常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:09 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 伺服系统故障诊断(一) 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 数控机床中的伺服系统取代了传统机床的机械传动,这是数 控机床重要特征之一。由于伺服系统包含了众多的电子电力器件 并应用反馈控制原理将它们有机地组织起来,因此在一定意义上, 伺服系统的高性能和高可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠 驱动系统与CNC位置控制部分构成位置伺服系统。伺服系统 如果离开了高精度的位置检测装置,就满足不了数控机床的要求 数控机床的驱动系统主要有两种:进给驱动系统和主轴驱动系统。 从作用看,前者是控制机床各坐标的进给运动,后者是控制机床 主轴旋转运动。驱动系统的性能,在较大程度上决定了现代数控 机床的性能。数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取 决于驱动系统及CNC位置控制部分的动态和静态性能。另外,对 某些加工中心而言,刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴, 用以控制刀库中刀具的定位 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统,从电气控制原理来 分都可分为直流和交流驱动。直流驱动系统在70年代初至80 代中期在数控机床上占据主导地位,这是由于直流电动机具有良 好的调速性能,输出力矩大,过载能力强,精度尚,控制原理简 单,易于调整。随着微电子技术的迅速发展,加之交流伺服电动 机材料、结构及控制理论有丁突破性的进展,80年代初期出了交 流驱动系统,标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统 保持了直流驱动系统的优越性,而且交流电动机无需维护,便于 制造,不受恶劣环境影响,所以目前直流驱动系统已逐步被交流 驱动系统所取代。从90年代开始,交流伺服驱动系统已走向数字 化,驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化,系
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 09 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 伺服系统故障诊断（一） 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 数控机床中的伺服系统取代了传统机床的机械传动，这是数 控机床重要特征之一。由于伺服系统包含了众多的电子电力器件， 并应用反馈控制原理将它们有机地组织起来，因此在一定意义上， 伺服系统的高性能和高可靠性决定了整台数控机床的性能和可靠 性。 驱动系统与 CNC 位置控制部分构成位置伺服系统。伺服系统 如果离开了高精度的位置检测装置，就满足不了数控机床的要求。 数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。 从作用看，前者是控制机床各坐标的进给运动，后者是控制机床 主轴旋转运动。驱动系统的性能，在较大程度上决定了现代数控 机床的性能。数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取 决于驱动系统及 CNC 位置控制部分的动态和静态性能。另外，对 某些加工中心而言，刀库驱动也可认为是数控机床的某一伺服轴， 用以控制刀库中刀具的定位。 不论是进给驱动系统还是主轴驱动系统，从电气控制原理来 分都可分为直流和交流驱动。直流驱动系统在 70 年代初至 80 年 代中期在数控机床上占据主导地位，这是由于直流电动机具有良 好的调速性能，输出力矩大，过载能力强，精度尚，控制原理简 单，易于调整。随着微电子技术的迅速发展，加之交流伺服电动 机材料、结构及控制理论有丁突破性的进展，80 年代初期出了交 流驱动系统，标志着新一代驱动系统的开始。由于交流驱动系统 保持了直流驱动系统的优越性，而且交流电动机无需维护，便于 制造，不受恶劣环境影响，所以目前直流驱动系统已逐步被交流 驱动系统所取代。从 90 年代开始，交流伺服驱动系统已走向数字 化，驱动系统中的电流环、速度环的反馈控制已全部数字化，系
统的控制模型和动态补偿均出高速微处理器实时处理,增强了系 统自诊断能力,提高了系统的快速性和精度。 1主轴驱动系统 数控机床对主轴要求在很宽范围内转速连续可调,恒功率范 围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功 能时,就要对主轴提出4H应的进给控制和位置控制要求:此时, 主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统,相应的主轴电动机装配有 编码器作为主轴位置检测;另一种方法就是在主轴上直接安装外 置式的编码器,这在机床改造和经济型数控车床中用得较多 主轴驱动变速目前主要有两种形式;一是主轴电动机带齿轮 换档,目的在于降低主轴转速,增大传动比,放大主轴功率以适 应切削的需要;二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主铀, 该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机,具有恒功率宽的 特点。由于无需机械变速,主轴箱内省却了齿轮和离合器,主轴 箱实际上成为主轴支架,简化了主传动系统,从而提高了传功链 的可靠性 11常用主轴驱动系统介绍 1.1.1 FANUC公司主轴驱动系统 从80年代开始,该公司已使用了交流主轴驱动系统、直流驱 动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机 为:s系列电动机,额定输出功率范围1.5~37kw;H系列电动机, 额定输出功率范围1.5~22kw:P系列电动机,额定输出功率范围 3.7~37kw:该公司交流主轴驱动系统的特点为:①采用微处理器 控制技术,进行矢量计算,从而实现最佳控制。②主回路采用晶 体管PWM逆变器,使电动机电流非常接近正弦波形。③具有主 轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能 112 SIEMENS公司主轴驱动系统 SIEMEN公司生产的直流主轴电动机有1GG5、lGF5、lGL5 和1GH5四个系列,与上述四个系列电动机配套的6RA24、6RA27 系列驱动装置采用晶间管控制 80年代初期,该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交 流主轴电动机,功率范围为3~100kW。驱动装置为6SC650系列 交流主轴驱动装置或6SC61A( SIMODRIVE611A)主轴驱动模 块,主回路采用晶体管SPWM变频控制的方式,具有能量再生制 动功能。另外,采用微处理器80186可进行闭环转速、转矩控制 及磁场计算,从而完成矢量控制。通过选件实现C轴进给控制, 在不需要CNC的帮助下,实现主轴的定位控制 12主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 当主轴伺服系统发生故障时,通常有三种表现形式:一是在 CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息;二是在主轴驱动装 2
2 统的控制模型和动态补偿均出高速微处理器实时处理，增强了系 统自诊断能力，提高了系统的快速性和精度。 1 主轴驱动系统 数控机床对主轴要求在很宽范围内转速连续可调，恒功率范 围宽。当要求机床有螺纹加工功能、准停功能和恒线速加工等功 能时，就要对主轴提出 4H 应的进给控制和位置控制要求：此时， 主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统，相应的主轴电动机装配有 编码器作为主轴位置检测；另一种方法就是在主轴上直接安装外 置式的编码器，这在机床改造和经济型数控车床中用得较多。 主轴驱动变速目前主要有两种形式；一是主轴电动机带齿轮 换档，目的在于降低主轴转速，增大传动比，放大主轴功率以适 应切削的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主铀， 该类主轴电动机又称宽域电机或强切削电动机，具有恒功率宽的 特点。由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴 箱实际上成为主轴支架，简化了主传动系统，从而提高了传功链 的可靠性。 1.1 常用主轴驱动系统介绍 1.1.1 FANUC 公司主轴驱动系统 从 80 年代开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统、直流驱 动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机 为：s 系列电动机，额定输出功率范围 1.5~37kw； H 系列电动机， 额定输出功率范围 1.5~22kw；P 系列电动机，额定输出功率范围 3.7~37kw：该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用微处理器 控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。②主回路采用晶 体管 PWM 逆变器，使电动机电流非常接近正弦波形。③具有主 轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。 1.1.2 SIEMENS 公司主轴驱动系统 SIEMENS 公司生产的直流主轴电动机有 1GG5、IGF5、1GL5 和 1GH5 四个系列，与上述四个系列电动机配套的 6RA24、6RA27 系列驱动装置采用晶间管控制。 80 年代初期，该公司又推出了 1PH5 和 1PH6 两个系列的交 流主轴电动机，功率范围为 3~100kW。驱动装置为 6SC650 系列 交流主轴驱动装置或 6SC611A(SIMODRIVE 611A)主轴驱动模 块，主回路采用晶体管 SPWM 变频控制的方式，具有能量再生制 动功能。另外，采用微处理器 80186 可进行闭环转速、转矩控制 及磁场计算，从而完成矢量控制。通过选件实现 C 轴进给控制， 在不需要 CNC 的帮助下，实现主轴的定位控制。 1.2 主轴伺服系统的故障形式及诊断方法 当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在 CRT 或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装
置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障;三是主轴工作 不正常,但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有: 12.1外界干扰 由于受电磁干扰,屏蔽和接地措施不良,主轴转速指令倍号 反馈信号受到干扰,使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判 别有无干扰的方法是:当主轴转速指令为零时,主轴仍往复转动, 调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 122过载 切削用量过大,频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表 现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 123主轴定位抖动 主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合,有三 种实现方式 (1)机械准停控制由带ⅴ形槽的定位盘和定位用的液压缸配 合动作。 (2)磁性传感器的电气准停控制图5~1所示为机床主轴采用 磁性传感器准停的装置。发磁体安装在主轴后端,磁传感器安装 在主轴箱上,其安装位置决定了主轴的准停点,发磁体和磁传感 器之间的间隙为(1.5±0.5)mm 图5-1磁性传感器主轴准停装置 1-磁传感器2-发磁体3-主轴-4-支架5一主轴箱 (3)编码器型的准停控制通过主轴电动机内置安装或在机 床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制,准停角度可 任意设定。 上述准停均要经过减速的过程,如减速或增益等参数设置不 当,均可引起定位抖动。另外,限定方式(1)中定位液压缸活塞移 动的限位开关失灵,准定方式(2)中发磁体和磁传感器之间的间隙 发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动
3 置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；三是主轴工作 不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障有： 1.2.1 外界干扰 由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令倍号或 反馈信号受到干扰，使主轴驱动出现随机和无规律性的波动。判 别有无干扰的方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动， 调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。 1.2.2 过载 切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表 现为主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。 1.2.3 主轴定位抖动 主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合，有三 种实现方式： (1)机械准停控制 由带 v 形槽的定位盘和定位用的液压缸配 合动作。 (2)磁性传感器的电气准停控制 图 5~1 所示为机床主轴采用 磁性传感器准停的装置。发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装 在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感 器之间的间隙为(1.5±0.5)mm。 图 5—l 磁性传感器主轴准停装置 1--磁传感器 2--发磁体 3--主轴- 4--支架 5 一主轴箱 (3)编码器型的准停控制 通过主轴电动机内置安装或在机 床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可 任意设定。 上述准停均要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不 当，均可引起定位抖动。另外，限定方式(1)中定位液压缸活塞移 动的限位开关失灵，准定方式(2)中发磁体和磁传感器之间的间隙 发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动
124主轴转速与进给不匹配 当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时,会出现停止进给 主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令,主轴必须有每 转一个脉冲的反馈信号,一般情况下为主轴编码器有问题。可用 以下方法来确定:①CRT画面有报警显示。②通过CRT调用机床 数据或O状态,观察编码器的信号状态。③用每分钟进给指令 代替每转进给指令来执行程序,观察故障是否消失。 12.5转速偏离指令值 当主轴转速超过技术要求所规定的范围时,要考虑:①电动 机过载。②CNC系统输出的主轴转速模拟量(通常为0~±10V)没 有达到与转速指令对应的值。③测速装置有故障或速度反馈信号 断线。④主轴驱动装置故障 126主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气 驱动部分。①在减速过程中发生,一般是由驱动装置造成的,如 交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时产生,可通过观察主 轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别,如存在,则 主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无 关.一般是主轴驱动装置末调整好:如有关,应检査主轴机械部 分是否良好,测速装量是否不良。 127主轴电动机不转 CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外.还有 位能控制信号,一般为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检査使能信号是否接通。通过CRT 观察I/O状态,分析机床PLC梯形图(或流程图),以确定主轴的 启动条件,如润滑、冷却等是否满足。③主轴驱动装置故障。④ 主轴电动机故障 13直流主轴驱动的故障诊断 由于直流调速性能的优越性,直流主轴电动机在数控机床的 主轴驱动中得到广泛应用,主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的 方式。 13.1控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭外调速系统,其中 内环是电流环,外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机, 励磁绕组与电枢绕组无联接关系,由另一路直流电源供电。图5-2 为 FANUC直流主轴电动机驱动控制示意图 双闭环调速系统的特点是,速度调节器的输出作为电流调节 器的给定信号来扦制电动机的电流和转矩。其优点在于:可以根 据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制 电动机的转矩,在速度差值大时,电动机转矩大,速度变化快
4 1.2.4 主轴转速与进给不匹配 当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、 主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给的指令，主轴必须有每 转一个脉冲的反馈信号，一般情况下为主轴编码器有问题。可用 以下方法来确定：①CRT 画面有报警显示。②通过 CRT 调用机床 数据或 I/O 状态，观察编码器的信号状态。③用每分钟进给指令 代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。 1.2.5 转速偏离指令值 当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：①电动 机过载。②CNC 系统输出的主轴转速模拟量(通常为 0~±10V)没 有达到与转速指令对应的值。③测速装置有故障或速度反馈信号 断线。④主轴驱动装置故障。 1.2.6 主轴异常噪声及振动 首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气 驱动部分。①在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如 交流驱动中的再生回路故障。②在恒转速时产生，可通过观察主 轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则 主轴机械部分有问题。③检查振动周期是否与转速有关。如无 关．一般是主轴驱动装置末调整好；如有关，应检查主轴机械部 分是否良好，测速装量是否不良。 1.2.7 主轴电动机不转 CNC 系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外．还有 位能控制信号，一般为 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检查使能信号是否接通。通过 CRT 观察 I／O 状态，分析机床 PLC 梯形图(或流程图)，以确定主轴的 启动条件，如润滑、冷却等是否满足。③主轴驱动装置故障。④ 主轴电动机故障。 1.3 直流主轴驱动的故障诊断 由于直流调速性能的优越性，直流主轴电动机在数控机床的 主轴驱动中得到广泛应用，主轴电动机驱动多采用晶闸管调速的 方式。 1.3.1 控制电路 控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭外调速系统，其中 内环是电流环，外环是速度环。主轴电动机为他励式直流电动机， 励磁绕组与电枢绕组无联接关系，由另—路直流电源供电。图 5--2 为 FANUC 直流主轴电动机驱动控制示意图。 双闭环调速系统的特点是，速度调节器的输出作为电流调节 器的给定信号来扦制电动机的电流和转矩。其优点在于：可以根 据速度指令的模拟电压信号与实际转速反馈电压的差值及时控制 电动机的转矩，在速度差值大时，电动机转矩大，速度变化快
以使尽快地使电动机的转速达到给定俏;而当转速接近给定值时, 又能使电动机的转矩自功地减小,这样可以进免过大的超调,使 转速很快达到给走值,保证转速稳态无静差。电流环的作用是, 当系统受到外来干扰时,能迅速地作出抑制干扰的响应,保证系 统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外,双闭环调迫系统以 速度调书器的输出作为电流调节器的输入给定值,速度调节器的 输出限幅位就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程 中,电动机转矩和电枢电流急剧增加,电枢电流达到限定值,使 电动机以最大转矩加速,转速直线上升。当电动机的转速达到甚 至超过了给定值时,速度反馈电压大于速度给定电压,速度调节 器的输出从限幅位降下来,它作为电流调节器的输入给定值将使 电枢电流下降,随之电动机的转矩也将下降、开始减速。当电动 机的转矩小于负载转矩时,电动机又会加速直到重新回到速度给 定值,因此双闭环直流调速系统对主轴的快速起停,保持稳定运 行等功能是很重要的。 电流设定 放大 度指令 速度调 电流调节 图5-2FANU直流主轴电动机驱动控制 直流主轴驱动装置一般具有速度到达,零速检测等辅助信号 输出,同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等 多项报警保护措施,以确保系统安全可靠工作 13.2主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大,是要求正、反转及 停止迅速,故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆 调速系统,这样在制动时,除了缩短制动时间外,还能将主轴旋 转的机械能转换成电能送回电网。图5-3为三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统的主电路,图5-4为该系统的四象限运行示 意图。 逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路,使一组晶间管在工作 时,另一组晶闸管的触发脉冲被封锁,从而切断正、反两组晶闸 管之间流通的电流(简称环流) 在图5-4中,正组晶闸管VTl提供电动机顺时针驱动(正转) 的电枢电流Ia,若速度指令由正变负,即电动机由正转到反转过 程中,正组晶闸管进入有源逆变状态,将电感储能逆变回送电网
5 以使尽快地使电动机的转速达到给定俏；而当转速接近给定值时， 又能使电动机的转矩自功地减小，这样可以进免过大的超调，使 转速很快达到给走值，保证转速稳态无静差。电流环的作用是， 当系统受到外来干扰时，能迅速地作出抑制干扰的响应，保证系 统具有最佳的加速和制动的时间特性。另外，双闭环调迫系统以 速度调书器的输出作为电流调节器的输入给定值，速度调节器的 输出限幅位就限定了电流环中的电流。在电动机启动或制动过程 中，电动机转矩和电枢电流急剧增加，电枢电流达到限定值，使 电动机以最大转矩加速，转速直线上升。当电动机的转速达到甚 至超过了给定值时，速度反馈电压大于速度给定电压，速度调节 器的输出从限幅位降下来，它作为电流调节器的输入给定值将使 电枢电流下降，随之电动机的转矩也将下降、开始减速。当电动 机的转矩小于负载转矩时，电动机又会加速直到重新回到速度给 定值，因此双闭环直流调速系统对主轴的快速起停，保持稳定运 行等功能是很重要的。 直流主轴驱动装置一般具有速度到达，零速检测等辅助信号 输出，同时还具有速度反馈消失、速度偏差过大、过载及失磁等 多项报警保护措施，以确保系统安全可靠工作。 1.3.2 主电路 数控机床直流主轴电动机由于功率较大，是要求正、反转及 停止迅速，故驱动装置往往采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆 调速系统，这样在制动时，除了缩短制动时间外，还能将主轴旋 转的机械能转换成电能送回电网。图 5--3 为三相桥式反并联逻辑 无环流可逆调速系统的主电路，图 5--4 为该系统的四象限运行示 意图。 逻辑无环流可逆系统是利用逻辑电路，使一组晶间管在工作 时，另一组晶闸管的触发脉冲被封锁，从而切断正、反两组晶闸 管之间流通的电流(简称环流)。 在图 5—4 中，正组晶闸管 VT1 提供电动机顺时针驱动(正转) 的电枢电流 Id，若速度指令由正变负，即电动机由正转到反转过 程中，正组晶闸管进入有源逆变状态，将电感储能逆变回送电网
a 图5-3三相桥式反并联逻辑无环流可逆调速系统主电路 a)主轴路b)主电路简图 Ⅱl逆时针制动 殿时针 正组逆变状老a>90°U4E t 机能 电能二 n∏逆时针驱动 Ⅳ时针制动 反船整流状衣aE 組进变状控刮角a2>90U<E 1-a ic 电能 机械能 图54四象限运行 由于此时逆变是发生在原来工作着的桥路,故称为本桥逆变,此 时仍处于电动机运行状态,因而电枢电流迅速衰减。当I回到零 时,命今级电路使正组晶闸管VT1完全封锁,此时正、反组晶闸 管均被封锁,电动机作惯性运转。在一个安全周朗和后,反组晶 闸管VI2接通,进入有源逆变状态,电动势E大于电枢电压U 通过反组晶闸管V2,机械能由电动机送回电网,电动机运行在 发电制动状态,转速很快下降至零。由于此时逆变发生在原来封 锁的桥路,因而称为他桥逆变。如果反组在开放时处于整流状态, 其整流电压与电动机电动势串联,形成电动机的电源反接制动, 电流冲击很大。为此在反组开放前,在电流调节器的输入端加上 个从逻辑电路来的电压,习惯上称为β环节。加入推β环节后
6 由于此时逆变是发生在原来工作着的桥路，故称为本桥逆变，此 时仍处于电动机运行状态，因而电枢电流迅速衰减。当 Id 回到零 时，命今级电路使正组晶闸管 VT1 完全封锁，此时正、反组晶闸 管均被封锁，电动机作惯性运转。在一个安全周朗和后，反组晶 闸管 VT2 接通，进入有源逆变状态，电动势 E 大于电枢电压 Ud ， 通过反组晶闸管 VT2，机械能由电动机送回电网，电动机运行在 发电制动状态，转速很快下降至零。由于此时逆变发生在原来封 锁的桥路，因而称为他桥逆变。如果反组在开放时处于整流状态， 其整流电压与电动机电动势串联，形成电动机的电源反接制动， 电流冲击很大。为此在反组开放前，在电流调节器的输入端加上 一个从逻辑电路来的电压，习惯上称为 β 环节。加入推 β 环节后
反组一开始就是发电制动,从而避免了反接制动造成的电流冲击, 保证电动机从正转到反转过程中,电枢电流正向平稳下降至零再 反向平稳上升 当逆时针驱动(反转)时,晶闸管VI2作为整流器,晶闸管 VTl作为逆变器,运行情况同正转,因此可四象限运行。 命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通,它 要检测电枢电路的电流是否到达零值,判别旋转方向命令,向逻 辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号,这两个信号是互斥 的,由逻辑电路保证不向时出现 逻辑电路必须保证系统满足下述条件:①只允许向一组晶闸 管提供触发脉冲。②只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤消 其触发脉冲,以防止晶闸管处于逆变状态时,未断流就撤消触发 脉冲,以致出现逆变颠覆现象,造成故障。③只和当原先工作的 那一组晶闸管完全关断后,才能向另一组晶闸管提供触发脉冲, 以防止出现过大的电流。④任何一组晶闸管导通时,要防止晶闸 管输出电压与电动机电动势方向一致,导致电压相加,使瞬时电 流过大 逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机 的驱动外,还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。 14交流主轴驱动的故障诊断 随着交流调速技术的发展,目前数控机床的主轴驱动多采用 交流主轴电动机配变额器控制的方式。变频器的控制方式从最初 的电压空间矢量控制(磁通转迹法)到矢量控制(磁场定向控制),发 展至今为直接转矩控制,从而能方便地实现无速度传感器化:脉 宽调制(PWM技术从正弦PWM发展至优化PWM技术和随机 PWM技术,以实现电流谐波畸变小、电压利用率最高、效率最 优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标:功率器件由 GTO、GTR、IGBT发展到智能模块IPM,使开关速度快、驱动 电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护 功能进一步完善 1416SC650系列交流主轴驱动装置 1411驱动装置的组成 图5-5为西门子6S℃650系列交流主轴驱动装置原理图 6SC650系列交流主轴驱动装置为晶体管脉宽调制变频器.与 IPH5、1PH6系列交流主轴电动机组成数控机床的主轴驱动系统, 可实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴C轴进给。 从图5-5可知,电网端逆变器由六只晶闸管组成的三相桥式 全控整流电路,通过对晶闸管导通角的控制,既可工作在整流方 式,向中间电路直接供电,也可工作于逆变方式,完成能量反馈 电网的任务
7 反组一开始就是发电制动，从而避免了反接制动造成的电流冲击， 保证电动机从正转到反转过程中，电枢电流正向平稳下降至零再 反向平稳上升。 当逆时针驱动(反转)时，晶闸管 VT2 作为整流器，晶闸管 VT1 作为逆变器，运行情况同正转，因此可四象限运行。 命令级电路的作用是防止正、反向两组晶闸管同时导通，它 要检测电枢电路的电流是否到达零值，判别旋转方向命令，向逻 辑电路提供正组或反组晶闸管允许开通信号，这两个信号是互斥 的，由逻辑电路保证不向时出现。 逻辑电路必须保证系统满足下述条件：①只允许向一组晶闸 管提供触发脉冲。②只有当工作的那一组晶闸管断流后才能撤消 其触发脉冲，以防止晶闸管处于逆变状态时，未断流就撤消触发 脉冲，以致出现逆变颠覆现象，造成故障。③只和当原先工作的 那一组晶闸管完全关断后，才能向另一组晶闸管提供触发脉冲， 以防止出现过大的电流。④任何一组晶闸管导通时，要防止晶闸 管输出电压与电动机电动势方向一致，导致电压相加，使瞬时电 流过大。 逻辑无环流可逆调速系统除了用在数控机床直流主轴电动机 的驱动外，还可用在功率较大的直流进给伺服电动机上。 1.4 交流主轴驱动的故障诊断 随着交流调速技术的发展，目前数控机床的主轴驱动多采用 交流主轴电动机配变额器控制的方式。变频器的控制方式从最初 的电压空间矢量控制(磁通转迹法)到矢量控制(磁场定向控制)，发 展至今为直接转矩控制，从而能方便地实现无速度传感器化；脉 宽调制(PWM)技术从正弦 PWM 发展至优化 PWM 技术和随机 PWM 技术，以实现电流谐波畸变小、电压利用率最高、效率最 优、转矩脉冲最小及噪声强度大幅度削弱的目标；功率器件由 GTO、GTR、IGBT 发展到智能模块 IPM，使开关速度快、驱动 电流小、控制驱动简单、故障率降低、干扰得到有效控制及保护 功能进一步完善。 1.4.1 6SC650 系列交流主轴驱动装置 1.4.1.1 驱动装置的组成 图 5—5 为西门子 6SC650 系列交流主轴驱动装置原理图。 6SC650 系列交流主轴驱动装置为晶体管脉宽调制变频器．与 1PH5、1PH6 系列交流主轴电动机组成数控机床的主轴驱动系统， 可实现主轴的自动变速、主轴定位控制和主轴 C 轴进给。 从图 5—5 可知，电网端逆变器由六只晶闸管组成的三相桥式 全控整流电路，通过对晶闸管导通角的控制，既可工作在整流方 式，向中间电路直接供电，也可工作于逆变方式，完成能量反馈 电网的任务
控制调节器将整流电压从535V上调到575V+575V×2%, 并在变流器逆变工作方式时,完成电容器C对整流电路的极性变 截端逆变器交流主轴电动机 3~380v 速度设定 转矩设定 闭环转速和扭矩控制 场计算机 转速实际 图5-5690650系列交流主轴驱动装置原理图 负载端逆变器是由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组 成。通过磁场计算机的控制,负载端逆变器输出三相正弦脉宽调 制(SPWM)电压,使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出 的三相SPWM电压幅值控制范围为0~430v,频率控制范围为 0~300Hz。在回馈制动时,电动机能量通过变流器的六只续流二 极管向电容器C充电,当电容器C上的电压超过600V时,就通 过控制调节器和电网端交流器把电容器C上的电能经过逆变器回 馈给电网。六只功率晶体管有六个互相独立的驱动级,通过对各 功率晶体管Ue和Ube的监控,可以防止电动机超载以及对电动机 绕组匝间短路进行保。 电动机的实际转速是通过装在电动机轴上的编码器进行测量 的。闭环转速和扭矩控制以及磁场计算机是由两片16位分数处理 器(80186)所组成的控制组件完成的。图5-6所示为6SC650系列 主轴驱动系统组成。 6SC650系列交流主轴驱动变频器主要组件基本相同。对于较 小功率的6SC6502/3变频器(输出电流20/30A),其功率部件是 安装在印制线路板A1上的,如图5-6b所示,对于大功率的 6SC6504~6Sc6520变频器(输出电流40/200A),其功率部件是安 装在散热器上的 (1)控制模块(Nl)包括两片80186,五片 EPROM。完成电网 端逆变器的触发脉冲控制、矢量变换计算以及对变频器进行PWM 调制。 (2)/O模块(U1)通过U/f变换器为N1组件处理各种l/O 模拟信号。 3)电源模块(G01)和中央控制模块(G02)除供给控制电路所 需的各种电源外,在G02上还输出各种继电器信号至数控系统进 行控制 (4选件(S10)配置主轴定位电路板或C轴进给控制电路板。 通过内装轴端编码器(18000脉冲r)或外装轴端编码器(1024脉冲/r 或9000脉冲/r)对主轴进行定位或C轴控制。 1412故障诊断 (1)故障代码当6SC650系列交流主轴驱动变频器在运行中
8 控制调节器将整流电压从 535V 上调到 575V+575V ×2％， 并在变流器逆变工作方式时，完成电容器 C 对整流电路的极性变 换。 负载端逆变器是由带反并联续流二极管的六只功率晶体管组 成。通过磁场计算机的控制，负载端逆变器输出三相正弦脉宽调 制(SPWM)电压，使电动机获得所需的转矩电流和励磁电流。输出 的三相 SPWM 电压幅值控制范围为 0~430v，频率控制范围为 0~300Hz。在回馈制动时，电动机能量通过变流器的六只续流二 极管向电容器 C 充电，当电容器 C 上的电压超过 600V 时，就通 过控制调节器和电网端交流器把电容器 C 上的电能经过逆变器回 馈给电网。六只功率晶体管有六个互相独立的驱动级，通过对各 功率晶体管 Uce和 Ube的监控，可以防止电动机超载以及对电动机 绕组匝间短路进行保。 电动机的实际转速是通过装在电动机轴上的编码器进行测量 的。闭环转速和扭矩控制以及磁场计算机是由两片 16 位分数处理 器(80186)所组成的控制组件完成的。图 5--6 所示为 6SC650 系列 主轴驱动系统组成。 6SC650 系列交流主轴驱动变频器主要组件基本相同。对于较 小功率的 6SC6502/3 变频器(输出电流 20／30A)，其功率部件是 安装在印制线路板 A1 上的，如图 5—6b 所示，对于大功率的 6SC6504~6SC6520 变频器(输出电流 40/200A)，其功率部件是安 装在散热器上的。 (1)控制模块(N1) 包括两片 80186，五片 EPROM。完成电网 端逆变器的触发脉冲控制、矢量变换计算以及对变频器进行 PWM 调制。 (2)I/O 模块(U1) 通过 U／f 变换器为 N1 组件处理各种 I/O 模拟信号。 (3)电源模块(G01)和中央控制模块(G02) 除供给控制电路所 需的各种电源外，在 G02 上还输出各种继电器信号至数控系统进 行控制。 (4)选件(S10) 配置主轴定位电路板或 C 轴进给控制电路板。 通过内装轴端编码器(18000 脉冲/r)或外装轴端编码器(1024 脉冲/r 或 9000 脉冲/r)对主轴进行定位或 C 轴控制。 1.4.1.2 故障诊断 (1)故障代码 当 6SC650 系列交流主轴驱动变频器在运行中
发生故障,变频器面板上的数码管就会以代码的形式提示故障的 类型。表5--1为6SC650系列变频器部分故障代码表 转速给定信号 外装主轴编 器信号挽信x121 度号 定位外设 UXI 外佛参与点信 PH5交流主轴电动机 图566650系列主轴驱动系统组成 接线图b)组件 1—用于测速的轴端编码器(1024脉冲/r)及电动机温度传感器插座 2一主轴电动机冷却风扇接线盒3一用于主轴定位及C轴进给的 轴端编码器(18000脉冲)4一主轴电动机三相电源接线盒 (2)辅助诊断除了以代码形式表示故障信息外,在控制模块 (NI)和I/O模块(U1)上还有测试插座,作为辅助诊断的手段。如 图5-7为I/O模块上的测试插座 该测试插座用于电流的调试。其中IR、Is和Ir用于测量电动 机的R、S、T相电流,I用于测量直流回路电流,lwg用于测量 电动机总电流,M力参考电位。通过测试,可进一步判断变频器 是否缺相、过电流等故障
9 发生故障，变频器面板上的数码管就会以代码的形式提示故障的 类型。表 5--1 为 6SC650 系列变频器部分故障代码表。 (2)辅助诊断 除了以代码形式表示故障信息外，在控制模块 (N1)和 I／O 模块(U1)上还有测试插座，作为辅助诊断的手段。如 图 5—7 为 I／O 模块上的测试插座。 该测试插座用于电流的调试。其中 IR、IS和 IT用于测量电动 机的 R、S、T 相电流， ID 用于测量直流回路电流，IWR用于测量 电动机总电流，M 力参考电位。通过测试，可进一步判断变频器 是否缺相、过电流等故障
l放大 9 5-7【O模块上的测试插座 一接线端了2一1模块3电流测试插孔 142主轴通用变频器 随着数字控制的SPwM变频调速系统的发展,数控机床主轴 驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方 面的含义:一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用:二是具 有多种可供选择的功能,可应用于各种不同性质的负载。图5-8 为三菱FR一A500系列变频器的配置及接线端子 该变频器既可以通过2、5端,用CNC系统输出的模拟信号 来控制电动机的转速,也可通过拨码开关的编码输出或CNC系统 的数字信号输出至RHI、RM和RL端,通过变频器的参数设置, 实现从最低速到最高速的变速。图5-9为数字控制的变频调速框 这是一个速度开环控制系统,为提高速度控制精度,有些变 频器可通过电动机上的编码器来实现速度的闭环控制。同时,通 过附加的定位模块来实现主轴的定位控制或C轴进给控制。 在图5-8a中,电源侧交流电抗器的目的是减小输入电流的 高次谐波,直流电抗器是用于功率因素校正,有时为了减小电动 机的振动和噪声,在变频器和电动机之间加入降低噪声用的电抗 器。为防止变频器对周围控制设备的干扰,必要时在电源侧选用 无线电干扰(RFI抑制电抗器。在图5-9中,R0的作用是限制起 动时的大电流,合上电源后,延时触点KA闭合或晶闸管VT导 通(图中虚线部分),将R短路。R为能耗制动电阻,制动时,异 步电动机进入发电状态,通过逆变器的续流二极管向电容C充电, 当中间直流回路电压(通称泵升电压)升高到一定限制值时,通过
10 1.4.2 主轴通用变频器 随着数字控制的 SPWM 变频调速系统的发展，数控机床主轴 驱动采用通用变频器控制也越来越多。所谓“通用”包含着两方 面的含义：一是可以和通用的笼型异步电动机配套应用；二是具 有多种可供选择的功能，可应用于各种不同性质的负载。图 5—8 为三菱 FR—A500 系列变频器的配置及接线端子。 该变频器既可以通过 2、5 端，用 CNC 系统输出的模拟信号 来控制电动机的转速，也可通过拨码开关的编码输出或 CNC 系统 的数字信号输出至 RH、RM 和 RL 端，通过变频器的参数设置， 实现从最低速到最高速的变速。图 5—9 为数字控制的变频调速框 图。 这是一个速度开环控制系统，为提高速度控制精度，有些变 频器可通过电动机上的编码器来实现速度的闭环控制。同时，通 过附加的定位模块来实现主轴的定位控制或 C 轴进给控制。 在图 5—8a 中，电源侧交流电抗器的目的是减小输入电流的 高次谐波，直流电抗器是用于功率因素校正，有时为了减小电动 机的振动和噪声，在变频器和电动机之间加入降低噪声用的电抗 器。为防止变频器对周围控制设备的干扰，必要时在电源侧选用 无线电干扰(RFI)抑制电抗器。在图 5—9 中，R0 的作用是限制起 动时的大电流，合上电源后，延时触点 KA 闭合或晶闸管 VT 导 通(图中虚线部分)，将 R0 短路。Rb 为能耗制动电阻，制动时，异 步电动机进入发电状态，通过逆变器的续流二极管向电容 C 充电， 当中间直流回路电压(通称泵升电压)升高到一定限制值时，通过