伺服系统故障诊断与维修
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• 检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分。 它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号。检测系 统的精度和数控机床的加工精度紧密相关，高精度的数控机 床必须有高精度的检测元件作为保证。
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伺服系统故障诊断ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ维修
1.旋转变压器
• 旋转变压器是一种常用的角位移检测元件，由于它结构 简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此曾被 广泛应用在数控机床上。
分辨率(ppr) 绝 对 / 增 型号 分 辨 率 绝对/增量
量
(ppr)
αiA16000 16 000 000 绝对 βiA 64 65536(216) 绝对
αiA1000 1 000 000 绝对 αiM 4096
主轴用编码器（不带 一转信号）
αiI1000 1 000 000 增量 βiA 128 131 072(217) 绝对
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伺服系统故障诊断与维修
扫描单元的工作原理
•扫描单元由光源、聚光镜、扫描光栅、光敏元件和驱动电路等组成
•LED光源
•聚光镜
伺服系统故障诊断与维 修
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2020/11/4
伺服系统故障诊断与维修
4.1 伺服系统
• 数控机床的伺服系统是以直线运动或旋转运动作为控制 对象的自动控制系统，习惯上又称为驱动系统。它接受来自 数控装置的位移、速度指令，经变换、调节和放大后驱动执 行元件，转化为各进给轴及主轴的直线或旋转运动，是联系 数控装置(CNC)和机床的中间环节，是数控机床的重要组成 部分。
• 绝对式旋转编码器是一种直接编码、直接测量的检 测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。
• 二进制码盘的计数图案的改变按二进制规律变化。 格雷码的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制 在一个单位内。
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•二进制编码盘
•格雷码盘 伺服系统故障诊断与维修
•FANUC控制用编码器
型号
αiMZ αiBZ αiCZ
4096 360000 3600000
主轴用编码器（带一 转信号） 内装主轴用编码器 （带一转信号）
高精度轮廓控制用编 码器（带一转信号）
• 型号中字母“A”表示绝对值编码器，字母“I”的为增量式
编码器。
• FANUC编码器并没有输出常见的A、B、Z、 并行六脉冲 信号，只有两根信号线RD、*RD，这是串行输出，编码器和
•（3）. 转速、位置信号处理分离
•（2）.转速、位置信号处理均由CNC完 成
•(4).数字式伺服系 统
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伺服系统故障诊断与维修
2.数控机床对伺服系统的要求
（1）精度高 （2）调速范围宽 （3）快速响应 （4）低速大转矩
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伺服系统故障诊断与维修
4.1.2 常用检测反馈元件
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2.旋转编码器
• 旋转编码器是一种旋转式脉冲发生器，用 于角位移的测量，同时也作为速度检测装置
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•旋转编码器
伺服系统故障诊断与维修
• 增量式旋转编码器的结构如图所示。在一个圆盘的圆周上刻 有相等间距的线纹，称为圆光栅。圆光栅和工作轴一起旋转。与圆 光栅相对的，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅。上面 制有相差1/4节距的两个狭缝，称为辨向狭缝。此外，还有一个零位 狭缝（一转发出一个脉冲）。
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伺服系统故障诊断与维修
4.1.1伺服系统工作原理
• 如图所示是数控机床的半闭环伺服系统，反馈信号取自 伺服电机，通过采样其旋转角度进行检测，而不是直接检测最 终运动部件的实际位置
•CNC •位 置 控 制 单
插补 元 指令•+
•位置
•-
•调节
•实际 位置反
馈
•速度控制单元
•+
•速度 •+
•- •调节
•实际 速度反
馈
•电流 •- •调节
•转换 •驱动
•电流反馈
•位置/速度检测与 反馈
•半闭环伺服系统
•机械执行部件
•电 机
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伺服系统故障诊断与维修
•4.1.1伺服系统工作原 理
• 如图所示是数控机床的全闭环伺服系统，位置反馈信号取 自最终运动部件，直接采样其直线位移信号进行检测。
PPT文档演伺模板 服驱动装置之间有专门的通讯协议，为串伺服行系统编故障码诊断器与维。修
由于编码器是光电元件，在使用过程中要注 意以下几点：
1) 编码器安装后的径向跳动要小于0.1mm； 2) 编码器安装环境不能有强烈的振动，避免敲击； 3) 编码器不能承受过大的径向力；
4) 编码器安装环境不能有严重的粉尘、油雾污染。
•CNC插 •位置控制单元
补指令•+
•位置
•-
•调节
•实际 位置反
馈
•速度控制单元
•+
•速度 •+
•- •调节
•实际 速度反
馈
•电流 •- •调节
•转换 •驱动
•电流反馈
•速度检测与反馈
•机械执行部件 •电机
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•位置检测与反馈
•全闭环伺服系统
伺服系统故障诊断与维修
1.检测信号的反馈形式
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3.光栅尺
• 光栅尺是高精度的直线位移测量元件，在高精度的 数控机床上，常使用光栅尺作为位置检测装置。
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•海德汉公司的封闭式直线光栅 尺
伺服系统故障诊断与维修
海德汉封闭式直线光栅尺结构示意图
• 光栅尺由标尺光栅和扫描单元两部分组成，铝制外 壳可以保护光栅尺、扫描单元和轨道免受灰尘、切屑和切 削液的影响。标尺光栅一般安装在机床的活动部件上，如 工作台。扫描单元安装在机床固定部件上。扫描光栅安装 在扫描单元中。
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•光电式旋转编码器的结构示意图
伺服系统故障诊断与维修
• 如图所示，A和B信号的相位相差90°，经放大 整形后成为方波形信号。通过判断A、B两相信号的相 位，可以确定电机的旋转方向，通过对脉冲计数，可 以知道电机转过的角度。
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•光电式旋转编码器的输出波形
伺服系统故障诊断与维修
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1壳体 2旋转变压器本体定子 3附加变压器定子 4附加变压器原边线圈 5附加变压器转子线圈 6附加变压器次边线圈 7旋转变压器本体转子 8转子轴
•无刷式旋转变压器
伺服系统故障诊断与维修
• 旋转变压器的输出为模拟量信号，精度不如数字量输出 的检测元件，但结构简单、坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、信 号输出幅度大、成本低，适用于恶劣环境。
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1.旋转变压器
• 旋转变压器是一种常用的角位移检测元件，由于它结构 简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此曾被 广泛应用在数控机床上。
分辨率(ppr) 绝 对 / 增 型号 分 辨 率 绝对/增量
量
(ppr)
αiA16000 16 000 000 绝对 βiA 64 65536(216) 绝对
αiA1000 1 000 000 绝对 αiM 4096
主轴用编码器（不带 一转信号）
αiI1000 1 000 000 增量 βiA 128 131 072(217) 绝对
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扫描单元的工作原理
•扫描单元由光源、聚光镜、扫描光栅、光敏元件和驱动电路等组成
•LED光源
•聚光镜
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伺服系统故障诊断与维修
4.1 伺服系统
• 数控机床的伺服系统是以直线运动或旋转运动作为控制 对象的自动控制系统，习惯上又称为驱动系统。它接受来自 数控装置的位移、速度指令，经变换、调节和放大后驱动执 行元件，转化为各进给轴及主轴的直线或旋转运动，是联系 数控装置(CNC)和机床的中间环节，是数控机床的重要组成 部分。
• 绝对式旋转编码器是一种直接编码、直接测量的检 测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。
• 二进制码盘的计数图案的改变按二进制规律变化。 格雷码的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制 在一个单位内。
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•二进制编码盘
•格雷码盘 伺服系统故障诊断与维修
•FANUC控制用编码器
型号
αiMZ αiBZ αiCZ
4096 360000 3600000
主轴用编码器（带一 转信号） 内装主轴用编码器 （带一转信号）
高精度轮廓控制用编 码器（带一转信号）
• 型号中字母“A”表示绝对值编码器，字母“I”的为增量式
编码器。
• FANUC编码器并没有输出常见的A、B、Z、 并行六脉冲 信号，只有两根信号线RD、*RD，这是串行输出，编码器和
•（3）. 转速、位置信号处理分离
•（2）.转速、位置信号处理均由CNC完 成
•(4).数字式伺服系 统
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2.数控机床对伺服系统的要求
（1）精度高 （2）调速范围宽 （3）快速响应 （4）低速大转矩
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伺服系统故障诊断与维修
4.1.2 常用检测反馈元件
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2.旋转编码器
• 旋转编码器是一种旋转式脉冲发生器，用 于角位移的测量，同时也作为速度检测装置
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•旋转编码器
伺服系统故障诊断与维修
• 增量式旋转编码器的结构如图所示。在一个圆盘的圆周上刻 有相等间距的线纹，称为圆光栅。圆光栅和工作轴一起旋转。与圆 光栅相对的，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅。上面 制有相差1/4节距的两个狭缝，称为辨向狭缝。此外，还有一个零位 狭缝（一转发出一个脉冲）。
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伺服系统故障诊断与维修
4.1.1伺服系统工作原理
• 如图所示是数控机床的半闭环伺服系统，反馈信号取自 伺服电机，通过采样其旋转角度进行检测，而不是直接检测最 终运动部件的实际位置
•CNC •位 置 控 制 单
插补 元 指令•+
•位置
•-
•调节
•实际 位置反
馈
•速度控制单元
•+
•速度 •+
•- •调节
•实际 速度反
馈
•电流 •- •调节
•转换 •驱动
•电流反馈
•位置/速度检测与 反馈
•半闭环伺服系统
•机械执行部件
•电 机
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•4.1.1伺服系统工作原 理
• 如图所示是数控机床的全闭环伺服系统，位置反馈信号取 自最终运动部件，直接采样其直线位移信号进行检测。
PPT文档演伺模板 服驱动装置之间有专门的通讯协议，为串伺服行系统编故障码诊断器与维。修
由于编码器是光电元件，在使用过程中要注 意以下几点：
1) 编码器安装后的径向跳动要小于0.1mm； 2) 编码器安装环境不能有强烈的振动，避免敲击； 3) 编码器不能承受过大的径向力；
4) 编码器安装环境不能有严重的粉尘、油雾污染。
•CNC插 •位置控制单元
补指令•+
•位置
•-
•调节
•实际 位置反
馈
•速度控制单元
•+
•速度 •+
•- •调节
•实际 速度反
馈
•电流 •- •调节
•转换 •驱动
•电流反馈
•速度检测与反馈
•机械执行部件 •电机
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•位置检测与反馈
•全闭环伺服系统
伺服系统故障诊断与维修
1.检测信号的反馈形式
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3.光栅尺
• 光栅尺是高精度的直线位移测量元件，在高精度的 数控机床上，常使用光栅尺作为位置检测装置。
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•海德汉公司的封闭式直线光栅 尺
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海德汉封闭式直线光栅尺结构示意图
• 光栅尺由标尺光栅和扫描单元两部分组成，铝制外 壳可以保护光栅尺、扫描单元和轨道免受灰尘、切屑和切 削液的影响。标尺光栅一般安装在机床的活动部件上，如 工作台。扫描单元安装在机床固定部件上。扫描光栅安装 在扫描单元中。
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•光电式旋转编码器的结构示意图
伺服系统故障诊断与维修
• 如图所示，A和B信号的相位相差90°，经放大 整形后成为方波形信号。通过判断A、B两相信号的相 位，可以确定电机的旋转方向，通过对脉冲计数，可 以知道电机转过的角度。
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•光电式旋转编码器的输出波形
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1壳体 2旋转变压器本体定子 3附加变压器定子 4附加变压器原边线圈 5附加变压器转子线圈 6附加变压器次边线圈 7旋转变压器本体转子 8转子轴
•无刷式旋转变压器
伺服系统故障诊断与维修
• 旋转变压器的输出为模拟量信号，精度不如数字量输出 的检测元件，但结构简单、坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、信 号输出幅度大、成本低，适用于恶劣环境。