伺服系统的故障诊断与维修演示教学
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2020/6/8
4.5 伺服系统故障诊 断与维修实例
• 【例1】 一数控设备出现进给轴飞车失控 的故障。
• 该机床伺服系统为西门子6SC610驱动装置 和1FT5交流伺服电动机并配有ROD320编 码器。在排除数控系统、驱动装置及速度 反馈等故障因素后，将故障定位于位置检 测控制。经检查，编码器输出电缆及连接 器均正常，拆开ROD320编码器，发现一 紧固螺钉脱落并置于+5V与接地端之间， 造成电源短路，编码器无信号输出，数控 系统处于位置环开环状态，从而引起飞车 失控的故障。
步进电机的外观图
2020/6/8
4.4 位置检测装置的安装调 整与故障诊断
• 4.4.1 位置检测装置的基本要求及分类
• 1．位置检测装置的基本要求
• ① 能满足移动部件精度和速度的要求； • ② 使用、维护简单、方便，成本低； • ③ 寿命长，抗各种干扰能力强，能适应生产现场的工作
环境；
• ④ 在检测范围内，能满足精度和速度的要求。 • 2．位置检测装置的分类
封固； • ③ 驱动轴轴径尺寸精度要求：普通型采用f7，精密
型采用h6 。 • 对于外装式安装，要注意传动件的配合尺寸精度，
同步带张紧要合适，安装时要注意消除传动的间隙 。此外，安装、拆卸编码器时，要防止用力过大， 以免轴变形。
2020/6/8
4.4.5 旋转变压 器
• 1．旋转变压器结构及工作原理 •
主轴伺服控制系统的故障形式主要有：① 主轴定位不准；② 主轴过载；③ 主轴振动及噪声；④ 主轴转速与坐标运动不匹 配等。
进给伺服控制系统的故障形式主要有以下几种:
（1）伺服电动机过载； （2）低速爬行 ； （3）振动与噪声； （4）位置误差。
2020/6/8
4.2.1 常用主轴驱动 系统
2020/6/8
• 4.3.2 步进电动机进给伺服控制
• 1．步进电动机的主要性能参数
• （1）步距角误差 步进电动机的步距角公式：
= 360°/ mZK
2020/6/8
• （2）启动频率； • （3）矩频特性与动态转矩 ； • （4）静态转矩与矩角特性 。
• •
矩频特性曲线
2020/6/8
步进电动机静态矩角特性
2020/6/8
2．闭环伺服 控制
从检测装置来的反馈信号与指令脉冲信号进行比较 ，得到位置偏差控制信号，经伺服放大器对偏差信号 进行调节运算和功率放大，控制工作台修正偏差，按 照指令脉冲运动，称为闭环伺服控制。
2020/6/8
4.1.3 伺服控制的主要 故障形式
伺服控制主要有主轴伺服控制和进给伺服控制两种:
排除。
2020/6/8
•
光栅及控制部分的连接
• 按测量方式不同，位置检测装置可分为增量式和绝对式检 测装置。按被测量的不同，位置检测装置可分为数字量和 模拟量检测装置。
2020/6/8
常用位置检测装置 的分类
回转型检测装置
直线型检测装置
数字式检 测装置 光电盘
数码盘
圆光栅
模拟式检 测装置
同步分解 器
圆形感应 同步器
圆形磁尺
数字式检 测装置 直线光栅
数控设备常用的主轴伺服驱动主要有直流驱动
方式和交流驱动方式两大类。直流主轴电动机有 SIEMENS公司1GG5, 1GF5, 1GL5和1GH5等4个系 列，配套的驱动装置为6RA24, 6R27，采用晶闸管 控制系统。交流主轴电动机有FUNUC公司推出的S 系列电动机，其功率范围为1.5～37kW，采用晶体 管PWM逆变器实现驱动控制。SIEMENS公司也推 出了1PH5及1PH6系列交流伺服电动机，其功率为3 ～100kW，采用晶体管SPWM变频驱动控制。国内
2．光栅尺的安装与调 整
• 1－床身；2－光栅尺；3－扫描头；
• 4－滚珠丝杠螺母副；5－床鞍
•
光栅尺在机床上的安装示意图
2020/6/8
4.4.3 感应同步器 检测装置
• 1．感应同步器的结构
• 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺安装在移动部件的 导轨上，其长度应大于被检测件的长度；滑尺较短，安装在运 动部件上。定尺和滑尺均由基板（钢或铝合金板）、平面绕组 和保护屏蔽层等部分组成。
产品主要有上海开通公司的KT系列全数字交流伺返服 回
驱动控制系统。
4.2.3 交流伺服控制系统的 调试
下面以华中世纪星数控系统（HNC-21TF）与松下MSDA型交流伺 服控制驱动器、MSMA型交流伺服电动机的连接控制为例，说明该系
统的调试的内容和方法。
2020/6/8
• HNC-21TF数控系统与伺服控制器、交流伺服电动机的连接
4.1 概 述
• 4.1.1 伺服驱动控制的基本要求
•
对进给伺服控制的基本要求是：位移精度高，快速响应
好，系统稳定性好，高性能的伺服电动机及低速大转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ等
• 1．开环伺服控制
• 开环伺服控制指数控设备的伺服控制中没有检测和反馈装 置，数控指令脉冲是单方向传递。开环伺服控制多采用步
进电动机作为执行元件。
多通道透 射光栅 计量光栅
模拟式检 测装置 直线感应 同步器 直磁尺
绝对值式 磁尺
2020/6/8
4.4.2 光栅检测装置
• 1．光栅检测装置的组成
• 光栅是在一块长条形的光学玻璃上用照相腐蚀法制成许多密集线 纹。线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，形成连续的透光 区和不透光区。线纹之间的间距称为栅距，常用光栅有每毫米刻 50条、100条及200条的。
• 由光栅尺来的正弦信号经过
EXE脉冲整形放大电路后，形成
2020/6/8
方波，经J3送入NC控制系统。机床运行
说明故障在前。再测J1处输入的正弦信号I1和I2 ，发现I2输出有时很杂乱。检查光栅J1的连线正 常，初步判断是光栅尺有问题。对测量结果进 行分析发现，I2信号不正常，经测量光电池两端 的电压，有一组只有1V左右。更换电池，故障
1－光电池；2, 4－聚光镜；3－夹缝；5－光源；G1－标尺光栅；G2－指示光栅
图4.13 透射光栅和反射光栅
• 1－光电池；2, 4－聚光镜；3－夹缝；5－光源；G1－标尺光栅 ；G2－指示光栅
• 图透射光栅和反射光栅
•
2020/6/8
光栅尺及数显表
2020/6/8
光栅尺在机床导轨上的安装
2020/6/8
2020/6/8
2．感应同步器的工 作原理
• 1、对滑尺上的绕组通以交流电，根据电磁原理，将 在定尺绕组上感应出电压，定尺绕组中感应电压是 滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电压的矢 量和。滑尺每移动一个节距，定尺上感应电压按余
弦规律变化一周。
• 2、由于定尺上感应电压变化的周期与滑尺相对定尺
移动的节距2 对应，而节距又与工作台的实际位移 x有关，从而可以间接对工作台的位移进行检测，这
就是感应同步器的工作原理。
2020/6/8
3．感应同步器的安 装与调整 • 1、感应同步器的定尺安装在移动部件的导轨上，其长度应大于
被检测件的长度，滑尺较短，安装在运动部件上。感应同步器安 装时，两尺保持平行，两尺之间间隙为（0.25±0.05）mm，一 般定尺每段长250mm。 • 2、为保证检测精度，要求定尺侧母线与机床导轨基准面的平行 度允差在全长内为0.1mm，滑尺侧母线与机床导轨基准面的平行 度允差在全长内为0.02mm，定尺与滑尺之间的间隙应保证在（ 0.25±0.05）mm之内。 • 感应同步器的安装总图：
• （1）防污 • （2）防震 • 2．光电脉冲编码器的维护 • （1）防震和防污 • （2）防止连接松动
• 3．旋转变压器的维护
• ① 安装接线时，一般定子电阻阻值稍大，有时补偿绕组自行短 接或接入一个阻值。
• ② 由于结构上与绕线转子异步电动机相似，因此，碳刷磨损到 一定程度后要更换。
• ③ 旋转变压器与伺服电动机同轴连接时，要保证同轴连接的精 度，对传动链中所有零件必须消除传动间隙。
•
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2．编码器的安装 与调整
• 编码器的安装主要采用与伺服电动机同轴连联的方 式，也有采用安装在传动链末端的方式，称为外装 式安装。编码器安装中的主要问题是防止连接松动 。对联轴器的连接要求如下：
• ① 两轴之间的误差应小于规定值； • ② 夹紧螺钉的转矩应达到规定值，螺钉要用防松剂
4.2.4 交流主轴伺服系统的主 要故障及诊断
• 常见交流主轴伺服系统的主要故障有以下几种。 1．过载；
• 2．主轴定位抖动 ； • 3．主轴转速与进给不匹配。
• 4.3 进给伺服控制系统的故障诊断 • 4.3.1 常见进给伺服控制系统
• 常见的进给伺服控制方式主要有直流进给伺服驱动、 交流进给伺服驱动以及步进电动机进给伺服驱动等。
2020/6/8
• 图4.18 无刷旋转变压器结构图
• 旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组相当于变压 器的原边，转子绕组相当于变压器的副边。将励磁电 压接到原边时，转子上感应的输出电压与转子的角位 移成固定的函数关系，因此可以用做角度检测。
2．旋转变压器 的安装
• （1）安装部位 • 旋转变压器安装主要有两种方式：① 与电
2020/6/8
4.4.4 编码器检测 装置
• 1．光电盘编码器工作原理
1－印制电路板；2－光源；3－圆光栅；4－指示光栅；5－光电池组；6－底座；7－护罩；8－轴
图4.17 光电盘编码器结构图
• 1－印制电路板；2－光源；3－圆光栅；4－指示光栅；5－光电池 组；6－底座；7－护罩；8－轴
• 图4.17 光电盘编码器结构图
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【例2】 有一台德国
SHIESS KOPP公司的
FSK32.3凸轮磨床出现V
轴失• 控该，类定故障位是不由准于故机床障在加工中
砂轮高速旋转，使切削液成雾状 ，进入Heidenhain光栅尺内，使 光栅污染，形成盲点造成的。经
过对光栅动尺和静尺进行清洗，
故障一般可排除。但此次清洗后
故障不能排除，故怀疑是光栅尺 或脉冲整形电路的问题。
动机同轴；② 与最终传动环节同轴。 • （2）轴连接方式 • ① 直接连接。通过各种联轴器连接。联轴
器形式有锥销套筒型、夹紧环型、波纹管 型及膜片型等。 • ② 间接连接。通过齿轮或同步带传动。
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4.4.6 位置检测装置的维护 与故障诊断
• 位置检测装置的维护包括以下几方面内容。
• 1．光栅的维护
4.5 伺服系统故障诊 断与维修实例
• 【例1】 一数控设备出现进给轴飞车失控 的故障。
• 该机床伺服系统为西门子6SC610驱动装置 和1FT5交流伺服电动机并配有ROD320编 码器。在排除数控系统、驱动装置及速度 反馈等故障因素后，将故障定位于位置检 测控制。经检查，编码器输出电缆及连接 器均正常，拆开ROD320编码器，发现一 紧固螺钉脱落并置于+5V与接地端之间， 造成电源短路，编码器无信号输出，数控 系统处于位置环开环状态，从而引起飞车 失控的故障。
步进电机的外观图
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4.4 位置检测装置的安装调 整与故障诊断
• 4.4.1 位置检测装置的基本要求及分类
• 1．位置检测装置的基本要求
• ① 能满足移动部件精度和速度的要求； • ② 使用、维护简单、方便，成本低； • ③ 寿命长，抗各种干扰能力强，能适应生产现场的工作
环境；
• ④ 在检测范围内，能满足精度和速度的要求。 • 2．位置检测装置的分类
封固； • ③ 驱动轴轴径尺寸精度要求：普通型采用f7，精密
型采用h6 。 • 对于外装式安装，要注意传动件的配合尺寸精度，
同步带张紧要合适，安装时要注意消除传动的间隙 。此外，安装、拆卸编码器时，要防止用力过大， 以免轴变形。
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4.4.5 旋转变压 器
• 1．旋转变压器结构及工作原理 •
主轴伺服控制系统的故障形式主要有：① 主轴定位不准；② 主轴过载；③ 主轴振动及噪声；④ 主轴转速与坐标运动不匹 配等。
进给伺服控制系统的故障形式主要有以下几种:
（1）伺服电动机过载； （2）低速爬行 ； （3）振动与噪声； （4）位置误差。
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4.2.1 常用主轴驱动 系统
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• 4.3.2 步进电动机进给伺服控制
• 1．步进电动机的主要性能参数
• （1）步距角误差 步进电动机的步距角公式：
= 360°/ mZK
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• （2）启动频率； • （3）矩频特性与动态转矩 ； • （4）静态转矩与矩角特性 。
• •
矩频特性曲线
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步进电动机静态矩角特性
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2．闭环伺服 控制
从检测装置来的反馈信号与指令脉冲信号进行比较 ，得到位置偏差控制信号，经伺服放大器对偏差信号 进行调节运算和功率放大，控制工作台修正偏差，按 照指令脉冲运动，称为闭环伺服控制。
2020/6/8
4.1.3 伺服控制的主要 故障形式
伺服控制主要有主轴伺服控制和进给伺服控制两种:
排除。
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•
光栅及控制部分的连接
• 按测量方式不同，位置检测装置可分为增量式和绝对式检 测装置。按被测量的不同，位置检测装置可分为数字量和 模拟量检测装置。
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常用位置检测装置 的分类
回转型检测装置
直线型检测装置
数字式检 测装置 光电盘
数码盘
圆光栅
模拟式检 测装置
同步分解 器
圆形感应 同步器
圆形磁尺
数字式检 测装置 直线光栅
数控设备常用的主轴伺服驱动主要有直流驱动
方式和交流驱动方式两大类。直流主轴电动机有 SIEMENS公司1GG5, 1GF5, 1GL5和1GH5等4个系 列，配套的驱动装置为6RA24, 6R27，采用晶闸管 控制系统。交流主轴电动机有FUNUC公司推出的S 系列电动机，其功率范围为1.5～37kW，采用晶体 管PWM逆变器实现驱动控制。SIEMENS公司也推 出了1PH5及1PH6系列交流伺服电动机，其功率为3 ～100kW，采用晶体管SPWM变频驱动控制。国内
2．光栅尺的安装与调 整
• 1－床身；2－光栅尺；3－扫描头；
• 4－滚珠丝杠螺母副；5－床鞍
•
光栅尺在机床上的安装示意图
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4.4.3 感应同步器 检测装置
• 1．感应同步器的结构
• 感应同步器由定尺和滑尺两部分组成。定尺安装在移动部件的 导轨上，其长度应大于被检测件的长度；滑尺较短，安装在运 动部件上。定尺和滑尺均由基板（钢或铝合金板）、平面绕组 和保护屏蔽层等部分组成。
产品主要有上海开通公司的KT系列全数字交流伺返服 回
驱动控制系统。
4.2.3 交流伺服控制系统的 调试
下面以华中世纪星数控系统（HNC-21TF）与松下MSDA型交流伺 服控制驱动器、MSMA型交流伺服电动机的连接控制为例，说明该系
统的调试的内容和方法。
2020/6/8
• HNC-21TF数控系统与伺服控制器、交流伺服电动机的连接
4.1 概 述
• 4.1.1 伺服驱动控制的基本要求
•
对进给伺服控制的基本要求是：位移精度高，快速响应
好，系统稳定性好，高性能的伺服电动机及低速大转ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ等
• 1．开环伺服控制
• 开环伺服控制指数控设备的伺服控制中没有检测和反馈装 置，数控指令脉冲是单方向传递。开环伺服控制多采用步
进电动机作为执行元件。
多通道透 射光栅 计量光栅
模拟式检 测装置 直线感应 同步器 直磁尺
绝对值式 磁尺
2020/6/8
4.4.2 光栅检测装置
• 1．光栅检测装置的组成
• 光栅是在一块长条形的光学玻璃上用照相腐蚀法制成许多密集线 纹。线纹的间距和宽度相等并与运动方向垂直，形成连续的透光 区和不透光区。线纹之间的间距称为栅距，常用光栅有每毫米刻 50条、100条及200条的。
• 由光栅尺来的正弦信号经过
EXE脉冲整形放大电路后，形成
2020/6/8
方波，经J3送入NC控制系统。机床运行
说明故障在前。再测J1处输入的正弦信号I1和I2 ，发现I2输出有时很杂乱。检查光栅J1的连线正 常，初步判断是光栅尺有问题。对测量结果进 行分析发现，I2信号不正常，经测量光电池两端 的电压，有一组只有1V左右。更换电池，故障
1－光电池；2, 4－聚光镜；3－夹缝；5－光源；G1－标尺光栅；G2－指示光栅
图4.13 透射光栅和反射光栅
• 1－光电池；2, 4－聚光镜；3－夹缝；5－光源；G1－标尺光栅 ；G2－指示光栅
• 图透射光栅和反射光栅
•
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光栅尺及数显表
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光栅尺在机床导轨上的安装
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2．感应同步器的工 作原理
• 1、对滑尺上的绕组通以交流电，根据电磁原理，将 在定尺绕组上感应出电压，定尺绕组中感应电压是 滑尺上正弦绕组和余弦绕组所产生的感应电压的矢 量和。滑尺每移动一个节距，定尺上感应电压按余
弦规律变化一周。
• 2、由于定尺上感应电压变化的周期与滑尺相对定尺
移动的节距2 对应，而节距又与工作台的实际位移 x有关，从而可以间接对工作台的位移进行检测，这
就是感应同步器的工作原理。
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3．感应同步器的安 装与调整 • 1、感应同步器的定尺安装在移动部件的导轨上，其长度应大于
被检测件的长度，滑尺较短，安装在运动部件上。感应同步器安 装时，两尺保持平行，两尺之间间隙为（0.25±0.05）mm，一 般定尺每段长250mm。 • 2、为保证检测精度，要求定尺侧母线与机床导轨基准面的平行 度允差在全长内为0.1mm，滑尺侧母线与机床导轨基准面的平行 度允差在全长内为0.02mm，定尺与滑尺之间的间隙应保证在（ 0.25±0.05）mm之内。 • 感应同步器的安装总图：
• （1）防污 • （2）防震 • 2．光电脉冲编码器的维护 • （1）防震和防污 • （2）防止连接松动
• 3．旋转变压器的维护
• ① 安装接线时，一般定子电阻阻值稍大，有时补偿绕组自行短 接或接入一个阻值。
• ② 由于结构上与绕线转子异步电动机相似，因此，碳刷磨损到 一定程度后要更换。
• ③ 旋转变压器与伺服电动机同轴连接时，要保证同轴连接的精 度，对传动链中所有零件必须消除传动间隙。
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2．编码器的安装 与调整
• 编码器的安装主要采用与伺服电动机同轴连联的方 式，也有采用安装在传动链末端的方式，称为外装 式安装。编码器安装中的主要问题是防止连接松动 。对联轴器的连接要求如下：
• ① 两轴之间的误差应小于规定值； • ② 夹紧螺钉的转矩应达到规定值，螺钉要用防松剂
4.2.4 交流主轴伺服系统的主 要故障及诊断
• 常见交流主轴伺服系统的主要故障有以下几种。 1．过载；
• 2．主轴定位抖动 ； • 3．主轴转速与进给不匹配。
• 4.3 进给伺服控制系统的故障诊断 • 4.3.1 常见进给伺服控制系统
• 常见的进给伺服控制方式主要有直流进给伺服驱动、 交流进给伺服驱动以及步进电动机进给伺服驱动等。
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• 图4.18 无刷旋转变压器结构图
• 旋转变压器由定子和转子组成，定子绕组相当于变压 器的原边，转子绕组相当于变压器的副边。将励磁电 压接到原边时，转子上感应的输出电压与转子的角位 移成固定的函数关系，因此可以用做角度检测。
2．旋转变压器 的安装
• （1）安装部位 • 旋转变压器安装主要有两种方式：① 与电
2020/6/8
4.4.4 编码器检测 装置
• 1．光电盘编码器工作原理
1－印制电路板；2－光源；3－圆光栅；4－指示光栅；5－光电池组；6－底座；7－护罩；8－轴
图4.17 光电盘编码器结构图
• 1－印制电路板；2－光源；3－圆光栅；4－指示光栅；5－光电池 组；6－底座；7－护罩；8－轴
• 图4.17 光电盘编码器结构图
2020/6/8
【例2】 有一台德国
SHIESS KOPP公司的
FSK32.3凸轮磨床出现V
轴失• 控该，类定故障位是不由准于故机床障在加工中
砂轮高速旋转，使切削液成雾状 ，进入Heidenhain光栅尺内，使 光栅污染，形成盲点造成的。经
过对光栅动尺和静尺进行清洗，
故障一般可排除。但此次清洗后
故障不能排除，故怀疑是光栅尺 或脉冲整形电路的问题。
动机同轴；② 与最终传动环节同轴。 • （2）轴连接方式 • ① 直接连接。通过各种联轴器连接。联轴
器形式有锥销套筒型、夹紧环型、波纹管 型及膜片型等。 • ② 间接连接。通过齿轮或同步带传动。
2020/6/8
4.4.6 位置检测装置的维护 与故障诊断
• 位置检测装置的维护包括以下几方面内容。
• 1．光栅的维护