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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
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開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)控制單元、執(zhí)行元件和機(jī)床組成。通常，執(zhí)行元件選用步進(jìn)電機(jī)。執(zhí)行元件對(duì)系統(tǒng)的特性具有重要影響。
閉環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由執(zhí)行元件、驅(qū)動(dòng)控制單元、機(jī)床，以及反饋檢測(cè)單元、比較控制環(huán)節(jié)組成。反饋檢測(cè)單元將工作臺(tái)的實(shí)際位置檢測(cè)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(hào)和反饋信號(hào)進(jìn)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(dòng)控制單元，驅(qū)動(dòng)和控制執(zhí)行元件帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)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，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(cè)單元、比較控制環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)控制單元和機(jī)床組成。
3.直流伺服驅(qū)動(dòng)與交流伺服驅(qū)動(dòng)
70年代和80年代初，數(shù)控機(jī)床多采用直流伺服驅(qū)動(dòng)。直流大慣量伺服電機(jī)具有良好的寬調(diào)速性能，輸出轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，而且，由于電機(jī)慣性與機(jī)床傳動(dòng)部件的慣量相當(dāng)，構(gòu)成閉環(huán)后易于調(diào)整。而直流中小慣量伺服電機(jī)及其大功率晶體管脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)裝置，比較適應(yīng)數(shù)控機(jī)床對(duì)頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)，以及快速定位、切削的要求。但直流電機(jī)一個(gè)最大的特點(diǎn)是具有電刷和機(jī)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(jìn)入80年代，在電機(jī)控制領(lǐng)域交流電機(jī)調(diào)速技術(shù)取得了突破性進(jìn)展，交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大舉進(jìn)入電氣傳動(dòng)調(diào)速控制的各個(gè)領(lǐng)域。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是交流電機(jī)容易維修，制造簡(jiǎn)單，易于向大容量、高速度方向發(fā)展，適合于在較惡劣的環(huán)境中使用。同時(shí)，從減少伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)外形尺寸和提高可靠性角度來(lái)看，采用交流電機(jī)比直流電機(jī)將更合理。
三數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的故障診斷
數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障占機(jī)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(lái)困難，因此歸納一些故障診斷方法很有必要。
數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的移動(dòng)定位是由位置伺服系統(tǒng)來(lái)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(diǎn)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(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分解判斷，已成為行之有效的方法。
1主軸伺服系統(tǒng)的故障及診斷方法
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：一是在CRT或操作面板上顯示報(bào)警信息或報(bào)警內(nèi)容；二是在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上用警報(bào)燈數(shù)碼管顯示主軸驅(qū)動(dòng)裝置的故障；三是主軸工作不正常，但無(wú)任何報(bào)警信息，主軸伺服系統(tǒng)常見(jiàn)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(hào)或反饋信號(hào)受到干擾，使主軸驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)隨機(jī)和無(wú)規(guī)律性的波動(dòng)。判別有無(wú)干擾的方法是：當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速指令為零時(shí)，主軸仍往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)整零速平衡和漂移補(bǔ)償也不能消除故障。
（2）、過(guò)載
切削用量過(guò)大，頻繁正、反轉(zhuǎn)等均可引起過(guò)載報(bào)警。具體表現(xiàn)為主軸電動(dòng)機(jī)過(guò)熱、主軸驅(qū)動(dòng)張制顯示過(guò)電流報(bào)警等。
（3）、主軸定位抖動(dòng)
主軸準(zhǔn)停用于刀具交換，精鏜退刀以及齒輪換檔等場(chǎng)合，有三種實(shí)現(xiàn)方式：
（1）機(jī)械準(zhǔn)�？刂�
（2）磁性傳感器的電氣準(zhǔn)�？刂�
（3）編碼器型的準(zhǔn)停控制
（4）、主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配
當(dāng)進(jìn)行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令切削時(shí)，會(huì)出現(xiàn)停止進(jìn)給，主軸仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。要執(zhí)行每轉(zhuǎn)進(jìn)給的指令，主軸必須有每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖的反饋信號(hào)，一般情況下為主軸編碼器有問(wèn)題�？梢杂孟铝蟹椒▉�(lái)確定：1.CRT畫(huà)面有報(bào)警顯示。2.通過(guò)CRT調(diào)用機(jī)床數(shù)據(jù)或I/O狀態(tài)，觀察編碼器的信號(hào)狀態(tài)，3.用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給來(lái)執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。
（5）、轉(zhuǎn)速偏離指令值
當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過(guò)技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時(shí)，要考慮：1.電動(dòng)機(jī)過(guò)載。2.CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（通常為0—+-10V）沒(méi)有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對(duì)應(yīng)的值。3.測(cè)速裝置有故障或速度反饋信號(hào)斷線。4.主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障。
（6）、主軸異常噪聲及振動(dòng)
首先要區(qū)別異常噪聲及振動(dòng)發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是在電氣驅(qū)動(dòng)部分。1.在減速過(guò)程中發(fā)生一般是又驅(qū)動(dòng)裝置造成的，如交流驅(qū)動(dòng)中的再生回路故障。2.在恒轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生，可通過(guò)觀察主軸電動(dòng)機(jī)自由停車(chē)過(guò)程中是否有噪音和振動(dòng)的來(lái)區(qū)別，如存在，則主軸機(jī)械部分有問(wèn)題3.檢查
振動(dòng)周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)。如無(wú)關(guān)，一般是主軸驅(qū)動(dòng)裝置未調(diào)整好；如有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否良好，測(cè)速裝置是否不良。
（7）、主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)
CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動(dòng)裝置除了轉(zhuǎn)速模擬量控制信號(hào)外，還有使能控制信號(hào)，一般（未完，下一頁(yè)）
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