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。
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：
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。
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。
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。
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。
(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。
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
泵升限制电路使开关器件Vb导通，将电动机释放的动能消耗在制动电阻Rb上，为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器外。定子电流或直流回路电流检测是为了补偿定子电压。
1.4.2.1 变频器的电源显示
变频器的电源显示也称充电显示，它除了表明是否已经接上电源外，还显示了直流高压部分滤波电容器上的充、放电状况。这一点之所以十分重要，是因为在切断电源后，高压滤波器的放电速度较慢，由于电压较高，故对人体有危险。所以，在调试和维修时，每次关机后，必须等电源显示完全熄灭后，方可触摸接线部分。
1.4.2.2 变频器的故障显示各种变频器对故障原因的显示有以下三种方式：
(1)发光二极管显示 不同的故障原因由各自的发光二极管来显示。
(2)代码表示 不同的故障原因由不同的代码来显示。
(3)字符显示 针对各种故障原因，用缩写的英文字符来显示。如过电流为OC，过电压为OV，欠电压为LV，过载为OL，过热为OH。
1.4.2.3 变频器的预置设定
变频器和主轴电动机配用时，需根据主轴加工的特性和要求，预先进行一系列的设定，如加减速时间等。设定的方法是通过编程器上的键盘和数码管显示将参数输入或修改。
1)首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。
2)按数字镕或数字增减键(△键和▽键)，选择需进行预置的功能码。
3)按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据(或数据码)。
4)如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。
5)按写入键或设定健，将修玫后的数据写入。
6)如预置尚未结束，则转入第二步，对其他功能进行设定。如预置已经完了，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，电动机就可以起动了。
1.4.2.4 变频控制的故障诊断
(1)过电压 主要有两种情况：①电源电压过高。变频器一般允许电源电压向上波动的范围是+10 ％，超过此范围时，就进行保护。②降速过快。如果将减速时间设定得太短，在再生制动过程中制动电阻来不及将能量放掉，致使直流回路电压过高，形成高电压。
(2)欠电压
1)电源方面：①电源电压低于额定值电压的10％。⑦电源缺相。
2)主电路方面：①整流器件损坏。如图5—6所示，如果六个整流二极管中有部分损坏，整流后的电压将下降。②限流电阻R0未“切出”电路。图5--6中，如果延时触点KA末动作、触点接触不良或晶闸管VT未导通，使电阻Ro长时间接人电路，将导致直流侧欠电压。
(3)过电流
1)非短路性过电流：①电动机严重过载。②电动机加速过快。
2)短路性过电流：①负载侧短路。②负载侧接地。③变频器逆变桥同一桥臂的上下两晶体管同时导遇，形成“直通’。因为变频器在运行时，同—桥臂的上下两晶体管总是处于交替导通状态，在交替导通的过程中，必须保证只有在一个晶体管完全截止后，另一个晶体管才开始导通。如果由于某种原因，如环境温度过高等，使之器件参数发生漂移，就可能导致直通。
1.4.2.5 变频器的测量
(1)测绝缘 将接至电源和电机的连线断开，然后将所有的输入端和输出端部连接起来，如图5—10所示，再用兆欧表测量绝缘电阻。
(2)测电流 变频器的输入和输出电流都含有各种高次谐波、应选用电磁式仪表，因为电磁式仪表所指示的是电流的有效值。
(3)测电压 变频器输入侧的电压是电网的正弦波电压，可用任意类型的仪表测量。输出侧的电压是方波脉冲序列、肯有许多高次谐波成分，由于电动机的转矩主要和电压的基波有关，故应选用整流式仪表进行测量；有些数字式万用表、钳形表的交流电压档内含滤波环节，如DM—6015、DM—815型可直接用于测量。
(4)测波形 用示波器测主电路的电压和电流波形时，必须使用高压探头。如使用低压探头，需用互感器或其他隔离器件进行隔离。
图5—10 变频器绝缘测量
(5)整流器和逆变器的故障判断 参阅图5—9，变频器的主要接线端子有8个：进线端的R、S、T；出线端的U、V、W；直流正端P和直流负端N，用万用表进行判断的方法如表5—2所示。
值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运和状况是否正常，经常清试滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运行。
课后小记
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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。
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：
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。
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。
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。
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。
(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。
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
泵升限制电路使开关器件Vb导通，将电动机释放的动能消耗在制动电阻Rb上，为了便于散热，制动电阻器常作为附件单独装在变频器外。定子电流或直流回路电流检测是为了补偿定子电压。
1.4.2.1 变频器的电源显示
变频器的电源显示也称充电显示，它除了表明是否已经接上电源外，还显示了直流高压部分滤波电容器上的充、放电状况。这一点之所以十分重要，是因为在切断电源后，高压滤波器的放电速度较慢，由于电压较高，故对人体有危险。所以，在调试和维修时，每次关机后，必须等电源显示完全熄灭后，方可触摸接线部分。
1.4.2.2 变频器的故障显示各种变频器对故障原因的显示有以下三种方式：
(1)发光二极管显示 不同的故障原因由各自的发光二极管来显示。
(2)代码表示 不同的故障原因由不同的代码来显示。
(3)字符显示 针对各种故障原因，用缩写的英文字符来显示。如过电流为OC，过电压为OV，欠电压为LV，过载为OL，过热为OH。
1.4.2.3 变频器的预置设定
变频器和主轴电动机配用时，需根据主轴加工的特性和要求，预先进行一系列的设定，如加减速时间等。设定的方法是通过编程器上的键盘和数码管显示将参数输入或修改。
1)首先按下模式转换开关，使变频器进入编程模式。
2)按数字镕或数字增减键(△键和▽键)，选择需进行预置的功能码。
3)按读出键或设定键，读出该功能的原设定数据(或数据码)。
4)如需修改，则通过数字键或数字增减键来修改设定数据。
5)按写入键或设定健，将修玫后的数据写入。
6)如预置尚未结束，则转入第二步，对其他功能进行设定。如预置已经完了，则按模式选择键，使变频器进入运行模式，电动机就可以起动了。
1.4.2.4 变频控制的故障诊断
(1)过电压 主要有两种情况：①电源电压过高。变频器一般允许电源电压向上波动的范围是+10 ％，超过此范围时，就进行保护。②降速过快。如果将减速时间设定得太短，在再生制动过程中制动电阻来不及将能量放掉，致使直流回路电压过高，形成高电压。
(2)欠电压
1)电源方面：①电源电压低于额定值电压的10％。⑦电源缺相。
2)主电路方面：①整流器件损坏。如图5—6所示，如果六个整流二极管中有部分损坏，整流后的电压将下降。②限流电阻R0未“切出”电路。图5--6中，如果延时触点KA末动作、触点接触不良或晶闸管VT未导通，使电阻Ro长时间接人电路，将导致直流侧欠电压。
(3)过电流
1)非短路性过电流：①电动机严重过载。②电动机加速过快。
2)短路性过电流：①负载侧短路。②负载侧接地。③变频器逆变桥同一桥臂的上下两晶体管同时导遇，形成“直通’。因为变频器在运行时，同—桥臂的上下两晶体管总是处于交替导通状态，在交替导通的过程中，必须保证只有在一个晶体管完全截止后，另一个晶体管才开始导通。如果由于某种原因，如环境温度过高等，使之器件参数发生漂移，就可能导致直通。
1.4.2.5 变频器的测量
(1)测绝缘 将接至电源和电机的连线断开，然后将所有的输入端和输出端部连接起来，如图5—10所示，再用兆欧表测量绝缘电阻。
(2)测电流 变频器的输入和输出电流都含有各种高次谐波、应选用电磁式仪表，因为电磁式仪表所指示的是电流的有效值。
(3)测电压 变频器输入侧的电压是电网的正弦波电压，可用任意类型的仪表测量。输出侧的电压是方波脉冲序列、肯有许多高次谐波成分，由于电动机的转矩主要和电压的基波有关，故应选用整流式仪表进行测量；有些数字式万用表、钳形表的交流电压档内含滤波环节，如DM—6015、DM—815型可直接用于测量。
(4)测波形 用示波器测主电路的电压和电流波形时，必须使用高压探头。如使用低压探头，需用互感器或其他隔离器件进行隔离。
图5—10 变频器绝缘测量
(5)整流器和逆变器的故障判断 参阅图5—9，变频器的主要接线端子有8个：进线端的R、S、T；出线端的U、V、W；直流正端P和直流负端N，用万用表进行判断的方法如表5—2所示。
值得注意的是，变频器的冷却方式都采用风扇强迫冷却。如果通风不良，器件的温度将会升高，有时即使变频器并没有跳闸，但器件的使用寿命已经下降。所以，应注意冷却风扇的运和状况是否正常，经常清试滤网和散热器的风道，以保证变频器的正常运行。
课后小记
