伺服驅(qū)動系統(tǒng)的分類與故障診斷

伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床的驅(qū)動器，集電力電子、控制、驅(qū)動和保護于一體，經(jīng)歷了數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、專用電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的進步。從邁步到DC，再到交往的發(fā)展。數(shù)控機床中存在多種伺服系統(tǒng)。本文分析了其結(jié)構(gòu)和簡單分類，并簡要論述了其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）是一種伺服系統(tǒng)。它是以機械位置或角度為控制對象的自動控制系統(tǒng)，如數(shù)控機床。在伺服系統(tǒng)中使用的驅(qū)動電機需要快速響應(yīng)、精確定位和轉(zhuǎn)動慣量。（機電系統(tǒng)中使用的伺服電機具有很大的慣性矩，并且可以直接連接到機械部件，如絲杠）。伺服電機有一個特殊的小慣量電機，具有極高的響應(yīng)速度。然而，這種類型的電機過載。低容量時，在進給伺服系統(tǒng)中，必須加上加減速裝置。轉(zhuǎn)動慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性。當(dāng)選擇伺服電機時，系統(tǒng)的慣性矩不能大于電機慣性矩的3倍。特點，這種專用電機稱為伺服電機。當(dāng)然，它的基本工作原理與普通的AC/DC電機沒有什么不同。這種電機的專用驅(qū)動單元稱為伺服驅(qū)動單元，有時稱為伺服，通常包括電流、速度和/或位置閉環(huán)。

一、概述

伺服系統(tǒng)由機械運動驅(qū)動，電機為控制對象，控制器為核心，電力電子功率轉(zhuǎn)換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，電驅(qū)動自動控制系統(tǒng)由自動控制理論指導(dǎo)組成。這種類型的系統(tǒng)控制電機的轉(zhuǎn)矩、速度和角度，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，以達到移動機器的運動要求。具體地，在數(shù)控機床中，伺服系統(tǒng)接收由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的位移和速度指令。電機和機械傳動機構(gòu)經(jīng)過改造、調(diào)整和整流后，驅(qū)動機床坐標軸和主軸，驅(qū)動工作臺和刀架。軸的連接使得工具產(chǎn)生相對于工件的各種復(fù)雜的機械運動，從而加工用戶需要的復(fù)雜形狀的工件。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床的驅(qū)動器，集電力電子、控制、驅(qū)動和保護于一體，經(jīng)歷了數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、專用電機材料技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的進步。從邁步到DC，再到交往的發(fā)展。數(shù)控機床中存在多種伺服系統(tǒng)。本文分析了其結(jié)構(gòu)和簡單分類，并簡要論述了其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

第1章伺服驅(qū)動系統(tǒng)的作用：

伺服驅(qū)動系統(tǒng)是數(shù)控單元與機床之間的連接。通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)送的控制信息轉(zhuǎn)換為坐標軸的運動，完成程序規(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)的功能如下：

（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單元發(fā)送的控制信號控制機床運動部件的位置和速度。

2型數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)要求：

數(shù)控機床結(jié)合了傳統(tǒng)自動機床、精密機床和通用機床的優(yōu)點，將高效率、高精度和高靈活性結(jié)合起來。

（1）可逆運行

（2）寬調(diào)速范圍

（3）具有足夠的傳動剛度和速度穩(wěn)定性。

（4）無超調(diào)快速響應(yīng)

（5）高精度

（6）低速大扭矩

第二、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)根據(jù)其使用和功能分為進給驅(qū)動系統(tǒng)和主軸驅(qū)動系統(tǒng)，根據(jù)其控制原理和位置檢測反饋環(huán)節(jié)的有無，分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；根據(jù)驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的作用原理，它是電液伺服驅(qū)動系統(tǒng)和電伺服驅(qū)動系統(tǒng)。電伺服驅(qū)動系統(tǒng)進一步分為直流伺服驅(qū)動系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

（1）進給傳動和主軸傳動

進給驅(qū)動是數(shù)控機床工作臺或刀柱坐標的控制系統(tǒng)，控制機床各軸的切削進給運動，并提供切削過程所需的扭矩。主軸驅(qū)動器控制機床主軸的旋轉(zhuǎn)運動，為機床主軸提供驅(qū)動力和所需的切削力。一般來說，對于進給驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心的是其轉(zhuǎn)矩大小、調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)整精度的水平，以及動態(tài)響應(yīng)速度的速度。對于主軸驅(qū)動系統(tǒng)，主要關(guān)心的是它是否具有足夠的功率、寬的恒功率調(diào)節(jié)范圍和速度調(diào)節(jié)范圍。

(2)開環(huán)控制與閉環(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。根據(jù)反饋檢測單元的存在與否，將數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)。這兩種類型的伺服驅(qū)動系統(tǒng)的基本部件是不相同的。但無論是哪種類型，致動器及其驅(qū)動控制單元都是必不可少的。驅(qū)動控制單元的功能是將進給命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動致動器所需的信號的形式，從而將信號轉(zhuǎn)換為相應(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)行機構(gòu)和機床組成。通常，執(zhí)行機構(gòu)是步進電機。執(zhí)行器對系統(tǒng)的特性有重大影響。

閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括致動器、驅(qū)動控制單元、機床、反饋檢測單元和比較控制環(huán)節(jié)。反饋檢測單元反饋工作臺的實際位置并將其反饋給比較控制鏈路。比較控制環(huán)節(jié)將指令信號和反饋信號進行比較，并將兩者之間的差值用作由驅(qū)動控制單元驅(qū)動和控制的伺服系統(tǒng)的下列誤差。組件驅(qū)動表移動。

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，這導(dǎo)致了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的一些變化，但基本上由執(zhí)行機構(gòu)、反饋檢測單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動器組成?？刂茊卧蜋C床。

(3)直流伺服驅(qū)動與交流伺服驅(qū)動

20世紀70年代和80年代初，數(shù)控機床采用直流伺服驅(qū)動。直流大慣量伺服電機調(diào)速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，過載能力強。此外，由于電機慣量等于機床傳動部件的慣量，所以在形成閉環(huán)后容易調(diào)整。直流中小慣性伺服電機及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動裝置更適合數(shù)控機床頻繁啟動、制動、快速定位和切削的要求。然而，直流電動機的最大特點之一是存在電刷和機械換向器，這限制了它向大容量、高壓和高速發(fā)展，限制了它的應(yīng)用。

20世紀80年代，交流電機調(diào)速技術(shù)在電機控制領(lǐng)域取得了突破性進展。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)進入了電氣傳動速度控制的各個領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)的最大優(yōu)點是易于維修，制造簡單，易于大容量、高速度開發(fā)，適用于惡劣環(huán)境。同時，從減小伺服驅(qū)動系統(tǒng)尺寸、提高可靠性的角度考慮，采用交流電機比采用直流電機更為合理。

三、數(shù)控機床伺服系統(tǒng)故障診斷

數(shù)控機床伺服系統(tǒng)故障與機床總故障的比率較高。由于伺服系統(tǒng)中涉及的諸多環(huán)節(jié)，以及各種技術(shù)原理，很難對診斷進行維修。因此，有必要總結(jié)一些故障診斷方法。

通過位置伺服系統(tǒng)對CNC機床主軸進行定位。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)控制的特點是任何鏈路的故障可能導(dǎo)致不準確、不穩(wěn)定或無效的系統(tǒng)定位。故障診斷和定位是維護的關(guān)鍵。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)接口的特點，對系統(tǒng)進行分解和判斷是一種有效的方法。

主軸伺服系統(tǒng)的故障與診斷方法

當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時，通常有三種表現(xiàn)形式：一種是在CRT或操作面板上顯示報警信息或報警內(nèi)容；另一種是用報警燈DI在主軸驅(qū)動裝置上顯示主軸驅(qū)動裝置的故障。牙輪管；主軸不能正常工作，但沒有報警信息。主軸伺服系統(tǒng)的常見故障有：

（1）外部干擾

由于電磁干擾、不良的屏蔽和接地措施，主軸速度指令信號或反饋信號受到干擾，導(dǎo)致主軸驅(qū)動中的隨機和不規(guī)則波動。判斷是否存在干擾的方法是：當(dāng)主軸速度指令為零時，主軸仍然往復(fù)運動，調(diào)整零速度平衡和漂移補償不能消除故障。

（2）過載

如果切削量過大，頻繁的正負旋轉(zhuǎn)會引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸電機過熱，主軸驅(qū)動顯示，過電流報警顯示。

（3）主軸定位抖動

主軸準停換刀、精縮、換檔等，有三種實現(xiàn)方法：

（1）機械停車控制

（2）磁傳感器的電準停止控制

( 3 ) 編碼器型準停止控制

（4）主軸轉(zhuǎn)速與進給速度不匹配

當(dāng)用每轉(zhuǎn)一次進給指令進行螺紋切削或切削時，存在進給停止和主軸繼續(xù)運轉(zhuǎn)的問題。為了執(zhí)行每轉(zhuǎn)指令進給，主軸必須有一個旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的反饋信號。一般來說，主軸編碼器存在問題。這可以通過以下方法來確定：

（1）CRT屏具有報警顯示功能；

（2）通過CRT調(diào)用機器數(shù)據(jù)或I/O狀態(tài)，觀察編碼器的信號狀態(tài)；

( 3 )使用每分鐘進給命令而不是每次旋轉(zhuǎn)進給來執(zhí)行程序，以查看故障是否消失。

（5）速度偏離指令值

當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求規(guī)定的范圍時，考慮：

（1）電機過載。

（2 )數(shù)控系統(tǒng)輸出的主軸速度模擬輸出(通常為0-10V)沒有達到與速度命令相對應(yīng)的值。

（3）測速裝置有故障或轉(zhuǎn)速反饋信號發(fā)生故障。

（4）主軸傳動裝置有故障。

（6）主軸異常噪聲與振動

首先要做的是區(qū)分主軸的機械部分或電驅(qū)動部分中出現(xiàn)的異常噪聲和振動。

1)減速過程的發(fā)生通常是由驅(qū)動裝置引起的，例如交流驅(qū)動中的再生電路故障。

2)它是以恒定速度產(chǎn)生的，這可以通過觀察主軸電機在自由停止過程中是否存在噪聲和振動來區(qū)分。如果存在，則主軸的機械部分存在問題；

3）檢查振動周期是否與速度有關(guān)。如果不相關(guān)，一般不調(diào)整主軸驅(qū)動單元；如果相關(guān)，則應(yīng)檢查主軸的機械部分是否良好，以及測速裝置是否有缺陷。

（7）主軸電機不轉(zhuǎn)動

除了速度模擬控制信號，CNC系統(tǒng)到主軸驅(qū)動器還具有使能控制信號，通常是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）檢查信號是否可以打開。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，如潤滑和冷卻是否滿足。

3）主軸傳動裝置有故障。

4）主軸電機有故障。

四、饋電伺服系統(tǒng)故障及診斷方法

1. 超程

當(dāng)進給運動超過由軟件設(shè)置的軟件限制或由限制開關(guān)設(shè)置的硬件限制時，將發(fā)生超行程警報，并且警報內(nèi)容將顯示在CRT上。根據(jù)CNC系統(tǒng)手冊，可以消除報警。故障，取消警報。

2. 過載

當(dāng)進給運動的負荷太大，頻繁的正反運動以及傳動鏈的潤滑不良時，將引起過載警報。在CRT上通常會顯示伺服電機過載、過熱或過電流等報警信息。同時，在電源柜中的饋電驅(qū)動單元上，指示燈或數(shù)字管將提示驅(qū)動單元過載、過電流等信息。

3. 擺動

在喂食過程中發(fā)生攪拌。

( 1 ) 測速信號不穩(wěn)定，如測速裝置故障、速度反饋信號干擾等；

（2）速度控制信號不穩(wěn)定或干擾；

（3）端子接觸不良，如螺釘松動。當(dāng)在正向和反向的換向力矩中發(fā)生湍流時，通常是由于進給鏈的間隙或伺服系統(tǒng)的增益過大而引起的。

4. 爬行

當(dāng)它發(fā)生在起動加速段或低速進給時，通常是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)差、伺服系統(tǒng)增益低和過載等因素造成的。特別地，由于松耦合或耦合本身的缺陷，例如裂紋，伺服電機和滾珠絲杠之間的耦合與伺服電機的旋轉(zhuǎn)不同步。使運動產(chǎn)生閃爍和蠕動現(xiàn)象。

5. 型機床振動

當(dāng)機器高速運轉(zhuǎn)時，可能會發(fā)生振動，并會發(fā)生過電流報警。機器振動問題一般是速度問題，所以你應(yīng)該尋找速度環(huán)；而整個機器速度的調(diào)整過程都是由速度調(diào)節(jié)器來完成的，也就是說，任何速度相關(guān)的問題，你都應(yīng)該尋找速度調(diào)節(jié)器，所以振動問題要尋找速度調(diào)節(jié)器。主要從給定的信號、反饋信號和速度調(diào)節(jié)器本身找出故障。

6. 伺服電機不轉(zhuǎn)動

除了速度控制信號之外，進給驅(qū)動單元的CNC系統(tǒng)還具有使能控制信號，通常是DC 24V繼電器線圈電壓。伺服電機不轉(zhuǎn)動。常見的診斷方法有：

（1）檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出；

（2）檢查啟動信號是否開啟。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機床的PLC梯形圖（或流程圖），判斷進給軸的潤滑、冷卻等啟動條件是否滿足；

（3）有電磁制動器的伺服電機，檢查電磁制動器是否松開；

（4）進給驅(qū)動單元存在故障；

（5）伺服電機有故障。

為了使數(shù)控系統(tǒng)成為更好的機器零件，必須加強對伺服系統(tǒng)及其故障診斷的理解。