周 荃

濰坊職業(yè)學院，山東濰坊 261030

常見數(shù)控機床伺服系統(tǒng)故障分析

周 荃

濰坊職業(yè)學院，山東濰坊 261030

隨著我國機械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床的使用也越來越廣泛。數(shù)控機床涉及機、電、液、氣等技術(shù)，其故障類型繁多，故障點難確定。本文通過對數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的分析，總結(jié)出伺服系統(tǒng)故障的規(guī)律，供使用者及時方便地排除故障。

數(shù)控機床；伺服系統(tǒng)；故障

數(shù)控機床是一種高效自動化機床，它綜合了機、電、液、氣等各個領(lǐng)域的新的技術(shù)成果， 其品種多樣性和結(jié)構(gòu)復雜性對其故障診斷提出了很高的要求。數(shù)控機床的故障種類眾多，CNC系統(tǒng)、進給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)和輔助機構(gòu)等部分的運行不良都可導致數(shù)控機床發(fā)生故障。其中伺服系統(tǒng)的故障占機床總故障的比率較高，其故障的發(fā)生直接影響到機床的運行狀態(tài)和零件的加工質(zhì)量。由于伺服系統(tǒng)涉及的環(huán)節(jié)較多，原理復雜，給診斷和維修帶來了一定困難。

伺服系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)和機床本體之間的電傳動聯(lián)系環(huán)節(jié)，由進給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩部分組成。進給伺服系統(tǒng)負責完成CNC輸出的各坐標軸位置控制，達到進給驅(qū)動的要求；主軸伺服系統(tǒng)用來實現(xiàn)機床的主運動，它將主電動機的原動力變成可供主軸上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。

1 進給伺服系統(tǒng)

進給伺服系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來的指令信息，進給放大以后控制執(zhí)行部件的運動，不僅需要控制進給運動的速度，同時還要精確控制刀具相對于工件的移動位置和軌跡。按照進給伺服系統(tǒng)的控制方式，可將數(shù)控機床分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種類型，其中開環(huán)進給伺服系統(tǒng)無位置檢測裝置，閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)含有位置測量裝置或角位移測量裝置。典型的數(shù)控機床閉環(huán)控制進給伺服系統(tǒng)通常由位置比較、放大元件、驅(qū)動元件、機械傳動裝置和檢測反饋元件等部分組成，任一環(huán)節(jié)不穩(wěn)定都可能導致系統(tǒng)故障，診斷定位故障部位就成為故障排除的關(guān)鍵。

1.1 常見進給伺服系統(tǒng)故障類型

1）在CRT顯示器或操作面板上顯示報警內(nèi)容或報警信息的故障：控制單元故障，如位置控制單元、速度控制單元發(fā)生故障；檢測單元故障，如測速發(fā)電機、旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器、光柵尺故障；過熱報警，如伺服電機過熱報警等；

2）在進給伺服單元上用報警燈或數(shù)碼管顯示的故障：如進給驅(qū)動單元過載、過電流報警；電網(wǎng)電壓過高報警、電壓過低報警；感應(yīng)開關(guān)動作有誤報警等；

3）無報警顯示的故障：機床噪音過大、機床振動、進給運動不穩(wěn)定、位置誤差超過允許值等。

1.2 常見進給伺服系統(tǒng)故障現(xiàn)象

1）超程

當進給運動超過提前設(shè)定的限位時，就會發(fā)生超程報警。這種故障一般會在CRT上顯示報警內(nèi)容，操作人員可根據(jù)機床說明書進行操作，即可排除故障，解除報警。

2）振動

伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振動的原因可能有：機械安裝、調(diào)整不良；伺服電機速度、位置檢測不準確；驅(qū)動單元參數(shù)設(shè)定和調(diào)整不當（如系統(tǒng)增益設(shè)定、積分時間常數(shù)設(shè)定不合理）外部干擾過大等，操作人員可先行確定是電氣還是機械故障，進一步確定故障部位。

3）無法回參考點

機床無法回參考點通常由于回參考點減速開關(guān)產(chǎn)生的信號或零標志脈沖信號失效所致。排除故障時應(yīng)結(jié)合機床回參考點的方式，對照故障現(xiàn)象進行分析，常用的診斷方法有原理分析法和追蹤法。

4）位置誤差超過允許值

進給伺服系統(tǒng)的位置誤差包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。常見的原因有：系統(tǒng)設(shè)定的誤差參數(shù)不合理、伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當、位置檢測裝置污損、主軸箱平衡裝置不穩(wěn)等。

2 主軸伺服系統(tǒng)

數(shù)控機床的主軸伺服系統(tǒng)是指產(chǎn)生主切削力的傳動系統(tǒng)，一般包括伺服驅(qū)動裝置和伺服電動機兩部分。主軸伺服系統(tǒng)一般只是一個速度控制系統(tǒng)，要求具備正反轉(zhuǎn)，停車及調(diào)速功能，并要求有較大的調(diào)速范圍，它可由CNC裝置直接控制，也可由CNC裝置通過可編程控制器控制。常見的主軸伺服控制系統(tǒng)有直流主軸控制系統(tǒng)和交流主軸控制系統(tǒng)，不同類別的控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障的類型也不盡相同。

2.1 常見主軸伺服控制系統(tǒng)故障類型

1）直流主軸控制系統(tǒng)常見故障：主軸停轉(zhuǎn)、主軸速度異常、主電動機產(chǎn)生振動或噪聲過大、主電路過電流報警等；

2）交流主軸控制系統(tǒng)常見故障：電動機過熱故障，如電機超負載運行、冷卻裝置損壞、控制單元與電機元件接觸不良等；交流輸入電路及再生回路熔絲熔斷，原因如阻抗過高、浪涌吸收器損壞等；主電機振動、噪聲過大、電機速度異常等。

2.2 常見主軸伺服系統(tǒng)故障現(xiàn)象

1）主軸電機不轉(zhuǎn)

當發(fā)生伺服電動機不轉(zhuǎn)的故障時，可以從以下幾個方面檢查原因：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出；通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機床PLC梯形圖，確定主軸的啟動條件（如冷卻、潤滑）是否滿足；對帶有電磁制動的伺服電動機，應(yīng)檢查電磁制動是否釋放；伺服驅(qū)動單元及伺服電動機故障。

2）主軸達不到指令轉(zhuǎn)速

發(fā)生此類故障應(yīng)先行考慮機械傳動機構(gòu)是否正常，維修時可在MDI方式下進行各種高、中、低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，如發(fā)現(xiàn)機床動作正常，則可排除機械傳動系統(tǒng)變速機構(gòu)故障原因，隨后可檢查主軸驅(qū)動器的電纜連接以及主軸驅(qū)動器的狀態(tài)指示燈是否處于正常工作狀態(tài)，用以判斷主軸驅(qū)動器是否故障原因。除此之外，機床控制柜中的位置控制板輸出信號不穩(wěn)定，也可使主軸電機轉(zhuǎn)速異常，操作人員同樣不可忽視。

3）主軸高速旋轉(zhuǎn)時振動

電機在高于某轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生振動，可以基本排除機械共振的故障原因，發(fā)生此類故障多數(shù)由主軸驅(qū)動系統(tǒng)的電氣部分產(chǎn)生，應(yīng)對照機床電氣原理圖仔細檢查機床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)電氣連接，以進一步確定故障部位，排除故障。

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要部分，出現(xiàn)故障的機會比較多，且通常后果比較嚴重，為了能在實際應(yīng)用中能快速排除伺服系統(tǒng)故障，維修人員應(yīng)從檢測開始，查找并分析故障部位和故障類型，進一步采取措施排除故障。

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