《機電設(shè)備故障診斷與維修》（王仲）527-2 教案 第21課 數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修

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課題數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修課時2課時（90min）教學(xué)目標知識技能目標：（1）掌握數(shù)控機床常用主軸伺服系統(tǒng)及其故障診斷與維修方法（2）掌握數(shù)控機床常用進給伺服系統(tǒng)及其故障診斷與維修方法（3）能夠調(diào)出伺服系統(tǒng)監(jiān)控顯示畫面和診斷功能畫面素質(zhì)目標：通過對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的常見故障診斷與維修知識的學(xué)習(xí)與實操練習(xí)，樹立制造強國的遠大職業(yè)理想，牢記投身國家建設(shè)的使命擔(dān)當(dāng)、培育堅持不懈、勤勞樸實的工匠精神教學(xué)重難點教學(xué)重點：數(shù)控機床主軸伺服、進給伺服系統(tǒng)構(gòu)常見故障診斷與維修方法教學(xué)難點：數(shù)控機床主軸伺服、進給伺服系統(tǒng)構(gòu)常見故障診斷與維修方法教學(xué)方法案例分析法、問答法、討論法、講授法教學(xué)用具電腦、投影儀、多媒體課件、教材教學(xué)設(shè)計第1節(jié)課：→→→傳授新知（38min）第2節(jié)課：→任務(wù)實施（20min）→實操練習(xí)（15min）→課堂小結(jié)（3min）→作業(yè)布置（2min）教學(xué)過程主要教學(xué)內(nèi)容及步驟設(shè)計意圖第一節(jié)課課前任務(wù)【教師】布置課前任務(wù)，和學(xué)生負責(zé)人取得聯(lián)系，讓其提醒同學(xué)通過文旌課堂APP或其他學(xué)習(xí)軟件，完成課前任務(wù)請大家了解數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的功能作用?！緦W(xué)生】完成課前任務(wù)通過課前任務(wù)，使學(xué)生了解本次課的主要內(nèi)容，增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣考勤

（2min）【教師】使用文旌課堂APP進行簽到【學(xué)生】班干部報請假人員及原因培養(yǎng)學(xué)生的組織紀律性，掌握學(xué)生的出勤情況問題導(dǎo)入（5min）【教師】介紹數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的基礎(chǔ)知識，以及對數(shù)控機床正常運行的重要性，并提出相關(guān)問題數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣對數(shù)控機床的加工位置和速度有很大影響。而數(shù)控機床的加工位置和速度又在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度。所以，若數(shù)控機床伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障則會直接影響數(shù)控機床的加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量，導(dǎo)致材料的浪費和生產(chǎn)成本的增加。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)有哪些？各有什么作用？【學(xué)生】聆聽、思考、回答通過問題導(dǎo)入的方法，引導(dǎo)學(xué)生主動思考，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣傳授新知

（38min）【教師】講解主軸伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修、數(shù)進給伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修等相關(guān)內(nèi)容數(shù)控機床伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是一種自動控制系統(tǒng)，其輸出量能以一定準確度跟隨輸入量的變化而變化。它還是一種反饋控制系統(tǒng)，能將輸入指令作為設(shè)定值，與輸出量進行比較，并利用比較后產(chǎn)生的偏差值對加工位置和加工速度進行自動調(diào)節(jié)，以消除誤差。一、主軸伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修主軸伺服系統(tǒng)用來提供加工各類工件所需的切削功率，所以主軸伺服系統(tǒng)能進行主軸速度和正、反轉(zhuǎn)控制。對于某些具備螺紋加工、準停和恒線速加工等功能的數(shù)控機床，其主軸伺服系統(tǒng)還能進行主軸定位控制。1．常用主軸伺服系統(tǒng)常用主軸伺服系統(tǒng)有主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)、直流主軸伺服系統(tǒng)和交流主軸伺服系統(tǒng)3種。1）主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)?【多媒體】PPT圖片展示主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)，詳情見教材，并講解主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)的組成及其各部分作用主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)由變頻器和主軸電動機組成，多用于經(jīng)濟型數(shù)控機床的主軸調(diào)速。變頻器可將50

Hz的交流電整流成直流電，然后通過脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，將直流電逆變成頻率可變的交流電，從而調(diào)節(jié)主軸電動機的轉(zhuǎn)速。主軸電動機多采用三相異步電動機，能簡化主軸變頻調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低成本?！举Y料卡】經(jīng)濟型數(shù)控機床是指具有針對性加工功能，但功能水平較低且價格低廉的數(shù)控機床。2）直流主軸伺服系統(tǒng)直流主軸伺服系統(tǒng)由直流主軸速度控制單元和主軸電動機組成。直流主軸速度控制單元是由速度環(huán)和電流環(huán)構(gòu)成的雙閉環(huán)速度控制系統(tǒng)，能控制主軸電動機的繞組電壓，并能進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。主軸電動機采用他勵式直流電動機結(jié)構(gòu)，能增大直流電動機的輸出功率，并能使主軸電動機的正、反轉(zhuǎn)迅速停止?！举Y料卡】他勵式直流電動機是指勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組分開的直流電動機。3）交流主軸伺服系統(tǒng)交流主軸伺服系統(tǒng)由交流主軸速度控制單元和主軸電動機組成，其中主軸電動機一般采用的是交流電動機。交流主軸伺服系統(tǒng)又分為模擬式和數(shù)字式兩種，但大多數(shù)交流主軸伺服系統(tǒng)為數(shù)字式，即由微處理器和逆變器控制主軸電動機轉(zhuǎn)速。【資料卡】逆變器是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的設(shè)備，詳情見教材。2．主軸伺服系統(tǒng)的常見故障與維修方法主軸伺服系統(tǒng)的故障有不同的表現(xiàn)形式，主要為在CRT顯示器或操作面板上顯示故障的報警內(nèi)容；用報警燈或數(shù)碼管顯示故障；主軸工作不正常，但無任何報警信息。主軸伺服系統(tǒng)的常見故障主要有主軸波動、主軸過載、主軸準停不準、主軸異常噪聲及振動、主軸電動機不轉(zhuǎn)、主軸轉(zhuǎn)速與進給不匹配等。?【教師】開展分組討論：將全班學(xué)生分為3組，結(jié)合教材，分組討論主軸伺服系統(tǒng)的常見故障類型及維修方法?【學(xué)生】結(jié)合教材及課程資源，分組討論?【教師】巡回指導(dǎo)，查看各小組討論情況【學(xué)生】討論、總結(jié)匯報【教師】聆聽、點評總結(jié)1）主軸波動故障現(xiàn)象：主軸出現(xiàn)隨機和無規(guī)律性的波動。故障原因：由于電磁干擾、屏蔽器干擾和接地措施不良，主軸轉(zhuǎn)速指令信號或反饋信號受到干擾。維修方法：2）主軸過載故障表現(xiàn)：主軸電動機過熱，出現(xiàn)過電流等報警。故障原因：主軸切削用量過大，頻繁地正、反轉(zhuǎn)變速等。維修方法：停止數(shù)控機床運行，待主軸電動機冷卻后再運行，同時減小主軸切削用量和正、反轉(zhuǎn)頻率。3）主軸準停不準故障現(xiàn)象：主軸定位偏移。故障原因：①主軸準?？刂频臏p速過程參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。②采用位置編碼器作為檢測元件時，定位液壓缸活塞的限位開關(guān)失靈。③采用磁傳感器作為檢測元件時，磁體和磁傳感器之間的間隙發(fā)生變化或磁傳感器失靈。維修方法：①修改參數(shù)設(shè)置。②更換限位開關(guān)。③更換磁傳感器?！举Y料卡】主軸準停控制是將主軸準確停在某一固定位置上，以便在該位置進行刀具交換、退刀及齒輪換擋等操作，主要有以下三種準?？刂?。①機械準?？刂疲河蓭形槽的定位盤和液壓缸配合動作來實現(xiàn)機械準?？刂?。逆變器是把直流電轉(zhuǎn)變成交流電的設(shè)備。詳情見教材。②位置編碼器的電氣準停控制：通過在主軸電動機內(nèi)或在主軸上直接安裝一個光電脈沖編碼器來實現(xiàn)電氣準停控制，準停角度可任意設(shè)定③磁傳感器的電氣準?？刂疲豪么朋w和磁傳感器間的位置變化來實現(xiàn)電氣準?？刂?）主軸異常噪聲及振動故障現(xiàn)象：①主軸在減速過程中產(chǎn)生異常噪聲或發(fā)生振動。②主軸在恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動過程中，反饋電壓正常，但產(chǎn)生異常噪聲或發(fā)生振動。③主軸在恒轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動過程中，反饋電壓不正常，且產(chǎn)生異常噪聲或發(fā)生振動。故障原因：①一般是主軸電動機回路故障，如保險絲熔斷、晶體管損壞等。②機械裝置或印制電路板故障。③機械裝置故障或印制電路板接觸不良。維修方法：①更換主軸電動機回路的保險絲、晶體管等。②突然關(guān)閉主軸電動機，觀察主軸電動機在自由停轉(zhuǎn)過程中是否有異常噪聲。若有噪聲，則可認定是機械裝置故障，可能是軸箱與床身的連接螺釘松動，軸承預(yù)緊力不夠，潤滑不良等原因，可采取擰緊螺釘，重新對軸承進行預(yù)緊，添加潤滑油等維修方法；若無噪聲，則可能是印制電路板的故障，應(yīng)檢查并維修印制電路板故障。③檢查振動周期是否與主軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)。若有關(guān)，則可能是機械裝置故障，應(yīng)檢查并維修機械裝置故障；若無關(guān)，則可能是速度控制回路的印制電路板接觸不良或主軸驅(qū)動裝置調(diào)整不當(dāng)，應(yīng)重新連接速度控制回路線路或調(diào)整主軸驅(qū)動裝置。5）主軸電動機不轉(zhuǎn)故障現(xiàn)象：按下主軸電動機開關(guān)，主軸電動機不轉(zhuǎn)。故障原因：潤滑、冷卻等條件不滿足要求。維修方法：檢查信號能否接通，可通過CRT顯示器觀察信號輸入、輸出狀態(tài)，分析數(shù)控機床PLC梯形圖（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，使?jié)櫥?、冷卻等條件滿足要求。6）主軸轉(zhuǎn)速與進給不匹配故障現(xiàn)象：當(dāng)進行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進給指令切削時，進給停止，主軸仍繼續(xù)運轉(zhuǎn)。故障原因：主軸編碼器故障。維修方法：觀察CRT顯示器上主軸編碼器的指令狀態(tài)。若狀態(tài)異常，可更換編碼器，或用每分鐘進給指令代替每轉(zhuǎn)進給指令來執(zhí)行程序。二、進給伺服系統(tǒng)的故障診斷與維修1．進給伺服系統(tǒng)?【多媒體】PPT圖片展示進給伺服系統(tǒng)，詳情見教材，并講解進給伺服系統(tǒng)的組成及其各部分作用進給伺服系統(tǒng)是指以機械執(zhí)行部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。它的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的動作指令，迅速、準確地完成機械執(zhí)行部件在各坐標軸方向的進給，并與主軸伺服系統(tǒng)相配合，實現(xiàn)對工件的高精度加工。若把數(shù)控系統(tǒng)比作數(shù)控機床的“大腦”，是發(fā)布“命令”的指揮機構(gòu)，則伺服系統(tǒng)就是數(shù)控機床的“四肢”，是執(zhí)行“命令”的機構(gòu)。進給伺服系統(tǒng)由位置控制單元、速度控制單元、機械執(zhí)行部件、伺服電動機、檢測與反饋單元組成。2．進給伺服系統(tǒng)的常見故障與維修方法進給伺服系統(tǒng)的常見故障主要有超程、伺服電動機過熱、伺服電動機振動、定位誤差過大、初始位置變動、機床失控（飛車現(xiàn)象）等。?【教師】開展分組討論：將全班學(xué)生重新分為2組，結(jié)合教材，分組討論主軸伺服系統(tǒng)的常見故障類型及維修方法?【學(xué)生】結(jié)合教材及課程資源，分組討論?【教師】巡回指導(dǎo)，查看各小組討論情況【學(xué)生】討論、總結(jié)匯報【教師】聆聽、點評總結(jié)1）超程故障現(xiàn)象：CRT顯示器上顯示超程報警。故障原因：進給運動超過了軟件設(shè)定的限位值；限位開關(guān)故障。維修方法：根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)說明書進行調(diào)整。2）伺服電動機過熱故障現(xiàn)象：CRT顯示器上顯示過熱報警。故障原因：①負載過大。②驅(qū)動器與伺服電動機配合不當(dāng)。③伺服電動機軸承故障。④編碼器內(nèi)的熱保護器故障。維修方法：測量伺服電動機的電流是否超過額定值。若超過，則可能是負載過大，需要調(diào)整切削條件，減輕機床負載；若不超過，則可能是其他故障，可以調(diào)整驅(qū)動器與伺服電動機的配合、更換伺服電動機軸承、更換編碼器內(nèi)的熱保護器等。3）伺服電動機振動故障現(xiàn)象：按下伺服電動機啟動按鈕，伺服電動機發(fā)生振動。故障原因：①伺服電動機故障。②增益太高。③系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定錯誤。維修方法：確認振動周期與進給速度是否成比例變化。若成比例變化，則可能是伺服電動機故障或增益太高，這時應(yīng)維修伺服電動機或調(diào)整增益；若不成比例【經(jīng)驗傳承】增益是指放大倍數(shù)，是一個系統(tǒng)輸出信號與輸入信號的比值。4）定位誤差過大故障現(xiàn)象：機床停機或運行時，在CRT顯示器上顯示誤差過大報警。故障原因：①位置誤差設(shè)置錯誤。②輸入電源電壓太低。③位置環(huán)增益太小。④接觸不良。維修方法：①修改位置誤差設(shè)置。②調(diào)大輸入電源電壓，但不要超過額定電壓。③增大位置環(huán)增益。④檢查伺服電動機信號線和動力線等的連接是否松動，若松動則擰緊。5）初始位置變動故障現(xiàn)象：當(dāng)給定指令為零時，坐標軸仍移動。故障原因：①接觸不良。②參數(shù)設(shè)定錯誤。③速度控制單元故障。維修方法：①擰緊伺服電動機動力線或伺服電動機和檢測元件間的連接線。②調(diào)整數(shù)控系統(tǒng)中初始位置（即零點漂移）補償參數(shù)設(shè)置。③維修速度控制單元。6）機床失控（飛車現(xiàn)象）故障現(xiàn)象：數(shù)控機床轉(zhuǎn)速過快，不受控制。故障原因：①位置傳感器或速度傳感器的指令反相、繞組線反接或接觸不良。②速度指令不正確。③電源故障。維修方法：①檢查位置傳感器或速度傳感器的接線，糾正錯誤接線并擰緊。②檢查速度控制程序并調(diào)整。③維修電源故障?！緦W(xué)生】聆聽、思考、理解、記錄PPT圖片展示，更為直觀，學(xué)生容易接受、理解掌握分組討論能夠提高學(xué)生的參與度，增強團隊意識，同時能夠讓學(xué)生更好地理解掌握主軸伺服系統(tǒng)常見故障與維修方法PPT圖片展示，更為直觀，學(xué)生容易接受、理解掌握分組討論能夠提高學(xué)生的參與度，增強團隊意識，同時能夠幫助學(xué)生更好地理解掌握進給伺服系統(tǒng)常見故障與維修方法第二節(jié)課任務(wù)導(dǎo)入（5min）【教師】現(xiàn)場展示配備有FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)的VMC850數(shù)控機床一臺，并對其進行簡單介紹，然后布置任務(wù)“調(diào)出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)各監(jiān)控顯示畫面和診斷功能畫面”請同學(xué)們運用所學(xué)知識，在實訓(xùn)室利用相關(guān)設(shè)備完成調(diào)出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)各監(jiān)控顯示畫面和診斷功能畫面任務(wù)?！緦W(xué)生】聆聽、記錄使用任務(wù)驅(qū)動法教學(xué)，通過展示實訓(xùn)平臺，學(xué)生對實訓(xùn)設(shè)備有所了解任務(wù)實施（20min）【教師】介紹調(diào)出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)各監(jiān)控顯示畫面和診斷功能畫面的具體步驟一、實施方案1．組織形式每6～8位學(xué)生組成一組，以組為單位練習(xí)調(diào)出FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)各監(jiān)控顯示畫面和診斷功能畫面的操作。2．作業(yè)準備VMC850數(shù)控機床一臺，配備FANUC0iMate-MD（或MF）伺服系統(tǒng)。二、操作步驟【示范】教師邊講實操步驟，邊示范重點操作1.1）調(diào)出操作監(jiān)控顯示畫面步驟1按“”鍵，調(diào)出位置畫面。步驟2按“”鍵，調(diào)出“監(jiān)視器”鍵。步驟3按“監(jiān)視器”鍵，調(diào)出操作監(jiān)控顯示畫面?！举Y料卡】操作監(jiān)控顯示畫面包括伺服負載表、主軸負載表和主軸速度表三部分。①伺服負載表中的X、Y、Z分別代表進給伺服系統(tǒng)三個方向的軸，其軸號可分別由參數(shù)3151、3152、3153設(shè)定（一般設(shè)定為1、2、3）。②主軸負載表代表主軸電動機的載荷。③主軸速度表可顯示主軸電動機轉(zhuǎn)速或主軸轉(zhuǎn)速，可在設(shè)置時由參數(shù)3111的第6位（OPS）進行選擇，選擇0顯示主軸電機轉(zhuǎn)速，選擇1顯示主軸轉(zhuǎn)速。【注意】需要注意的是，各監(jiān)控顯示畫面中所出現(xiàn)的“速度”指轉(zhuǎn)速，“電機”指電動機。另外，前面提到的“參數(shù)”是確定數(shù)控系統(tǒng)功能的依據(jù)，可分為廠家設(shè)定的參數(shù)和用戶自己設(shè)定的參數(shù)兩種。不同的參數(shù)號有不同的意義，如參數(shù)3151指X軸軸號、參數(shù)3152指Y軸軸號、參數(shù)3153指Z軸的軸號，參數(shù)3111指數(shù)控系統(tǒng)功能設(shè)置等。如果根據(jù)以上的操作未能調(diào)出操作監(jiān)控顯示畫面，可能是所使用的系統(tǒng)未打開該功能。這時，檢查參數(shù)3111的第五位（OPM），將該位置參數(shù)選擇1，即可打開操作監(jiān)控顯示功能。2）調(diào)出伺服設(shè)定畫面伺服系統(tǒng)的一些參數(shù)已在數(shù)控機床出廠之前由廠家設(shè)定，且不可修改。而通過設(shè)定值與監(jiān)控值的比較，可以對伺服系統(tǒng)進行故障診斷。此外，在維修伺服系統(tǒng)時，有時需要調(diào)出伺服設(shè)定畫面查看這些固定參數(shù)，以更換相同型號的零件。步驟1按“”鍵，調(diào)出系統(tǒng)畫面。步驟2按“”鍵，調(diào)出“SV設(shè)定”鍵。步驟3按“SV設(shè)定”鍵，調(diào)出X軸伺服設(shè)定畫面。步驟4按“（操作）”鍵調(diào)出“軸改變”鍵后，按“軸改變”鍵，可調(diào)出其他軸的伺服設(shè)定畫面。步驟5按“（操作）”鍵調(diào)出“軸改變”鍵后，按“軸改變”鍵，可調(diào)出其他軸的伺服設(shè)定畫面。3）調(diào)出伺服電機設(shè)定畫面在伺服電機設(shè)定畫面中，可以對伺服系統(tǒng)的運行狀態(tài)、位置環(huán)增益、位置誤差、實際電流值等進行監(jiān)控。按“SV調(diào)整”鍵，則可調(diào)出伺服電機設(shè)定畫面。使用“”鍵和“”鍵便可查看各軸伺服電機的伺服電機設(shè)定畫面。如果根據(jù)以上操作未能調(diào)出伺服電機設(shè)定畫面，則可能是因為所使用的系統(tǒng)未打開該功能。這時將參數(shù)3111的第0位（SVS）參數(shù)選擇1，即可打開伺服調(diào)整顯示功能。4）調(diào)出主軸伺服畫面主軸伺服畫面包括主軸設(shè)定畫面、主軸調(diào)整畫面和主軸監(jiān)控畫面。主軸設(shè)定畫面能顯示與主軸相關(guān)的參數(shù)設(shè)定值，方便查閱；在主軸調(diào)整畫面中，可以對主軸的運行方式、比例增益、積分增益等參數(shù)進行調(diào)整；在主軸監(jiān)控畫面中，可以對主軸的運行方式、控制輸入信號、控制輸出信號等進行監(jiān)控。調(diào)出主軸伺服畫面的具體操作步驟如下。步驟1按“”鍵，調(diào)出系統(tǒng)畫面。步驟2按“”鍵，調(diào)出“SP設(shè)定”（FANUC0iMate-MD伺服系統(tǒng)）或“主軸設(shè)”（FANUC0iMF伺服系統(tǒng)）鍵。步驟3按“SP設(shè)定”或“主軸設(shè)”鍵，調(diào)出主軸設(shè)定畫面。步驟4按“SP調(diào)整”（FANUC0iMate-MD伺服系統(tǒng)）或“主軸調(diào)”（FANUC0iMF伺服系統(tǒng)）鍵，調(diào)出主軸調(diào)整畫面。步驟5按“SP監(jiān)測”（FANUC0iMate-MD伺服系統(tǒng)）或“主軸監(jiān)”（FANUC0iMF伺服系統(tǒng)）鍵，調(diào)出主軸監(jiān)控畫面?！举Y料卡】主軸監(jiān)控畫面中主軸報警、負載表、控制輸入信號、控制輸出信號的意義如下。①主軸報警：主軸發(fā)生異常時，顯示主軸報警號。②負載表：以10%為一格進行顯示，其最大顯示值與參數(shù)4127對應(yīng)。③控制輸入信號：從控制單元輸入主軸模塊的信號，詳情見教材。④控制輸出信號：從主軸模塊輸出到控制單元的信號，詳情見教材。2．調(diào)出診斷功能畫面當(dāng)數(shù)控機床出現(xiàn)異常時，在診斷功能畫面中會顯示報警信號和監(jiān)控數(shù)據(jù)，為故障診斷提供依據(jù)。按“”鍵后，按“診斷”鍵，即可調(diào)出診斷功