就是要完成各坐標軸的位置控制。 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的程序指令及數(shù)據(jù)，經(jīng)插補運算后得到位置控制指令，同時，位置檢測裝置將實際位置監(jiān)測信號反饋于數(shù)控系統(tǒng)，構(gòu)成全閉環(huán)或半閉環(huán)的位置控制。經(jīng)位置比較后，數(shù)控系統(tǒng)輸出速度控制指令至各坐標軸的驅(qū)動裝置，經(jīng)速度控制單元驅(qū)動伺服電動機滾珠絲杠傳動實現(xiàn)進給運動。 伺服電動機上的反饋裝置將轉(zhuǎn)速信號反饋回系統(tǒng)與速度控制指令比較，構(gòu)成速度反饋控制。因此，進給伺服系統(tǒng)實際上是外環(huán)為位置環(huán)、內(nèi)環(huán)為速度環(huán)的控制系統(tǒng)。對進給伺服系統(tǒng)的維護及故障診斷將落實到位置環(huán)和速度環(huán)上。組成這兩個環(huán)的具體裝置有：用于位置檢測的有光柵、光電編碼器、感應同步器、旋轉(zhuǎn)變壓器和磁

39、柵等；用于轉(zhuǎn)速檢測的有測速發(fā)電動機或光電編碼器等。2. 進給伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類按伺服進給系統(tǒng)使用的伺服類型，半閉環(huán)、閉環(huán)數(shù)控機床常用的伺服進給系統(tǒng)可以分直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)兩大類。在 20世紀 70年代至 80 年代的數(shù)控機床上，一般均采用直流伺服驅(qū)動；從 80 年代中、后期起，數(shù)控機床上多采用交流伺服驅(qū)動。下面將分別按直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)、交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)來闡述其維修與維護的相關知識。4.3.2直流進給驅(qū)動系統(tǒng)的介紹1. FANUC公司直流進給驅(qū)動系統(tǒng)從 1980 年開始， FANUC公司陸續(xù)推出了小慣量 L 系列、中慣量 M系列和大慣量 H系列的直流伺服電動機。中、小慣量伺服電動

40、機采用 PWM速度控制單元，大慣量伺服電動機采用晶閘管速度控制單元。 驅(qū)動裝置具有多重保護功能，如過速、過電流、過電壓和過載等。2. SIEMENS公司直流進給驅(qū)動系統(tǒng)SIEMENS公司在 70 年代中期推出了 1HU系列永磁式直流伺服電動機，規(guī)格有 1HU504、 1HU305、 1HU310和 1HU313。與伺服電動機配套的速度控制單元有 6RA20和 6RA26兩個系列，前者采用晶體管 PWM控制，后者采用晶閘管控制。驅(qū)動系統(tǒng)除了各種保護功能外，另具有I 2 t 熱效應監(jiān)控等功能。3. MITSUBISHI公司直流進給驅(qū)動系統(tǒng)第 15頁MITSUBISHI公司的 HD系列永磁式直流伺服

41、電動機，規(guī)格有HD21、HD41、HD81、HD101、 HD201和 HD301等。配套的 6R系列伺服驅(qū)動單元，采用晶體管PWM控制技術(shù)，具有過載、過電流、過電壓和過速保護，帶有電流監(jiān)控等功能。4.3.3交流伺服系統(tǒng)1. 常用交流伺服系統(tǒng)介紹1） FANUC公司交流進給驅(qū)動系統(tǒng)FANUC公司在 80 年代中期推出了晶體管 PWM控制的交流驅(qū)動單元和永磁式三相交流同步電動機，電動機有 S 系列、 L 系列、 SP系列和 T 系列，驅(qū)動裝置有 系列交流驅(qū)動單元等。2） SIEMENS公司交流進給驅(qū)動系統(tǒng)1983 年以來， SIEMENS公司推出了交流驅(qū)動系統(tǒng)。由 6SC610系列進給驅(qū)動裝置和

42、 6SC611A（ SIMODRIVE611A）系列進給驅(qū)動模塊、 1FT5和 1FT6系列永磁式交流同步電動機組成。驅(qū)動采用晶體管PWM控制技術(shù)，帶有 I 2t 熱效應監(jiān)控等功能。另外， SIEMENS公司還有用于數(shù)字伺服系統(tǒng)的SIMODRIVE611D系列進給驅(qū)動模塊。3） MITSUBISHI公司交流進給驅(qū)動系統(tǒng)MITSUBISHI公司的交流驅(qū)動單元有通用型的MR-J2系列，采用 PWM控制技術(shù)，交流伺服電動機有HC-MF系列、 HA-FF系列、 HC-SF系列和 HC-RF系列。另外，MITSUBISHI公司還用用于數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)的MDS-SVJ2系列交流驅(qū)動單元。4） A-B 公司交流

43、進給驅(qū)動系統(tǒng)A-B 公司的交流驅(qū)動系統(tǒng)有 1391 系統(tǒng)交流驅(qū)動單元和 1326 型交流伺服電動機。另外，還有 1391-DES系列數(shù)字式交流驅(qū)動單元，相應的伺服電動機有1391-DES15、1391-DES22和 1391-DES45三種規(guī)格。5） 華中數(shù)控公司交流進給驅(qū)動系統(tǒng)華中數(shù)控公司的交流驅(qū)動系列主要HSV-9、 HSV-11、HSV-16和 HSV-20D四種型號。 HSV-11 運用了矢量控制原理和柔性控制技術(shù)，共有額定電流為14A ，20A， 40A， 60A 這 4 個系列； HSV-16 采用專用運動控制DSP、大規(guī)?，F(xiàn)場可編程邏輯陣列（ FPGA）和智能化功率模塊（ IPM

44、 ）等新技術(shù)設計，操第 16頁作簡單、可靠性高、體積小巧、易于安裝。HSV-20D是武漢華中數(shù)控股份有限公司繼 HSV-9、HSV-11、HSV-16之后，推出的一款全數(shù)字交流伺服驅(qū)動器。具有 025、050、 075、 100 多種型號規(guī)格，具有很寬的功率選擇范圍。2. 交流伺服系統(tǒng)的組成交流伺服系統(tǒng)主要由下列幾個部分構(gòu)成，如圖4-11 所示。（ 1）交流伺服電動機?？煞譃橛来沤涣魍剿欧妱訖C，永磁無刷直流伺服電動機、感應伺服電動機及磁阻式伺服電動機；（ 2） PWM 功率逆變器?？煞譃楣β示w管逆變器、功率場效應管逆變器、 IGBT 逆變器（包括智能型 IGBT 逆變器模塊）等。（ 3）

45、微處理器控制器及邏輯門陣列。可分為單片機、 DSP 數(shù)字信號處理器、 DSP+CPU、多功能 DSP（如 TMS320F240）等；（ 4）位置傳感器（含速度）?？煞譃樾D(zhuǎn)變壓器、磁性編碼器、光電編碼器等；（ 5）電源及能耗制動電路；（ 6）鍵盤及顯示電路；（ 7）接口電路。包括模擬電壓、數(shù)字 I/O 及串口通訊電路（ 8）故障檢測，保護電路。鍵盤、顯電源、制動RS23I/oDSPIGBT交流伺服邏輯門陣列逆變模擬輸電動機器故障檢測、保護位置傳感器圖 4-11 交流伺服系統(tǒng)組成3. 交流伺服電動機的簡介交流伺服電動機可依據(jù)電動機運行原理的不同，分為感應式（或稱異步）交流伺服電動機、永磁式同步電動機、永磁式無刷直流伺服電動機、和磁阻同步交流伺服電動機。這些電動機具有相同的三相繞組的定子結(jié)構(gòu)。感應式交流伺服電動機，其轉(zhuǎn)子電流由滑差電勢產(chǎn)生，并與磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其主要優(yōu)點是無刷，結(jié)構(gòu)堅固、造價低、免維護，對環(huán)境要求低，第 17頁其主磁通用激磁電流產(chǎn)生，很容易實現(xiàn)弱磁控制，高轉(zhuǎn)速可以達到45 倍的額定轉(zhuǎn)速；缺點是需要激磁電流，內(nèi)功率因數(shù)低，效率較低，轉(zhuǎn)子散熱困難，要求較大的伺服驅(qū)動器容量，電動機的電