項目7　進給伺服系統(tǒng)典型故障診斷

知識目標

1.學習數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點；

2.以雷塞57HS13步進電機及雷塞M542V2. 0細分驅(qū)動器為例，學習開環(huán)步進伺服系統(tǒng)的控制原理、系統(tǒng)構成和典型故障處理；

3. FANUC 0i C伺服單元（SVU）驅(qū)動裝置的功能接口、連接方法和典型故障處理；

4. FANUC 0i C伺服模塊（SVM）驅(qū)動裝置的功能接口、連接方法和典型故障處理；

5.學習FANUC伺服系統(tǒng)參數(shù)的設定與伺服調(diào)整及其典型故障處理；

6. FANUC伺服總線（FSSB）的設定和常見故障分析；

7.學習進給伺服系統(tǒng)位置檢測裝置的故障診斷與維修；

8.數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)典型故障診斷。

技能目標

1.掌握FANUC 0i C數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點；

2.學會開環(huán)步進伺服系統(tǒng)的控制原理、系統(tǒng)構成和典型故障處理；

3.正確實施FANUC 0i C伺服單元（SVU）驅(qū)動裝置功能設定，能夠分析排除常見故障；

4.正確實施FANUC 0i C伺服模塊（SVM）驅(qū)動裝置功能設定，能夠分析排除常見故障；

5.學會FANUC伺服系統(tǒng)參數(shù)的設定與伺服調(diào)整及其典型故障處理；

6.學會FANUC伺服總線（FSSB）基本參數(shù)設定和常見故障分析；

7.掌握進給伺服系統(tǒng)位置檢測裝置編碼器、光柵尺的檢測原理和常見故障分析；

8.初步掌握數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)典型故障診斷。

任務1　數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點

◎任務提出

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是由伺服放大器、伺服電動機、機械傳動組件和檢測裝置等組成。伺服系統(tǒng)接受CNC所發(fā)出的位置指令來驅(qū)動電動機進行定位控制，是數(shù)控系統(tǒng)的“四肢”，發(fā)揮著重要作用。因此有必要了解進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點，為其進行故障診斷打好基礎。伺服控制是由伺服控制理論、變流技術、電動機控制技術來組成位置、速度、電流的三環(huán)控制，如圖7. 1所示為進給伺服系統(tǒng)簡圖，試簡述各部分作用及工作原理。

圖7.1　進給伺服系統(tǒng)簡圖

◎任務目標

1.回顧FANUC 0i Mate C進給伺服系統(tǒng)各組成部分的型號及特點；

2.了解進給伺服系統(tǒng)組成和各部分的功能；

3.重點學會伺服放大器的基本工作原理。

◎任務分析

為了熟悉掌握進給伺服系統(tǒng)組成和各部分的功能，我們還需要了解：

1.機械傳動組件的基本工作原理；

2.檢測裝置的基本工作原理；

3. FANUC 0i C/ FANUC 0i Mate C數(shù)控系統(tǒng)的組成，掌握系統(tǒng)與主軸驅(qū)動裝置、與進給伺服裝置、與外圍設備之間的功能連接。

◎相關知識

數(shù)控機床的伺服驅(qū)動系統(tǒng)按其功能和用途劃分為主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的進給伺服是一種位置隨動系統(tǒng)，是數(shù)控裝置和機床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。它的作用是快速、準確地執(zhí)行由數(shù)控裝置發(fā)出的控制命令，通過伺服驅(qū)動系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成坐標軸的運動，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動，完成程序所規(guī)定的操作。

伺服系統(tǒng)是以機床運動部件（如工作臺）的位置和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。它可以準確地執(zhí)行CNC裝置發(fā)出的位置和速度指令，由伺服驅(qū)動電路作一定的信號轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服電動機（步進電機、交/直流伺服電機）和機械傳動機構驅(qū)動機床運動部件實現(xiàn)工作進給、快速運動以及位置控制。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的本質(zhì)特點在于能夠根據(jù)指令信號精確地控制執(zhí)行部件的位置和進給速度。伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動裝置、伺服電機、位置檢測裝置等組成。

數(shù)控機床運動中，主軸運動和進給伺服運動是機床的基本成形運動。數(shù)控機床伺服系統(tǒng)按功能可分為主軸伺服系統(tǒng)和進給伺服系統(tǒng)。主軸伺服用于控制機床主軸的運動，提供機床的切削動力；進給伺服實現(xiàn)機床各進給軸的位置控制，不僅對單個坐標軸的運動速度和位置精度進行嚴格控制，而且在多軸聯(lián)動時，還要求各軸有很多的動態(tài)配合，是要求最高的位置控制。

對于進給伺服系統(tǒng)，按有無反饋檢測元件將其分為開環(huán)伺服系統(tǒng)和閉環(huán)伺服系統(tǒng)。其主要區(qū)別為是否采用了位置和速度檢測反饋元件組成了反饋系統(tǒng)。開環(huán)控制常用步進電機作為驅(qū)動元件，它不需要由位置和速度檢測元件組成反饋檢測回路。閉環(huán)控制采用伺服電機作為驅(qū)動元件，根據(jù)位置檢測元件所處在數(shù)控機床位置的不同，可以分為半閉環(huán)控制、全閉環(huán)控制和混合閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制一般將檢測元件安裝在伺服電機的非輸出軸端，伺服電機角位移通過滾珠絲杠等機械傳動機構轉(zhuǎn)換為數(shù)控機床工作臺的直線位移。全閉環(huán)控制是將位置檢測元件安裝在機床工作臺或某些部件上，以獲取工作臺的實際位移量?；旌祥]環(huán)控制則采用半閉環(huán)控制和全閉環(huán)控制相結合的方式。

一、伺服放大器

目前FANUC系統(tǒng)常用的伺服放大器有α系列伺服單元、β/βiS系列伺服單元、α/αi系列伺服模塊和β/βis系列驅(qū)動單元，如圖7. 2所示。

圖7.2　伺服放大器

伺服放大器的作用是接收系統(tǒng)（伺服軸板）伺服信息傳遞信號，實施伺服電動機控制，并采集檢測裝置的反饋信號，實現(xiàn)伺服電動機閉環(huán)電流矢量控制及進給執(zhí)行部件的速度和位置控制。

注意：伺服電機動力線是插頭，用戶要將插針連接到線上，然后將插針插到插座上，U，V，W順序不能接錯，一般是紅、白、黑順序，如圖7. 3所示。

圖7.3　伺服電機動力接線圖

圖7.4　伺服放大器的接口圖

標記：XX，XY，YY分別表示1，2，3軸。各軸不能互換。

伺服放大器的接口如圖7. 4所示：

單元之間的光纜長度應限制在100 m，光纜總長度應限制在500 m。

在CNC控制單元和伺服放大器之間只用一根光纜連接，與控制軸數(shù)無關。

在控制單元側(cè)，COP10A插頭安裝在主板的伺服卡上。

FANUC 0i C進給伺服驅(qū)動的進給伺服放大器為αi系列，進給伺服電動機使用αis系列，最多可接4個進給軸電動機。

二、伺服電動機

伺服電動機是進給伺服系統(tǒng)的電氣執(zhí)行部件，現(xiàn)代數(shù)控機床進給伺服電動機普遍采用交流永磁式同步電動機，它是由定子部分、轉(zhuǎn)子部分和內(nèi)裝編碼器組成，如圖7. 5所示。

FANUC系統(tǒng)進給伺服電動機一般采用α/αi系列伺服電動機和β/βis系列伺服電動機。

圖7.5　伺服電動機

FANUC 0i C與0i B一樣，經(jīng)FANUC串行伺服總線FSSB，用一條光纜與多個進給伺服放大器（αi系列）相連。進給伺服電動機使用αis系列，最多可接4個進給軸電動機。

三、機械傳動組件

數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)的機械傳動組件是將伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_或刀架直線運動以實現(xiàn)進給運動的機械傳動部件。主要包括伺服電動機與絲杠聯(lián)接裝置、滾珠絲杠螺母副及其固定支承部件、導向元件和潤滑輔助裝置等。它的傳動質(zhì)量直接關系到機床的加工性能。數(shù)控機床進給組件具體組成如圖7. 6所示。

圖7.6　數(shù)控機床進給組件

四、數(shù)控機床位置檢測裝置

伺服電動機上裝有脈沖編碼器，標配為1 000 000脈沖/轉(zhuǎn)。編碼器既用做速度反饋，又用做位置反饋。系統(tǒng)支持半閉環(huán)控制和使用直線尺的全閉環(huán)控制。檢測器的接口有并行口（A/ B相脈沖）和串行口兩種。位置檢測器可用增量式或絕對式，絕對式位置檢測器（如絕對式編碼器）必有電池。

數(shù)控機床的進給速度和位置檢測裝置有編碼器、光柵尺等。FANUC 0i C系統(tǒng)的半閉環(huán)控制采用伺服電動機的內(nèi)裝編碼器完成，其反饋信號即為速度反饋信號，同時又作為絲杠的位置反饋信號。進給伺服系統(tǒng)的全閉環(huán)控制裝有分離型位置檢測裝置，直接反饋位置信號。在全閉環(huán)伺服系統(tǒng)中，速度反饋信號來自伺服電動機的內(nèi)裝編碼器信號，而位置反饋信號是來自分離型位置檢測信號。

分離型位置檢測裝置有旋轉(zhuǎn)式位置檢測裝置（如旋轉(zhuǎn)編碼器）和直線式位置檢測裝置（如光柵尺）兩種。FANUC 0i C系統(tǒng)是采用光柵尺作為分離型位置檢測裝置的全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。進給伺服電動機的內(nèi)裝編碼器信號作為工作臺的實際速度反饋信號，光柵尺的信號作為工作臺實際移動位置的反饋信號，如圖7. 7所示。

圖7.7　全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)

◎任務實施

基本任務1　半閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點

如圖7. 8所示是數(shù)控機床的半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，反饋信號取自伺服電機，通過采樣其旋轉(zhuǎn)角度進行檢測，而不是直接檢測最終運動部件的實際位置。半閉環(huán)位置伺服系統(tǒng)是具有位置檢測和反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的位置檢測器與伺服電機同軸相連，可通過它直接測出電動機軸旋轉(zhuǎn)的角位移，進而推知當前執(zhí)行機械（如機床工作臺）的實際位置。

圖7.8　半閉環(huán)伺服系統(tǒng)

基本任務2　全閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點

如圖7. 9所示是數(shù)控機床的全閉環(huán)伺服系統(tǒng)，位置反饋信號取自最終運動部件，直接采樣其直線位移信號進行檢測。它將位置檢測器件直接安裝在機床工作臺上，從而可以獲取工作臺實際位置的精確信息，通過反饋閉環(huán)實現(xiàn)高精度的位置控制。從理論上說，這是一種最理想的位置伺服控制方案。

圖7.9　全閉環(huán)伺服系統(tǒng)

基本任務3　FANUC αi系列伺服放大器各模塊之間的連接

圖7.10　FANUC αi系列伺服放大器各模塊之間的連接實物圖

圖7.11　FANUC αi系列伺服放大器各模塊之間的連接示意

基本任務4　伺服放大器現(xiàn)場硬件故障處理

任務描述：生產(chǎn)現(xiàn)場在用的一臺配置FANUC 0i Mate TC數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床出現(xiàn)故障，顯示屏報警為5136 FSSB：NUMBER OF AMPS IS SMALL（含義：FSSB識別的放大器數(shù)比控制軸數(shù)少）。發(fā)生該故障后按下“復位”鍵不能消除上述報警信息，機床下電后再上電，仍舊出現(xiàn)該報警、不能動作。經(jīng)初步診斷檢查，發(fā)現(xiàn)其X軸伺服電動機編碼器電纜被切屑劃破，對其破皮電線處理后，開機仍報警，故懷疑其X軸SV1-20i伺服放大器出現(xiàn)故障。把出現(xiàn)故障的該伺服放大器與現(xiàn)場同型號正常運轉(zhuǎn)數(shù)控機床的伺服放大器互換后，懷疑出現(xiàn)故障的伺服放大器在正常運轉(zhuǎn)的數(shù)控機床上故障重現(xiàn)，而正常運轉(zhuǎn)數(shù)控機床的同型號伺服放大器在出現(xiàn)故障的數(shù)控機床上故障消失，因此排除了出現(xiàn)故障的數(shù)控機床外圍故障因素，從而把故障范圍縮小到了X軸SV1-20i伺服放大器。

任務實施：拆掉SV1-20i伺服放大器的黃色外殼后，發(fā)現(xiàn)它主要由動力印制電路板、控制印制電路板兩部分構成。首先總體直觀檢查該伺服放大器，沒有發(fā)現(xiàn)電阻爆裂、電容漏液、集成電路外殼變形、印刷電路板局部發(fā)黑、碳化等明顯異?，F(xiàn)象，再對各個部分具體故障診斷。

圖7.12　MD1422N集成電路針腳排列圖

1.動力印制電路板故障診斷

①檢查測量各個貼片電阻，未見異常。

②檢查測量30 Ω再生電阻，其兩根黑線間阻值正確、兩根白線間熱敏開關觸點閉合正確。

③測量10 Ω雪泥電阻，阻值正確。

④檢查測量各電容元件，未見異常。

⑤檢查其內(nèi)置風扇，正常。

⑥檢查測量富士6MBP20RTA060智能電源模塊，功能正常。

⑦檢查測量30L6P45東芝整流橋，未見異常。

⑧檢查測量1MBH60-90晶體管，未見異常。

⑨檢查測量YG226S8二極管，沒有擊穿。

⑩對G2R-1-E歐姆龍小型繼電器、G6B-2014P歐姆龍固態(tài)繼電器、RB105-DE控制繼電器進行DC24V加電測試，各個觸點閉合、斷開動作正常。

測量檢查TLP621-2光耦，功能正常。

測量檢查LM339集成比較器，功能正常。

經(jīng)以上初步診斷得出故障可能不在動力印制電路板元件上，把故障范圍由整個伺服放大器又縮小到控制印制電路板元件上。

2.控制印制電路板故障診斷與維修

①自備DC24V開關穩(wěn)壓電源、空氣開關、按鈕等器件，自制了試驗臺，控制印制電路板的電源插口CXA19B兩針腳焊上細導線引出。利用自制試驗臺對控制印刷電路板進行現(xiàn)場加電功能測試，結果其電源指示燈（綠色發(fā)光二極管）根本就不亮。檢查發(fā)現(xiàn)控制印刷電路板上有一個3. 2 A保險（FU1），用萬用表測量確認它已經(jīng)燒斷。該保險為FANUC公司專用的，在市面上購買相應玻璃管保險，用魚形夾夾住保險管與兩段細導線，細導線焊在FU1保險的相應針腳上，再次進行加電試驗，結果保險再次燒壞，這樣就確認了控制印刷電路板有故障。

②檢查測量各個貼片電阻，阻值正確。

③檢查測量各電容元件，未見異常。

④功能測試74LS123單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，功能正常。

⑤檢查并測試7860K光耦，功能正常。

⑥檢查并測試VT244A三態(tài)輸出驅(qū)動器，功能正常。

⑦檢查并測試LVTH240三態(tài)輸出驅(qū)動器，功能正常。

⑧檢查并測試903FP比較器，未見異常。

⑨檢查并測試MD1422N集成電路，發(fā)現(xiàn)異常。

具體介紹如下：

MD1422N集成電路由SHINDENGEN公司制造，雙排共32針腳，針腳序號與功能符號的對應見表7. 1所示。

表7.1　MD1422N集成電路針腳序號與功能符號對應表

把萬用表打到“二極管及通斷測試”擋，紅、黑表筆先后接MD1422N集成電路第16（P. GND）針腳、另一表筆分別測試其余各個針腳通斷情況（現(xiàn)場測試結果見表7. 2）。

從現(xiàn)場測試結果表7. 2中可以看出，不管紅表筆還是黑表筆接第16（P. GND）針腳，該針腳與第2（OCL -），3（OCL +），4（GND），5（R/ C），11（Vout），12（Vout），13（Vout），14（Vout），26 （GND）針腳都接通。但從集成電路功能原理方面分析：若該集成電路功能正常，其電源地針腳16與輸出電壓針腳11，12，13，14間不應該接通，其起過流保護作用的兩針腳2，3間也不應該接通，上述10個針腳相互之間也不應該接通，故斷定現(xiàn)場測試結果異常。從市面購買該集成電路更換后再加電試驗、仍舊燒保險，診斷該控制印刷線路板上還有損壞的元件。

表7.2　MD1422N集成電路針腳現(xiàn)場通斷測試結果表

⑩繼續(xù)對控制印刷線路板故障查尋，發(fā)現(xiàn)一個長3. 6 mm、寬1. 6 mm、高0. 8 mm的兩腳貼片元件正向、反向測試均導通。該元件表面只刻有“A3N”字樣，不知是何類元件。再查看該元件附近線路板上印有“VP5”字樣，經(jīng)繼續(xù)查尋到“VP1”3腳元件、“VP2”8腳元件、“VP3”2腳元件、“VP4”4腳元件。推測這5個元件應同類，其中“VP3”2腳元件應與“VP5”元件功能、特性應更類似。經(jīng)測試“VP3”2腳元件正向?qū)?、反向截止，故推斷“VP5”元件可能被擊穿損壞，用智能850A型熱風臺拆除該件。在拆除時發(fā)現(xiàn)，該件1端腳所熔焊的線路板金屬基體早已燒損，這樣就進一步證明該件異常。拆除該件后對控制線路板又進行加電試驗，結果FU1保險不再燒了，從而確認“VP5”為故障件。這樣，故障范圍就由整個控制印制電路板定位到了元件。市場采購不到“VP5”原裝元件。經(jīng)攻關分析，該件可能起電壓保護作用，屬二極管類，決定采用1N4007塑封二極管代替現(xiàn)場試驗。由于與“VP5”元件1端腳相熔焊的線路板金屬基體已經(jīng)燒損，經(jīng)測試該端腳應該與LP1元件1端腳相連，這樣就拋開原已燒損的線路板金屬基體，直接從LP1元件相關端腳焊接引出1根線，再從與“VP5”另1端腳熔焊的完好線路板金屬基體焊接引出另1根線，這兩根線再與1N4007二極管兩端腳相連，用熱縮管處理后，對控制印制線路板再次進行現(xiàn)場加電測試。結果FU1保險不再燒了、其電源指示燈亮（綠色發(fā)光二極管）、ALM報警指示燈亮（黃色發(fā)光二極管）、COP10B / COP10A兩光纜插口的上插口均發(fā)出紅光（有了相應功能）。上述報警燈亮應該是因為試驗現(xiàn)場沒有連接編碼器等器件所致，屬正?，F(xiàn)象。

將該伺服放大器組裝好，整體裝到數(shù)控機床上現(xiàn)場試驗，機床運轉(zhuǎn)正常，原故障排除。

本任務的實施，現(xiàn)場采用多種故障診斷方法逐步縮小故障范圍，最終故障定位到元件級，可以減少現(xiàn)場機床故障停機時間，節(jié)省了數(shù)控機床用戶費用。

◎思考題

1.混合閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)的組成和功能特點。

2.現(xiàn)場硬件故障處理方法與注意事項？

任務2　步進進給系統(tǒng)典型故障診斷

子任務1　步進開環(huán)進給運動控制的實現(xiàn)

◎任務提出

由前已知，開環(huán)伺服系統(tǒng)不設位置檢測反饋裝置，不構成運動反饋控制回路，電動機按數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖工作，對運動誤差沒有檢測反饋和處理修正過程。其典型代表是步進電動機開環(huán)進給伺服系統(tǒng)。那么步進電動機開環(huán)進給伺服系統(tǒng)是由哪些基本環(huán)節(jié)組成？又是如何實現(xiàn)坐標軸的運動控制呢？

◎任務目標

1.了解步進電動機開環(huán)進給控制系統(tǒng)的基本組成及其工作原理；

2.掌握一種步進電動機驅(qū)動控制裝置的使用。

◎相關知識

一、步進電動機的工作原理和主要特性

步進電動機是一種將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機械角位移的機電執(zhí)行元件。同普通電動機一樣，由轉(zhuǎn)子、定子和定子繞組組成。當給步進電動機定子繞組輸入一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)過一個相應的角度，其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角與輸入的脈沖個數(shù)成正比；轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的頻率成正比；轉(zhuǎn)動方向取決于電動機定子繞組的通電順序。

1.步進電動機的工作原理

圖7.13　三相反應式步進電動機結構示意圖

圖7. 13所示為三相反應式步進電動機的結構示意圖。其定子、轉(zhuǎn)子鐵芯都用硅鋼片或軟磁材料疊成雙凸極形式。定子上有6個磁極，其上裝有繞組，兩個相對磁極上的繞組串聯(lián)起來，構成一相繞組，組成三相獨立的繞組，稱為三相繞組，繞組接成三相星形接法作為控制繞組。繞組由專門的電源輸入電脈沖信號，通電順序稱為步進電動機的相序。當定子中的繞組在脈沖信號的作用下，有規(guī)律地通電、斷電工作時，在轉(zhuǎn)子周圍有一個按相序規(guī)律變化的磁場。轉(zhuǎn)子鐵芯的凸極結構就是轉(zhuǎn)子均勻分布的齒，有4個磁極，上面沒有繞組。轉(zhuǎn)子的齒也稱顯極，轉(zhuǎn)子開有齒槽，其齒距與定子磁極極靴上的齒距相等，而齒數(shù)有一定要求，不能隨便取值。轉(zhuǎn)子在定子產(chǎn)生的磁場中形成磁體，具有磁性轉(zhuǎn)軸。定、轉(zhuǎn)子間有氣隙隔開。

如果先將脈沖加到A相繞組，B、C相不加電脈沖，A相磁極便產(chǎn)生磁場，在磁場力矩作用下轉(zhuǎn)子1、3齒與定子A相磁極對齊，如圖7. 14（a）所示；如將電脈沖加到B相繞組，A、C相不加電脈沖，B相磁極產(chǎn)生磁場，這時轉(zhuǎn)子2、4兩個齒與定子B相磁極靠得最近，轉(zhuǎn)子便沿順時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子2、4齒與定子B相磁極對齊，如圖7. 14（b）所示；如果繼續(xù)A、B相不加電脈沖，將電脈沖加到C相繞組，C相磁極產(chǎn)生磁場，這時轉(zhuǎn)子1、3兩個齒與定子C相磁極靠得最近，轉(zhuǎn)子便再沿順時針方向轉(zhuǎn)過30°，使轉(zhuǎn)子1、3齒與定子C相磁極對齊，如圖7. 14（c）所示。

如果按照A→B→C→A→…的順序通電，步進電動機就沿順時針方向轉(zhuǎn)動；如果按照A→C→B→A→…的順序通電，步進電動機就沿逆時針方向轉(zhuǎn)動，且每步旋轉(zhuǎn)30°。如果控制電路連續(xù)地按照一定順序切換定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子就按一定的方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。

圖7.14　三相反應式步進電機工作原理圖

步進電動機的定子繞組從一種通電狀態(tài)換到另一種通電狀態(tài)稱為一拍，每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。上述通電方式稱為三相單三拍，即三相勵磁繞組依次單獨通電運行，換相3次完成1個通電循環(huán)。由于每一通電狀態(tài)只有一相繞組通電，轉(zhuǎn)子容易在平衡位置附近產(chǎn)生震蕩，并且在繞組通電切換瞬間，電動機可能失去自鎖轉(zhuǎn)矩，易產(chǎn)生丟步。通常可采用三相雙三拍控制方式，即按照AB→BC→CA→AB→…或者AC→CB→BA→AC→…的順序通電。

如果步進電動機定子繞組按照A→AB→B→BC→C→CA→A→…或者A→AC→C→CB→B→BA→A→…的順序通電，每個循環(huán)周期有6種通電狀態(tài)，這種方式稱為三相六拍。三相六拍運行方式的工作原理如下：當A相通電時，轉(zhuǎn)子1、3齒與定子A相磁極對齊，如圖7. 14所示；當A、B兩相通電時，B相磁場對轉(zhuǎn)子2、4齒有磁拉力，該拉力使轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動，同時A相磁場繼續(xù)對轉(zhuǎn)子1、3齒有拉力，所以轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩磁拉力平衡的位置上，相對于B相單獨通電時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)了一半角度；當B相通電時，轉(zhuǎn)子2、4齒與定子B相磁極對齊，又轉(zhuǎn)過了剩下的一半。依次改變通電狀態(tài)，當電動機的通電狀態(tài)歷經(jīng)了六拍（1個循環(huán)）后，磁場旋轉(zhuǎn)過1周，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過1個齒距角（齒距角θt為360°/轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z）。在三相六拍通電方式中，其步距角是三相單三拍時的一半，且在換相過程中，總有一相保持通電，不易造成失步。

通過比較不同的通電方式，可以清楚地看到因通電方式不同，同一電動機運行時的步距角是不同的。在三相單三拍和三相雙三拍通電方式下，步距角θs=θt/拍數(shù)=90°/3 =30°；在三相單六拍通電方式下，步距角θs=θt/拍數(shù)=90°/6 =15°。

綜上所述，可以得到如下結論：

①步進電動機的步距角θs是指每給一個脈沖信號，電機轉(zhuǎn)子應轉(zhuǎn)過的角度的理論值，它取決于步進電機的結構和控制方式。步距角的計算方法見式（7. 1）：

式中 m——定子相數(shù)；

　z——轉(zhuǎn)子齒數(shù)；

　k——通電方式系數(shù)，若連續(xù)兩次通電相數(shù)相同為1，若不同則為2。

②改變步進電機定子繞組的通電順序，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向隨之改變。

③步進電機定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率決定步進電機的轉(zhuǎn)速。

圖7.15　小步距角步進電動機結構示意圖

實際應用采用的步進電機的步距角多為小步距角，為產(chǎn)生小步距角，定子、轉(zhuǎn)子都做成多齒的。如圖7. 15所示是最常用的一種小步距角三相反應式步進電動機的結構示意圖，圖中轉(zhuǎn)子上均勻分布了40個小齒，定子每個極面上也有5個小齒，定、轉(zhuǎn)子小齒的齒距必須相等。對于三相雙三拍步距角為3°，三相六拍步距角為1. 5°。

2.步進電動機主要特性

（1）步距角和步距誤差

（2）靜態(tài)轉(zhuǎn)矩和矩角特性

（3）最大啟動轉(zhuǎn)矩

（4）最高啟動頻率

空載時，步進電機由靜止突然啟動，并不丟步地進入穩(wěn)定運行，所允許的啟動頻率的最高值稱為最高啟動頻率或突跳頻率?？蛰d啟動時，步進電機定子繞組通電狀態(tài)變化的頻率不能高于該突跳頻率，否則會造成失步。而且隨著負載加大，啟動頻率會降低。

（5）最高工作頻率

步進電機連續(xù)運行時，在保證不丟步的情況下所能接受的最高頻率稱為最高工作頻率。它是決定定子繞組通電狀態(tài)最高變化頻率的參數(shù)，它決定了步進電機的最高轉(zhuǎn)速。

（6）轉(zhuǎn)頻特性

以最大負載轉(zhuǎn)矩（啟動轉(zhuǎn)矩）Tq為起點，隨著控制脈沖頻率增加，步進電動機的轉(zhuǎn)速逐步升高、而帶負載能力卻下降。矩頻特性是用來描述步進電動機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩寫連續(xù)運行頻率之間的關系曲線。矩頻特性曲線上每一頻率所對應的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩。動態(tài)轉(zhuǎn)矩除了和步進電動機結構及材料有關外，還與步進電動機繞組連接、驅(qū)動電路、驅(qū)動電壓有密切的關系。如圖7. 17所示的并聯(lián)繞組和串聯(lián)繞組的矩頻特性圖。

圖7.16

圖7.17　步進電機的矩頻特性

二、步進進給開環(huán)系統(tǒng)的工作原理簡介

在數(shù)控機床開環(huán)控制系統(tǒng)中，一般采用混合式步進電機作為執(zhí)行元件，所構成的開環(huán)進給系統(tǒng)如圖7. 18所示。由于受到步進電動機運行速度、帶載能力的限制，以及開環(huán)控制精度的限制，步進進給開環(huán)系統(tǒng)一般用于經(jīng)濟型數(shù)控機床或老機床的數(shù)控改造中。

圖7.18　數(shù)控機床開環(huán)進給系統(tǒng)

步進電機電源既不是交流正弦波，也不是恒定直流，而是脈沖電壓/電流，給接收到一個脈沖，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個確定的角度，所以通過控制脈沖的個數(shù)來控制步進電機的角位移，通過控制脈沖的頻率來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，通過改變通電相序控制電機的轉(zhuǎn)向。

1.工作臺位移量的控制

數(shù)控裝置經(jīng)過插補計算后發(fā)出N個進給脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路放大后，變成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化次數(shù)，使步進電機定子繞組的通電狀態(tài)變化N次。由步進電機工作原理可知：定子繞組通電狀態(tài)的變化次數(shù)N決定了步進電機的角位移：

φ= Nθ （θ為步距角）

該角位移經(jīng)減速齒輪、絲杠、螺母之后轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_的位移量：

L =φ?t/360°i

式中 i——減速齒輪的減速比（i = Z1/ Z2）；

　t——滾珠絲杠螺距（mm）。

即進給脈沖的數(shù)量N→定子繞組通電狀態(tài)變化次數(shù)N→步進電機的轉(zhuǎn)角φ→工作臺位移量L。

據(jù)此可推得開環(huán)進給系統(tǒng)的脈沖當量（一個進給脈沖對應工作臺的位移量）δ（mm/脈沖）為：

2.工作臺進給速度控制

控制系統(tǒng)發(fā)出的進給脈沖頻率f，經(jīng)驅(qū)動控制電路之后轉(zhuǎn)換為控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號變化頻率，而定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f決定了步進電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速ω。該轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速ω經(jīng)絲杠螺母轉(zhuǎn)換之后，體現(xiàn)為工作臺的進給速度v。即進給脈沖的頻率f→定子繞組通電狀態(tài)的變化頻率f→步進電機的轉(zhuǎn)速ω→工作臺的進給速度v。據(jù)此可得開環(huán)進給系統(tǒng)進給速度v（mm/ mim）為：v = 60f δ

圖7.19　步進電機開環(huán)進給系統(tǒng)參數(shù)示意圖

3.工作臺運動方向的控制

改變步進電機輸入脈沖信號的循環(huán)方向，就可改變步進電機定子繞組中電流的通斷循環(huán)順序，從而實現(xiàn)對步進電機正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)的控制，相應地工作臺的進給方向就被改變。

由此可見，在開環(huán)步進式伺服系統(tǒng)中，輸入的進給脈沖的數(shù)量、頻率、方向，經(jīng)驅(qū)動控制線路和步進電機，轉(zhuǎn)換為工作臺的位移量、進給速度和進給方向，從而實現(xiàn)對工作臺運動的控制。

4.步進電機的驅(qū)動控制

根據(jù)步進式伺服系統(tǒng)的工作原理，為保證其正常運動，必須由步進電機的驅(qū)動電路將CNC裝置發(fā)出的弱電信號通過轉(zhuǎn)換和放大變?yōu)閺婋娦盘?，即將邏輯電平信號變換成步進電機定子繞組所需的具有一定功率的電脈沖信號，并使其定子勵磁繞組循序通電，一個完整的步進電機的驅(qū)動控制線路由環(huán)形脈沖分配器和功率放大器電路組成。

圖7.20　步進電機驅(qū)動電路方框圖

（1）環(huán)形脈沖分配器

脈沖分配器用來控制步進電機的運行通電方式。其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按照一定的循環(huán)規(guī)律依次分配給步進電機各相繞組，用以控制各相繞組的通電和斷電。由于步進電動機有正反轉(zhuǎn)要求，因而脈沖分配器的輸出既是周期性的，又是可逆的，故稱為環(huán)形脈沖分配器。如圖7. 21所示為三相三拍步進電機環(huán)形脈沖分配器的輸入/輸出關系。環(huán)形脈沖分配器可采用軟硬件兩種方法實現(xiàn)。

圖7.21　三相三拍步進電機環(huán)形脈沖分配器的輸入/輸出關系

（2）功率驅(qū)動（功率放大器電路）

環(huán)形脈沖分配器的輸出電流一般只有幾mA，而步進電機勵磁繞組則需要幾A至幾十A的電流，功率放大器的作用是將環(huán)形脈沖分配器發(fā)出的電平信號經(jīng)放大后送至步進電機各相繞組，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)，每相繞組分別有一組功率放大電路。

由于步進驅(qū)動功率放大電路中的負載為步進電動機的繞組，是感性負載，主要有兩點需要特別設計，那就是電路較大電感影響快速性以及感應電動勢帶來的功率管保護問題。過去常采用單電壓驅(qū)動和高電壓驅(qū)動，現(xiàn)在多采用恒流斬波和調(diào)頻調(diào)壓等形式的驅(qū)動電路。

◎任務實施

基本任務　步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)的認識及部件連接

一、實訓設備

1.雷塞57HS13兩相混合式步進電動機一臺；

2.雷塞M542V2. 0細分驅(qū)動器一臺；

3. HNC-21S數(shù)控綜合實訓系統(tǒng)一套。

圖7.22　雷塞57HS13兩相混合式步進電動機

二、步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)部件認識

一個完整的步進電機控制系統(tǒng)應包含步進電機、步進驅(qū)動器及控制器（脈沖源）。

1. 57HS13兩相混合式步進電動機

步進電機采用57HS13步進電機，是兩相混合式步進電動機，步距角為1. 8°，靜態(tài)轉(zhuǎn)矩1. 3 N?m，額定相電流2. 8 A。

57HS13兩相混合式步進電動機有8根引線，引線標志如圖7. 23（a）所示。這種電機既可以串聯(lián)連接（如圖7. 23（b）所示）又可以并聯(lián)連接（如圖7. 23（c）所示）。串聯(lián)連接的電機，線圈長度增加，力矩較大；并聯(lián)連接的電機，電感較小，所以啟動、停止速度較快。

圖7.23　步進電機引線及接線方式

圖7.24　M542V2. 0步進驅(qū)動器外觀圖

2. M542V2. 0細分驅(qū)動器

M542V2. 0是細分型高性能步進驅(qū)動器，主要驅(qū)動雷塞42、57型兩相混合式步進電機。其微步細分數(shù)有15種，最大步數(shù)為25 000 Pulse/ rev；其工作峰值電流范圍為1. 0～4. 2 A，輸出電流共有8擋，電流的分辨率約為0. 45 A；具有自動半流，過壓和過流保護等功能。該驅(qū)動器為直流供電，建議工作電壓范圍為24～36 VDC，使用時電壓不超過50 VDC，不低于20 VDC。在驅(qū)動器的側(cè)邊裝有一排撥碼開關組，可以用來選擇細分精度，以及設置動態(tài)工作電流（8等級）和靜態(tài)工作電流。當過壓或過流時，驅(qū)動器指示燈由綠變紅，清除保護狀態(tài)，需解除過壓或過流條件，重新上電，驅(qū)動器指示燈變綠才能正常工作。

M542V2. 0步進驅(qū)動器功能說明如表7. 3所示。

表7.3　M542V2. 0步進驅(qū)動器功能說明

續(xù)表

驅(qū)動器采用8位撥碼開關SW1—SW8來設定細分精度、動態(tài)電流和半流/全流，描述如下：

驅(qū)動器工作電流的設定如表7. 4所示。

表7.4　驅(qū)動器工作電流的設定

關于細分的概念及設定見下一子任務。

3. HNC-21S數(shù)控系統(tǒng)XS30-XS33接口認識

圖7. 25所示為HNC-21S數(shù)控系統(tǒng)接口總體框圖。

HNC-21數(shù)控裝置提供了不同類型的軸控制接口：即串行式HSV-11型伺服軸控制接口（XS40-XS43）及模擬、脈沖、步進進給軸控制接口（XS30-XS33）?？膳c目前流行的大多數(shù)驅(qū)動裝置連接。XS30-XS33接口信號定義如圖7. 26所示。

圖7.25　HNC-21S數(shù)控裝置接口總體框圖

圖7.26　XS30-XS33接口信號定義

三、步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)部件連接

按照圖7. 27所示，完成步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)的部件連接。

在這里步進電機采用串聯(lián)接法，即電機繞組和，和短接后，再A接驅(qū)動器的A，C接驅(qū)動器的，B接驅(qū)動器的B，D接驅(qū)動器的。

◎思考題

1.描述步進電機控制原理，繪制開環(huán)進給驅(qū)動系統(tǒng)構成框圖。

2.區(qū)分步進電機控制系統(tǒng)的強、弱電連接。

3.比較步進電機繞組串聯(lián)與并聯(lián)接線方法的不同及適用場合。

圖7.27　步進進給驅(qū)動系統(tǒng)的連接

子任務2　步進驅(qū)動系統(tǒng)常見故障處理

◎任務提出

由前面已知，步進電機是一種能將數(shù)字脈沖轉(zhuǎn)化成步距角增量的電磁執(zhí)行元件，能很方便地將電脈沖轉(zhuǎn)換為角位移，無積累定位誤差并能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列。隨著計算機技術的發(fā)展，除功率驅(qū)動電路之外，其他部分均可由軟件實現(xiàn)，從而進一步簡化結構。因此，至今國內(nèi)外對這種系統(tǒng)仍在進一步開發(fā)。

但是，步進電機并不能像普通交流電機那樣在常規(guī)下方便使用。必須由環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。由于步進電機的特殊性和其特有的矩頻特性，使得步進進給驅(qū)動系統(tǒng)在使用中會出現(xiàn)一些特殊的問題，如輸入脈沖頻率過高，易導致失步；輸入脈沖頻率過低，易出現(xiàn)共振；轉(zhuǎn)速升高轉(zhuǎn)矩降低明顯等。

◎任務目標

1.初步了解步進電機的選擇依據(jù)；

2.了解步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)在使用中存在的相關問題；

3.掌握步進電動機驅(qū)動控制常見故障的排查思路。

◎相關知識

一、步進電機的選用方法

1.選擇步進電機的轉(zhuǎn)矩

在選擇步進電機時，首先應保證步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩大于負載所需的轉(zhuǎn)矩，即先計算機械系統(tǒng)的負載轉(zhuǎn)矩，并使步進電機的輸出轉(zhuǎn)矩有一定余量。圖7. 13是步進進給結構示意圖，通過下式來計算步進電機的負載力矩ML（N?m）：

式中　F——進給方向的切削力，N；

　M——工件和工作臺總質(zhì)量，kg；

　μ——導軌摩擦系數(shù)；

　η——傳動總效率；

　Z1——步進電機輸出軸端齒輪齒數(shù)；

　Z2——滾珠絲杠軸端齒輪齒數(shù)；

　h——滾珠絲杠軸螺距，mm。

然后按下式選擇步進電機轉(zhuǎn)矩M（N?m）：

（0. 2～0. 4）M≥ML

2.確定步進電機步距角

選擇步進電機步距角應與機械系統(tǒng)相匹配，以滿足機床所需的脈沖當量。由于步進電機輸出軸端齒輪齒數(shù)、滾珠絲杠軸端齒輪齒數(shù)與機床的脈沖當量、步進電機步距角及滾珠絲杠軸螺距存在如下關系：

故可據(jù)此求得步進電機步距角為：

步進電機的相數(shù)是指電機內(nèi)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進電機。電機相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機的步距角為0. 9°/1. 8°、三相的為0. 75°/ 1.5°等、五相的為0. 36°/0. 72°。在沒有細分驅(qū)動器時，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進電機來滿足自己步距角的要求。如果使用細分驅(qū)動器，則“相數(shù)”將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動器上改變細分數(shù)，就可以獲得所需的步距角。

3.頻率選擇

應使被選步進電機能與機械系統(tǒng)的負載慣量、機床要求的啟動頻率相匹配，并有一定余量，還應使其最高頻率能夠滿足機床運動部件快速移動的要求。

4.確定步進電機驅(qū)動器供電電源

當然，步進驅(qū)動器電源的確定也是使用中必須認真選取的事項，如何確定步進電機驅(qū)動器直流供電電源？

（1）電源電壓的確定

混合式步進電機驅(qū)動器的供電電源電壓一般是在一個較寬的范圍，電源電壓通常根據(jù)電機的工作轉(zhuǎn)速和響應要求來選擇。如果電機工作轉(zhuǎn)速較高或響應要求較快，那么電壓取值也高，但注意電源電壓的紋波不能超過驅(qū)動器的最大輸入電壓，否則可能損壞驅(qū)動器。如果電機工作轉(zhuǎn)速較低，則可以考慮電壓選取較低值。

（2）電源輸出電流的確定

供電電源電流一般根據(jù)驅(qū)動器的輸出相電流I來確定。如果采用線性電源，電源電流一般可取I的1. 1～1. 3倍；如果采用開關電源，電源電流一般可取I的1. 5～2. 0倍。如果一個供電源同時給幾個驅(qū)動器供電，則應考慮供電電源的電流應適當加倍。

二、步進驅(qū)動系統(tǒng)使用中會出現(xiàn)的常見問題

1.加工大導程螺紋時，步進電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象

開環(huán)控制的數(shù)控機床的CNC裝置的脈沖當量一般為0. 01 mm，Z坐標軸G00指令速度一般為2 000～3 000 mm/ min。開環(huán)控制的數(shù)控車床主軸結構一般有兩類：一類是由普通車床改造的數(shù)控車床，主軸的機械結構不變，仍然保持換擋有級調(diào)速；另一類是采用通用變頻器控制數(shù)控車床主軸實現(xiàn)無級調(diào)速。這種主軸無級調(diào)速的數(shù)控車床在進行大導程螺紋加工時，進給軸電機會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)，這是步進電機高速低轉(zhuǎn)矩特性造成的。

如果主軸無級調(diào)速的數(shù)控車床加工10 mm導程的螺紋時，主軸轉(zhuǎn)速選擇300 r/ min，那么刀架沿Z坐標軸需要用3 000 mm/ min的進給速度配合加工，Z坐標軸步進電動機的轉(zhuǎn)速和負載轉(zhuǎn)矩是無法達到這個要求的，因此會出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。如果將主軸轉(zhuǎn)速降低，刀架沿Z坐標軸加工的速度減慢，Z坐標軸步進電動機的轉(zhuǎn)矩增大，螺紋加工的問題似乎可以得到改善，然而由于主軸采用通用變頻器調(diào)速，使得主軸在低速運行時轉(zhuǎn)矩變小，主軸會產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)。

2.步進電動機驅(qū)動單元的常見故障——功率管損壞

步進電動機驅(qū)動單元的常見故障為功率管損壞。功率管損壞的原因主要是功率管過熱或過流造成的。要重點檢查提供功率管的電壓是否過高，功率管散熱環(huán)境是否良好，步進電動機驅(qū)動單元與步進電動機的連線是否可靠，有沒有短路現(xiàn)象等，如有故障要逐一排除。為了改善步進電動機的高頻特性，步進電動機驅(qū)動單元一般采用大于80 V交流電壓供電，經(jīng)過整流后，功率管上承受較高的直流工作電壓。如果步進電動機驅(qū)動單元接入的電壓波動范圍較大或者有電氣干擾、散熱環(huán)境不良等原因，就可能引起功率管損壞。對于開環(huán)控制的數(shù)控機床，重要的指標是可靠性。因此，可以適當降低步進電動機驅(qū)動單元的輸入電壓，以換取步進電動機驅(qū)動器的穩(wěn)定性和可靠性。

3.兩相混合式步進電機在低速運轉(zhuǎn)時振動和噪聲的克服

步進電機低速轉(zhuǎn)動時振動和噪聲大是其固有的缺點，一般可采用以下方案來克服：

①采用帶有細分功能的驅(qū)動器，這是最常用的，最簡便的方法。因為細分型驅(qū)動器電機的相電流變流較半步型平緩。

②換成步距角更小的步進電機，如三相或五相步進電機，或兩相細分型步進電機。

③如步進電機正好工作在共振區(qū)，可通過改變減速比提高步進電機運行速度。

④換成交流伺服電機，幾乎可以完全克服振動和噪聲，但成本較高。

三、步進電機驅(qū)動器的細分控制

何為驅(qū)動器的細分控制？要了解“細分”，先要再次認識“步距角”這個概念：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機轉(zhuǎn)自所轉(zhuǎn)動的角度。電機出廠時給出了一個步距角的值，如M535型電機給出的值為0. 9°/1. 8°（表示半步工作時為0. 9°、整步工作時為1. 8°），這個步距角可以稱之為“電機固有步距角”，它不一定是電機實際工作時的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動器有關，參見表7. 5（以86BYG250A型電機為例）所示。

表7.5　步距角和驅(qū)動器關系

表7. 5可以看出：步進電機通過細分驅(qū)動器的驅(qū)動，其步距角變小了，如驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，其步距角只為“電機固有步距角”的十分之一，也就是說，當驅(qū)動器工作在不細分的整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉(zhuǎn)動1. 8°；而用細分驅(qū)動器工作在10細分狀態(tài)時，電機只轉(zhuǎn)動了0. 18°，這就是細分的基本概念。步進電機的細分控制是由驅(qū)動器精確控制步進電機的相電流來實現(xiàn)的，以二相電機為例，假如電機的額定相電流為3 A，如果使用常規(guī)驅(qū)動器（如常用的恒流斬波方式）驅(qū)動該電機，電機每運行一步，其繞組內(nèi)的電流將從0突變?yōu)? A或從3 A突變到0，相電流的巨大變化，必然會引起電機運行的振動和噪聲。如果使用細分驅(qū)動器，在10細分的狀態(tài)下驅(qū)動該電機，電機每運行一微步，其繞組內(nèi)的電流變化只有0.3 A而不是3 A，且電流是以正弦曲線規(guī)律變化，這樣就大大改善了電機的振動和噪聲。

細分功能完全是由驅(qū)動器精確控制電機的相電流來實現(xiàn)的，與電機無關。驅(qū)動器細分后的主要優(yōu)點是完全消除了電機的低頻振蕩。低頻振蕩是步進電機（尤其是反應式電機）的固有特性，而細分是消除它的唯一途徑，如果步進電機有時要在共振區(qū)工作（如走圓?。x擇細分驅(qū)動器是唯一的選擇。同時由于減小了步距角、提高了步距的均勻度是不言而喻的?，F(xiàn)在的驅(qū)動器設計多加入了細分控制技術。

需要特別說明的是，步進電機的細分技術實質(zhì)上是一種電子阻尼技術（請參考有關文獻），其主要目的是減弱或消除步進電機的低頻振動，提高電機的運轉(zhuǎn)精度只是細分技術的一個附帶功能。比如對于步進角為1. 8°的兩相混合式步進電機，如果細分驅(qū)動器的細分數(shù)設置為4，那么電機的運轉(zhuǎn)分辨率為每個脈沖0. 45°，電機的精度能否達到或接近0. 45°，還取決于細分驅(qū)動器的細分電流控制精度等其他因素。不同廠家的細分驅(qū)動器精度可能差別很大；細分數(shù)越大精度越難控制。表7. 6是雷塞M542V2. 0細分驅(qū)動器的細分設定。

表7.6　雷塞M542V2. 0細分驅(qū)動器的細分設定

◎任務實施

基本任務　步進開環(huán)進給控制系統(tǒng)常見故障排查

1.步進電機轉(zhuǎn)向不正確故障的排查

（1）檢查是否接線錯誤所致

任意交換電機同一相的兩根接線（例如A +，A -交換接線位置）。如是因接線錯誤所致，再任意交換電機同一相的兩根接線后，電機轉(zhuǎn)向?qū)l(fā)生改變；否則繼續(xù)下面的檢查。

（2）查找電機線斷路

分清電機繞組采用的連接方式，對照正確的連接方式檢查確認電機繞組間、電機與驅(qū)動器間的接線，找出斷線點。

2.通電后，步進電機不轉(zhuǎn)動故障的排查

表7.7　通電后，步進電機不轉(zhuǎn)動故障的排查

3.工作過程中停車的故障排查

步進電機在工作正常的狀況下，發(fā)生突然停車現(xiàn)象。引起此故障的可能原因可依據(jù)表7. 8所示進行排查。

表7.8　工作過程中停車的故障排查

4.步進電機過熱

故障確認：步進電機溫度過高會使電機的磁性材料退磁，從而導致力矩下降甚至于丟失。電機允許的最高溫度應取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來說，磁性材料的退磁點都在攝氏130°以上，但在實際運行中電機發(fā)熱允許到什么程度，還需考慮電機內(nèi)部絕緣等級。內(nèi)部絕緣性能在高溫下（130°以上）才會被破壞。所以只要內(nèi)部不超過130°，電機便不會損壞，而這時表面溫度會在90°以下。所以，步進電機表面溫度在70°～80°都是正常的。簡單的溫度測量方法有用點溫計的，也可以粗略判斷：用手可以觸摸1～2 s以上，不超過60°；用手只能碰一下，大約在70°～80°；滴幾滴水迅速氣化，則90°以上了。

有些系統(tǒng)會報警，顯示電動機過熱。無論是現(xiàn)實過熱故障還是實測不正常，對此可按表7. 9進行逐一排查。

表7.9　電動機過熱排查

◎思考題

1.為什么步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速升高而下降？

2.驅(qū)動器細分有什么優(yōu)點，為什么建議使用細分功能？

3.可通過哪些途徑改善步進電機發(fā)熱？

任務3　FANUC 0i C/ 0i Mate C伺服單元（SVU）驅(qū)動裝置的功能接口、連接方法和典型故障處理

◎任務提出

FANUC 0i C為B型伺服接口。

FANUC 0i C/ 0i Mate C伺服裝置按主電路的電壓輸入是交流還是直流，可分為伺服單元（SVU）和伺服模塊（SVM）兩種。伺服單元的輸入電源通常為三相交流電（220 V，50 Hz），電動機的再生能量通常通過伺服單元的再生放電單元的制動電阻消耗掉。FANUC 0i C/ 0i Mate C伺服單元有α系列、β系列、βi系列。伺服模塊的輸入電源為直流電源（通常為300 DV），電動機的再生能量通過系統(tǒng)電源模塊反饋到電網(wǎng)。FANUC系統(tǒng)的伺服模塊有α系列、αi系列。

通過對FANUC交流α系列伺服單元、交流βi系列伺服單元的端子功能的學習、認識了解各端子的功能。了解端子接口的功能及各部件之間的連接要求。從前面的學習可知，F(xiàn)ANUC 0i C/ 0i Mate C系統(tǒng)的一般配置如表7. 10所示（對于0i Mate C，如果沒有主軸電機，伺服放大器是單軸型（SVU），如果包括主軸電機，放大器是一體型（SVPM））。本任務要求通過實踐操作掌握FANUC 0i C伺服單元（SVU）驅(qū)動裝置伺服功能連接和典型故障處理。

表7.10　FANUC 0i C/ 0i Mate C系統(tǒng)的一般配置

◎任務目標

掌握FANUC 0i C/ 0i Mate C伺服驅(qū)動系統(tǒng)與各功能模塊之間的硬件連接要求和方法。能夠正確實施：

1. FANUC 0i C伺服單元（SVU）端子功能及連接；

2. FANUC 0i C伺服單元（SVU）典型故障處理。

◎相關知識

一、FANUC 0i C（最多4軸）系統(tǒng)α系列伺服單元簡介

1.α系列伺服單元的端子功能

α系列伺服單元的結構、接口如圖7. 28所示。

L1，L2，L3：三相輸入動力電源端子，交流200 V。

圖7.28

L1C，L2C：單相輸入控制電路電源端子，交流200 V（出廠時與L1、L2短接）。

TH1，TH2：為過熱報警輸入端子（出廠時，TH1-TH2已短接），可用于伺服變壓器及制動電阻的過熱信號的輸入。

RC，RI，RE：外接還是內(nèi)裝制動電阻選擇端子。

RL2，RL3：MCC動作確認輸出端子（MCC的常閉點）。

100A，100B：C型放大器內(nèi)部交流繼電器的線圈外部輸入電源（α型放大器已為內(nèi)部直流24 V電源）。

2.電纜接口說明

UL，VL，WL：第1軸伺服電動機動力線。

UM，VM，WM：第2軸伺服電動機動力線。

JV1B，JV2B：A型接口的伺服控制信號輸入接口。

JS1B，JS2B：B型接口的伺服控制信號輸入接口。

JF1，JF2：B型接口的伺服位置反饋信號輸入接口。

JA4：伺服電動機內(nèi)裝絕對編碼器電池電源接口（6 V）。

CX3：伺服裝置內(nèi)MCC動作確認接口，一般可用于伺服單元主電路接觸器的控制。

CX4：伺服緊急停止信號輸入端，用于機床面板的急停開關（常閉點）。

二、FANUC 0i Mate C（最多3軸）系列βi系列伺服單元簡介

βi系列伺服單元實物如圖7. 29所示，βi系列伺服單元結構如圖7. 30所示。

圖7.29　βi系列伺服單元實體圖

圖7.30　βi系列伺服單元結構圖

L1，L2，L3：主電源輸入端接口，三相交流電源200 V、50/60 Hz。

U，V，W：伺服電動機的動力線接口。

DCC，DCP：外接DC制動電阻接口。

CX29：主電源MCC控制信號接口。

CX30：急停信號（*ESP）接口。

CXA20：DC制動電阻過熱信號接口。

CX19A：DC24 V控制電路電源輸入接口，連接外部24 V穩(wěn)壓電源。

CX19B：DC24 V控制電路電源輸出接口，連接下一個伺服單元的CX19A。

C0P10A：伺服高速串行總線（HSSB）接口。與下一個伺服單元的C0P10B連接（光纜）。C0P10B：伺服高速串行總線（HSSB）接口。與CNC系統(tǒng)的C0P10A連接（光纜）。

JX5：伺服檢測板信號接口。

JF1：伺服電動機內(nèi)裝編碼器信號接口。

CX5X：伺服電動機編碼器為絕對編碼器的電池接口。

◎任務實施

基本任務1　βi系列伺服單元連接

圖7. 31使用的伺服放大器是βi主軸βis伺服，帶主軸的放大器是SPVM一體型放大器，連接如圖7. 31所示。

①24 V電源連接CXA2C（A1-24V，A2-0V）。

②TB3（SVPM的右下面）不要接線。

③上部的兩個冷卻風扇要自己接外部200 V電源。

④3個（或2個）伺服電機的動力線插頭是有區(qū)別的，CZ2L（第1軸），CZ2M（第2軸），CZ2N（第3軸）分別對應為XX，XY，YY。

圖7.31　βi系列伺服單元連接

基本任務2　伺服單元典型故障分析

1.伺服單元過電流報警

表7.11　伺服單元過電流報警

2.伺服單元過電壓報警

表7.12　伺服單元過電壓報警

3.伺服單元欠電壓報警

表7.13　伺服單元欠電壓報警

4.伺服單元過熱報警

表7.14　伺服單元過熱報警

◎思考題

交流β系列伺服單元，單軸，型號為：A06B-6093-HXXX，I/ O LINK形式控制，控制刀庫、刀塔或機械手，有LED顯示報警號。被燒壞的原因分析。

任務4　FANUC 0i C伺服模塊（SVM）驅(qū)動裝置的功能接口、連接方法和典型故障處理

◎任務提出

通過對FANUC交流α系列伺服單元、交流βi系列伺服單元的端子功能的學習、認識了解各端子的功能。了解端子接口的功能及各部件之間的連接要求。從前面的學習可知，F(xiàn)ANUC 0i C進給伺服驅(qū)動的進給伺服放大器為αi系列，進給伺服電動機使用αis系列，最多可接4個進給軸電動機。本任務要求通過實踐操作掌握FANUC 0i C伺服模塊（SVM）驅(qū)動裝置伺服功能連接和典型故障處理。

◎任務目標

掌握FANUC 0i C/ 0i Mate C伺服驅(qū)動系統(tǒng)與各功能模塊之間的硬件連接要求和方法。能夠正確實施：

1. FANUC 0i C伺服模塊（SVM）端子功能及連接；

2. FANUC 0i C伺服模塊（SVM）典型故障處理。

◎相關知識

一、α系列伺服模塊的端子功能

α系列伺服模塊的端口如圖7. 32、7. 33所示。

圖7.32　α系列伺服模塊實體圖

圖7.33　α系列伺服模塊結構圖

P，N：DC Link端子盒。

BATTERY：絕對脈沖編碼器電池。

STATUS：為伺服模塊狀態(tài)指示窗口。

CX5X：絕對編碼器電池電源連接線。

S1/ S2：接口型設定開關。

F2：24V電源保險。

CX2A/ CX2B：24 V電源I/ O連接器。

JX5：信號檢測板連接器。

JX1A：模塊之間接口輸入連接器。

JX1B：模塊之間接口輸出連接器。

JV1B/ JV2B：A型接口伺服信號連接器。

JS1B/ JS2B：B型接口伺服信號連接器。

JF1/ JF2：B型接口伺服電機編碼器連接器。

二、αi系列伺服模塊的端子功能

αi系列伺服模塊結構如圖7. 34、7. 35所示。

圖7.34　αi系列伺服模塊實體圖

圖7.35　αi系列伺服模塊結構圖

BATTERY：為伺服電動機絕對編碼器的電池盒（DC 6 V）。

STATUS：為伺服模塊狀態(tài)指示窗口。

CX5X：為絕對編碼器電池的接口。

CX2A：為DC 24 V電源、*ESP急停信號、XMIF報警信息輸入接口，與前一個模塊的CX2B相連。

CX2B：為DC 24 V電源、*ESP急停信號、XMIF報警信息輸出接口，與后一個模塊的CX2A相連。

C0P10A：伺服高速串行總線（HSSB）輸出接口。與下一個伺服單元的C0P10B連接（光纜）。

C0P10B：伺服高速串行總線（HSSB）輸入接口。與CNC系統(tǒng)的C0P10A連接（光纜）。

JX5：為伺服檢測板信號接口。

JF1，JF2：為伺服電動機編碼器信號接口。

CZ2L，CZ2M：為伺服電動機動力線連接插口。

◎任務實施

基本任務1　αi系列伺服模塊的連接

下面以FANUC 0i MC系統(tǒng)為例（數(shù)控銑床），說明伺服模塊的具體連接，如圖7. 36所示。從αi伺服模塊的硬件連接可以看出，通過光纜的連接取代了電纜的連接，不僅保證了信號傳輸速度，而且保證了傳輸?shù)目煽啃裕瑴p少了故障率。各模塊之間的信息傳遞是通過CXA2A/ CXA2B的串行數(shù)據(jù)來傳遞，而不是通過信號電纜JX1A/ JX1B（BCD代碼形式）來傳遞，從而進一步減少了連接電纜。

圖7.36　FANUC 0i MC系統(tǒng)的αi系列伺服模塊連接圖（4軸）

基本任務2　FANUC 0i C伺服模塊（SVM）典型故障處理

1.內(nèi)部風扇停止報警代碼“1”

故障原因可能有：

①內(nèi)部風扇故障或風扇連接不良。

②伺服模塊不良。

2.控制電路電壓低報警代碼“2”

故障原因可能有：

①電源模塊提供的DC 24 V電壓低。

②伺服模塊的CX2A/ CX2B連接不良。

③伺服模塊不良。

3.主電路DC 300 V電壓低報警代碼“5”

故障原因可能有：

①電源模塊提供的DC 300 V電壓低。

②伺服模塊內(nèi)的熔斷器熔斷。

③伺服模塊不良。

4.伺服模塊過熱報警代碼“6”

故障原因可能有：

①伺服電動機過載。

②電箱內(nèi)部溫度過高（如電箱風扇損壞或通風不良）。

③伺服模塊不良。

5.伺服模塊的冷卻風扇停止報警代碼“F”

故障原因可能有：

①伺服模塊的冷卻風扇損壞或連接不良。

②伺服模塊不良。

6.伺服模塊之間通信錯誤報警代碼“P”

故障原因可能有：

①伺服模塊通信接口CX2A/ CX2B連接不良。

②伺服模塊不良。

7.伺服模塊主電路（DC 300 V）過電流報警代碼“8”

故障原因可能有：

①伺服電動機及連接電纜短路故障。

②伺服模塊的逆變塊短路。

③伺服模塊不良。

8.伺服模塊的IPM過電流報警代碼“8”“9”“A”。

故障原因可能有：

①伺服電動機過載。

②周圍溫度過高。

③伺服模塊不良。

9.伺服電動機過電流報警代碼“b”（第1軸）、“c”（第2軸）、“d”（第3軸）故障原因可能有：

①伺服電動機過載或匝間短路。

②伺服參數(shù)設定不良。

③伺服模塊不良。

基本任務3　FANUC 0i C驅(qū)動系統(tǒng)的組成及與CNC的連接

◎思考題

1.伺服單元和伺服模塊有什么不同？

2.交流α系列SVM伺服單元，DC LINK低電壓（LED顯示2 ALM），試分析故障原因和解決辦法。

圖7.37　FANUC 0i C驅(qū)動系統(tǒng)的組成及與CNC的連接示意圖

任務5　FANUC 0i MC伺服系統(tǒng)參數(shù)的設定、伺服調(diào)整與典型故障處理

◎任務提出

在操作與維護數(shù)控機床時，伺服系統(tǒng)的參數(shù)設定是很重要的一步。掌握伺服系統(tǒng)參數(shù)的設定、伺服調(diào)整及其典型故障診斷處理是機床操作與維護的重要知識。

◎任務目標

1.學習伺服參數(shù)設定方法；

2.學習伺服參數(shù)初始化方法；

3.學習伺服調(diào)整方法；

4.掌握伺服設定與調(diào)整的典型故障處理。

◎相關知識

一、伺服參數(shù)設定的準備工作

①CNC單元的類型及相應軟件（功能），如系統(tǒng)是FANUC 0i MC還是FANUC 16/18/21/ 0i系統(tǒng)。

②伺服電動機的類型及規(guī)格，如進給伺服電動機是α系列、αi系列、β系列還是βis系列。

③電動機內(nèi)裝的脈沖編碼器類型，如編碼器是增量編碼器還是絕對編碼器。

④系統(tǒng)是否適用分離型位置檢測裝置，如是否采用獨立型旋轉(zhuǎn)編碼器或光柵尺作為伺服系統(tǒng)的位置檢測裝置。

⑤電動機一轉(zhuǎn)機床工作臺移動的距離，如機床絲杠的螺距是多少，進給電動機與絲杠的傳動比是多少。

⑥機床的檢測單位（例如0. 001 mm），檢測裝置的分辨率。

⑦CNC的指令單位（例如0. 001 mm）。

二、FANUC 0i MC系統(tǒng)伺服參數(shù)設定

首先進入伺服參數(shù)的設定畫面，對于FANUC 0i MC系統(tǒng)具體操作：按系統(tǒng)功能鍵“system”，然后按下系統(tǒng)擴展軟鍵，再按下系統(tǒng)軟鍵“SV-PRM”即可進入，設定畫面如圖7. 38所示。在圖7. 38所示的伺服設定畫面中，把光標移動到需要設定的參數(shù)項，可直接輸入相應數(shù)據(jù)。

圖7.38　伺服設定畫面

1.設定伺服電動機ID號（MOTOR ID NO）

選擇所使用的電機的ID號，按照電動機類型號和規(guī)格號列于表7. 15中。

2. AMR：設定電樞倍增比，F(xiàn)ANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為2001，設定為00000000，與電動機類型無關。

3.設定伺服系統(tǒng)的CMR指令倍乘比

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為1820，設定各軸最小指令增量與檢測單位的指令倍乘比。參數(shù)設定值：指令倍乘比為1/2～1/27時，設定值=1/指令倍乘比+100，有效數(shù)據(jù)范圍：102～107；指令倍乘比為1～48時，設定值=2×指令倍乘比，有效數(shù)據(jù)范圍：2～96。

4.設定伺服系統(tǒng)的柔性進給齒輪比N/ M

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為2084、2085。對不同絲杠的螺距或機床運動有減速齒輪時，為了使位置反饋脈沖數(shù)與指令脈沖數(shù)相同而設定進給齒輪比，由于是通過系統(tǒng)參數(shù)可以修改，所以又叫做柔性進給齒輪比。

半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)：N/ M =（伺服電動機一轉(zhuǎn)所需的位置反饋脈沖數(shù)/100萬）的約分數(shù)；

全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)：N/ M =（伺服電動機一轉(zhuǎn)所需的位置反饋脈沖數(shù)/電動機一轉(zhuǎn)分離型檢測裝置位置反饋的脈沖數(shù)）的約分數(shù)。

表7.15　FANUC系統(tǒng)常用的伺服電動機的ID代碼

【例】 某數(shù)控車床的X軸伺服電動機與進給絲杠直連，絲杠的螺距為6 mm伺服電動機為α6/2000。則N/ M =6000/1000000 =1/200。

【例】 某數(shù)控銑床X、Y軸伺服電動機與進給絲杠采用1∶2齒輪比連接，進給絲杠的螺距為10 mm，伺服電動機為αc12 /2000。則N/ M =10000×0. 5/1000000 =1/200。

5.設定電動機移動方向

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為2022，111為正方向（從脈沖編碼器端看為順時針方向旋轉(zhuǎn)）；-111為負方向（從脈沖編碼器端看為逆時針方向旋轉(zhuǎn)）。

6.設定速度脈沖數(shù)

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為2023，串行編碼器設定為8192。

7.設定位置脈沖數(shù)

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為2024，半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，設定為12500，全閉環(huán)系統(tǒng)中，按電動機一轉(zhuǎn)來自分離型檢測裝置的位置脈沖數(shù)設定。

8.設定參考計數(shù)器

FANUC 0i系統(tǒng)參數(shù)為1821，參考計數(shù)器用于在柵格方式下返回參考點的控制。必須按電動機一轉(zhuǎn)所需的位置脈沖數(shù)或按該數(shù)能被整數(shù)整除的數(shù)來設定。

三、伺服參數(shù)初始化

伺服參數(shù)初始化就是將系統(tǒng)的參數(shù)按設定條件恢復到系統(tǒng)出廠時的標準設定。當數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動更換，或因為更換電池等原因，使伺服參數(shù)出現(xiàn)錯誤時，必須對伺服系統(tǒng)進行初始化處理與重新調(diào)整。

1.伺服初始化參數(shù)設定

①分離型檢測裝置是否有效的系統(tǒng)參數(shù)。

②絕對位置檢測是否使用參數(shù)。

2.伺服參數(shù)初始化操作

①在緊急停止狀態(tài)，接通電源。②顯示伺服參數(shù)的設定畫面。

系統(tǒng)功能鍵SYSTEM—系統(tǒng)擴展軟件—系統(tǒng)軟件［SV-PRM］。

③使用光標，翻頁鍵，將伺服初始化設定參數(shù)2000#1的1設定為0，然后系統(tǒng)斷電再重新上電，從而完成數(shù)字伺服參數(shù)的初始化操作。當伺服初始化結束后，初始化定位#1自動變?yōu)?。

初始化設定為如下：

#0（PLC01）：設定為0時，檢測單位為1 μm，F(xiàn)ANUC 0i MATE TC系統(tǒng)使用參數(shù)2023（速度脈沖數(shù)）、2024（位置脈沖數(shù)）。設定為1時，檢測單位為0. 1 μm，相應的系統(tǒng)參數(shù)為把上面系統(tǒng)參數(shù)的值乘10倍。

#1（DGPRM）：設定為0時，系統(tǒng)進行數(shù)字伺服參數(shù)初始化的設定，當伺服參數(shù)初始化后，該值自動變?yōu)?。

#3（PRMCAL）：進行伺服初始化設定時，該值自動變?yōu)?。根據(jù)編碼器的脈沖數(shù)自動計算下列參數(shù)：2043，2044，2047，2053，2054，2056，2057，2059，2074，2076。

四、數(shù)控系統(tǒng)的伺服調(diào)整

圖7. 39為伺服調(diào)整畫面（通過按SV. TUN系統(tǒng)操作軟件顯示），在該畫面中可以進行伺服參數(shù)的調(diào)整和報警的診斷。這方面的調(diào)整對機床的性能更為重要，必需根據(jù)以下步驟仔細調(diào)整。

①設定時，首先將功能位（2003）的位3（PI）設定1（沖床為0），回路增益（1825）設定為3000（在機床不產(chǎn)生振動的情況下，可以設定為5000），比例、積分增益不要改，速度增益從200增加，每增加100后，用JOG方式分別以慢速和最快速移動坐標，看是否振動。或觀察伺服波形（TCMD），檢查是否平滑。調(diào)整原則是：盡量提高設定值，但是調(diào)整的最終結果，都要保證在手動快速，手動慢速，進給等各種情況都不能有振動。

注意：速度增益=（1 +負載慣量比（參數(shù)2021）/256）×100。負載慣量比表示電機的慣量和負載的慣量比，直接和機床的機械特性相關，一定要調(diào)整。

②伺服波形顯示：參數(shù)3112#0 =1（調(diào)整完后，一定要還原為0），關機再開。采樣時間設定5000，如果調(diào)整X軸，設定數(shù)據(jù)為51，檢查實際速度，如圖7. 40所示畫面設定。

圖7.39　伺服調(diào)整畫面

如果在啟動時，波形不光滑，則表示伺服增益不夠，需要再提高。如果在中間的直線上有波動，則可能由于高增益引起的振動，這可通過設定參數(shù)2066 = - 10（增加伺服電流環(huán)250 μm）來改變，如果還有振動，可調(diào)整畫面中的濾波器值（參數(shù)2067）= 2000左右，再按上述步驟調(diào)整。

圖7.40　伺服波形設定畫面

③N脈沖抑制：當在調(diào)整時，由于提高了速度增益，而引起了機床在停止時也出現(xiàn)了小范圍的振蕩（低頻），從伺服調(diào)整畫面的位置誤差可看到，在沒有給指令（停止時），誤差在0左右變化。使用單脈沖抑制功能可以將此振蕩消除，按以下步驟調(diào)整：

a）參數(shù)2003#4 =1，如果震蕩在0～1范圍變化，設定此參數(shù)即可。

b）參數(shù)2099，按以下公式計算。

注：400相當于檢測單位1脈沖；

標準設定400左右；

圖7.41　伺服波形畫面

“0”與400相同。

④有關250 μm加速反饋的說明：

電機與機床彈性連接，負載慣量比電機的慣量要大，在調(diào)整負載慣量比的時候（大于512），會產(chǎn)生50～150 Hz的振動，此時，不要減小負載慣量比的值，可設定此參數(shù)進行改善。

此功能把加速度反饋增益乘以電機速度反饋信號的微分值，通過補償轉(zhuǎn)矩指令TCMD，來達到抑制速度環(huán)的振蕩。

圖7.42　250 μm加速反饋

參數(shù)2066 = -10到-20，一般設-10。

參數(shù)2067（Tcmd）一般設2000左右，具體如表7. 16所示。

表7.16　參數(shù)2067（Tcmd）設定表

可通過SERVO GUID測出振動頻率，也可以通過降低或升高設定值來觀察伺服波形。對于低頻率振動，此方法有效，對于高頻率的機械共振（200 Hz以上），可使用HRV濾波器來抑制（使用［伺服調(diào)整引導］軟件自動測量）。

◎任務實施

基本任務1　防止過沖的伺服調(diào)整

在手輪進給或其他微小進給時，發(fā)生過沖（指令1脈沖，走2個脈沖，再回來1個脈沖），可按如下步驟調(diào)整。

單脈沖進給動作原理，如圖7. 43所示。

圖7.43　單脈沖進給動作原理

①在積分增益PK1V穩(wěn)定的范圍內(nèi)盡可能取大值。

②從給出1個脈沖進給的指令到機床移動的響應將提高。

③根據(jù)機床的靜摩擦和動摩擦值，確定機床是否發(fā)生過沖。

④機床的動摩擦①大于電動機的保持轉(zhuǎn)矩時，不發(fā)生過沖。

⑤使用不完全積分PK3V調(diào)整1個脈沖進給移動結束時的電機保持轉(zhuǎn)矩。

⑥參數(shù)：2003#6 =1，2045 =32300左右，2077 =50左右。

注：如果因為電機保持轉(zhuǎn)矩大，用上述參數(shù)設定還不能克服過沖，可增加2077的設定值（以10為倍數(shù)）。如果在停止時不穩(wěn)定，是由于保持轉(zhuǎn)矩太低，可減小2077（以10為倍數(shù)）。

圖7.44　不完全積分PK3V調(diào)整1個脈沖進給移動結束時的電機保持轉(zhuǎn)矩

基本任務2　防止累計進給（爬行）的調(diào)整

①在手輪進給或其他的微小量進給時，發(fā)出指令1脈沖不走，兩個脈沖一起走或更多個脈沖一起走，和上述情況相反，使用VCMD偏移功能來提高單脈沖進給功能。

②主要是由于機械摩擦太大，如果沒有必要，一般可不調(diào)整此功能，調(diào)整不當會產(chǎn)生過沖。

③動作過程原理如下：

參數(shù)：2003#7 =1，2045接近32767（32700），用手脈X1擋移動，用千分表測量位置變化，進行調(diào)整。

圖7.45　防止累計進給（爬行）的調(diào)整原理圖

基本任務3　重力軸防落調(diào)整

①一般重力軸的電機都帶有制動器，在按急停時或伺服報警時，由于制動器的動作時間而產(chǎn)生的軸的跌落，可通過參數(shù)調(diào)整來避免。

②參數(shù)調(diào)整：2005#6 =1，2083設定延時時間（ms），一般設定200左右，具體要看機械重力的多少。如果是該軸放大器是2或3軸放大器，每個軸都要設定。

③原理如圖7. 46所示。

圖7.46　重力軸防落調(diào)整原理圖

基本任務4　全閉環(huán)伺服參數(shù)調(diào)整

1.基本連接

圖7.47　全閉環(huán)伺服系統(tǒng)連接圖

2.基本設定

分離型接口板M1可接4個軸的位置反饋，分別為JF101-JF104，在FSSB的設定畫面上相應的軸上設定此號碼，比如，如果Y，A分別接JF101，JF102，如圖7. 48所示。

圖7.48　FSSB設定畫面

注意：此參數(shù)設定結束后，不需要進行初始化或自動設定操作。

3.伺服參數(shù)修改

參數(shù)：1815#1 =1。

在伺服參數(shù)設定畫面上，修改以下參數(shù)：

①柔性齒輪比，按如下設定：

設定值和光柵的最小分辨率有關系，如果最小分辨率是0. 1，則設定值為1∶10。

舉例說明：

例：直線尺A、B相1脈沖　　?。?/1000 mm

電動機1轉(zhuǎn)的移動量　　　　?。?2 mm/ r

檢測單位　　　　　　　　　?。?/1000 mm

例：直線尺A、B相1脈沖　?。?/10000 mm（0. 5 μm檢測）

電動機1轉(zhuǎn)的移動量　　?。?2 mm/ r

檢測單位　　　　　　　?。?/1000 mm

②位置脈沖數(shù)，按如下方法設定：

位置脈沖數(shù)=電動機1轉(zhuǎn)由直線尺輸入的脈沖數(shù)×4

例：直線尺A、B相1脈沖　?。?/1000 mm

電動機1轉(zhuǎn)的移動量　　?。? m/ r

檢測單位　　　　　　　?。?/1000 mm

位置脈沖數(shù)=12/0. 001 =12000

例：直線尺A、B相1脈沖　　：1/10000 mm（0. 5 μm檢測）

電動機1轉(zhuǎn)的移動量　　?。?2 mm/ r

檢測單位　　　　　　　　：1/1000 mm

位置脈沖數(shù)=12/0. 0005 =24000

注：如果設定數(shù)大于32767，用參數(shù)2185做乘數(shù)。

③參考計數(shù)器容量，按如下方法設定：

直線尺的參考標記只有1個時，可以為任意值。

設定值=30000（任意）

直線尺的參考標記有2個以上時，設定為標記間隔的整數(shù)分之一的值

設定值=10000，20000，25000

基本任務5　全閉環(huán)振動抑制的參數(shù)調(diào)整

1.參數(shù)設定

圖7. 49流程圖左邊為全閉環(huán)的設定步驟，要注意的是CMR，N/ M，位置脈沖數(shù)，如果設定錯誤，有時候軸可以走，并且移動的距離也正確，但會加大振動，例如：

圖7.49　參數(shù)設定流程圖

絲杠12 mm，光柵尺為串行LC491F，實際分辨率為0. 01 μm，則設定如下：

CMR =2

AMR =0000000

N/ M =指令單位/輸出脈沖=1 μm/（1/0. 01 μm）=1∶100

注意：當設定了以上的N/ M，系統(tǒng)可能會出現(xiàn)417報警，這時，可以查找診斷352內(nèi)容，為10016（參數(shù)的內(nèi)部數(shù)值失控檢測溢出），可通過設定參數(shù)2200#0 =1來屏蔽此報警。

位置脈沖Ns =絲杠螺距/光柵分辨率=12000/0. 01 =30000×40

參數(shù)2024 =30000，參數(shù)2185 =40（位置反饋脈沖數(shù)如果大于32767時，則設定值= A× B，A：參數(shù)2024，B：參數(shù)2185）。

2.有關增益參數(shù)設定

伺服增益先設定為100（參數(shù)2021 =0），位置增益設定為3000（參數(shù)1825 =3000），等其他參數(shù)設定完成后，再適當增加速度增益的設定。

注意：

①全閉環(huán)控制時，不要使用［SERVO GUIDE］中的導航器進行調(diào)整，最好也不要進行頻率響應測量，以免由于振動太大而損壞機床。

②不要設定增益快速/切削切換功能，即參數(shù)2202#1和2107不要設定。

③不要設定停止時增益可變功能，即參數(shù)2016#3和2119不要設定。

④可以使用HRV2功能。

3.機械速度反饋參數(shù)設定

原理如圖7. 50所示。

圖7.50　機械速度反饋原理圖

參數(shù)：2012#1 =1（機械速度反饋有效），2088（機械速度反饋增益）按表7. 17設定。

表7.17　機械速度反饋增益設定方法

注意：對于串行光柵，設定參數(shù)2088如果超過100會出現(xiàn)417報警，診斷352內(nèi)容為883，這時，參數(shù)2088設定0～100之間，一般設定為50。

4.振動抑制參數(shù)的設定

（1）原理圖

圖7.51　振動抑制參數(shù)的設定原理圖

（2）參數(shù)2033（變換因子）的設定

A/ B相光柵尺：設定值=電機每轉(zhuǎn)反饋回來的脈沖數(shù)（FFG之前）/8。

例：5 mm絲杠，0. 5 μm/ P光柵。FFG =1/2

N2033 =10000/8 =1250

串行光柵尺：設定值=電機每轉(zhuǎn)反饋回來的脈沖數(shù)（FFG之后）/8。

例：5 mm絲杠，0. 5 μm/ P光柵。FFG =1/2

N2033 =5000/8 =625

參數(shù)2034（振動抑制控制的增益）的設定：先設定500，再通過移動該軸觀察振動，每次增加100。如果設定后，振動反而加大，可設定為負數(shù)（-500）。

（3）雙位置反饋參數(shù)的設定

該功能在18I/16I系統(tǒng)上是選擇功能，一般不要設定，如果機械實在太差，通過以上兩個功能都不能消除振動，可以使用該功能。但調(diào)試出來的結果不是很理想?？梢钥吹剑谒俣缺容^高的情況下，軸定位后會回退一段距離，或者左右晃動幾下。

原理如圖7. 52所示。

圖7.52　雙位置反饋參數(shù)的設定原理

ER1：半閉環(huán)的誤差計數(shù)器

ER2：全閉環(huán)的誤差計數(shù)器

一階延時時間常數(shù)=1/（1 + tS）時的實際誤差

t =0時（停止時）

ER = ER1 +（ER2 - ER1）= ER2（全閉環(huán)的誤差）

t =無窮大時（加減速中）

ER = ER1（半閉環(huán)的誤差）

這樣，移動中就可用半閉環(huán)控制，停止時就可用全閉環(huán)控制。

使用此功能，在移動中就可獲得如同半閉環(huán)一樣的高控制性能，而在停止時可使用反饋檢測元件的高精度定位。

參數(shù)2078/2079的設定：等于相當于半閉環(huán)控制時的柔性齒輪比N/ M。

參數(shù)2080的設定：10～300設定值越大，越接近半閉環(huán)控制。當在軸移動時，由于電機側(cè)的位置反饋和機械側(cè)的位置反饋不一致，等該軸到達指令位置后，再精確檢測機械側(cè)的位置，所以就會出現(xiàn)來回晃動的情況。

◎思考題

1.怎樣設定FANUC伺服系統(tǒng)的柔性進給齒輪比N/ M？

2.對旋轉(zhuǎn)軸，機械有一1/10的減速齒輪和設定為1/1000度的檢測單位，則電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)360/10度的移動量，試對其進行設定。

任務6　FANUC伺服總線（FSSB）的設定和常見故障分析

◎任務提出

FSSB是Fanuc Servo Bus（FANUC伺服總線）是縮寫，它能夠?qū)?臺主控器（CNC裝置）和多臺從控器用光纜連接起來，在CNC與伺服放大器間用高速串行總線（串行數(shù)據(jù)）進行通信。主控器側(cè)是CNC本體，從控器側(cè)是伺服放大器（主軸放大器除外）及分離型位置檢測器用的接口裝置。

◎任務目標

1.掌握伺服放大器FSSB設定方法；

2.掌握伺服軸FSSB設定方法；

3.掌握FSSB設定過程中常見故障的診斷方法。

◎相關知識

一、FSSB基本參數(shù)設定

①參數(shù)1023設定為1，2，3等。對應光纜接口X，Y，Z等。

②參數(shù)1902的位0 = 0，伺服FSSB參數(shù)自動設定。

③運用參數(shù)設定幫助功能進行設定操作，按［SYSTEM］功能鍵會循環(huán)出現(xiàn)參數(shù)、診斷、參數(shù)設定支援3個畫面。圖7. 53即為參數(shù)設定支援畫面。運用光標來選擇FSSB（AMP）和FSSB（軸）進行相應設定。

二、伺服放大器FSSB設定

1.設定步驟

①通過圖7. 53所示進入伺服放大器FSSB設定畫面，指定各放大器連接的被控軸的軸號（1，2，3等）。在CUR下面會顯示放大器的電流（如40A），如果沒有或顯示--，則檢查伺服放大器的電源是否正?；蚬饫|的連接是否正確。

②按［SETING］軟鍵（若顯示報警信息，請重新設定）。

顯示如圖7. 54所示。

注意：先按［AMP］（放大器），再按［OPRT］，選擇［SETTING］。

圖7.53　參數(shù)設定支援畫面

圖7.54　伺服放大器FSSB設定畫面

③如果正常設定，會出現(xiàn)000報警，關機再開機。

2.伺服放大器設定畫面中顯示的各項內(nèi)容的意義。

NO：表示某通道下第幾從屬裝置，如2表示第2從屬裝置。

AMP：表示從屬裝置所接的放大器及第幾軸，如A1-M表示第2從屬裝置接到第1放大器的第2軸上。

SERIES：表示放大器的系列。

UNIT：表示放大器是伺服單元還是伺服模塊，如SVM表示伺服模塊。

CUR：表示該從屬裝置驅(qū)動放大器控制的軸的最大電流。

AXIS：表示從屬裝置的連接順序號。

NAME：表示從屬裝置的軸名。

三、伺服軸FSSB設定

1.設定步驟

①通過圖7. 53所示進入伺服軸FSSB設定畫面，在軸設定畫面上，指定關于軸的信息，如分離型檢測器接口單元的連接器號。

②按［SETING］鍵（若顯示警告信息，重復上述步驟）。此時，應關閉電源，然后開機，如果沒有出現(xiàn)5138報警，則設定完成。顯示如圖7. 55所示。

圖7.55　伺服軸FSSB設定畫面

③按下［AXIS］（軸）

上述的M1，M2表示全閉環(huán)的接口所連接的插座對應的軸，比如：M1的JF101連接X軸位置反饋，則在上面的X行的M1處設定為1。如果是半閉環(huán)控制，則不用設定。

2.伺服軸設定畫面中顯示的各項內(nèi)容的意義

AXIS：被控軸的編號，表明NC控制軸的安裝位置。

NAME：被控軸的名稱。

AMP：各軸所連放大器的形式。

M1：分離型檢測器接口單元1的連接器號（在參數(shù)1931中設定）。

M2：分離型檢測器接口單元2的連接器號（在參數(shù)1932中設定）。

1-DSP：參數(shù)1904第0位（1DSP）的設定值。如果某個軸設為1，表示使用專門的DSP。通常1個DSP控制2個軸。

CS：Cs輪廓控制軸（在參數(shù)1933中設定）。對于Cs控制軸，應設為1。

TNDM：參數(shù)1934的指定值，0i和0i Mate不用。

◎任務實施

基本任務1　不能自動設定FSSB

檢查參數(shù)1902。若參數(shù)1902 =00000000，則設定1905 =00000000，并將1910到1919均設為0。

①當參數(shù)1815#1 =1時，檢查參數(shù)1910到1919是否設為16（靠近CNC的第1個分離型檢測器接口單元）或48（遠離CNC的第2個分離型檢測器接口單元）。

②檢查傳輸是否打開（綠色LED亮）。如果傳輸沒有打開，檢查放大器的電源以及光纜連接。

基本任務2　在FSSB畫面的軸設定上，M1和M2的連接器號碼不能設定

查看FSSB畫面，分離型檢測器接口單元的ID是否讀取正確。如果位置模塊ID讀取不正確，檢查分離型檢測器接口單元的連接。

基本任務3　電源關機再開機后，F(xiàn)SSB設定畫面被取消

在設定需求的值后，在放大器設定畫面和軸設定畫面按軟鍵［SETTING］。

基本任務4　發(fā)生放大器/電動機的搭配無效報警（466）

檢查ID畫面上的放大器最大電流值，對應參數(shù)No. 2165的設定。再次檢查放大器/電動機的搭配。

①伺服電動機ID代碼設定錯誤，正確設定伺服電動機的ID代碼并進行初始化。

②進行伺服參數(shù)初始化操作。

③按實際連接重新進行FSSB初始化操作。

④伺服放大器故障。

⑤系統(tǒng)軸板故障。

基本任務5　發(fā)生P/ S報警（5138）

FSSB畫面的自動設定沒有正常完成。

①確認FSSB放大器設定畫面和軸設定畫面無誤。

②在兩個畫面（放大器和軸設定畫面）上按軟鍵［SETTING］。

③系統(tǒng)斷電并重新上電。

基本任務6　FSSB放大器數(shù)目小報警（5136）

系統(tǒng)檢測實際放大器與設定不符。

①檢查系統(tǒng)參數(shù)1010和實際軸數(shù)是否一致。

②放大器控制電路電源故障。

③放大器連接信息光纜不良。

④按實際連接情況重新進行FSSB初始化。

⑤伺服放大器本身故障。

⑥系統(tǒng)軸板故障。

FSSB報警及故障原因如表7. 18所示。

表7.18　FSSB報警及故障原因

◎思考題

1. FSSB自動設定過程中，軸的設定未完成，故障原因和解決方法？

2.伺服放大器發(fā)生故障，會導致其他哪些相關故障發(fā)生？

任務7　FANUC 0i MC進給伺服系統(tǒng)檢測裝置故障診斷與維修

進給伺服系統(tǒng)檢測裝置按類型不同分為絕對編碼器和相對編碼器；按連接形式不同分為伺服電動機內(nèi)裝編碼器的檢測裝置和分離型的檢測裝置。

FANUC數(shù)控系統(tǒng)既可以用于半閉環(huán)工作，又可以用于全閉環(huán)工作，半閉環(huán)位置檢測為伺服電機尾部的光電編碼器，通過伺服電動機內(nèi)裝編碼器實現(xiàn)進給伺服的位置和速度反饋控制。全閉環(huán)位置檢測來自于機床上直線光柵尺等直線位移檢測器件。

◎任務提出

在操作與維護數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)檢測裝置時，認識檢測裝置的接口，學會相關的硬件連接是很重要的一步。

◎任務目標

1.數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)對檢測裝置的要求；

2.分離型檢測裝置接口認識；

3.學習伺服電動機內(nèi)裝編碼器報警及維修技術；

4.掌握分離型檢測裝置（光柵尺）的拆裝與調(diào)試；

5.掌握FANUC 0i MC封閉光柵尺的方法；

6.學習分離型檢測裝置（光柵尺）的維修技術；

7. FANUC 0i MC進給伺服系統(tǒng)檢測裝置典型故障分析。

◎任務分析

為了實現(xiàn)分離型檢測裝置（光柵尺）的拆裝與調(diào)試，我們還需要了解：

1.直線型光柵尺的結構；

2.光柵尺的維護。

◎相關知識

一、數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)對檢測裝置的要求

1.數(shù)控機床對檢測元件的要求

檢測元件是檢測裝置的重要部件，其主要作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號。位移檢測系統(tǒng)能夠測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身。也取決于測量電路。

數(shù)控機床對檢測元件的主要要求是：

①壽命長，可靠性高，抗干擾能力強。

②滿足精度和速度要求。

③使用維護方便，適合機床運行環(huán)境。

④成本低。

⑤便于與計算機連接。

2.數(shù)控機床對位置檢測裝置的要求

位置檢測裝置是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分。它的作用是檢測位移和速度，發(fā)送反饋信號，構成閉環(huán)或半閉環(huán)控制。數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。不同類型的數(shù)控機床，對位置檢測元件，檢測系統(tǒng)的精度要求和被測部件的最高移動速度各不相同?，F(xiàn)在檢測元件與系統(tǒng)的最高水平是：被測部件的最高移動速度高至240 m/ min時，其檢測位移的分辨率（能檢測的最小位移量）可達1 μm，如24 m/ min時可達0. 1 μm。最高分辨率可達到0. 01 μm。

數(shù)控機床對位置檢測裝置有如下要求：

①受溫度、濕度的影響小，工作可靠，能長期保持精度，抗干擾能力強。

②在機床執(zhí)行部件移動范圍內(nèi)，能滿足精度和速度的要求。

③使用維護方便，適應機床工作環(huán)境。

④成本低。

二、FANUC 0i MC分離型檢測裝置接口

1. FANUC 0i MC分離型檢測裝置接口圖，如圖7. 55所示

當使用分離型編碼器或直線尺時，需要如圖7. 56所示的分離型檢測器接口單元。分離型檢測器接口單元應該通過光纜連接到CNC控制單元上，作為伺服接口（FSSB）的單元之一。雖然在圖7. 56中分離型檢測器接口單元作為FSSB的最終級連接，但它也可作為第一級連接到CNC控制單元?；蛘撸梢园惭b在兩個伺服放大器模塊之間。

2. FANUC 0i MC分離型檢測器接口單元規(guī)格

接口單元能提供0. 35 A（5 V）給每個分離型檢測器。

表7.19　FANUC 0i MC分離型檢測器接口單元規(guī)格

3. FANUC 0i MC分離型檢測器電源的連接

由外部24 V電源給分離型檢測器接口單元供電。

輸入到CP11A的24 V能從CP11B輸出。CP11B的連接與CP11A的連接相同。這時，CP11A的容量應等于分離型檢測器接口單元與CP11B后面所連接單元的容量總和。

圖7.56　FANUC 0i MC分離型檢測裝置接口圖

圖7.57　FANUC 0i MC分離型檢測器電源的連接

4. FANUC 0i MC分離型檢測器直線尺接口（并行接口）（如圖7. 58）

三、伺服電動機內(nèi)裝編碼器報警及維修技術

通過伺服電動機內(nèi)裝編碼器實現(xiàn)進給伺服的位置和速度反饋控制，屬于半閉控制。

四、分離型檢測裝置（光柵尺）的相關知識

1.光柵基礎知識

光柵利用光的透射、衍射原理，通過光敏元件測量莫爾條紋移動的數(shù)量來測量機床工作臺的位移量。一般用于機床數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)控制。光柵主要由標尺光柵和光柵讀數(shù)頭兩部分組成。通常，標尺光柵固定在機床運動部件上（如工作臺或絲杠上），光柵讀數(shù)頭產(chǎn)生相對移動。

透射光柵的工作原理透射光柵測量系統(tǒng)原理，它由光源、透鏡、標尺光柵、指示光柵、光敏元件和信號處理電路組成。透射光柵的工作原理透射光柵測量系統(tǒng)原理如圖7. 59所示，它由光源、透鏡、標尺光柵、指示光柵、光敏元件和信號處理電路組成。信號處理電路又包括放大、整形和鑒向倍頻等。通常情況下，標尺光柵與工作臺裝在一起隨工作臺移動外，光源、透鏡、指示光柵、光敏元件和信號處理電路均裝在一個殼體內(nèi)，做成一個單獨部件固定在機床上，這個部件稱為光柵讀數(shù)頭，其作用是將光信號轉(zhuǎn)換成所需的電脈沖信號。光柵讀數(shù)是利用莫爾條紋的形成原理進行的。圖7. 60是莫爾條紋形成原理圖。將指示光柵和標尺光柵疊合在一起，中間保持0. 01～0. 1 mm的間隙，并且指示光柵和標尺光柵的線紋相互交叉保持一個很小的夾角θ，如圖所示。當光源照射光柵時，在a—a線上，兩塊光柵的線紋彼此重合，形成一條橫向透光亮帶：在b—b線上，兩塊光柵的線紋彼此錯開，形成一條不透光的暗帶。這些橫向明暗相間出現(xiàn)的亮帶和暗帶就是莫爾條紋。直線光柵尺外觀如圖7. 61所示。

圖7.58　FANUC 0i MC分離型檢測器直線尺接口（并行接口）

兩塊光柵每相對移動一個柵距，則光柵某一固定點的光強按明—暗—明規(guī)律變化一個周期，即莫爾條紋移動一個莫爾條紋的間距。因此，光電元件只要讀出移動的莫爾條紋數(shù)目，就可以知道光柵移動了多少柵距，也就知道了運動部件的準確位移量。

2.光柵尺

圖7.59　透射光柵測量系統(tǒng)工作原理示意圖

圖7.60　莫爾條紋

圖7.61　直線光柵尺

在數(shù)控機床中，為了實現(xiàn)位置控制，必須有位置檢測裝置用于檢測機床運動部件的位移。數(shù)控機床常用的位置檢測裝置有光柵尺、編碼器等。光柵尺是一種高精度的直線位移檢測裝置，通過光電轉(zhuǎn)換，對莫爾條紋進行計數(shù)，得到移動部件的位移及方向等信號。FANUC 0i MC系統(tǒng)把光柵尺信號反饋到系統(tǒng)的位置模塊，通過伺服總線完成與系統(tǒng)軸板的數(shù)據(jù)交換。

3.光柵尺常見故障及處理方法

（1）由于維護不當或光柵尺密封不良引起的光柵尺臟

采用3 m以上的光柵尺時，從光柵尺盒抽出主光柵進行清洗；采用3 m以下的光柵尺時，將讀數(shù)頭卸下，把整個光柵盒（帶主光柵）進行清洗。如果光柵尺密封破損則需要更換光柵尺。

（2）讀數(shù)頭不良

清洗讀數(shù)頭上指示光柵并檢查讀數(shù)頭電路板，更換讀數(shù)頭。

（3）讀數(shù)頭連接電纜不良及讀數(shù)頭電源電壓（DC 5 V）電壓低

檢查連接電纜是否有斷路或接觸不良，位置模塊供電電路故障。

（4）系統(tǒng)位置模塊或系統(tǒng)軸板不良（FANUC 0i MC系統(tǒng)）

檢查后更換損壞部件。

（5）系統(tǒng)主板不良

更換系統(tǒng)主板。

◎任務實施

基本任務1　FANUC 0i MC進給伺服系統(tǒng)檢測裝置典型故障及處理

當機床出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象時，首先要考慮到是否是由檢測器件的故障引起的，并正確分析查找故障部位。

1.機械振蕩（加/減速時）

引發(fā)此類故障的常見原因有：

①脈沖編碼器出現(xiàn)故障，此時應重點檢查速度檢測單元上的反饋線端子上的電壓是否在某幾點電壓下降，如有下降表明脈沖編碼器不良，更換編碼器。

②脈沖編碼器十字聯(lián)軸節(jié)可能損壞，導致軸轉(zhuǎn)速與檢測到的速度不同步，更換聯(lián)軸節(jié)。

③測速發(fā)電機出現(xiàn)故障，修復，更換測速發(fā)電機。維修實踐中，測速發(fā)電機電刷磨損、卡阻故障較多。應拆開測速發(fā)電機，小心將電刷拆下，在細砂紙上打磨幾下，同時清掃換向器的污垢，再重新裝好。

2.機械運動異?？焖伲w車）

檢修此類故障，應在檢查位置控制單元和速度控制單元工作情況的同時，還應重點檢查：

①脈沖編碼器接線是否錯誤，檢查編碼器接線是否為正反饋，A相和B相是否接反。

②脈沖編碼器聯(lián)軸節(jié)是否損壞，如損壞更換聯(lián)軸節(jié)。

③檢查測速發(fā)電機端子是否接反和勵磁信號線是否接錯。

3.主軸不能定向移動或定向移動不到位

檢修此類故障，應在檢查定向控制電路的設置調(diào)整，檢查定向板，主軸控制印刷電路板調(diào)整的同時，應檢查位置檢測器（編碼器）是否不良，此時一般要測編碼器的輸出波形，通過判斷輸出波形是否正常來判斷編碼器的好壞（維修人員應注意在設備正常時測錄編碼器的正常輸出波形，以便故障時查對）。

4.坐標軸進給時振動

檢修時應在檢查電動機線圈是否短路，機械進給絲杠同電機的連接是否良好，檢查整個伺服系統(tǒng)是否穩(wěn)定的情況下，檢查脈沖編碼是否良好、聯(lián)軸節(jié)連接是否平穩(wěn)可靠、測速發(fā)電機是否可靠。

5.出現(xiàn)NC錯誤報警

NC報警中因程序錯誤，操作錯誤引起的報警。如FAUNUC 6ME系統(tǒng)的NC報警090. 091。出現(xiàn)NC報警，有可能是主電路故障和進給速度太低引起。同時，還有可能是：

①脈沖編碼器不良。

②脈沖編碼器電源電壓太低（此時調(diào)整電源電壓的15 V，使主電路板的+5 V端子上的電壓值在4. 95～5. 10 V內(nèi)）。

③沒有輸入脈沖編碼器的一轉(zhuǎn)信號而不能正常執(zhí)行參考點返回。

6.出現(xiàn)伺服系統(tǒng)報警

伺服系統(tǒng)故障時常出現(xiàn)如下的報警號：如FAUNUC 6ME系統(tǒng)的伺服報警：416，426，436，446，456。此時要注意檢查：

①軸脈沖編碼器反饋信號斷線，短路和信號丟失，用示波器測A相、B相一轉(zhuǎn)信號，看其是否正常。

②編碼器內(nèi)部故障，造成信號無法正確接收，檢查其受到污染、太臟、變形等。

基本任務2　分離型檢測裝置（光柵尺）的拆裝與調(diào)試

1.光柵尺的基本結構

光柵有長光柵和圓光柵兩種，長光柵用于檢測直線位移量；圓光柵用于檢測轉(zhuǎn)角位移量。FANUC 0i MC系統(tǒng)數(shù)控機床采用長光柵來檢測直線位移量。

光柵位置檢測裝置由光源、標尺光柵（長光柵）、指示光柵（短光柵）和光電元件等組成，如圖7. 62所示。光柵是在一塊長條形的光學玻璃上均勻地刻上線條。線條之間的距離稱為柵距。柵距決定精度，一般是每毫米50，100，200條線。長光柵G1裝在機床的移動部件上；短光柵裝在機床的固定部件上。兩塊光柵互相平行并保持一定的間隙（如0. 05 mm或0. 1 mm等），且兩塊光柵的柵距相同。

圖7.62　光柵組成

2.光柵尺測量原理

圖7.63　光柵尺測量原理

3.光柵尺的拆裝

用于數(shù)控機床的直線光柵尺采用封閉結構，鋁制外殼保護光柵尺、掃描單元和軌道免受灰塵、切削和切削液的影響，自動向下的彈性密條保持外殼的密封。圖7. 64為光柵尺的安裝圖。

圖7.64　光柵尺安裝圖

安裝光柵尺時，密封條朝下或遠離濺水的方向。

安裝封閉式光柵尺非常簡單，只需在多點位置處將光柵尺與機床導軌對正。也可以用限位面或者限位銷對正光柵尺。

安裝輔助件以將光柵尺和掃描單元間的間隙以及橫向公差調(diào)整正確。如安裝空間有限，必須在安裝光柵尺前先安裝輔助件，精確地調(diào)定光柵尺和掃描單元的間隙，還必須確保符合橫向公差要求。

除了采用兩個M8的螺栓將直線光柵尺固定在平面上的標準安裝方法外，還可以采用安裝板安裝（如果測量長度超過1 240 mm，必須使用安裝板安裝）。

用安裝板安裝時，安裝板可以作為機床的一部分安裝在機床上，最后安裝時只需將光柵尺夾緊即可。因此，可以很容易地更換光柵尺，便于維修。

4.光柵尺的維護

防污：避免受到冷卻液的污染，從而造成信號丟失，影響位置控制精度。

防振：光柵尺拆裝時要用靜力，不能用硬物敲擊，以免引起光學元件的損壞。

基本任務3　封閉光柵尺

實際中進行故障診斷或應急處理時，經(jīng)常通過封閉光柵尺的方法進行處理。下面以FANUC 0i MC系統(tǒng)為例，說明封閉光柵尺的方法及具體步驟。

①系統(tǒng)返回參考點的減速功能（1425）：由原來的100 mm/ min改為200 mm/ min。

②系統(tǒng)是否使用反向間隙加速功能（2003#5）：由原來的1改為0。

③系統(tǒng)雙位置反饋功能（2019#7）：由原來的1改為0。

④系統(tǒng)由全閉控制變成半閉控制（1815#1）：由原來的1改為0。

⑤按半閉控制設定伺服參數(shù)：包括進給齒輪比N/ M、位置脈沖數(shù)、參考計數(shù)器容量。

⑥振蕩抑制系數(shù)（2033）：設定為0。

⑦系統(tǒng)下電并重新上電。

實際封光柵尺時的注意事項：

①機床的參考點位置發(fā)生了變化，加工工件坐標系變化，尤其是有自動換刀、自動對刀器時要重新調(diào)整。

②機床的精度下降后，加工工件的工藝要求是否滿足。

③重新進行機床反向間隙的測量和系統(tǒng)參數(shù)的補償。

④在封光柵尺前對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行系列備份，以便對光柵尺的恢復。

基本任務4　某立式加工中心，數(shù)控系統(tǒng)采用FANUC 0i MC系統(tǒng)，伺服電機為αi12/3000，外加直線光柵構成全閉環(huán)，在使用過程中產(chǎn)生Z軸445#報警，系統(tǒng)停止工作。

1.故障報警過程

當數(shù)控系統(tǒng)設計和調(diào)試為全閉環(huán)位置控制方式，數(shù)控系統(tǒng)除實時檢測編碼器是否有斷線報警外，還實時對半閉環(huán)檢測的位置數(shù)據(jù)與分離式直線位置檢測反饋的脈沖數(shù)進行偏差計算，若超過參數(shù)NO. 2064設置值，就會產(chǎn)生445#報警。

2.故障產(chǎn)生原因

根據(jù)直線位置檢測反饋工作過程，故障原因可能由于直線位置檢測器件斷線或插座沒有插好產(chǎn)生的；直線位置反饋裝置的電源電壓偏低或沒有；位置反饋檢測器件本身故障；光柵適配器等，閉環(huán)位置檢測器件是通過光柵適配器進入伺服位置控制回路。

◎思考題

1.伺服電動機內(nèi)裝編碼器，絕對式和增量式的區(qū)別？

2.某數(shù)控機床采用光柵尺作為位置反饋裝置，有時加工中出現(xiàn)伺服位置反饋斷線報警，如何進行故障的診斷與排除？

任務8　FANUC 0i MC進給伺服系統(tǒng)典型故障診斷

進給伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通常有3種表現(xiàn)形式：一是在CRT或操作面板上顯示報警內(nèi)容或報警信息；二是進給伺服驅(qū)動單元上用報警燈或數(shù)碼管顯示驅(qū)動單元的故障；三是運動不正常，但無任何報警。

◎任務提出

由于進給伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，通常有3種表現(xiàn)形式，因此可根據(jù)3種不同的故障表現(xiàn)形式對故障進行分析處理。其中常見的故障有伺服軸跟蹤誤差過大報警、系統(tǒng)發(fā)生410號報警（伺服停止誤差過大）、系統(tǒng)發(fā)生“401”報警（伺服不能就緒報警）、機床運行中回轉(zhuǎn)臺交流伺服電機突然不啟動，是突發(fā)性、無報警故障。

◎任務目標

1.學習進給伺服系統(tǒng)的常見報警與處理方法；

2.學習伺服軸跟蹤誤差過大報警處理方法；

3.系統(tǒng)發(fā)生410號報警（伺服停止誤差過大）處理方法；

4.系統(tǒng)發(fā)生“401”報警（伺服不能就緒報警）處理方法；

5.機床運行中回轉(zhuǎn)臺交流伺服電機突然不啟動，突發(fā)性、無報警故障的處理方法。

◎任務分析

1.相關檢測元件的基本工作原理和使用方法；

2.檢測元件的設定方法；

3.相關元器件的更換方法。

◎相關知識

一、進給伺服的常見故障

1.超程

有軟件超程、硬件超程和急停保護3種。

2.過載

當進給運動的負載過大、頻繁正反向運動，以及進給傳動潤滑狀態(tài)和過載檢測電路不良時，都會引起過載報警。

3.竄動

在進給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象：測速信號不穩(wěn)定；速度控制信號不穩(wěn)定或受到干擾；接線端子接觸不良；反響間隙或伺服系統(tǒng)增益過大所致。

4.爬行

發(fā)生在啟動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益過低以及外加負載過大等因素所致。

5.振動

分析機床振動周期是否與進給速度有關。

6.伺服電機不轉(zhuǎn)

數(shù)控系統(tǒng)至進給單元除了速度控制信號外，還有使能控制信號，使能信號是進給動作的前提。

7.位置誤差

當伺服運動超過允許的誤差范圍時，數(shù)控系統(tǒng)就會產(chǎn)生位置誤差過大報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因：系統(tǒng)設定的允差范圍過小；伺服系統(tǒng)增益設置不當；位置檢測裝置有污染；進給傳動鏈累積誤差過大；主軸箱垂直運動時平衡裝置不穩(wěn)。

二、伺服系統(tǒng)的常見報警

1.進給伺服系統(tǒng)出錯報警故障

這類故障的起因，大多是速度控制單元方面的故障引起的，或是主控制印制線路板與位置控制或伺服信號有關部分的故障。

2.檢測元件或檢測信號方面引起的故障

例如：某數(shù)控機床顯示“主軸編碼器斷線”，引起的原因有：

①電動機動力線斷線。如果伺服電源剛接通，尚未接到任何指令時，就發(fā)生這種報警，則由于斷線而造成故障可能性最大。

②伺服單元印制線路板設定錯誤，如將檢測元件脈沖編碼器設定成了測速發(fā)電動機等。

③沒有速度反饋電壓或時有時無，只能根據(jù)測量的速度反饋信號來判斷，這類故障除檢測元件本身存在故障外，多數(shù)是由于連接不良或接通不良引起的。

④由于光電隔離板或中間的某些電路板上劣質(zhì)元器件所引起的。當有時開機運行相當長一段時間后，出現(xiàn)“主軸編碼器斷線”，這時重新開機，可能會自動消除故障。

3.參數(shù)被破壞

表7.20　參數(shù)被破壞報警

4.主電路檢測部分異常

表7.21　主電路檢測部分異常報警

5.超速

表7.22　超速報警

6.限位動作

表7.23　限位動作報警

7.過熱報警故障

表7.24　過熱報警

8.電動機過載

表7.25　伺服驅(qū)動系統(tǒng)過載報警

續(xù)表

9.伺服單元過電流報警

表7.26　伺服單元過電流報警

續(xù)表

10.伺服單元過電壓報警

表7.27　伺服單元過電壓報警

11.伺服單元欠電壓報警

表7.28　伺服單元欠電壓報警

12.位置偏差過大

表7.29　位置偏差過大報警

13.再生故障表

表7.30　再生故障排除報警

14.編碼器出錯

表7.31　編碼器出錯報警

15.漂移補償量過大的報警

表7.32　漂移補償量過大報警

三、伺服報警號

表7.33　伺服報警號

續(xù)表

四、伺服診斷畫面的使用

伺服驅(qū)動系統(tǒng)所配套的位置檢測編碼器狀態(tài)、驅(qū)動器工作狀態(tài)等信息可以通過CNC的FSSB總線從驅(qū)動器傳送到CNC中，在CNC上可以通過診斷數(shù)據(jù)檢查驅(qū)動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，這些狀態(tài)大部分以二進制位信號的形式在CNC診斷頁面顯示，它們是CNC發(fā)生伺服驅(qū)動報警時的故障判別依據(jù)。

◎任務實施

基本任務1　伺服軸跟蹤誤差過大報警及排除

圖7.65　1829和1828的參數(shù)限定值

圖7.66　誤差計數(shù)器讀數(shù)過程圖

圖7.67　系統(tǒng)信號原理

系統(tǒng)檢測伺服移動誤差的原理是：當系統(tǒng)發(fā)出移動指令時，系統(tǒng)的位置誤差計數(shù)器（FANUC OC/ OD系統(tǒng)的診斷號為800～803；FANUC16/16i/18/18i/21/21i/0i系統(tǒng)的診斷號為300）中的誤差值超過了系統(tǒng)參數(shù)（FANUC OC/ OD系統(tǒng)為504～507，F(xiàn)ANUC16/16i/18/18i/21/21i/0i系統(tǒng)為1 828）所設定的數(shù)值時，系統(tǒng)發(fā)生移動誤差過大報警，如圖7. 67所示。

故障分析：

（1）如果給出移動指令而機床不移動，則故障原因可能：

①機械傳動卡死。

②如果故障發(fā)生在垂直軸控制時，則故障為伺服電動機的電磁制動回路。

③伺服電動機及動力線有斷相故障或伺服電動機的動力線連接錯誤。

④伺服放大器本身故障。

（2）如果給出移動指令且機床移動后報警，則故障原因：

①系統(tǒng)軟件故障。伺服參數(shù)設定不當或伺服軟件不良。

②硬件故障。機械傳動間隙過大或?qū)к墲櫥涣迹核欧妱訖C編碼器及系統(tǒng)有故障。伺服放大器不良。

基本任務2　系統(tǒng)發(fā)生410號報警（伺服停止誤差過大）

當系統(tǒng)發(fā)出停止移動指令或靜止時，系統(tǒng)的位置誤差計數(shù)器偏差值超過了系統(tǒng)參數(shù)（FANUC OC/ OD）系統(tǒng)為593～596；FANUC 16/18/21/0i系統(tǒng)為1829）所設定的數(shù)值時，系統(tǒng)發(fā)出停止誤差過大報警。

故障分析：

（1）如果是垂直軸，則故障原因可能：

①伺服電動機及動力電纜斷相故障或伺服電動機的動力線連接錯誤。

②伺服放大器。

③系統(tǒng)該軸的伺服控制板。

（2）如果不是垂直軸，則故障產(chǎn)生的原因可能：

①系統(tǒng)軟件故障。伺服參數(shù)設定不當（停止誤差檢測標準參數(shù)）或伺服軟件不良。

②系統(tǒng)硬件故障。伺服放大器故障或系統(tǒng)伺服控制板不良。

基本任務3　伺服電機過載或過熱報警故障診斷與排除

1.檢測原理

伺服放大器具有過熱檢測信號，該信號由放大器內(nèi)的智能逆變模塊發(fā)出。但放大器的逆變模塊溫度超過規(guī)定值時，通過PWM指令傳遞到CNC系統(tǒng)，CNC系統(tǒng)發(fā)出400#過熱報警，如圖7. 68所示。

圖7.68　伺服電機過載檢測原理

伺服電動機的過熱信號是由伺服電動機定子繞組的熱偶開關檢測的，當伺服電動機的溫度超過規(guī)定值時，電動機的熱偶開關（動斷觸點）動作，通過伺服電動機的串行編碼器（數(shù)字伺服）傳遞給CNC系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC 0i C系統(tǒng)的CNC系統(tǒng)發(fā)出430#伺服電動機過熱報警，431#伺服報警為伺服放大器過熱報警。

2.診斷方法

系統(tǒng)發(fā)生400號報警（伺服過熱）故障檢查：

打開伺服單元調(diào)整畫面，觀察通過畫面的報警1和報警2作進一步判斷。

如果畫面上報警1的#7位為“1”，則為伺服過載報警。

如果畫面上報警2的#7位為“1”，則為伺服電機過熱報警；#7位為“0”，則為伺服放大器過熱報警。

故障分析：

（1）可能產(chǎn)生電動機過熱原因

①機械傳動故障引起的電動機過載。

②切削條件引起的電動機過載。

③電動機本身不良（電動機定子繞組的熱敏電阻不良）。

④系統(tǒng)伺服參數(shù)整定不良。

（2）可能產(chǎn)生伺服放大器過熱原因

①伺服放大器的風扇故障。

②如果為伺服單元化（SVU），還可能是TH1和TH2的接口或外接的熱保護元件故障。

③伺服放大器本身故障，硬件故障（智能逆變模塊不良），伺服軟件不良。

基本任務4　系統(tǒng)發(fā)生“401”報警（伺服不能就緒報警）

故障分析：

控制單元與伺服系統(tǒng)之間傳輸?shù)男盘栐?，如圖7. 69所示。

圖7.69　系統(tǒng)信號原理

在系統(tǒng)運行中如果各伺服放大器的準備信號（VRDY）沒有接通，或者信號關斷，則發(fā)生401號報警。有時因發(fā)生了其他伺服報警，也會導致此報警發(fā)生。在這種情況下，應該首先解除其他報警。

可能產(chǎn)生VRDY信號沒有接通故障的原因：

①伺服放大器外圍的強電電路故障。

②伺服放大器單元故障。

③CNC側(cè)的軸控制卡故障。

故障檢查：

采用信號短接的方法來判別故障的部位，把伺服模塊JV1B（JV2B）的8和10短接后系統(tǒng)上電，如果伺服放大器為“0”則故障在軸板或系統(tǒng)主板；如果伺服放大器為“1”則故障在伺服放大器本身。

如果確認是系統(tǒng)軸控制卡（軸板）故障或系統(tǒng)伺服模塊故障，則應更換系統(tǒng)軸板或?qū)υ摪暹M行檢修。

基本任務5　機床運行中回轉(zhuǎn)臺交流伺服電機突然不啟動，是突發(fā)性、無報警故障

故障分析：故障發(fā)生在進給驅(qū)動范圍，應該是伺服系統(tǒng)發(fā)生故障，由控制原理對伺服調(diào)節(jié)過程分析，初步分析不是位置環(huán)故障（如果是位置環(huán)故障，PLC可以報警）。PLC報警不包括速度環(huán)的故障，不該利用調(diào)用PLC狀態(tài)參數(shù)信息表。估計故障點應在速度環(huán)，是速度環(huán)的硬件故障。為驗證、發(fā)現(xiàn)故障點，檢查速度環(huán)節(jié)的硬件：

①驅(qū)動電纜是否斷線或接觸不良。

②是否過載保護裝置的誤動作。

③機械負荷太大。

④速度調(diào)節(jié)器故障，是否功率驅(qū)動中大功率管擊穿。

⑤電機故障，是否永磁體脫落或退磁。

用簡單排他法分析：外觀檢查無異常，過載保護裝置沒動作，正常；故障發(fā)生后處于制動狀態(tài)，制動未釋放、無傳動故障。

故障檢查：對速度控制單元進行測試，檢查可能發(fā)生故障的部位。采用信號強制輸入法，檢查速度調(diào)節(jié)器是否發(fā)出速度指令。操作過程：斷電；首先查電纜，接點是否完好；然后斷開速度調(diào)節(jié)器兩端，標準+24 V模擬速度信號強制輸入，測試其輸出是否正常，若發(fā)現(xiàn)沒有輸出，斷定故障點是速度調(diào)節(jié)器，本例中正是此問題。

故障處理：更換速度調(diào)節(jié)器，故障排除。

◎思考題

1.伺服驅(qū)動器不上電，故障原因可能有哪些？如何排除？

2.伺服電動機上電不轉(zhuǎn)，編碼器不反饋，故障原因可能有哪些？如何排除？