现代数控机床调试与维护 第4章 伺服数控系统的故障诊断与维护

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现代数控机床调试及维护 第四章伺服系统的故障诊断与维护
4．基本参数设定 5．SJ100变频器与FANUC 0i mate C数控系统连接 图 4.11 所 示 为 某 数 控 车 床 主 轴 驱 动 装 置 的 接 线 图 ， 以该图为例具体说明FANUC 0i Mate C系统，数控机床与 变频器的信号流程与功能。 6．变频器故障代码及起因 表4-6 变频器故障代码及起因
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3.全闭环位置伺服系统 全闭环位置伺服系统典型构成方法如图4.3所示 。它将位置检测器件直接安装在机床工作台上，从而可以 获取工作台实际位置的精确信息，通过反馈闭环实现高精 度的位置控制。从理论上说，这是一种最理想的位置伺服 控制方案。但是，在实际的数控机床系统中却极少采用全 闭环结构方案。
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3．伺服参数设定 首先进入伺服参数的设定画面（FANUC 0i Mate C系 统）：单击系统功能键“system”，然后单击系统扩展软 键，再单击系统软键“SV-PAM”即可进入。 4．伺服参数初始化 伺服参数初始化就是将系统的参数按设定条件恢复到 系统出厂时的标准设定。当数控系统的伺服驱动更换，或 因为更换电池等原因，使伺服参数出现错误时，必须对伺 服系统进行初始化处理与重新调整。
根据应用场合和对控制性能要求的不同，伺服系统
具有多种不同的结构形式。按照系统的构造特点，大体上可
以将其分为四种基本结构类型，即：开环伺服系统、半闭环
20伺20/7服/27系统、全闭环伺服系统和混合闭环伺服系统。
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1．开环伺服系统 开环伺服系统是一种没有位置反馈的位置控制系 统。它的伺服机构按照指令装置发出来的位置移动指令， 驱动机械作相应的运动，但并不对机械的实际位移量或转 角进行检测，从而也无法将其与指令值进行比较。它的位 置控制精度只能靠伺服机构本身的传动精度来保证。 早期简易型的数控机床的进给驱动位置伺服系统 ，常采用步进电动机为主要部件的开环位置伺服系统，结 构如图4.1所示。
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2．半闭环位置伺服系统
与开环位置伺服系统不同，半闭环位置伺服系 统是具有位置检测和反馈的闭环控制系统。它的位置检 测器与伺服电机同轴相连，可通过它直接测出电动机轴 旋转的角位移，进而推知当前执行机械（如机床工作台 ）的实际位置。由于位置检测器不是直接装在执行机械 上，位置闭环只能控制到电机轴为止，所以被称为半闭 环，它只能间接的检知当前的位置信息，且难以随时修 正、消除因电动机轴后传动链误差引起的位置误差。数 控机床进给驱动最常用的半闭环位置伺服系统如图4.2所 示。
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4.混合闭环位置伺服系统 对有的执行机械（如重型机床工作台），位置伺 服系统采用半闭环结构虽然容易整定，但很难补偿其 机械传动部分引起的位置误差，使位置控制精度不能 达到要求的指标；采用全闭环结构系统又很难整定， 系统闭环后因环内多种非线性因素诱发的振荡很难消 除。于是人们提出系统中同时存在半闭环和全闭环。 如图4.4所示。
须具备下述功能： ① 输出功率大。 ② 在整个调速范围内速度稳定，且恒功率范围宽。 ③ 在断续负载下电动机转速波动小，过载能力强。 ④ 加速时间短。 ⑤ 电动机温升低。 ⑥ 振动、噪声小。 ⑦ 电动机可靠性高，寿命长，易维护。 ⑧ 体积小、质量轻。
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6. 为满足加工中心自动换刀以及某些加工工艺的 需要，要求主轴具有高精度的准停控制；
7. 在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴（C 轴）的控制功能。
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4.2.2主轴驱动装置的特点 为满足数控机床对主轴驱动的要求，主轴电动机必
4.2.4 FANUC系统模拟量主轴驱动装置与维护
模拟量控制的主轴驱动装置常采用变频器实现控制。 数控车床主轴驱动以及普通机床的改造中多采用变频器控 制。作为主轴驱动装置用的变频器种类很多，下面以日立 变频器为例进行介绍。图4.5所示为日立变频器的实物图。
1．变频器接线端子及连接 2．SJ100变频器面板操作 3．变频器常见功能参数
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4.3.3 FANUC伺服系统参数的设定及初始化
1．上电全清 当系统第一次通电时，最好是先做个全清(上电时， 同时按MDI 面板上RESET+DEL)。 2．伺服FSSB 设定和伺服参数初始化 参数1023 设定位1；2；3等。 参数1902 的位0 = 0
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2．直流伺服电动机
直流伺服控制系统常用的伺服电机有小惯量直流伺 服电机和永磁直流伺服电机（也称为大惯量宽调速直流 伺服电机）。小惯量伺服电机最大限度地减少了电枢的 转动惯量，所以能获得最好的快速性。
3．交流伺服驱动系统
交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分
系统检查：当NC发出控制指令时，伺服偏差计数器（ DGN800~803）的偏差超过PRM504~507设定的 值时发出报 警。
5．SV4n4#（数字伺服报警）
它是伺服放大器和伺服电动机有关的各种报警的总和， 这些报警有可能是伺服放大器及伺服电动机本身引起的，也 可能是系统的参数设定不正确引起的。
4.2.3主轴伺服系统故障诊断
当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式： CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；在主轴驱动 装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；主 轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见 故障有：
(1) 过载 (2) 主轴不能转动 (3)主轴转速异常或转速不稳定 (4)主轴振动或噪声太大 (5)主轴加/减速时工作不正常
为感应式（或称异永磁式无刷直流伺服电动机、和磁阻同步交流伺
服电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构
，目前市场上的交流伺服电动机产品主要是永磁同步伺
2020服/7/27电动机及无刷直流伺服电动机。
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1．直流主轴驱动装置 直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同，要 求能输出大的功率，所以一般是他磁式。为缩小体积，改 善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采 用热管冷却技术。 2．交流主轴驱动装置 ① 交流异步伺服系统 ② 交流同步伺服系统
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4.2 主轴驱动系统的故障第分四析现章代伺与数服维控系护机统床的调故试障及诊断维与护维护
4.2.1数控机床对主轴驱动系统的要求 随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能
满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求： 1. 调速范围； 2. 主轴的旋转精度和运动精度 ； 3. 数控机床主轴的变速是依指令自动进行的，要
4.8检测器件常见故障维修实例分析
4.9检测器件日常维护保养
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4.1 伺服系统概述
数控机床的伺服系统是机床主体和数控装置（CNC） 的联系环节，是数控机床的重要组成部分，是关键部件，故 称伺服系统为数控机床的三大组成部分之一。伺服系统包括 伺服驱动、伺服控制、检测及反馈等环节，它接受来自数控 装置（CNC系统）的指令信号，经过放大和转换，驱动机床 执行件跟随指令脉冲运动，实现预期的运动，并保证动作的 快速和准确。
求能在较宽的转速范围内进行无级调速，并减少中间传 递环节，简化主轴箱 ；
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4. 要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率， 并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率， 即恒功率范围要宽；
5. 要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减 速控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加减速时 间短；
4.3.2 FANUC进给伺服系统
FANUC 0i Mate C系列数控系统最多可控制3轴，其 中FANUC 0i Mate MC可控制三轴，主要用于加工中心、铣 床，配置βi 系列的放大器和βi或βis系列伺服电机。 FANUC 0i Mate TC控制两轴，主要用于车床，配置βi 系 列的放大器 βi或βis 系列伺服电机。而且对于FANUC 0i Mate-C系统，如果没有主轴电机，伺服放大器是单轴 型(SVU)，其实物图见图4.14所示，如果包括主轴电机， 放大器是一体型(SVPM) ，其实物图见图4.13、图4.15所 示。图4.12为带主轴放大器的伺服系统连接图。
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4.3.4 FANUC 进给伺服系统的常见故障分析
1．SV400#，SV402#(过载报警)
故障原因：400#为第一、二轴中有过载；402#为第 三、第四轴中有过载。
2．SV401，SV403(伺服准备完成信号断开报警)
401：提示第一，第二轴报警
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（1）βi系列伺服单元的端子功能 βi系列伺服单元结构如图4.16所示。
（2）FANUC 0i Mate C系统与βi系列伺服单元连接图 FANUC 0i Mate C系统与βi系列伺服单元连接图见图
4.17所示。
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4.1 伺服系统概述 4.2 主轴驱动系统的故障分析与维护
4.3 进给伺服系统的故障分析与维护
4.4 SIEMENS 802D伺服驱动系统
4.5 位置检测系统的故障分析与维护 4.6常用位置检测元件
4.7检测器件的常见故障及维修
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(6)外界干扰 (7)主轴速度指令无效 (8)主轴不能进行变速 (9)主轴只能单向运行或主轴转向不正确 (10)螺纹加工出现“乱牙”故障 (11)主轴定位点不稳定或主轴不能定位
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4.3 进给伺服系统的故障第分四析现章代伺与数服维控系护机统床的调故试障及诊断维与护维护
4.3.1进给伺服驱动系统简介 1．步进驱动系统 步进驱动系统简单来说，包括步进电动机和步进驱动
器。 目前，步进电动机主要用于经济型数控机床的进给驱
动，一般采用开环的控制结构。用于数控机床驱动的步进 电动机主要有两类：反应式步进电动机和混合式步进电动 机，反应式步进电动机也称为磁阻式步进电动机。
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引例
主轴速度误差过大报警： 主轴速度误差过大报警的检出，是反映实际检测到的主轴电机速 度与M03 或M04 中给定的速度指令值相差过大。这个报警也是 FANUC 系统常见的报警之一，主要引起原因是主轴速度反馈装置 或外围负载的问题。如下图所示为主轴电机速度反馈和分离编码 器联接结构。请从速度检测角度分析报警产生的原因及其解决方 法。
403：提示第三，第四轴报警
3．SV4n0：停止时位置偏差过大
系统检查原理：当NC指令停止时，伺服偏差计数器
的偏差（DGN800~803）超过了参数PRM593~596所设定的
数值，则发生报警。
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4．SV4n1：运动中误差过大