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目录......................................................................................................................................... 2 进给伺服系统及常见故障分析 . ................................................................................................. 4 摘要......................................................................................................................................... 4
关键词：伺服系统、工作原理、伺服电机、故障分析、..................................................... 4 Abstract . ................................................................................................................................... 4
Key Words ：Servo system, working principle, servo motor, failure analysis............................. 5 前言......................................................................................................................................... 5 第1章 进给伺服系统解析...................................................................................................... 6
1.1 伺服系统的组成及工作原理 ........................................................................................ 6
一、伺服系统的组成 .................................................................................................. 6 二、工作原理............................................................................................................. 7 1.2开环和死循环进给伺服系统 ......................................................................................... 8 1.3伺服电机及其调速 ....................................................................................................... 9
1.3.1概述................................................................................................................... 9 1.3.2步进电机............................................................................................................ 9 1.3.3直流伺服电机基本原理..................................................................................... 11 一、直流伺服电动机的分类...................................................................................... 11 二、常见直流伺服电机展示...................................................................................... 11 三、直流伺服电机结构简图...................................................................................... 11 四、直流伺服电机的调速 ......................................................................................... 12 1.4检测回馈装置 ............................................................................................................ 13
1.4.1旋转变压器结构及工作原理.............................................................................. 13
一、结构.................................................................................................................. 13 二、 工作原理.................................................................................................... 14 1.4.2感应同步器 ...................................................................................................... 14 1. 结构 ..................................................................................................................... 14 2. 工作原理 .............................................................................................................. 15
3. 磁尺检测 .............................................................................................................. 15
第2章 ....................................................................................................... 错误！未定义书签。 数控机床进给伺服系统的 ........................................................................... 错误！未定义书签。 常见故障及分析 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2.1步进电动机驱动系统的常见故障及其维修 ...................................... 错误！未定义书签。
（1）步进电机驱动器故障 ........................................................... 错误！未定义书签。 （2）高速时电动机堵转............................................................... 错误！未定义书签。 （3）传动系统定位精度不稳定 .................................................... 错误！未定义书签。 （4）参考点定位精度过大 ........................................................... 错误！未定义书签。 （5）返回参考点动作不正确........................................................ 错误！未定义书签。 （6）传动系统定位误差较大........................................................ 错误！未定义书签。 （7）传动系统定位误差较大........................................................ 错误！未定义书签。 2.2直流进给驱动系统 ......................................................................... 错误！未定义书签。 第三章 进给伺服系统各类故障的反应形式 . ................................................ 错误！未定义书签。
3.1软件报警（CRT 显示）故障： ...................................................... 错误！未定义书签。 3.2 硬件报警故障： ........................................................................... 错误！未定义书签。 3.3 常见的故障形式 . ........................................................................... 错误！未定义书签。
1. 超程 ......................................................................................... 错误！未定义书签。
2. 超载 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 3. 窜动 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 4. 爬行 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 5. 漂移 ......................................................................................... 错误！未定义书签。 6振动 . ......................................................................................... 错误！未定义书签。 7. 回参考点故障 ........................................................................... 错误！未定义书签。 8. 伺服电动机不转 ....................................................................... 错误！未定义书签。 9．位置误差 ................................................................................ 错误！未定义书签。 10. 机械传动部件的间隙与松动 .................................................... 错误！未定义书签。 3.4 故障定位 ...................................................................................... 错误！未定义书签。
1. 模块交换法： ........................................................................... 错误！未定义书签。 2. 外部参考电压法： .................................................................... 错误！未定义书签。
结论........................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献.................................................................................................... 错误！未定义书签。 毕业设计（论文）任务书 ........................................................................... 错误！未定义书签。 毕业设计（论文）开题报告........................................................................ 错误！未定义书签。
进给伺服系统及常见故障分析
摘要
进给伺服系统，是数控机床的重要组成部分。组成：伺服驱动电路、伺服驱动装置（电机）、位置检
测装置、机械传动装置及执行部件等。作用：接收数控系统发出的进给位移和速度的指令信号，由伺服电路转换和放大信号，经伺服电机和机械传动机构，从而驱动机床执行部件进行工作进给和快速进给。技术要求：（1）调速范围宽。（2）位移精度高。（3）稳定性好。（4）动态响应快。进给伺服系统是机床的重点和关键设备，其可靠性直接影响生产效率和经济效益。所以要掌握一些基本常见的进给伺服系统故障的检测诊断方法。
关键词：伺服系统、工作原理、伺服电机、故障分析、
Abstract
Feed servo system, is an important part of nc machine tool. Composition: servo drive
circuit and servo drive device (motor), position detection device, mechanical transmission device and execution parts, etc. Function: receiving a numerical control system of feed displacement and speed command signal, the servo circuit switching and amplification signal, the servo motor and mechanical drive mechanism, so as to drive machine execution unit work on the feed and rapid feed. Technical requirements: (1) wide speed range. (2) displacement high precision. (3) good
stability. (4) quick dynamic response. Feed servo system is the focus of the machine and the key equipment, its reliability directly affects the production efficiency and economic benefits. So to master some basic common feed servo system fault detection and diagnosis method.
Key Words ：Servo system, working principle, servo motor, failure analysis
前言
近年来，随着计算机技术的发展，数字控制技术广泛应用与机加工行业。数字化加工是机加工行业朝着高质量、高精度、高成品率、高效率方向发展。其核心就是对现有的普通车床进行数控化改造升级。其中重要的是伺服驱动装置代替原先的常规电机等驱动装置，伺服进给系统直接形象产品加工中的进给位移、速度的精确，对工件的精度、质量有决定性的影响。所以对伺服进给系统的科学认识，从而提高加工的可靠性、工件的工艺性、企业的效益性有很大的帮助。对伺服进给系统的科学认识后，可以明白其中的许多原理。常言道：”知彼知己，方能百战不殆.”对今后的机械维护保养、故障检测都有很大的帮助。这样既延长了机器的寿命，也缩短了故障排查和维修的时间，给企业节约了宝贵的生产时间从而提高了企业效益。只有对数控进给伺服系统以科学认知的前提下才能对系统故障进行准确无误的检修。先了解进给伺服系统是系统故障排查的前提，而对进给伺服系统故障维修是学习进给伺服系统最终的目的。
第1章 进给伺服系统解析
数控机床的驱动系统主要包括伺服控制系统和电机两个部分，其作用是直接驱动各种机械执行机构完成预定的工作任务。驱动装置位于数控装置和机床工作装置之间，包括进给伺服驱动装置和主轴驱动装置其动能是在控制信息的作用下为系统提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。
伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。伺服系统的性能是决定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。伺服系统是以驱动装置——电动机位控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电动机。数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证运动的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。
1.1 伺服系统的组成及工作原理
一、伺服系统的组成
数控机床死循环进给系统的一般结构如图，这是一个双死循环系统，内环为速度环，外环为位置环。速度环由速度控制单元、速度检测装置等构成。速度控制单元是一个独立的单元部件，它是用来控制电机转速的，是速度控制系统的核心。速度检测装置有测速发电机、脉冲编码器等。位置环是由CNC 装置中的位置控制模块、速度控制单元、位置检测及回馈控制等部分。
二、工作原理
位置控制：安装在工作台的位置检测组件把机械位移变成位置数字量，并有
位置回馈电路送到微机内部该位置回馈量与系统输入量进行比较，如果不一样微机送出差值信号，经驱动电路将差值信号进行变换、放大后驱动电动机带动工作台。当比较后的差值信号为零时，电动机停止转动。此时，工作台移动到指令所制定的位置。
速度恒定控制：测速电机和电动机同步旋转假如因外负载增大而是电机转速下降，则测电机转速也会下降，经速度返回电路，把转速信号转变成电信号，送到驱动电路，与输入信号进行对比，比较后的差值信号放大后，产生较大的驱动电压，从而使电机转速提升并恢复到原先调定的转速。是电动机排除负载变动的干扰。维持电机恒转速。
电路分析结论：速度回馈信号是在硬件电路比较完成的，而位置回馈信号是在微机软件中比较完成的。比较形式不同。
1.2开环和死循环进给伺服系统
分类
对比
组成
开环进给伺服系统
死循环进给伺服系统
①伺服驱动电路 ②伺服驱动装置 ③机械传动及执行部件
①伺服驱动电路 ②伺服驱动装置
③机械传动及执行部件
伺服驱动电路
伺服驱动装置
检测回馈装置
位移精度
优缺点
①只对CNC 的信号进行转换、放大、输出。
②具有信号输送单向性
①步进电机 ②功率步进电机 ③电液脉冲马达等
无
决定于步进机的角位移精度，齿轮丝杠等传动部件导程或节距精度及系统摩擦阻尼特性。 1. 优点 结构简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠成本低。 2. 缺点 ①位移精度较低，磨损增大则定位误差变大。 ②步进电机性能限制进给速度从而限制加工范围
④位置检测及电流回馈装置 ①对CNC 的信号进行放大或转换
②增加了位置控制电路和速度控制电路
③信号输出双向导通性。对回馈信号进行比较、校正、输出。 ①直流或交流伺服电机 ②电液伺服阀—液压马达
1. 位置检测 ①旋转变压器 ②感应同步器 ③光栅位置检测 ④磁尺位置检测 ⑤脉冲编码器 2. 速度检测 ①光栅
②脉冲编码器
决定于检测装置的分辨率和精
度
1. 优点
具有较高精度、速度和动态特性，在数控机床中应用广泛。 2. 缺点 ①设备成本高 ②结构复杂 ③调试、维修、比较麻烦 ④对操作者技术要求很高。
综述
开环与死循环进给伺服系统本质区别在于有无检测回馈装置。但随着技术发展死循环系统是未来数控机床发展趋势。
1.3伺服电机及其调速 1.3.1概述
伺服电机是进给伺服系统中一个重要的组成环节，是系统的驱动装置。进给伺服系统的给定速度指令转换和功率放大后作为伺服电机的输出量，控制它在一定方向作一定速度的角位移或直线位移从而驱动机床的执行部件实现给定的速度和方向上的位移。伺服电机的性能很大程度上影响进给伺服系统。
1.3.2步进电机
一、步进电机工作原理
步进电机伺服系统是典型的开环控制系统，在此系统中，步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有回馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制。
开环伺服系统简图
二、步进电动机的分类
1. 按步进电动机输出转矩的大小，可分为快速步进电动机和功率步进电动机。 2. 按励磁绕组可分为三相、四相、五相、六相甚至八项步进电机。
3. 按转矩产生的工作原理可分为电磁式、反应式以及混合式步进电机。 4. 按步进电机输出的轨迹形式可分为旋转式和直线式步进电机。
三、步进电动机的特点
. 步进电动机有以下几种主要特点
1. 步进电机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量;
2. 步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速；
3. 当停止输入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴就能保持在某个固定的位置上，不需要机械制动装置；
4. 改变通电相序就可以改变电动机的转动方向；
5. 步进电动机存在齿间相邻误差，但不会产生积累误差； 6. 步进电动机转动惯量小，启动、停止迅速；
步进电动机缺点是效率低，带负载能力低，调速范围小最高输入脉冲频率一般不超过 7. 18KHz
四、步进电机的主要性能指针
1. 步距角和步距误差
反应式步距角和步进电机的相数、通电方式及电机转子齿数的关系如下：
360360式中 α—步进电机的步距角；, αs —步进电机的基本步距角；
α＝αs ＝
m —电机相数； mZ KmZ Z —转子齿数；
K —系数，相邻两次通电相数相同，K ＝1；
相邻两次通电相数不同，K ＝2。
同一相数的步进电机可有两种步距角，通常为1.2/0.6、1.5/0.75、1.8/0.9、3/1.5度等。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。连续走若干步时，上述步距误差的累积值称为步距的累积误差。由于步进电机转过一转后，将重复上一转的稳定位置，即步进电机的步距累积误差将以一转为周期重复出现。
1.3.3直流伺服电机基本原理
加于直流电机的直流电源，借助于换向器和电刷的作用，使直流电机电枢线圈流过的电流，方向是交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电机朝确定的方向连续旋转。
直流电机模型 直流电机工作原
理
一、直流伺服电动机的分类
1. 按定子磁场产生的方式可分为永磁式和他磁式。
2. 按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等； 3. 按转子转动惯量大小可分为大惯量、中惯量和小惯量直流伺服电动机
二、常见直流伺服电机展示
三、直流伺服电机结构简图
四、直流伺服电机的调速
直流伺服电机与一般直流电机的原理是相同的。电机转子上的载流导体（及电阻绕组）在定子磁场中，受到电磁转矩M 作用，使电机转子旋转.
作用在点数的电压U 应等于反电势与电枢电压降之和，即
U
a
=I
a
R
a
+E
a
电机电压的平衡方程式 : n=（U-IaRa ）/ke 由上式子可知，调节电机的转速有以下三种方法： 1、改变电枢电压U;
2、改变磁通量Φ，即改变Ke 的值。改变激磁回路的电阻Ri, 以改变 激磁电流Ij, 可以达到改变磁通磁通量Φ的目的; 3、在电枢回路中串联调节电阻Ri.
1.4检测回馈装置
对位置精度的要求高低直接影响到对数控设备的选用，位置精度要求高时选用死循环数控系统反之开环数控系统。
死循环系统中检测装置起到检测和回馈两个作用，他的精度决定着加工的精度。因此，研制和选用性能优良的检测装置非常重要。
对检测装置的要求主要有以下几点:
1. 寿命长，可靠性高，抗干扰能力强； 2. 满足精度和速度要求； 3. 使用维护方便； 4. 成本低；
5. 便于与电子计算机连接； 检测组件分类
分类
位移传感器
速度传感器
电流传感器
直线式 回转式
增量式 绝对式
脉冲编码器、自整角机、旋转多级旋转变压器、绝对脉变压器、圆感应同步器、光栅冲编码器、绝对值式光栅、角度传感器、圆光栅、圆磁栅 三速圆感应器、磁阻式多
级旋转变压器
直线感应同步器、光栅尺、磁三速感应同步器、绝对值栅尺、激光干涉仪； 磁尺、光电编码尺、磁性
编码尺
交、直流测速发电机、数字脉冲编码式速速度-角度传感器、数字电度传感器，霍尔速度传感器 磁传感器、磁敏式速度传
感器
霍尔电流传感器
1.4.1旋转变压器结构及工作原理
一、结构
旋转变压器在结构上和二相线绕式异步电动机相似，有定子和转子组成，有
无刷和有刷两种类型，一下图示为最常见的无刷旋转变压器。
二、 工作原理
旋转变压器是按互感原理工作的。在定子和转子的绕组上分别加上交变激磁电压，分解器绕组的结构保证了定子和转子之间的气隙磁通成正、余弦规律分布，当转子旋转时通过电磁耦合，转子绕组内产生感应电势感应电压的大小取决于转子绕组轴线与定子绕组轴线在空间的相对角位置θ机
1.4.2感应同步器
1. 结构
感应同步器与旋转变压器一样，是一种电磁感应式的位移检测装置，有圆感应和直线
感应两种，前者测量角度位移后者测量直线位移。
感应同步器的结构原理图
2. 工作原理
直线式感应同步器和圆盘式感应同步器的工作原理基本相同，都是利用电磁感应原理工作。下面以直线式感应同步器为例介绍其工作原理。 直线式感应同步器由两个磁耦合部件组成，其工作原理类似于一个多极对的正余弦旋转变压器。感应同步器的定尺和滑尺相互平行放置，其间有一定的气隙，一般应保持在0.25±0.05mm 范围内，如图下图所示。
3. 磁尺检测
磁尺位置检测装置是由磁性标尺、磁头和电路组成、该装置示意图如下所示。磁尺的测量原理类似于磁带的录音原理，是在非导磁的材料如铜、不锈钢、玻璃或其它合金材料的基本上镀一层磁性薄膜（常用Ni-Co-P 或Fe-Co 合金）。
测量线位移时，不导磁的物体可以做成尺形（带形）；测量角位移时，可做成圆柱形。在测量前，先按标准尺度以一定间隔（一般为0.05mm ）在磁性薄膜上录制一系列的磁信号。这些磁信号就是一个个按SN-NS-SN-NS ……方向排列的小磁体，这时的磁性薄膜为磁栅，测量时，磁栅随位移而移动（或转动）并用磁头读取（感应）这些移动的磁栅信号，是磁头内的线圈产生感应正弦电动势。对这些电动势的频率进行计数，就可以测量位移了。