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伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及其故障診斷
沙洲職業(yè)工學(xué)院 李剛 2007/1/6
摘要：伺服系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提高依賴(lài)于進(jìn)給和主軸驅(qū)動(dòng)的改善。并要求伺服系統(tǒng)有一定的故障診斷能力。
關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng),主軸進(jìn)給,故障診斷
SUMMARY：ServoSystemisactlinkofCNCSystemandmachine.TheCNCmachinetechniqueleveldependsonthefeedandspindledrive’simprove.Andrequiresservosystemhasacapabilitytodiagnosethetrouble.
KEYWORDS：ServoSystem，mainspindlefeed,diagnosethetrouble
前言：伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（ServoSystem）簡(jiǎn)稱(chēng)伺服系統(tǒng)，是一種以機(jī)械位置或角度作為控制對(duì)象的自動(dòng)控制系統(tǒng)，例如數(shù)控機(jī)床等。使用在伺服系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)要求具有響應(yīng)速度快、定位準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。（使用在機(jī)電系統(tǒng)中的伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，為了能夠和絲杠等機(jī)械部件直接相連。伺服電機(jī)有一種專(zhuān)門(mén)的小慣量電機(jī)，為了得到極高的響應(yīng)速度。但這類(lèi)電機(jī)的過(guò)載能力低，當(dāng)使用在進(jìn)給伺服系統(tǒng)中時(shí)，必須加減速裝置。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量反映了系統(tǒng)的加速度特性，在選擇伺服電機(jī)時(shí)，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不能大于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的3倍。）較大等特點(diǎn)，這類(lèi)專(zhuān)用的電機(jī)稱(chēng)為伺服電機(jī)。當(dāng)然，其基本工作原理和普通的交直流電機(jī)沒(méi)有什么不同。該類(lèi)電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)單元稱(chēng)為伺服驅(qū)動(dòng)單元，有時(shí)簡(jiǎn)稱(chēng)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(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備，電動(dòng)機(jī)為控制對(duì)象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在自動(dòng)控制理論的指導(dǎo)下組成的電氣傳動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)。這類(lèi)系統(tǒng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)要求。具體在數(shù)控機(jī)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(dòng)機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)床坐標(biāo)軸、主軸等，帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過(guò)軸的聯(lián)動(dòng)使刀具相對(duì)工件產(chǎn)生各種復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，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(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，伺服系統(tǒng)將電力電子器件、控制、驅(qū)動(dòng)及保護(hù)等集為一體，并隨著數(shù)字脈寬調(diào)制技術(shù)、特種電機(jī)材料技術(shù)、微電子技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的進(jìn)步，經(jīng)歷了從步進(jìn)到直流，進(jìn)而到交流的發(fā)展歷程。數(shù)控機(jī)床中的伺服系統(tǒng)種類(lèi)繁多，本文通過(guò)分析其結(jié)構(gòu)及簡(jiǎn)單歸分，對(duì)其技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)作簡(jiǎn)要探討。
1伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的作用：
伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是CNC裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。CNC裝置發(fā)出的控制信息，通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，完成程序所規(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)作用有：
（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裝置發(fā)出的控制信號(hào)對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度進(jìn)行控制。
2數(shù)控機(jī)床對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求：
數(shù)控機(jī)床集中了傳統(tǒng)的自動(dòng)機(jī)床，精密機(jī)床和萬(wàn)能機(jī)床三者的優(yōu)點(diǎn)，將高效率，高精度和高柔性集中于一體。
（1）可逆運(yùn)行
（2）速度范圍寬
（3）具有足夠的傳動(dòng)剛性和速度穩(wěn)定性
（4）響應(yīng)快速并無(wú)超調(diào)
（5）高精度
（6）低速度大轉(zhuǎn)矩
二伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)
數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按其用途和功能分為進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；按其控制原理和有無(wú)位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)分為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)；按驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的動(dòng)作原理分為電液伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。電氣伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)又分為直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
1.進(jìn)給驅(qū)動(dòng)與主軸驅(qū)動(dòng)
進(jìn)給驅(qū)動(dòng)是用于數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)或刀架坐標(biāo)的控制系統(tǒng)，控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并提供切削過(guò)程所需的轉(zhuǎn)矩。主軸驅(qū)動(dòng)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)功率和所需的切削力。一般地，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的快慢。對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)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(kāi)環(huán)控制和閉環(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。數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按有無(wú)反饋檢測(cè)單元分為開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩種類(lèi)型(見(jiàn)數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分類(lèi))，這兩種類(lèi)型的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的基本組成不完全相同。但不管是哪種類(lèi)型，執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)控制單元都必不可少。驅(qū)動(dòng)控制單元的作用是將進(jìn)給指令轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件所需要的信號(hào)形式，執(zhí)行元件則將該信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的機(jī)械位移。（未完，下一頁(yè)）
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