伺服系统的故障分析与维修.doc

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1、第3章伺服系统的故障分析与维修3．1伺服系统概述数控机床的伺服驱动系统主要有两种：进给驱动系统和主轴驱动系统。前者控制机床各坐标轴的切削进给运动，后者控制机床主轴的旋转运动。它们的职能是提供切削过程中所需要的转矩和功率，可以任意调节运转速度和准确的位置控制。数控机床的伺服驱动系统分直流与交流两类不同的装置。1、伺服系统的概念伺服系统是以机械位置或角度作为控制量的自动控制系统。在数控机床中，CNC控制器经过插补运算生成的进给脉冲或进给位移量指令输入到伺服系统，由伺服系统经变换和功率放大转化为机床机械部件的高精度运动。伺服系统既是数控机床控制器与刀具、主轴间的信

2、息传递环节，又是能量放大与传递的环节，它的性能在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动速度、运动精度和定位精度等重要指标均取决于伺服系统的动、静态性能。研究与开发高性能的伺服系统是现代数控机床的关键技术之一。早期的数控机床，尤其是大中型数控机床常采用电液伺服系统驱动。从八十年代起全电气伺服系统成为数控机床的主要驱动器。2、伺服系统的基本技术要求（1）精度高伺服系统的精度是指输出量能复现输入量的精确程度。在速度控制中，要求高的调速精度，比较强的抗负载扰动能力。即对静、动态精度要求都比较高。（2）稳定性好稳定性是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在

3、短暂的调节过程后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。随伺服系统要求有较强的抗干扰能力，保证进给速度均匀、平稳。稳定性直接影响数控价格的精度和表面粗糙度。（3）快速响应快速响应是伺服系统动态品质的重要指标，它反映了系统的跟踪精度。为了保证轮廓切削形状精度和低的加工表面粗糙度，要求伺服系统跟踪指令信号的响应要快。这一方面要求过渡过程时间要短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面要求超调要小。（4）调速范围宽调速范围Rn指生产机械要求电机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比：Rn=nmax/nmin。通常，nmax和nmin一般对指额定负载时

4、的转速，对于少数负载很轻的机械，也可以是实际负载的转速。1）进给伺服系统的调速要求数控机床中，进给伺服系统的调速范围与伺服系统的分辨率有关。一般的调速范围要求在脉冲当量为0.001mm时达到0-24m/min。进给伺服系统的调速可分为以下几种：①在1-24000mm/min范围，要求速度均匀、稳定、无爬行、速降小。②在1mm/min以下时，具有一定的瞬时速度，而平均速度很低。③在零速时，要求电机有电磁转矩，以维持定位精度，使定位精度满足系统的要求，即处于伺服锁定状态。2）主轴调速范围要求主轴主要考虑速度控制，其调速系统一般要求1:100-1000范围内的恒转

5、矩调速和1:10以上的恒功率调速，且有足够大的输出功率。（5）低速大转矩机床加工的特点是，在低速时进行重切削，因此要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。进给坐标的伺服控制属于恒转矩控制；而主轴坐标的伺服控制在低速时为恒转矩控制，在高速时为恒功率控制。3、电气伺服系统的控制结构典型的电气伺服系统框图如下。从控制角度讲，电气伺服系统一般结构为三闭环控制，即有电枢电流闭环，速度闭环，位置闭环。为了满足三环伺服控制反馈信号，要求有多种传感元件可供选择。电流反馈一般采用取样电阻、霍尔集成电路传感器等。速度反馈一般采用测速发电机、光电编码器、旋转变压器等。位置反馈采用光

6、电编码器,旋转变压器,光栅等。在一般的电气伺服产品中主要包括电流闭环和速度闭环控制，而位置环则由CNC装置中的计算机进行控制。从器件上来说，电气伺服系统包括执行部件、伺服驱动器、CNC中的位置控制器三部分。   关于PID调节器（PIDregulator）的解释——   比例积分微分调节器的简称。利用比例微分环节的领前作用来对消调节对象中的大惯性，提高精度，加快动态响应速度。   在调节系统中，其过程控制方式就是将被测量，如温度、压力、流量、成分、水位等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器，在调节器中，与给定值进行比较，然后把比较出的差值进行PID运算。

7、所谓PID运算就是比例、积分、微分运算。P调节就是调节器的输出和输入成比例。调比例带，也就是调比例系数，比例带就是输出与输入之比（放大倍数）的倒数。I调节就是输出是输入量（即偏差）的积分，只要有偏差，调节器就会不断积分，使输送到执行器的信号变化，校正被控量，直到达到无偏差为止，所以有了积分调节器就会消除稳态偏差。但要注意单独的积分调节往往是不能工作的。所谓整定积分时间就是调积分的快慢，这要取决于对象的特性。D调节就是微分调节，也就是输出对输入的微分。微分调节的优点在于它的超前性，当输入发生变化时，马上就有微分信号产生，使被控量得以提前校正，然后再由P、I进行

8、校正，这样可以使整个调节的过渡过程时间缩短，有利于调