[摘要]shenh
进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，直接影响了加工工件的精度。对它做好良好的维护与维修，是数控机床的关键。 ——介绍步进驱动系统的原理和主要特性作简单介绍后，列出了步进驱动系统的主要故障及排除，并列出相应维修实例。 ——简介了进给伺服驱动系统，列出了进给伺服驱动系统的主要报警及处理、主要故障及排除，并列出了维修实例。 关键词；进给系统、诊断、维修。
adsl分离器数控机床进给系统的故障诊断与维修
史国强
前言
进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。
数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。
一、数控机床对进给驱动系统的要求
（一）调速范围要宽
调速范围rn是指进给电动机提供的最低转速nmin和最高转速nmax之比，即：rn=nmin/nmax。 在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如<0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象。
（二）定位精度要高
使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。
（三）快速响应，无超调
为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在200ms以内，甚至小于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量；另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。
要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有4000r/s2以上的加速度。
(四)低速大转矩，过载能力强
数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进给驱动系统在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长时间内较强的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能力。一般，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。
（五）可靠性高
数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，因此，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力。
二、步进驱动系统常见故障及排除
步进驱动系统简单来说，包括有步进电动机和步进驱动器。
（一）步进电动机原理简介及分类
1. 步进电动机原理简介
步进电动机流行于70年代，该系统结构简单、控制容易、维修方面，且控制为全数字化；是一种能将数字脉冲转化成一个步距角增量的电磁执行元件；能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用。随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其它部分均可由软件实现，从而进一步简化结构。因此，至今国内外对这种系统仍在进一步开发。
但是，①由于步进电动机基本上是用开环系统，精度不高，不能应用于中高档数控机床；②步进电动机耗能大，速度低(远不如交、直流电动机)。因此，目前步进电动机仅用于小容量、低速、精度要求不高的场合，如经济型数控，打印机、绘图机等计算机的外部设备。
步进电动机是一种同步电动机，其结构同其它电动机一样，由定子和转子组成，定子为激磁场，其激磁磁场为脉冲式，即磁场以一定频率步进式旋转，转子则随磁场一步一步前进。
2. 步进电动机分类
步进电动机按转矩产生的原理可分为反应式、永磁式及混合式步进电动机；从控制绕组数量上可分为二相、三相、四相、五相、六相步进电动机；从电流的极性上可分为单极性和双极性步进电动机；从运动的型式上可分为旋转、直线、平面步进电动机。
(二） 步进电动机的驱动电路控制方式
1.步进电动机的驱动电路控制方式
步进电动机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用图2-1<a>双管串联电路,双极性电流一般采用图2-1<b>的H桥电路;对于三相混合式步进电动机则采用三相逆变桥电路,见图2-1<c>
图2-1 步进电动机驱动电路
（三）步进驱动装置常见故障及排除
正如前所述，步进驱动是开环控制系统中最常选用的伺服驱动系统。开环进给系统的结构较简单，调试、维修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用。
剥线
使用过程中，步进驱动系统常见如下故障：
1.电动机过热报警，可能原因及故障排除见表2-1。
表2-1：步进电动机过热的报警综述
故障现象 | 可能原因 | 排除措施 |
有些系统会报警，显示电动机过热。用手摸电动机，会明显感觉温度不正常，甚至烫手 | 工作环境过于恶劣，环境温度过高 | 重新考虑机床应用条件，改善工作环境 |
参数选择不当，如电流过大，超过相电流 | 根据参数说明书，重新设置参数 |
电压过高 | 建议稳压电源 |
| | |
2.工作过程中停车，在工作正常的状况下，发生突然停车的故障。引起此故障的可能原因见表2-2。
表2-2 工作过程中停车的故障综述
可能原因 | 检查步骤 | 排除措施 |
驱动电源故障 | 用万用表测量驱动电源的输出 | 更换驱动器 |
驱动电路故障 | 发生脉冲电路故障 |
电动机故障 | 绕组烧坏 | 更换电动机 |
电动机线圈匝间短路或接地 | 用万用表测量线圈间是否短路 |
杂物卡住 | 可目测 | 消除外界的干扰因素 |
| | |
3.无力或者是出力降低或称“闷车”，即在工作过程中，某轴有可能突然停止，俗称“闷车”，可能原因见表2-3。
表2-3：“闷车”的可能原因及排除措施
故障部位 | 可能原因 | 排除措施 |
驱动器端故障 | 电压没有从驱动器输出来 | 检查驱动器，确保有输出 |
驱动器故障 | 更换驱动器 |
电动机绕组内部发生错误 |
电动机端故障 | 电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落 | |
电动机轴断 | 更换电动机 |
电动机定子与转子之间的气隙过大 | 专业电动机维修人员调整好气隙或更换电动机 |
外部故障 | 塑料水嘴电压不稳 | 重新考虑负载和切削条件 |
会造成“闷车”的原因可能是：负载过大或切削条件恶劣 | 重新考虑负载和切削条件 |
| | |
4.步进电动机失步或多步，此故障引起的可能现象是工作过程中，配置步进驱动系统的某轴突然停顿，而后，又继续走动。此故障的可能原因具体综述见表2-4。
表2-4：步进电动机失步或多步的可能原因及排除措施
可能原因 | 检查步骤 | 排除措施 |
负载过大，超过电动机的承载能力 | | 重新调整加工程序切削参数 |
负载忽大忽小 | 是否毛坯余量分配不均匀等 | 调整加工条件 |
负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲 | 可在不正式加工的条件下进行试运行，判断是否有此想象发生 | 重新考虑负载的转动惯量 |
传动间隙大小不均 | 进行机械传动精度的检验 | 进行螺距误差补偿 |
传动间隙产生的零件有弹性变形 | | 重新考虑这种材料的工件的加工方案 |
| | |
（四）步进电动机常见故障及维修
常见故障见表2-5。
表2-5：步进电动机常见故障综述
故障现象 | 可能原因 | 排除措施 |
电动机尖叫 | CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的 | 正确设置参数 |
电动机不能旋转 | 保险丝是否熔断 | 更换保险丝 |
动力线短线 | 确保动力线连接良好 |
蝽卵参数设置不当 | 依照参数说明书，重新设置相关参数 |
电动机卡死 | 主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用 |
| 生锈或故障 | 更换步进电动机 |
电动机发热异常 | 动力线R、S、T连线不搭配美微乳 | 正确连接R、S、T线 |
| | |
三、进给伺服驱动系统介绍
（一）进给伺服驱动系统的组成及分类
1.进给伺服驱动系统的组成
数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元，驱动单元，机械传动部件，执行机构和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动单元组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行机构组成机械传动系统。检测元件和反馈电路组成检测装置，也称检测系统。
进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令，同时，位置检测装置将实际位置监测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服电动机滚珠丝杠传动实现进给运动。伺服电动机上的反馈装置将转速信号反馈回系统与速度控制指令比较，构成速度反馈控制。因此，进给伺服系统实际上是外环为位置环、内环为速度环的控制系统。对进给伺服系统的维护及故障诊断将落实到位置环和速度环上。组成这两个环的具体装置有：用于位置检测
的有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等；用于转速检测的有测速发电动机或光电编码器等。
2.进给伺服驱动系统的分类
按伺服进给系统使用的伺服类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。下面将分别按直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统来阐述其维修与维护的相关知识。
（二）直流进给驱动系统的介绍
1.交流伺服系统的组成
交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图3-1所示。
（1）交流伺服电动机。可分为永磁交流同步伺服电动机，永磁无刷直流伺服电动机、感应伺服电动机及磁阻式伺服电动机；
（2）PWM功率逆变器。可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器（
包括智能型IGBT逆变器模块）等。
（3）微处理器控制器及逻辑门阵列。可分为单片机、DSP数字信号处理器、DSP+CPU、多功能DSP（如TMS320F240）等；
（4）位置传感器（含速度）。可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等；
（5）电源及能耗制动电路；
（6）键盘及显示电路；
（7）接口电路。包括模拟电压、数字I/O及串口通讯电路
（8）故障检测，保护电路。
图3-1 交流伺服系统组成
2.交流伺服电动机的简介
交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为感应式（或称异步）交流伺服电动机、永磁式同步电动机、永磁式无刷直流伺服电动机、和磁阻同步交流伺服电动机。这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。
