伺服驅(qū)動系統(tǒng)及其故障診斷

1、伺服驅(qū)動系統(tǒng)及其故障診斷伺服驅(qū)動系統(tǒng)（ServoSystem）簡稱伺服系統(tǒng)，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動電機要求具有響應(yīng)速度快、定位準確、轉(zhuǎn)動慣量。（使用在機電系統(tǒng)中的伺服電機的轉(zhuǎn)動慣量較大，為了能夠和絲杠等機械部件直接相連。伺服電機有一種專門的小慣量電機，為了得到極高的響應(yīng)速度。但這類電機的過載能力低，當使用在進給伺服系統(tǒng)中時，必須加減速裝置。轉(zhuǎn)動慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量不能大于電機轉(zhuǎn)動慣量的3倍。）較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。當然，其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什么不同。該類電

2、機的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時簡稱為伺服，一般其內(nèi)部包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。一概述伺服系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設(shè)備，電動機為控制對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動自動控制系統(tǒng)。這類系統(tǒng)控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。具體在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移、速度指令，經(jīng)變換、放調(diào)與整大后，由電動機和機械傳動機構(gòu)驅(qū)動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯(lián)動使刀具相對工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復(fù)雜形狀的工件。作為數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力

3、電子器件、控制、驅(qū)動及保護等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進步，經(jīng)歷了從步進到直流，進而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機床中的伺服系統(tǒng)種類繁多，本文通過分析其結(jié)構(gòu)及簡單歸分，對其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢作簡要探討。1伺服驅(qū)動系統(tǒng)的作用：伺服驅(qū)動系統(tǒng)是CNC裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。CNC裝置發(fā)出的控制信息，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成坐標軸的運動，完成程序所規(guī)定的操作。伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。伺服驅(qū)動系統(tǒng)作用有：（1）伺服驅(qū)動系統(tǒng)具有放大控制信號的能力；（2）根據(jù)CNC裝置發(fā)出的控制信號對機床移動部件的位置和速度進行控制。2數(shù)控機床對伺服驅(qū)動系統(tǒng)的要求：

4、數(shù)控機床集中了傳統(tǒng)的自動機床，精密機床和萬能機床三者的優(yōu)點，將高效率，高精度和高柔性集中于一體。（1）可逆運行（2）速度范圍寬（3）具有足夠的傳動剛性和速度穩(wěn)定性（4）響應(yīng)快速并無超調(diào)（5）高精度（6）低速度大轉(zhuǎn)矩二伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其用途和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)；按其控制原理和有無位置檢測反饋環(huán)節(jié)分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅(qū)動執(zhí)行元件的動作原理分為電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。1.進給驅(qū)動與主軸驅(qū)動進給驅(qū)動是用于數(shù)控機床工作臺或刀架坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各坐標軸的切削進給運動，并提供切削過程

5、所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動功率和所需的切削力。一般地，對于進給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心其是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍及速度調(diào)節(jié)范圍。2.開環(huán)控制和閉環(huán)控制數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成如圖所示。數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按有無反饋檢測單元分為開環(huán)和閉環(huán)兩種類型(見數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)分類)，這兩種類型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動控制單元都必不可少。驅(qū)動控制單元的作用是將進給指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動執(zhí)行元件所需要的信號形式，執(zhí)行元件則

6、將該信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機械位移。開環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)由驅(qū)動控制單元、執(zhí)行元件和機床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進電機。執(zhí)行元件對系統(tǒng)的特性具有重要影響。閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動控制單元、機床，以及反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)組成。反饋檢測單元將工作臺的實際位置檢測后反饋給比較控制環(huán)節(jié)，比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，以兩者的差值作為伺服系統(tǒng)的跟隨誤差經(jīng)驅(qū)動控制單元，驅(qū)動和控制執(zhí)行元件帶動工作臺運動。在CNC系統(tǒng)中，由于計算機的引入，比較控制環(huán)節(jié)的功能由軟件完成，從而導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些改變，但基本上還是由執(zhí)行元件、反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動控制單元和機床組成。3.直流伺服驅(qū)動與交流

7、伺服驅(qū)動70年代和80年代初，數(shù)控機床多采用直流伺服驅(qū)動。直流大慣量伺服電機具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，而且，由于電機慣性與機床傳動部件的慣量相當，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動裝置，比較適應(yīng)數(shù)控機床對頻繁啟動、制動，以及快速定位、切削的要求。但直流電機一個最大的特點是具有電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高電壓、高速度方向的發(fā)展，使其應(yīng)用受到限制。進入80年代，在電機控制領(lǐng)域交流電機調(diào)速技術(shù)取得了突破性進展，交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)大舉進入電氣傳動調(diào)速控制的各個領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是交流電機容易維修，制造簡單，易于向大容量、高

8、速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時，從減少伺服驅(qū)動系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來看，采用交流電機比直流電機將更合理。三數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的故障診斷數(shù)控機床伺服系統(tǒng)故障占機床總故障的比率較高。由于伺服系統(tǒng)涉及的環(huán)節(jié)較多，加之種類繁多、技術(shù)原理各具特色，給維修診斷帶來困難，因此歸納一些故障診斷方法很有必要。數(shù)控機床坐標軸的移動定位是由位置伺服系統(tǒng)來完成的。位置伺服系統(tǒng)一般采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制。(半)閉環(huán)控制的特點就是任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)定位不準確、不穩(wěn)定或失效。診斷定位故障環(huán)節(jié)就成為維修的關(guān)鍵。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)接口的特性，對系統(tǒng)進行分解判斷，已成為行之有效的方法。1

9、主軸伺服系統(tǒng)的故障及診斷方法當主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常有三種表現(xiàn)形式：一是在CRT或操作面板上顯示報警信息或報警內(nèi)容；二是在主軸驅(qū)動裝置上用警報燈數(shù)碼管顯示主軸驅(qū)動裝置的故障；三是主軸工作不正常，但無任何報警信息，主軸伺服系統(tǒng)常見的故障有：（1）、外界干擾由于受電磁干擾，屏蔽和接地措施不良，主軸轉(zhuǎn)速指令信號或反饋信號受到干擾，使主軸驅(qū)動出現(xiàn)隨機和無規(guī)律性的波動。判別有無干擾的方法是：當主軸轉(zhuǎn)速指令為零時，主軸仍往復(fù)轉(zhuǎn)動，調(diào)整零速平衡和漂移補償也不能消除故障。（2）、過載切削用量過大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸電動機過熱、主軸驅(qū)動張制顯示過電流報警等。（3）、主軸定位抖動

10、主軸準停用于刀具交換，精鏜退刀以及齒輪換檔等場合，有三種實現(xiàn)方式：（1）機械準停控制（2）磁性傳感器的電氣準?？刂疲?）編碼器型的準?？刂疲?）、主軸轉(zhuǎn)速與進給不匹配當進行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進給指令切削時，會出現(xiàn)停止進給，主軸仍繼續(xù)運轉(zhuǎn)的故障。要執(zhí)行每轉(zhuǎn)進給的指令，主軸必須有每轉(zhuǎn)一個脈沖的反饋信號，一般情況下為主軸編碼器有問題?？梢杂孟铝蟹椒▉泶_定：1.CRT畫面有報警顯示。2.通過CRT調(diào)用機床數(shù)據(jù)或I/O狀態(tài)，觀察編碼器的信號狀態(tài)，3.用每分鐘進給指令代替每轉(zhuǎn)進給來執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。（5）、轉(zhuǎn)速偏離指令值當主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時，要考慮：1.電動機過載。2.CNC系統(tǒng)輸

11、出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（通常為0+-10V）沒有達到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的值。3.測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。4.主軸驅(qū)動裝置故障。（6）、主軸異常噪聲及振動首先要區(qū)別異常噪聲及振動發(fā)生在主軸機械部分還是在電氣驅(qū)動部分。1.在減速過程中發(fā)生一般是又驅(qū)動裝置造成的，如交流驅(qū)動中的再生回路故障。2.在恒轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生，可通過觀察主軸電動機自由停車過程中是否有噪音和振動的來區(qū)別，如存在，則主軸機械部分有問題3.檢查振動周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)。如無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動裝置未調(diào)整好；如有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機械部分是否良好，測速裝置是否不良。（7）、主軸電動機不轉(zhuǎn)CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動裝置除了轉(zhuǎn)速模擬量控制信號外，還有使能控

12、制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。1.檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。2.檢查能使信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機床PLC圖形（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。3.主軸驅(qū)動裝置故障。4.主軸電動機故障。四進給伺服系統(tǒng)的故障及診斷方法1超程當進給運動超過由軟件設(shè)定的軟限位或由限位開關(guān)設(shè)定的硬限位時，就會發(fā)生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內(nèi)容，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)說明書，即可排除故障，解除報警。2過載當進給運動的負載過大，頻繁正、反向運動以及傳動鏈潤滑狀態(tài)不良時，均會引起過載報警。一般會在CRT上顯示伺服電動機過載、過熱或過流等報警信息。同時，在強

13、電柜中的進給驅(qū)動單元上、指示燈或數(shù)碼管會提示驅(qū)動單元過載、過電流等信息。3竄動在進給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象：測速信號不穩(wěn)定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等；速度控制信號不穩(wěn)定或受到干擾；接線端子接觸不良，如螺釘松動等。當竄動發(fā)生在由正方向運動與反向運動的換向瞬間時，一般是由于進給傳動鏈的反向間隙或伺服系統(tǒng)增益過大所致。4爬行發(fā)生在起動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是：伺服電動機和滾珠絲杠聯(lián)接用的聯(lián)軸器，由于聯(lián)接松動或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉(zhuǎn)動與伺服電動機的轉(zhuǎn)動不同步，從而使進給運動忽快忽慢，產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。 5機床出現(xiàn)振動機床以高速運行時，可能產(chǎn)生振動，這時就會出現(xiàn)過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以就應(yīng)去查找速度環(huán)；而機床速度的整個調(diào)節(jié)過程是由速度調(diào)節(jié)器來完成的，即凡是與速度有關(guān)的問題，應(yīng)該去查找速度調(diào)節(jié)器，因此振動問題應(yīng)查找速度調(diào)節(jié)器。主要從給定信號、反饋信號及速度調(diào)節(jié)器本身這三方面去查找故障。6伺服電動機不轉(zhuǎn)數(shù)控系統(tǒng)至進給驅(qū)