伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類與故障診斷

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

伺服系統(tǒng)（伺服系統(tǒng)）是一種伺服系統(tǒng)。它是以機(jī)械位置或角度為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床。在伺服系統(tǒng)中使用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要快速響應(yīng)、精確定位和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（機(jī)電系統(tǒng)中使用的伺服電機(jī)具有很大的慣性矩，并且可以直接連接到機(jī)械部件，如絲杠）。伺服電機(jī)有一個(gè)特殊的小慣量電機(jī)，具有極高的響應(yīng)速度。然而，這種類型的電機(jī)過(guò)載。低容量時(shí)，在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中，必須加上加減速裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性。當(dāng)選擇伺服電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的慣性矩不能大于電機(jī)慣性矩的3倍。特點(diǎn)，這種專用電機(jī)稱為伺服電機(jī)。當(dāng)然，它的基本工作原理與普通的AC/DC電機(jī)沒有什么不同。這種電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)單元稱為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)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(jī)械運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)為控制對(duì)象，控制器為核心，電力電子功率轉(zhuǎn)換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電驅(qū)動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)由自動(dòng)控制理論指導(dǎo)組成。這種類型的系統(tǒng)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、速度和角度，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，以達(dá)到移動(dòng)機(jī)器的運(yùn)動(dòng)要求。具體地，在數(shù)控機(jī)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(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)改造、調(diào)整和整流后，驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸和主軸，驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)和刀架。軸的連接使得工具產(chǎn)生相對(duì)于工件的各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(jī)床的驅(qū)動(dòng)器，集電力電子、控制、驅(qū)動(dòng)和保護(hù)于一體，經(jīng)歷了數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、專用電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)和現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步。從邁步到DC，再到交往的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床中存在多種伺服系統(tǒng)。本文分析了其結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單分類，并簡(jiǎn)要論述了其技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

第1章伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用：

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控單元與機(jī)床之間的連接。通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將數(shù)控裝置發(fā)送的控制信息轉(zhuǎn)換為坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，完成程序規(guī)定的操作。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的功能如下：

（1）伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有放大控制信號(hào)的能力；

（2）根據(jù)CNC單元發(fā)送的控制信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的位置和速度。

2型數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求：

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

（1）可逆運(yùn)行

（2）寬調(diào)速范圍

（3）具有足夠的傳動(dòng)剛度和速度穩(wěn)定性。

（4）無(wú)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(dòng)系統(tǒng)的分類

數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)其使用和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)其控制原理和位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)的有無(wú)，分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；根據(jù)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的作用原理，它是電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

（1）進(jìn)給傳動(dòng)和主軸傳動(dòng)

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀柱坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的扭矩。主軸驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)床主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為機(jī)床主軸提供驅(qū)動(dòng)力和所需的切削力。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的速度。對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)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(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成如圖所示。根據(jù)反饋檢測(cè)單元的存在與否，將數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分為開環(huán)和閉環(huán)。這兩種類型的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本部件是不相同的。但無(wú)論是哪種類型，致動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)控制單元都是必不可少的。驅(qū)動(dòng)控制單元的功能是將進(jìn)給命令轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器所需的信號(hào)的形式，從而將信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的機(jī)械位移。

開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)床組成。通常，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是步進(jìn)電機(jī)。執(zhí)行器對(duì)系統(tǒng)的特性有重大影響。

閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括致動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床、反饋檢測(cè)單元和比較控制環(huán)節(jié)。反饋檢測(cè)單元反饋工作臺(tái)的實(shí)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(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)行比較，并將兩者之間的差值用作由驅(qū)動(dòng)控制單元驅(qū)動(dòng)和控制的伺服系統(tǒng)的下列誤差。組件驅(qū)動(dòng)表移動(dòng)。

在CNC系統(tǒng)中，由于計(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)、反饋檢測(cè)單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)器組成?？刂茊卧蜋C(jī)床。

(3)直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)

20世紀(jì)70年代和80年代初，數(shù)控機(jī)床采用直流伺服驅(qū)動(dòng)。直流大慣量伺服電機(jī)調(diào)速性能好，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)。此外，由于電機(jī)慣量等于機(jī)床傳動(dòng)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(jī)及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)裝置更適合數(shù)控機(jī)床頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)、快速定位和切削的要求。然而，直流電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)之一是存在電刷和機(jī)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(jì)80年代，交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)在電機(jī)控制領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入了電氣傳動(dòng)速度控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是易于維修，制造簡(jiǎn)單，易于大容量、高速度開發(fā)，適用于惡劣環(huán)境。同時(shí)，從減小伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)尺寸、提高可靠性的角度考慮，采用交流電機(jī)比采用直流電機(jī)更為合理。

三、數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障診斷

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障與機(jī)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(duì)診斷進(jìn)行維修。因此，有必要總結(jié)一些故障診斷方法。

通過(guò)位置伺服系統(tǒng)對(duì)CNC機(jī)床主軸進(jìn)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(diǎn)是任何鏈路的故障可能導(dǎo)致不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定或無(wú)效的系統(tǒng)定位。故障診斷和定位是維護(hù)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(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(shí)，通常有三種表現(xiàn)形式：一種是在CRT或操作面板上顯示報(bào)警信息或報(bào)警內(nèi)容；另一種是用報(bào)警燈DI在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上顯示主軸驅(qū)動(dòng)裝置的故障。牙輪管；主軸不能正常工作，但沒有報(bào)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(hào)或反饋信號(hào)受到干擾，導(dǎo)致主軸驅(qū)動(dòng)中的隨機(jī)和不規(guī)則波動(dòng)。判斷是否存在干擾的方法是：當(dāng)主軸速度指令為零時(shí)，主軸仍然往復(fù)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整零速度平衡和漂移補(bǔ)償不能消除故障。

（2）過(guò)載

如果切削量過(guò)大，頻繁的正負(fù)旋轉(zhuǎn)會(huì)引起過(guò)載報(bào)警。具體表現(xiàn)為主軸電機(jī)過(guò)熱，主軸驅(qū)動(dòng)顯示，過(guò)電流報(bào)警顯示。

（3）主軸定位抖動(dòng)

主軸準(zhǔn)停換刀、精縮、換檔等，有三種實(shí)現(xiàn)方法：

（1）機(jī)械停車控制

（2）磁傳感器的電準(zhǔn)停止控制

( 3 ) 編碼器型準(zhǔn)停止控制

（4）主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給速度不匹配

當(dāng)用每轉(zhuǎn)一次進(jìn)給指令進(jìn)行螺紋切削或切削時(shí)，存在進(jìn)給停止和主軸繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。為了執(zhí)行每轉(zhuǎn)指令進(jìn)給，主軸必須有一個(gè)旋轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)的反饋信號(hào)。一般來(lái)說(shuō)，主軸編碼器存在問(wèn)題。這可以通過(guò)以下方法來(lái)確定：

（1）CRT屏具有報(bào)警顯示功能；

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

( 3 )使用每分鐘進(jìn)給命令而不是每次旋轉(zhuǎn)進(jìn)給來(lái)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(guò)技術(shù)要求規(guī)定的范圍時(shí)，考慮：

（1）電機(jī)過(guò)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(dá)到與速度命令相對(duì)應(yīng)的值。

（3）測(cè)速裝置有故障或轉(zhuǎn)速反饋信號(hào)發(fā)生故障。

（4）主軸傳動(dòng)裝置有故障。

（6）主軸異常噪聲與振動(dòng)

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

1)減速過(guò)程的發(fā)生通常是由驅(qū)動(dòng)裝置引起的，例如交流驅(qū)動(dòng)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(guò)觀察主軸電機(jī)在自由停止過(guò)程中是否存在噪聲和振動(dòng)來(lái)區(qū)分。如果存在，則主軸的機(jī)械部分存在問(wèn)題；

3）檢查振動(dòng)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(dòng)單元；如果相關(guān)，則應(yīng)檢查主軸的機(jī)械部分是否良好，以及測(cè)速裝置是否有缺陷。

（7）主軸電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)

除了速度模擬控制信號(hào)，CNC系統(tǒng)到主軸驅(qū)動(dòng)器還具有使能控制信號(hào)，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(hào)輸出。

2）檢查信號(hào)是否可以打開。通過(guò)CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC圖形（或流程圖）以確定主軸的啟動(dòng)條件，如潤(rùn)滑和冷卻是否滿足。

3）主軸傳動(dòng)裝置有故障。

4）主軸電機(jī)有故障。

四、饋電伺服系統(tǒng)故障及診斷方法

1. 超程

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過(guò)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(shí)，將發(fā)生超行程警報(bào)，并且警報(bào)內(nèi)容將顯示在CRT上。根據(jù)CNC系統(tǒng)手冊(cè)，可以消除報(bào)警。故障，取消警報(bào)。

2. 過(guò)載

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的負(fù)荷太大，頻繁的正反運(yùn)動(dòng)以及傳動(dòng)鏈的潤(rùn)滑不良時(shí)，將引起過(guò)載警報(bào)。在CRT上通常會(huì)顯示伺服電機(jī)過(guò)載、過(guò)熱或過(guò)電流等報(bào)警信息。同時(shí)，在電源柜中的饋電驅(qū)動(dòng)單元上，指示燈或數(shù)字管將提示驅(qū)動(dòng)單元過(guò)載、過(guò)電流等信息。

3. 擺動(dòng)

在喂食過(guò)程中發(fā)生攪拌。

( 1 ) 測(cè)速信號(hào)不穩(wěn)定，如測(cè)速裝置故障、速度反饋信號(hào)干擾等；

（2）速度控制信號(hào)不穩(wěn)定或干擾；

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

4. 爬行

當(dāng)它發(fā)生在起動(dòng)加速段或低速進(jìn)給時(shí)，通常是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤(rùn)滑狀態(tài)差、伺服系統(tǒng)增益低和過(guò)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(jī)和滾珠絲杠之間的耦合與伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)不同步。使運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生閃爍和蠕動(dòng)現(xiàn)象。

5. 型機(jī)床振動(dòng)

當(dāng)機(jī)器高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)發(fā)生振動(dòng)，并會(huì)發(fā)生過(guò)電流報(bào)警。機(jī)器振動(dòng)問(wèn)題一般是速度問(wèn)題，所以你應(yīng)該尋找速度環(huán)；而整個(gè)機(jī)器速度的調(diào)整過(guò)程都是由速度調(diào)節(jié)器來(lái)完成的，也就是說(shuō)，任何速度相關(guān)的問(wèn)題，你都應(yīng)該尋找速度調(diào)節(jié)器，所以振動(dòng)問(wèn)題要尋找速度調(diào)節(jié)器。主要從給定的信號(hào)、反饋信號(hào)和速度調(diào)節(jié)器本身找出故障。

6. 伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)

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

（1）檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號(hào)輸出；

（2）檢查啟動(dòng)信號(hào)是否開啟。通過(guò)CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床的PLC梯形圖（或流程圖），判斷進(jìn)給軸的潤(rùn)滑、冷卻等啟動(dòng)條件是否滿足；

（3）有電磁制動(dòng)器的伺服電機(jī)，檢查電磁制動(dòng)器是否松開；

（4）進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元存在故障；

（5）伺服電機(jī)有故障。

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