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,11
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（三）
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
3 位置检测装置数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的，对于闭环控制的伺服系统，位置检测元件的精度将直接影响到机床的位置精度。目前，用于闭环控制的位置检测元件多用光栅尺；用于半闭环控制的位置检测元件多用光电编码器。
3.1 故障形式当位置控制出现故障时，往往在CRT上显示报警号及报警信息。大多数情况下，若正在运动着的轴实际位置超过机床参数所设定的允差值，则产生轮廓误差监视报警；若机床坐标轴定位时的实际位置与给定位置之差超过机床参数设定的允差值，则产生静态误差监视报警；若位置测量硬件有故障，则产生测量装置监控报警等。表5—6为西门子数控系统有关位置控制报警对照表。
3.2 位置检测元件的维护
3.2.1 光栅
光栅有两种形式，一是透射光栅，即在一条透明玻璃片上刻有一系列等间隔密集线纹；二是反射光栅，即在长条形金属镜面上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号，用于机床回参考点的控制。对光栅尺的维护要注意：
(1)防污 光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从面造成信号丢失，影响位置控制精度。
1)冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶在扫描头上形成一层薄膜且透光性不易清除，故在选用冷却液时要慎重。
2)加工过程中，冷却液的压力不要太大，流量不要过大，以免形成大量的水雾进入光栅。
3)光栅最好通入低压压缩空气(105Pa左右)，以免扫描头运动时形成的负压把污物吸入光栅。压缩空气必须净化，滤芯应保持清洁并定期更换。
4)光栅上的污物可以用脱脂棉蘸无水酒精轻轻撩除。
(2)防振 光栅拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。
3.2.2 光电脉冲编码器
光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时，光线的明暗变化，经光敏元件生成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号(又称一转信号)，用于机床回参考点的控制。另外还有+5v电源和接地端。编码器的维护主要注意两个问题：
(1)防振和防污 由于编码器是精密测量元件，使用环境或拆装时要与光栅一样注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失，振动容易使编码器内的紧固件松动脱落，造成内部电源短路。
(2)联接松动 脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式，一种是与伺服电动机同轴安装，称为内装式编码器，如西门子1FT5、1FT6伺服电动机上的ROD320编码器，另一种是编码器安装于传动链末端，称为外装式编码器，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管是哪种安装方式，都要注意编码器联接松动的问题。由于联接松动，往往会影响位置控制精度。另外，在有些交流伺服电动机中，内装式编码器除了位置检测外，同时还具有测速和交流伺服电动机转子位置检测的作用，如三菱以系列交流伺服电动机中的编码器(ROTARY ENCODER OSE253S)。因此，编码器联接松动还会引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，从而引起机床的振动。
3.2.3 感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件，它由定尺和滑尺两部分组成且相对平行安装，定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，即sin绕组和cos 绕组，分别接人交流电。对感应同步器的维护应注意：①安装时，必须保持定尺和滑尺相对平行，且定尺固定蛆柱不得超过尺面，调整间隙在0.09~0.15mm为宜。②不要损坏定尺表面耐切削液涂层和滑尺表面一层带绝缘层的铝箔，否则会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时要分清滑尺的sin绕织和cos绕组，其阻值基本相同，这两个绕组必须分别接入励磁电压。
3.2.4 旋转变压器旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系、可用作角度检测元件，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。对旋转变压器的维护应注意：①接线时，定子上有相等匝数的励磁绕组和补偿绕组，转子上也有相等匝钦的sin绕组和cos 但转于和定子的绕组阻值却不同，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抗。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。
3.2.5 磁栅尺
磁栅是由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性你尺是在非导磁材料，如玻璃，不锈钢等材料的基体上，覆盖上一层10一20Pm厚的磁性材料，形成一层均匀有规则的磁性膜。对磁栅尺的维护应注意：①不能将磁性膜刮坏，防止铁屑和油污落在磁性标尺和磁头上，要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。②不能用力拆装和撞击磁性标尺和磁头，否则会使磁性减弱或使磁场紊乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组，前者绕在磁路截面尺寸较小的横臂上，后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。
3.3 位置检测的故障诊断
3.3.1 输出信号如图5—3l为SIEMENS数控系统位控模块与位置检测装置的连接关系。
图5—31中，增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信号有两种形式：一是电压或电流正弦信号，其中EXE为脉冲整形插值器；二是TTL电平信号。以HDENHAIN公司的正弦电流输出型的光栅尺为例，该光栅由光栅尺、脉冲整形插值器(EXE)、电缆及接插件等部件组成，如图5—32所示。
机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信号由4个光电池产生，把两个相差180O的光电池接在一起，它们的推挽就形成了相位差90O、幅值为11uA 左右的Ie1 和Ie2两组近似正弦波，一组基准信号也由两个相差180O的光电池接成推挽形式，输出为一尖峰信号Ieo．其有效分量约为5.5uA，此信号只有经过基准标志时才产生。所谓基准标志，是在光栅尺身外壳上装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管在接近磁铁时，干簧管接通，基准信号才能输出。
两组增量信号Ie1、Ie2经传输电缆和插接件进入EXE，经放大、整形后，输出两路相位差90O的方波纹号Ua1、Ua2及参考信号Ua0，这些信号经适当组合处理，即可在一个信号周期内产生5个脉冲，即5倍频处理，经连接器送至CNC位控模块，如图5—33所示。
图5—33EXE信号处理
a)正弦测量信号b)数字化后的测量信号 c)5倍频后的测量信号
3.3.2 EXE信号处理脉冲整形插值器(EXE的作用是将光栅尺或编码器输出的增量信号Ie1、Ie2和Ie0进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至CNC进行位置控制。EXE由基本电路和细分电路组成，如图5-34所示。
基本电路印制线路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报警电路等，细分电路作为任选功能单独制成一块线路板，两板之间通过J3连接器连接。
(1)通道放大器 当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie2和Ie0后，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。
(2)整形电路 在对Ie1、Ie2和Ie0放大的基础上，经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ue1、Ue2和Ue0，其TTL高电平大于等于2.5V，低电平小于等于0.5V。
(3)报警电路 当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时报警信号经驱动电路驱动后，由连接器J2输出至CNC系统。
(4)细分电路 在某些精度很高的数控机床，如数控磨床的位置控制中，要求位置测量有较高的分辨率，如仅靠光栅尺本身的精度不能满足，为此必须采用细分电路来提高分辨率，以适应高精度机床的需求。基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3接人细分电路，经细分电路处理后，又通过连接器J3输出在一个周期内两路相位差90O、占空比为1：1的五细分方波信号。这两路方波信号经基本电路中的驱动电路驱功后，即为对应的Ua1和Ua2，通道信号，由连接器J2输出至CNC系统。
另外，同步电路的目的是为了获得与Ua1和Ua2两路方波信号前、后沿精确对应的方波参考脉冲。
3.3.3 故障诊断
当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱开，在CNC系统的一例，把J2连接器上的+5V线同报警线ALM连在一起，合上数控系统电源，根据报警是否再现，便可迅速判断出故障的部位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。若问题出现在测量装置，则可测Jl连接器上有无信号输入，这样便可将故障定位在光栅尺或EXE脉冲整形电路。
4 伺服系统参数
由于伺服系统由位置环和速度环组成，两个环的参数调整是否恰当，相互之间是否匹配将直接影响到伺服系统的性能。
4.1 速度环调整
速度环的参数调整有两种形式：一是通过驱动装置上的电位器进行模拟调节，如图5—23所示SIMODRIVE 611A的电位器调节；二是数字式调节，如图5--4所示三菱MR-J2驱动装置上的数字式设定。在全数字式数控系统中，由于数控系统与驱动装置的通信联系，驱动装置中的参数可通过数控系统直接进行设定。速度环调整的主要参数有：
4.1.1 速度环增益调整
用以改善进给传动的特性，避免振荡。调整时，先将速度环增益调大使进给产生振荡，再将增益调小至振荡消失。通过驱动装置上的电流测试端子，用示波器观察电流波形的变化情况。
4.1.2 零飘调整
又称零速平衡调整。零飘调整就是要克服出于驱动装置电气参数的漂移或不对称，造成无给定信号时有转速输出的现象。调整时，在轴使能信号有效及速度给定信号为零的条件下，通过零飘调整，用万用表经测试端子采样得到的实际电流应为零。
4.1.3 测速反馈深度调整用于改善速度环控制的机械特性。
4.1.4 滞后时间常数调整
该参数反映了驱动装置对速度给定信号的响应时间，它的大小将影响速度环的稳定性必须与速度环增益调整及测速反馈深度调整同时进行。
4.2 位置环调整位置环参数常以机床数据的形式在数控系统中通过软件运行来实现。掌握和熟悉机床数据的含义及调整方法，就可使数控机床保持良好的加工精度和正常的工作性能，克服因机床长时间运行造成机电参数不匹配的问题；由于数控系统类型不同，机床数据的设置也不尽相同，表5—7为SIEMENS数控系统“坐标轴专用”机床数据对照表。
本节以SINUMER1K 8l0/820系统为例，介绍一些位置控制机床数据的设置和调整。
4.2.1 KV系数
Kv系数是位置环增益系数，是数控机床伺服系统的重要参数。Kv系数越大，响应越快，位置控制精度越高，但也容易使位置环产生振荡。Kv与进给速度和跟随误差有关，图5—35反映了进给速度与跟随误差的关系。
4.2.2 复合增益系数
设置复合增益的目的是，使位置环和速度环的增益相匹配，并使各坐标轴有不同的最大速度和最大速度给定电压。复合增益系数在机床数据MD260*设定。
4.2.3 加速度位置环的加速度调整影响到驱动装置速度给定电压的超调和稳定，从而影响到伺服系统的加速度特性。如图5—37所示，用示波器观察驱动装置上的速度给定电压、将合适的加速度值在机床数据MD276*设定。
4.2.4 精停和粗停允差
当轴运动到达指令值位置一定的偏差范围内时，轴运动结束，该偏差即为精停误差，在机床数据MD208*设定。为了使零件加工程序段连续执行，设定比精停误差数值大的粗停允差，数控系统就可以在本程序段执行结束前转换到下一个加工程序段的运算，粗停允差在机床数据MD204*设定。当精停允差和粗停允差设定为一样的数值时，程序段执行就会出现停顿。
4.2.5 夹紧允差
夹紧允差用于监控坐标轴的停止位置。由于跟随误差的存在，如坐标轴停止时的位置与指令值位置偏差大于夹紧允差所规定的范围，则发生112*报警，夹紧允差参数在机床数据MD212*中设定。如图5—38所示为精停允差、粗停允差和夹紧允差的关系。
4.2.6 零速监控延时
零速监控延时与夹紧允差有紧密的联系，当坐标轴运动到达指令位置后，经过零速监控延时，夹紧允差起作用，在所设定的延时时间里消除跟随误差，否则同样产生112*报警。零速监控延时在机床数据MD372*中设定。
4.2.7 漂移补偿数控系统和驱动装置中元器件的温度漂移，会使坐标轴运动产生相对理论位置的偏差。通过CRT诊断显示，观察指令值与绝对实际位置值的偏差，这个偏差可以用漂移补偿来调整。调整时，在轴行程范围内进行多次定位，以选取适当的补偿值在机床数据MD272*中设定。当漂移产生的位置偏差太大，不能用漂移补偿来解决时，产生160*报警，这时要检查驱动装置上的漂移调节和机械传动链的调整情况。
4.2.8 轮廓监控允差带
当刀具以一定的进给速度加工零件轮廓时，根据式(5~1)，跟随误差正比于进给速度，所以，在稳速运动过程中，跟随误差不应该发生波动，否则将造成轮廓误差，产生l16*报警。但在实际轮廓控制过程中，允许跟随误差有一定的变化范围。
4.2.9 反向间隙补偿
当坐标轴采用半闭环位置控制时，由于进给传动链存在间隙，坐标轴运动方向改变时，就会产生反向间隙误差，从而影响轴的重复定位精度。用激光干涉仪测量，让轴在某一位置向一个方向运动一定的位移量，然后再返回到该位置，观察记录位置偏差量，在行程范围内多次多点地测量并记录，选取合适的补偿值，在机床数据MD220 *中设定。如果反向间隙比较大，则必须作机械调整，然后再重复上述的测量过程。
4.2.10 丝杠螺距误差补偿
机床长期运行后，由于机械磨损，使丝杠螺距误差增大，加工精度得不到保证，因此，每隔一定的时间必须进行一次丝扛螺距误差补偿的调整，测量丝杠螺作误差必须使用高精度的激光干涉仪来进行；图5—39为某数控机床X轴补偿前后的位置误差曲线，表5—8为补偿前后误差值及补偿数据。
图5—39位置误差曲线
a)补偿前b)补偿后
4.3 调试和诊断显示
为了把伺服系统调整到最佳状态和进行故障诊断，可通过CRT显示有关轴运动的一些数据。按“DIAGNOSIS”诊断软键，选择“SERVICE AXIS”或“SERVICE SPINDLE”软键，通过“Page”来切换显示所需诊断的轴。图5-4 0所示为伺服轴CRT显示页面。
4.3.1 有关坐标轴的数据
4.3.1.1 跟随误差（Following error）
指令值与实际值之间的差值，以位置控制分辨力为单位。如显示值为2000，给定位置控制分辨力为0.5um，跟随误差为lmm。
4.3.1.2 绝对位置值(Absolute actual value)
显示坐标轴在机床坐标系中的实际位置，以位置控制分辨力为单位。，如显示值为[2000，定位置控制分辨力为0.5um，则该轴实际位置为相对机床零点10mm处。
4.3.1.3 指令位置值(Set value)
根据程序所指定的目标位置，以位置控制分辨力为单位。在正常情况下，指令位置值与绝对实际位置值应一致，若有差异可用漂移补偿来消除。如显示值为202000,给定位置分辨力为0.5 um，则指令位置值为101mm。
4.3.1.4 指令速度(Set speed)
CNC系统根据位置偏差得到指令速度，在位控模块中转换成模拟电压，并通过25芯插座输出到驱动装置。指令速度单位为Velo，1Vdo＝1．22mv。如显示值为8192，则速度指令电压为10V。
4.3.1.5 指令增量(Retune value)
插补器每插补周期(20ms)输出到位置控制器的脉冲数。单位为位置控制分辨力。如显示值为20，位置控制分辨力为0.5um，每20ms的指令增量为10um。
4.3.1.6 实际增量(segment value)
在每个采样周期(5ms)，把从测量装置，如光栅或脉冲编码器中来的脉冲经倍顿后转换成实际位置增量．与指令增量进行比较，单位为位置控制分辨力。如显示值为24，位置按制分辨力为0.5um．经4倍频，则每5ms的实际增量为12 um。
4.3.1.7 轮廓偏差(Coutour deviation)
由于跟随误差的变化引起实际加工时轮廓偏差。显示单位为位置控制分辨力。如显示值为2，位置控制分辨力为0.5，则轮廓偏差为1 um。
4.3.2 有关主轴的数据
4.3.2.1 指令速度（Set Speed）
由CNC输出到主轴的指令速度，单位为r／min。
4.3.2.2 实际速度（Actual speed）
由测速装置测量所得的主轴实际速度，单位为r／min。
4.3.2.3 实际位置（Act position）
当主轴具备C轴功能后，主轴实际位置值，范围为0.1O~359.9o。。
4.3.2.4 指令速度电压值(Set speed VELO)
CNC输出的主轴转速模拟电压，单位为Velo。
课后小记
数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO,11
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03机电332
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伺服系统故障诊断（三）
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
3 位置检测装置数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的，对于闭环控制的伺服系统，位置检测元件的精度将直接影响到机床的位置精度。目前，用于闭环控制的位置检测元件多用光栅尺；用于半闭环控制的位置检测元件多用光电编码器。
3.1 故障形式当位置控制出现故障时，往往在CRT上显示报警号及报警信息。大多数情况下，若正在运动着的轴实际位置超过机床参数所设定的允差值，则产生轮廓误差监视报警；若机床坐标轴定位时的实际位置与给定位置之差超过机床参数设定的允差值，则产生静态误差监视报警；若位置测量硬件有故障，则产生测量装置监控报警等。表5—6为西门子数控系统有关位置控制报警对照表。
3.2 位置检测元件的维护
3.2.1 光栅
光栅有两种形式，一是透射光栅，即在一条透明玻璃片上刻有一系列等间隔密集线纹；二是反射光栅，即在长条形金属镜面上制成全反射或漫反射间隔相等的密集线纹。光栅输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号，用于机床回参考点的控制。对光栅尺的维护要注意：
(1)防污 光栅尺由于直接安装于工作台和机床床身上，因此，极易受到冷却液的污染，从面造成信号丢失，影响位置控制精度。
1)冷却液在使用过程中会产生轻微结晶，这种结晶在扫描头上形成一层薄膜且透光性不易清除，故在选用冷却液时要慎重。
2)加工过程中，冷却液的压力不要太大，流量不要过大，以免形成大量的水雾进入光栅。
3)光栅最好通入低压压缩空气(105Pa左右)，以免扫描头运动时形成的负压把污物吸入光栅。压缩空气必须净化，滤芯应保持清洁并定期更换。
4)光栅上的污物可以用脱脂棉蘸无水酒精轻轻撩除。
(2)防振 光栅拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。
3.2.2 光电脉冲编码器
光电脉冲编码器是在一个圆盘的边缘上开有间距相等的缝隙，在其两边分别装有光源和光敏元件。当圆盘转动时，光线的明暗变化，经光敏元件生成电信号的强弱，从而得到脉冲信号。编码器的输出信号有：两个相位信号输出，用于辨向；一个零标志信号(又称一转信号)，用于机床回参考点的控制。另外还有+5v电源和接地端。编码器的维护主要注意两个问题：
(1)防振和防污 由于编码器是精密测量元件，使用环境或拆装时要与光栅一样注意防振和防污问题。污染容易造成信号丢失，振动容易使编码器内的紧固件松动脱落，造成内部电源短路。
(2)联接松动 脉冲编码器用于位置检测时有两种安装形式，一种是与伺服电动机同轴安装，称为内装式编码器，如西门子1FT5、1FT6伺服电动机上的ROD320编码器，另一种是编码器安装于传动链末端，称为外装式编码器，当传动链较长时，这种安装方式可以减小传动链累积误差对位置检测精度的影响。不管是哪种安装方式，都要注意编码器联接松动的问题。由于联接松动，往往会影响位置控制精度。另外，在有些交流伺服电动机中，内装式编码器除了位置检测外，同时还具有测速和交流伺服电动机转子位置检测的作用，如三菱以系列交流伺服电动机中的编码器(ROTARY ENCODER OSE253S)。因此，编码器联接松动还会引起进给运动的不稳定，影响交流伺服电动机的换向控制，从而引起机床的振动。
3.2.3 感应同步器
感应同步器是一种电磁感应式的高精度位移检测元件，它由定尺和滑尺两部分组成且相对平行安装，定尺和滑尺上的绕组均为矩形绕组，其中定尺绕组是连续的，滑尺上分布着两个励磁绕组，即sin绕组和cos 绕组，分别接人交流电。对感应同步器的维护应注意：①安装时，必须保持定尺和滑尺相对平行，且定尺固定蛆柱不得超过尺面，调整间隙在0.09~0.15mm为宜。②不要损坏定尺表面耐切削液涂层和滑尺表面一层带绝缘层的铝箔，否则会腐蚀厚度较小的电解铜箔。③接线时要分清滑尺的sin绕织和cos绕组，其阻值基本相同，这两个绕组必须分别接入励磁电压。
3.2.4 旋转变压器旋转变压器输出电压与转子的角位移有固定的函数关系、可用作角度检测元件，一般用于精度要求不高或大型机床的粗测及中测系统。对旋转变压器的维护应注意：①接线时，定子上有相等匝数的励磁绕组和补偿绕组，转子上也有相等匝钦的sin绕组和cos 但转于和定子的绕组阻值却不同，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抗。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。
3.2.5 磁栅尺
磁栅是由磁性标尺、磁头和检测电路三部分组成。磁性你尺是在非导磁材料，如玻璃，不锈钢等材料的基体上，覆盖上一层10一20Pm厚的磁性材料，形成一层均匀有规则的磁性膜。对磁栅尺的维护应注意：①不能将磁性膜刮坏，防止铁屑和油污落在磁性标尺和磁头上，要用脱脂棉蘸酒精轻轻地擦其表面。②不能用力拆装和撞击磁性标尺和磁头，否则会使磁性减弱或使磁场紊乱。③接线时要分清磁头上激磁绕组和输出绕组，前者绕在磁路截面尺寸较小的横臂上，后者绕在磁路截面尺寸较大的竖杆上。
3.3 位置检测的故障诊断
3.3.1 输出信号如图5—3l为SIEMENS数控系统位控模块与位置检测装置的连接关系。
图5—31中，增量式旋转测量装置或直线测量装置的输出信号有两种形式：一是电压或电流正弦信号，其中EXE为脉冲整形插值器；二是TTL电平信号。以HDENHAIN公司的正弦电流输出型的光栅尺为例，该光栅由光栅尺、脉冲整形插值器(EXE)、电缆及接插件等部件组成，如图5—32所示。
机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号：两组增量信号由4个光电池产生，把两个相差180O的光电池接在一起，它们的推挽就形成了相位差90O、幅值为11uA 左右的Ie1 和Ie2两组近似正弦波，一组基准信号也由两个相差180O的光电池接成推挽形式，输出为一尖峰信号Ieo．其有效分量约为5.5uA，此信号只有经过基准标志时才产生。所谓基准标志，是在光栅尺身外壳上装有一块磁铁，在扫描单元上装有一只干簧管在接近磁铁时，干簧管接通，基准信号才能输出。
两组增量信号Ie1、Ie2经传输电缆和插接件进入EXE，经放大、整形后，输出两路相位差90O的方波纹号Ua1、Ua2及参考信号Ua0，这些信号经适当组合处理，即可在一个信号周期内产生5个脉冲，即5倍频处理，经连接器送至CNC位控模块，如图5—33所示。
图5—33EXE信号处理
a)正弦测量信号b)数字化后的测量信号 c)5倍频后的测量信号
3.3.2 EXE信号处理脉冲整形插值器(EXE的作用是将光栅尺或编码器输出的增量信号Ie1、Ie2和Ie0进行放大、整形、倍频和报警处理，输出至CNC进行位置控制。EXE由基本电路和细分电路组成，如图5-34所示。
基本电路印制线路板内含通道放大器、整形电路、驱动和报警电路等，细分电路作为任选功能单独制成一块线路板，两板之间通过J3连接器连接。
(1)通道放大器 当光栅检测产生正弦波电流信号Ie1、Ie2和Ie0后，经通道放大器，输出一定幅值的正弦电流电压。
(2)整形电路 在对Ie1、Ie2和Ie0放大的基础上，经整形电路转换成与之相对应的三路方波信号Ue1、Ue2和Ue0，其TTL高电平大于等于2.5V，低电平小于等于0.5V。
(3)报警电路 当光栅由于输入电缆断裂、光栅污染或灯泡损坏等原因，造成通道放大器输出信号为零，这时报警信号经驱动电路驱动后，由连接器J2输出至CNC系统。
(4)细分电路 在某些精度很高的数控机床，如数控磨床的位置控制中，要求位置测量有较高的分辨率，如仅靠光栅尺本身的精度不能满足，为此必须采用细分电路来提高分辨率，以适应高精度机床的需求。基本电路通道放大器的输出信号经连接器J3接人细分电路，经细分电路处理后，又通过连接器J3输出在一个周期内两路相位差90O、占空比为1：1的五细分方波信号。这两路方波信号经基本电路中的驱动电路驱功后，即为对应的Ua1和Ua2，通道信号，由连接器J2输出至CNC系统。
另外，同步电路的目的是为了获得与Ua1和Ua2两路方波信号前、后沿精确对应的方波参考脉冲。
3.3.3 故障诊断
当出现位置环开环报警时，将J2连接器脱开，在CNC系统的一例，把J2连接器上的+5V线同报警线ALM连在一起，合上数控系统电源，根据报警是否再现，便可迅速判断出故障的部位是在测量装置还是在CNC系统的接口板上。若问题出现在测量装置，则可测Jl连接器上有无信号输入，这样便可将故障定位在光栅尺或EXE脉冲整形电路。
4 伺服系统参数
由于伺服系统由位置环和速度环组成，两个环的参数调整是否恰当，相互之间是否匹配将直接影响到伺服系统的性能。
4.1 速度环调整
速度环的参数调整有两种形式：一是通过驱动装置上的电位器进行模拟调节，如图5—23所示SIMODRIVE 611A的电位器调节；二是数字式调节，如图5--4所示三菱MR-J2驱动装置上的数字式设定。在全数字式数控系统中，由于数控系统与驱动装置的通信联系，驱动装置中的参数可通过数控系统直接进行设定。速度环调整的主要参数有：
4.1.1 速度环增益调整
用以改善进给传动的特性，避免振荡。调整时，先将速度环增益调大使进给产生振荡，再将增益调小至振荡消失。通过驱动装置上的电流测试端子，用示波器观察电流波形的变化情况。
4.1.2 零飘调整
又称零速平衡调整。零飘调整就是要克服出于驱动装置电气参数的漂移或不对称，造成无给定信号时有转速输出的现象。调整时，在轴使能信号有效及速度给定信号为零的条件下，通过零飘调整，用万用表经测试端子采样得到的实际电流应为零。
4.1.3 测速反馈深度调整用于改善速度环控制的机械特性。
4.1.4 滞后时间常数调整
该参数反映了驱动装置对速度给定信号的响应时间，它的大小将影响速度环的稳定性必须与速度环增益调整及测速反馈深度调整同时进行。
4.2 位置环调整位置环参数常以机床数据的形式在数控系统中通过软件运行来实现。掌握和熟悉机床数据的含义及调整方法，就可使数控机床保持良好的加工精度和正常的工作性能，克服因机床长时间运行造成机电参数不匹配的问题；由于数控系统类型不同，机床数据的设置也不尽相同，表5—7为SIEMENS数控系统“坐标轴专用”机床数据对照表。
本节以SINUMER1K 8l0/820系统为例，介绍一些位置控制机床数据的设置和调整。
4.2.1 KV系数
Kv系数是位置环增益系数，是数控机床伺服系统的重要参数。Kv系数越大，响应越快，位置控制精度越高，但也容易使位置环产生振荡。Kv与进给速度和跟随误差有关，图5—35反映了进给速度与跟随误差的关系。
4.2.2 复合增益系数
设置复合增益的目的是，使位置环和速度环的增益相匹配，并使各坐标轴有不同的最大速度和最大速度给定电压。复合增益系数在机床数据MD260*设定。
4.2.3 加速度位置环的加速度调整影响到驱动装置速度给定电压的超调和稳定，从而影响到伺服系统的加速度特性。如图5—37所示，用示波器观察驱动装置上的速度给定电压、将合适的加速度值在机床数据MD276*设定。
4.2.4 精停和粗停允差
当轴运动到达指令值位置一定的偏差范围内时，轴运动结束，该偏差即为精停误差，在机床数据MD208*设定。为了使零件加工程序段连续执行，设定比精停误差数值大的粗停允差，数控系统就可以在本程序段执行结束前转换到下一个加工程序段的运算，粗停允差在机床数据MD204*设定。当精停允差和粗停允差设定为一样的数值时，程序段执行就会出现停顿。
4.2.5 夹紧允差
夹紧允差用于监控坐标轴的停止位置。由于跟随误差的存在，如坐标轴停止时的位置与指令值位置偏差大于夹紧允差所规定的范围，则发生112*报警，夹紧允差参数在机床数据MD212*中设定。如图5—38所示为精停允差、粗停允差和夹紧允差的关系。
4.2.6 零速监控延时
零速监控延时与夹紧允差有紧密的联系，当坐标轴运动到达指令位置后，经过零速监控延时，夹紧允差起作用，在所设定的延时时间里消除跟随误差，否则同样产生112*报警。零速监控延时在机床数据MD372*中设定。
4.2.7 漂移补偿数控系统和驱动装置中元器件的温度漂移，会使坐标轴运动产生相对理论位置的偏差。通过CRT诊断显示，观察指令值与绝对实际位置值的偏差，这个偏差可以用漂移补偿来调整。调整时，在轴行程范围内进行多次定位，以选取适当的补偿值在机床数据MD272*中设定。当漂移产生的位置偏差太大，不能用漂移补偿来解决时，产生160*报警，这时要检查驱动装置上的漂移调节和机械传动链的调整情况。
4.2.8 轮廓监控允差带
当刀具以一定的进给速度加工零件轮廓时，根据式(5~1)，跟随误差正比于进给速度，所以，在稳速运动过程中，跟随误差不应该发生波动，否则将造成轮廓误差，产生l16*报警。但在实际轮廓控制过程中，允许跟随误差有一定的变化范围。
4.2.9 反向间隙补偿
当坐标轴采用半闭环位置控制时，由于进给传动链存在间隙，坐标轴运动方向改变时，就会产生反向间隙误差，从而影响轴的重复定位精度。用激光干涉仪测量，让轴在某一位置向一个方向运动一定的位移量，然后再返回到该位置，观察记录位置偏差量，在行程范围内多次多点地测量并记录，选取合适的补偿值，在机床数据MD220 *中设定。如果反向间隙比较大，则必须作机械调整，然后再重复上述的测量过程。
4.2.10 丝杠螺距误差补偿
机床长期运行后，由于机械磨损，使丝杠螺距误差增大，加工精度得不到保证，因此，每隔一定的时间必须进行一次丝扛螺距误差补偿的调整，测量丝杠螺作误差必须使用高精度的激光干涉仪来进行；图5—39为某数控机床X轴补偿前后的位置误差曲线，表5—8为补偿前后误差值及补偿数据。
图5—39位置误差曲线
a)补偿前b)补偿后
4.3 调试和诊断显示
为了把伺服系统调整到最佳状态和进行故障诊断，可通过CRT显示有关轴运动的一些数据。按“DIAGNOSIS”诊断软键，选择“SERVICE AXIS”或“SERVICE SPINDLE”软键，通过“Page”来切换显示所需诊断的轴。图5-4 0所示为伺服轴CRT显示页面。
4.3.1 有关坐标轴的数据
4.3.1.1 跟随误差（Following error）
指令值与实际值之间的差值，以位置控制分辨力为单位。如显示值为2000，给定位置控制分辨力为0.5um，跟随误差为lmm。
4.3.1.2 绝对位置值(Absolute actual value)
显示坐标轴在机床坐标系中的实际位置，以位置控制分辨力为单位。，如显示值为[2000，定位置控制分辨力为0.5um，则该轴实际位置为相对机床零点10mm处。
4.3.1.3 指令位置值(Set value)
根据程序所指定的目标位置，以位置控制分辨力为单位。在正常情况下，指令位置值与绝对实际位置值应一致，若有差异可用漂移补偿来消除。如显示值为202000,给定位置分辨力为0.5 um，则指令位置值为101mm。
4.3.1.4 指令速度(Set speed)
CNC系统根据位置偏差得到指令速度，在位控模块中转换成模拟电压，并通过25芯插座输出到驱动装置。指令速度单位为Velo，1Vdo＝1．22mv。如显示值为8192，则速度指令电压为10V。
4.3.1.5 指令增量(Retune value)
插补器每插补周期(20ms)输出到位置控制器的脉冲数。单位为位置控制分辨力。如显示值为20，位置控制分辨力为0.5um，每20ms的指令增量为10um。
4.3.1.6 实际增量(segment value)
在每个采样周期(5ms)，把从测量装置，如光栅或脉冲编码器中来的脉冲经倍顿后转换成实际位置增量．与指令增量进行比较，单位为位置控制分辨力。如显示值为24，位置按制分辨力为0.5um．经4倍频，则每5ms的实际增量为12 um。
4.3.1.7 轮廓偏差(Coutour deviation)
由于跟随误差的变化引起实际加工时轮廓偏差。显示单位为位置控制分辨力。如显示值为2，位置控制分辨力为0.5，则轮廓偏差为1 um。
4.3.2 有关主轴的数据
4.3.2.1 指令速度（Set Speed）
由CNC输出到主轴的指令速度，单位为r／min。
4.3.2.2 实际速度（Actual speed）
由测速装置测量所得的主轴实际速度，单位为r／min。
4.3.2.3 实际位置（Act position）
当主轴具备C轴功能后，主轴实际位置值，范围为0.1O~359.9o。。
4.3.2.4 指令速度电压值(Set speed VELO)
CNC输出的主轴转速模拟电压，单位为Velo。
课后小记
