伺服驱动系统的分类与故障诊断

　　伺服系统作为数控机床的驱动器，集电力电子、控制、驱动和保护于一体，经历了数字脉宽调制技术、专用电机材料技术、微电子技术和现代控制技术的进步。从迈步到DC，再到交往的发展。数控机床中存在多种伺服系统。本文分析了其结构和简单分类，并简要论述了其技术现状和发展趋势。

　　伺服系统(伺服系统)是一种伺服系统。它是以机械位置或角度为控制对象的自动控制系统，如数控机床。在伺服系统中使用的驱动电机需要快速响应、精确定位和转动惯量。(机电系统中使用的伺服电机具有很大的惯性矩，并且可以直接连接到机械部件，如丝杠)。伺服电机有一个特殊的小惯量电机，具有极高的响应速度。然而，这种类型的电机过载。低容量时，在进给伺服系统中，必须加上加减速装置。转动惯量反映了系统的加速度特性。当选择伺服电机时，系统的惯性矩不能大于电机惯性矩的3倍。特点，这种专用电机称为伺服电机。当然，它的基本工作原理与普通的AC/DC电机没有什么不同。这种电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时称为伺服，通常包括电流、速度和/或位置闭环。

　　一、概述

　　伺服系统由机械运动驱动，电机为控制对象，控制器为核心，电力电子功率转换装置为执行机构，电驱动自动控制系统由自动控制理论指导组成。这种类型的系统控制电机的转矩、速度和角度，将电能转换成机械能，以达到移动机器的运动要求。具体地，在数控机床中，伺服系统接收由数控系统发出的位移和速度指令。电机和机械传动机构经过改造、调整和整流后，驱动机床坐标轴和主轴，驱动工作台和刀架。轴的连接使得工具产生相对于工件的各种复杂的机械运动，从而加工用户需要的复杂形状的工件。伺服系统作为数控机床的驱动器，集电力电子、控制、驱动和保护于一体，经历了数字脉宽调制技术、专用电机材料技术、微电子技术和现代控制技术的进步。从迈步到DC，再到交往的发展。数控机床中存在多种伺服系统。本文分析了其结构和简单分类，并简要论述了其技术现状和发展趋势。

　　第1章伺服驱动系统的作用：

　　伺服驱动系统是数控单元与机床之间的连接。通过伺服驱动系统将数控装置发送的控制信息转换为坐标轴的运动，完成程序规定的操作。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。伺服驱动系统的功能如下：

　　(1)伺服驱动系统具有放大控制信号的能力;

　　(2)根据CNC单元发送的控制信号控制机床运动部件的位置和速度。

　　2型数控机床伺服驱动系统要求：

　　数控机床结合了传统自动机床、精密机床和通用机床的优点，将高效率、高精度和高灵活性结合起来。

　　(1)可逆运行

　　(2)宽调速范围

　　(3)具有足够的传动刚度和速度稳定性。

　　(4)无超调快速响应

　　(5)高精度

　　(6)低速大扭矩

　　第二、伺服驱动系统的分类

　　数控机床的伺服驱动系统根据其使用和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统，根据其控制原理和位置检测反馈环节的有无，分为开环系统和闭环系统;根据驱动执行机构的作用原理，它是电液伺服驱动系统和电伺服驱动系统。电伺服驱动系统进一步分为直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统。

　　(1)进给传动和主轴传动

　　进给驱动是数控机床工作台或刀柱坐标的控制系统，控制机床各轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的扭矩。主轴驱动器控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动力和所需的切削力。一般来说，对于进给驱动系统，主要关心的是其转矩大小、调节范围的大小和调整精度的水平，以及动态响应速度的速度。对于主轴驱动系统，主要关心的是它是否具有足够的功率、宽的恒功率调节范围和速度调节范围。

　　(2)开环控制与闭环控制

　　数控机床伺服驱动系统的基本组成如图所示。根据反馈检测单元的存在与否，将数控机床伺服驱动系统分为开环和闭环。这两种类型的伺服驱动系统的基本部件是不相同的。但无论是哪种类型，致动器及其驱动控制单元都是必不可少的。驱动控制单元的功能是将进给命令转换为驱动致动器所需的信号的形式，从而将信号转换为相应的机械位移。

　　开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行机构和机床组成。通常，执行机构是步进电机。执行器对系统的特性有重大影响。

　　闭环伺服驱动系统包括致动器、驱动控制单元、机床、反馈检测单元和比较控制环节。反馈检测单元反馈工作台的实际位置并将其反馈给比较控制链路。比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，并将两者之间的差值用作由驱动控制单元驱动和控制的伺服系统的下列误差。组件驱动表移动。

　　在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，这导致了系统结构的一些变化，但基本上由执行机构、反馈检测单元、比较控制环节、驱动器组成。控制单元和机床。

　　(3)直流伺服驱动与交流伺服驱动

　　20世纪70年代和80年代初，数控机床采用直流伺服驱动。直流大惯量伺服电机调速性能好，输出转矩大，过载能力强。此外，由于电机惯量等于机床传动部件的惯量，所以在形成闭环后容易调整。直流中小惯性伺服电机及其大功率晶体管脉宽调制驱动装置更适合数控机床频繁启动、制动、快速定位和切削的要求。然而，直流电动机的最大特点之一是存在电刷和机械换向器，这限制了它向大容量、高压和高速发展，限制了它的应用。

　　20世纪80年代，交流电机调速技术在电机控制领域取得了突破性进展。交流伺服驱动系统进入了电气传动速度控制的各个领域。交流伺服驱动系统的最大优点是易于维修，制造简单，易于大容量、高速度开发，适用于恶劣环境。同时，从减小伺服驱动系统尺寸、提高可靠性的角度考虑，采用交流电机比采用直流电机更为合理。

　　三、数控机床伺服系统故障诊断

　　数控机床伺服系统故障与机床总故障的比率较高。由于伺服系统中涉及的诸多环节，以及各种技术原理，很难对诊断进行维修。因此，有必要总结一些故障诊断方法。

　　通过位置伺服系统对CNC机床主轴进行定位。位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。(半)闭环控制的特点是任何链路的故障可能导致不准确、不稳定或无效的系统定位。故障诊断和定位是维护的关键。根据伺服系统的控制原理和系统接口的特点，对系统进行分解和判断是一种有效的方法。

　　主轴伺服系统的故障与诊断方法

　　当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一种是在CRT或操作面板上显示报警信息或报警内容;另一种是用报警灯DI在主轴驱动装置上显示主轴驱动装置的故障。牙轮管;主轴不能正常工作，但没有报警信息。主轴伺服系统的常见故障有：

　　(1)外部干扰

　　由于电磁干扰、不良的屏蔽和接地措施，主轴速度指令信号或反馈信号受到干扰，导致主轴驱动中的随机和不规则波动。判断是否存在干扰的方法是：当主轴速度指令为零时，主轴仍然往复运动，调整零速度平衡和漂移补偿不能消除故障。

　　(2)过载

　　如果切削量过大，频繁的正负旋转会引起过载报警。具体表现为主轴电机过热，主轴驱动显示，过电流报警显示。

　　(3)主轴定位抖动

　　主轴准停换刀、精缩、换档等，有三种实现方法：

　　(1)机械停车控制

　　(2)磁传感器的电准停止控制

　　( 3 ) 编码器型准停止控制

　　(4)主轴转速与进给速度不匹配

　　当用每转一次进给指令进行螺纹切削或切削时，存在进给停止和主轴继续运转的问题。为了执行每转指令进给，主轴必须有一个旋转一转的反馈信号。一般来说，主轴编码器存在问题。这可以通过以下方法来确定：

　　(1)CRT屏具有报警显示功能;

　　(2)通过CRT调用机器数据或I/O状态，观察编码器的信号状态;

　　( 3 )使用每分钟进给命令而不是每次旋转进给来执行程序，以查看故障是否消失。

　　(5)速度偏离指令值

　　当主轴转速超过技术要求规定的范围时，考虑：

　　(1)电机过载。

　　(2 )数控系统输出的主轴速度模拟输出(通常为0-10V)没有达到与速度命令相对应的值。

　　(3)测速装置有故障或转速反馈信号发生故障。

　　(4)主轴传动装置有故障。

　　(6)主轴异常噪声与振动

　　首先要做的是区分主轴的机械部分或电驱动部分中出现的异常噪声和振动。

　　1)减速过程的发生通常是由驱动装置引起的，例如交流驱动中的再生电路故障。

　　2)它是以恒定速度产生的，这可以通过观察主轴电机在自由停止过程中是否存在噪声和振动来区分。如果存在，则主轴的机械部分存在问题;

　　3)检查振动周期是否与速度有关。如果不相关，一般不调整主轴驱动单元;如果相关，则应检查主轴的机械部分是否良好，以及测速装置是否有缺陷。

　　(7)主轴电机不转动

　　除了速度模拟控制信号，CNC系统到主轴驱动器还具有使能控制信号，通常是DC 24V继电器线圈电压。

　　1)检查CNC系统是否有速度控制信号输出。

　　2)检查信号是否可以打开。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC图形(或流程图)以确定主轴的启动条件，如润滑和冷却是否满足。

　　3)主轴传动装置有故障。

　　4)主轴电机有故障。

　　四、馈电伺服系统故障及诊断方法

　　1. 超程

　　当进给运动超过由软件设置的软件限制或由限制开关设置的硬件限制时，将发生超行程警报，并且警报内容将显示在CRT上。根据CNC系统手册，可以消除报警。故障，取消警报。

　　2. 过载

　　当进给运动的负荷太大，频繁的正反运动以及传动链的润滑不良时，将引起过载警报。在CRT上通常会显示伺服电机过载、过热或过电流等报警信息。同时，在电源柜中的馈电驱动单元上，指示灯或数字管将提示驱动单元过载、过电流等信息。

　　3. 摆动

　　在喂食过程中发生搅拌。

　　( 1 ) 测速信号不稳定，如测速装置故障、速度反馈信号干扰等;

　　(2)速度控制信号不稳定或干扰;

　　(3)端子接触不良，如螺钉松动。当在正向和反向的换向力矩中发生湍流时，通常是由于进给链的间隙或伺服系统的增益过大而引起的。

　　4. 爬行

　　当它发生在起动加速段或低速进给时，通常是由于进给传动链的润滑状态差、伺服系统增益低和过载等因素造成的。特别地，由于松耦合或耦合本身的缺陷，例如裂纹，伺服电机和滚珠丝杠之间的耦合与伺服电机的旋转不同步。使运动产生闪烁和蠕动现象。

　　5. 型机床振动

　　当机器高速运转时，可能会发生振动，并会发生过电流报警。机器振动问题一般是速度问题，所以你应该寻找速度环;而整个机器速度的调整过程都是由速度调节器来完成的，也就是说，任何速度相关的问题，你都应该寻找速度调节器，所以振动问题要寻找速度调节器。主要从给定的信号、反馈信号和速度调节器本身找出故障。

　　6. 伺服电机不转动

　　除了速度控制信号之外，进给驱动单元的CNC系统还具有使能控制信号，通常是DC 24V继电器线圈电压。伺服电机不转动。常见的诊断方法有：

　　(1)检查CNC系统是否有速度控制信号输出;

　　(2)检查启动信号是否开启。通过CRT观察I/O状态，分析机床的PLC梯形图(或流程图)，判断进给轴的润滑、冷却等启动条件是否满足;

　　(3)有电磁制动器的伺服电机，检查电磁制动器是否松开;

　　(4)进给驱动单元存在故障;

　　(5)伺服电机有故障。

　　为了使数控系统成为更好的机器零件，必须加强对伺服系统及其故障诊断的理解。