伺服系统的分类主轴驱动系统→主轴的旋转运动
进给驱动系统→进给轴直线运动
直流驱动系统
交流驱动系统
伺服系统(组成)伺服电机(M)
驱动信号控制转换电路
电力电子驱动放大模块
电流调解单元,速度调解单元
相信的检测装置
数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制系统,它是执行CNC装置所发出命令的执行机构。
因为电动机拖着一个重量很重的工作台,而且摩擦力随着季节、新旧程度、润滑状态等因素而变化,控制了一个稳定速度,精确定位,可以想象其难度之大
位置环也称为外环,其输入信号是计算机给出的指令和位置检测器反馈的位置信号。这个反馈是负反馈,也就是说与指令信号相位相反。指令信号是相位置环送去加数,而反馈信号是送去减数。
位置环的输出就是速度环的输入
位置检测器可以是光电编码器、旋转变压器,也可能是光栅尺、感应同步器或磁栅尺等。但是,它的作用就是检测位置的,有时可能是直接检测位置的,有时可能是直接检测位置,但也有时是间接检测位置
机床进给伺服系统
高精度
快响应
宽调速范围
低速大转矩
对主轴传动提出下述要求:
1、主传动电动机应有(2.2~250)KW的功率范围;
2、要有大的无级调速范围,如能在1:100~1000范围内进行恒转矩速度和
1:10的恒功率
调速
3、要求主传动有四项限的驱动能力
4、为了满足螺纹车削,要求主轴能与进给实行同步控制
5、在加工中心上为了自动换刀,要求主轴能进行高精度定向停位控制,甚至要求主轴具有
角度控制功能等。
主轴驱动变速目前主要有两种形式:一是主轴电动机带齿轮换挡,目的在于降低主轴转速,增大传动比,放大主轴功率以适应切削的需要;二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴,该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机,具有恒功率宽的特点
FANUC公司主轴驱动系统主要采用交流主轴驱动系统
S H P 三个系列(1.5~37、1.5~22、3.7~37KW)
SIEMENS 公司主轴驱动系统直流主轴电机1GG5、1GF5
交流主轴电机1PH5、1PH6
主轴伺服系统的故障形式及诊断方法故障形式
诊断方法
速度调节器的输入作为电流调节器的给定信号来控制电动机的电流和转矩。其优点在于:可
以根据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈点压的差值及时控制电动几的转矩,在速度差值大时,电动机转矩大,速度变化快,以便尽快的使电动机的转速达到给定值;而当转速接近给定值时,又能使电动机的转矩自动的减小,这样可以避免过大的超调,使转速接近给定值,保证转速稳态无静差。电流环的作用是,当系统受到外来的干扰时,能迅速地做出抑制干扰的响应,保证系统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外,双闭环调速系统以速度调节器的输出作为电流调节器的输入给定值,速度调节器的输出限幅值就限定了电流环中的电流
速度环:控制电机的电流及转矩
电流环:抑制干扰
(1)控制模块(N1)包括两片80186,五片EPROM。完成电网端逆变器的触发脉冲
控制、矢量换计算以及对变频进行PWN调节
(2)I/O模块(U1)通过U/f 变换器为N1组件处理各种I/O模拟信号
(3)电源模块(G01)和中央控制模块(G02)除供给控制电路所需的各种电源,在G02
上还输出各种继电器信号至数控系统进行控制。
(4)选件(S10)配置主轴定位电路板或C轴进给控制电路板。通过内装轴端编码器
(18000脉冲/r)或外装轴端编码器(1024脉冲/r或9000脉冲/r)对主轴进行定位或C轴控制)
U/F变换器:电压/频率变换器
所谓“通用”包含着两方面的含义:一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用;二是具有多种可供选择的功能,应用于各种不同性质的负载。
变频控制的故障诊断
(1)过电压主要有两种情况:①电源电压过高。变频器一般允许电源电压向上波动的范
围是+10%,超过此范围时,就进行保护。②降速过快。如果将减速时间设定得太短,在再生制动过程中制动电阻来不及将能量放掉,致使直流回路电压过高,形成高电压。
(2)欠电压
电源方面:①电源电压低于额定值电压的10%。②电源缺相
主电路方面:①整流器件损坏。如果六个整流二极管中有部件损坏,整流后的电压将下降。②限流电阻R0未“切出”电路。如果延时触点KA未动作、触点接触不良或晶闸管VT未导通,是电阻R0长时间接入电路,将导致直流侧欠电压。
(3)过电流
非短路性过电流:①电动几严重过载。②电动机加速过快
短路性过电流:①负载侧短路。②负载侧接地。③变频器逆变桥同一桥臂的上下两晶体管同时导通,形成“直流”。因为变频器在运行时,同一桥臂上下两晶体管总是处于交替道统状态,在交替导通状态,在交替导通的过场中,必须保证只有在一个晶体管完全截止后,另一个晶体管才开始导通。如果由于某种原因,如环境温度过高等,使器件参数反正漂移,就可以能导致直通。
1、故障形式
(1)超程
(2)过载
(3)窜动
(4)爬行
(5)振动
(6)伺服电动机不转
(7)位置误差
(8)漂移
(9)回参考点故障
2、故障定为
由于伺服系统是由位置环速度环组成的,当伺服系统出现故障时,为了快速定位故障的部位,可以采用如下两种方法:
(1)模块交换法
(2)外接参考电压法
交流伺服电动机常见的故障有:
(1)接线故障由于接线不当,在使用一段时间后就可能出现一些故障,主要为插座
脱焊,端子接线松开引起接触不良
(2)转子位置检测装置故障当霍尔开关或光点脉冲编码器发生故障时,会引起电
动机失控,进给有振动
(3)电磁制动故障带电磁制动的伺服电动机,当电磁制动器出现故障时,会出现得
电不松开,失电不制动的现象
交流伺服电动机故障判断的方法有:
(1)万用表或电桥测量电枢绕组的直流电阻,检测是否断路,并用兆欧表查绝缘
是否良好
(2)将电动机与机械装置分离,用手转动电动机转子,正常情况下感觉有阻力,
转一个角度后手放开,转子有返回现象;如果用手转动转子时能连续转几圈
并自由停下,该电动机已损坏;如果用手转不动或转动后无返回,电动机机
械不凡可能有故障。
进给驱动的任务是:驱动装置接受数控系统的速度控制等信号,拖动伺服电动机带动滚珠丝杠实现工作台、刀架或主轴箱的直线位移。驱动装置在结构上有①模块式②单元式,如图4-25为三菱MR-J2驱动装置简图,整个装置集电源、控制和功率驱动为一体,组成一个单元
在驱动方式上有:①直流PWM和晶闸管驱动方式。②交流同步电动几变频控制方式。③步进电动机驱动方式。由于进给驱动装置在伺服系统中进行的是速度环控制,故进给驱动装置也称速度控制单元
引起过热报警的原因有:①机床切削条件苛刻及机床摩擦力矩增大,引起主回路中的过载继电器动作。②切削时伺服电动机电流太大或变压器本身故障,引起伺服变压器热控开关动作③伺服电动机电枢内部短路或绝缘不良、电动机永久磁钢去磁或脱落及电动几制动器不良,引起电动机内的热控开关动作。
3、无报警显示的故障
(1)机床失控速度反馈信号为正反馈信号,多发生在维修调试过程中,通常是电
缆信号先连接错误所致
(2)机床振动
①与位置控制有关的系统参数设定错误,如指令倍率CRM和检测倍率DMR的
设定错误等
②检查机床振动周期,如机床振动周期随进给速度变化,特别是快速移动时,伴
有大的冲击,多为测速装置有故障
(3)定为精度低
(4)电动机运行时噪声过大
(5)伺服电动机不转
1、光栅
光栅有两种形式,一是透射光栅,即在一条透明玻璃片上刻有一系列等间隔密集线纹;二是反射光栅,即在长条形金属镜面上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有:两个相位信号输出,用于辨向;一个零标志信号,用于机床回参考点的控制。对光栅尺的维护要注意:
(1)防污
光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上,因此,极易受到冷却液的污染,从而造成信号丢失,影响位置控制精度
(1)冷却液在使用过程中会产生轻微结晶,这种结晶在扫描头上形成一层薄膜
且透光性差,不易清除故在选择用冷却液时要慎用。
(2)加工过程中,冷却液的压力不要太大,流量不要过大,一面形成大量的水
雾进入光栅
(3)光栅最好通入低压压缩空气(),以免扫描头运动时形成的负压把污
物吸入光栅。压缩空气必须净化,滤芯应保持清洁并定期更换。
(4)光栅上的污物可以用脱脂棉醮无水酒精轻轻擦除
2)防振
光栅拆装时要用静力,不能用硬物敲击,以免引起光学元件损坏。
2、光点脉冲编码器
光点脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙,在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时,光线的明暗变化,经过、光敏元件变成点信号的强弱,从而得到脉冲信号。编码器的输出信号:两个相位信号输出,用于辨向;
一个零标志信号(又称一转信号),用于机床回参考点的控制。另外还有+5V电源接地端。编码器的维护主要注意两个问题:
(1)防振和防污由于编码器是精密测量元件,使用环境或拆装时要与光栅一样
注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失,振动容易使编码器内的紧
固件松动脱落,造成内部电源短路。
(2)连接松动脉冲编码器用语位置检测时的两种安装形式,一种是与伺服电动
机同轴安装,称内装式编码器,日西门子1FT5、1FT6伺服电动机上的
ROD320编码器,另一种是编码器安装于传动链末端,称为外装式编码器,
当传动链较长时,这种安装方式可以减小传动链雷击误差对位置检测精度
的影响。不管是那种安装方式,都要注意编码器连接松动问题。由于连接
松动,往往会影响位置控制精度。另外,在有些交流伺服电动机中,内装
式编码器除了位置检测外,同时还具有测速和交流伺服电动机转子位置检
测的作用,如三菱HA系列交流伺服电动机中的编码器(ROTARY
ENCODER OSE253S)。因此,编码器连接松动还会引起进给运动的不稳定,
影响交流伺服电动机的换向控制,从而引起机床的振动
3. 感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件,它是由定尺和滑尺两部分
组成且相对平行安装,定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组,其中定尺绕组是连续
的,滑尺上分布着两个励磁绕组,即正弦绕组,分别接入交流电。对感应同步器
的维护应主意:①安装时,必须保持定尺和滑尺相对平行,且定尺固定螺栓不得
超过尺面,调整间隙在0.09~0.15mm为宜。②不要损坏定尺表面耐切削液涂层和
滑尺表面一层带绝缘层的铝铂,否则会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时分清
滑尺的正弦绕组和余弦绕组,其阻值基本相同,这两个绕组必须分别接入励磁
电
压。
4、旋转变压器
旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系,可用作角度检测元件,一般用于精度要求不高或大型机床的粗测以中测绕组,转子上也有相等匝数的争先绕组和余弦绕组,但转子和定子的绕组阻值却不同,一般钉子绕组值稍大,有时补偿绕组自行短接或接入一个阻抗。②由于结构上与绕线转子异步电动机相似,因此,炭刷磨损到一定程度后要更换。
5、磁栅尺
磁栅是又磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性标尺是在非导磁材料,如不利、不锈钢等材料的基本上,覆盖上一曾厚的磁性材料,形成一层均匀有规则的磁性膜。对磁栅尺的维护硬注意:①不能将磁性膜刮坏,防止铁屑和油污落在磁性标尺和磁头上,要用脱脂棉醮酒精轻轻地擦其表面。②不能用力拆装和撞击磁性标尺和磁头,否则会使磁性减弱或使磁场紊乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组,前者摇在磁路截面尺寸较小的横臂上,后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上
(1)功能性故障主要指工件加工精度方面的故障,表现在加工精度不稳定,加工误
差大,运动方向误差大,工件表面粗糙。
(2)动作型故障主要指机床各执行部件动作故障,如主轴不转动,液压变速不灵魂,
工件或刀具夹不紧或松不开,刀架刀库转位定位不太准等
(3)结构型故障主要指主轴发热,主轴箱噪声大、切削时产生振动等
(4)使用型故障主要指因使用和操作不当引起的故障,如又过载引起的机件损坏、
撞车等。
1)主轴润滑
为了保证主轴有良好的润滑,减少摩擦发热,同时又能把主轴组件的热量带走,通常采用循环式润滑系统
(1)油气润滑方式这种润滑方式近似于油雾润滑方式,所不同的是,油气润滑是定时定
量地把油雾送进轴承空隙中,这样既实现了油雾润滑,又不致于油雾太多而污染周围的空气;后者则是连续供给油雾
(2)喷注润滑方式
2)防泄露
在密封件中,被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封
连接处彼侧
1)软件报警(CRT显示)故障
(1)进给伺服系统出错报警故障这类故障的起因,大多是速度控制单元方面的故障
引起的,或是主控制印制线路板与位置控制或伺服信号有关部分的故障
(2)检测元件(测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器等)或检测信号方面引起的
故障
引起原因有:
①电动机力线断线。如果伺服电源刚接通,尚未接到任何指令时,就发生这种报
警,则由于断线而造成故障可能性最大。
②伺服单元印制线路板上设定错误,如将检测单元脉冲编码器设定成了测速机等
③没有速度反馈电压或时有时断,这可用显示器来测量速度反馈信号来判断,这
类故障除检测元件本身存在故障外,多数是由于连接电缆不良或接触不良引起的
(3)过热报警故障这里所述的过热是指伺服单元、变压器及伺服电机等的过热。引起的原因有:
①机床切削条件苛刻及机床摩擦力矩过大,引起主贿赂中的过热继电器动作
②切削时,伺服电机电流太大或变压器本身故障,引起伺服变压器热控开关动作
③伺服惦记电枢内部短路或绝缘不良、惦记永久磁钢去磁或脱落及电机制动器不
良,引起电机过热控开关动作
(4)电机过载引起过载的原因有
①机床负荷异常,引起电机电流过额定值。这可以用检查电动机电流来判断。此
时需要变更切削条件,减轻机床负荷
②印制电路板设定错误、亦即应确定电动机过载的设定是否正确。
③印制线路板不良。
④对于交流伺服来说,没有脉冲编码器反馈信号也会引起电机过载报警。
(5)速度单元断路器断开报警引起报警的原因是:
①干扰。有时速度单元受外界的干扰影响,断路器自动断开。此时只要关断电源
后,复位一次自动断路器再合闸,单元又可自动运行。
②机床负荷异常。这可用示波器检查机床在快速进给时的电动机电流是否超过额
定值来判断机床负荷是否有异常
③速度控制单元内整流用二极管模块不好
④印制电路板不好或印制板与速度控制单元之间的连接不好
(6)伺服单元过电流报警引起该报警主要原因是:
①晶体管模块不好。这时可用万用表检查晶体管模块集电极和发射极之间的阻
值。如果只有数欧姆,则表示该模块已被击穿短路
②电动机动力线连接错误
③电动机线圈内部短路
④印制线路板有故障
(7)伺服系统过压报警其原因是:
①交流输入电源电压过高
②伺服电动机线圈有故障
③印制线路板有故障
④负载惯量过大。因此可采取加大加减速时间常数的办法来消除本报警
(8)电动机在生放电的电流过大报警引起本报警的原因是:
①再生放电用晶体管不良,或印制线路板不良。如有些原因引起的报警,则只要
伺服单元一接通就会出现这个报警
②印制线路板设定不对
③加/减速频率过高
(9)速度单元的电源电压太低报警引起本报警的原因是:
①输入交流电压过低。
②伺服变压器和印制线路连接不良
③如果不是上述二原因,则是印制线路板不良。
④如果电路中有+5V电源,它的熔丝断也引起报警
刀库与换刀机械手的维护要点
(1)严禁把超重、超长的到装入刀库,防止在机械手换刀时掉刀或刀具于工件、夹具等
发生碰撞
(2)顺序选刀方式必须主要刀具放置在刀库中的顺序要正确。其他选刀方式也要注意所
换刀具是否与所需刀具一致,防止换错刀具导致事故发生
(3)用手动方式往刀库上装刀时,要确保装到位、装牢靠。检查刀座上的锁紧是否可靠。
(4)经常检查刀库的回零位是否正确,检查机床主轴回换刀点位置是否到位,病即使调
整,否则不能完成换刀动作。
(5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁
(6)开机时,应先使刀库和机械手空运行,检查各部分工作是否正常,特别是各行程开
关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压系统的压力是否正常,刀具在机械手上锁紧是否可靠,发现不正常十应及时处理。
2、刀库的故障
1)刀库不能转动或转动不到位
刀库不能转动的可能原因有:
(1)连接电动机轴与蜗杆轴的连轴器松动
(2)变频器故障,硬查变频器的输入、输出电压正常与否
(3)PLC无控制输出,可能是接口板中的继电器失效
(4)机械连接过紧或黄油粘涩
(5)电网电压过低(不应低于370V)
刀库转动不到位的可能原因有:电极转动故障,传动机构误差
2)刀套不能夹紧刀具
可能原因是刀套上的调整螺母松动,或弹簧太松,造成卡紧力不足;刀具超
重
3)刀套随时下不到位
可能原因是装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确;因限位开
关安装不准或调整不当而造成反馈信号错误。
4)刀套不能拆卸或停留一段私见才能拆卸
应检查操纵刀套90度拆卸的气阀是否松动,气压足不足,刀套的转动轴锈蚀
等
3、换刀机械手故障
(1)刀具夹不紧可能原因有风泵气压不足,增压漏气,刀具啊紧气压漏气,刀
具松开弹簧上的螺冒松动。分析主轴拉不紧刀具的原因是:
①主轴拉刀蝶簧变形或损坏
②拉力液压缸动作不到位
③拉钉与刀柄夹头间的螺纹联结松动。经检查,发现拉钉与刀柄夹头的螺纹
联结松动,刀柄夹头随着刀具的插拨发生旋转,后退了约1.5mm.该台机床的拉钉与刀柄夹头间无任何联结防松的碎紧措施。在插拨刀具时,若刀具中心与主轴锥孔中心稍有偏差,刀柄夹头与刀柄间就会存在一个偏心摩擦。刀柄夹头在这种摩擦和冲击的共同作用下,时间一长,螺纹松动退丝,出现主轴拉不住刀的现象。若将主轴拉钉和刀柄夹头的螺纹联结用螺纹锁固密封胶锁固及锁紧螺母锁紧后,故障消除。
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