彭紅梅

（徐州機(jī)電工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇 徐州 221000）

1 伺服系統(tǒng)簡介

1.1 伺服系統(tǒng)的概念

數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)是指以機(jī)床移動(dòng)部件的位置和速度作為控制量的自動(dòng)控制系統(tǒng)，又稱隨動(dòng)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床本體的中間環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的“四肢”。因?yàn)樗欧到y(tǒng)的性能決定了數(shù)控機(jī)床的性能，所以要求伺服系統(tǒng)具有高精度、快速度和良好的穩(wěn)定性。

1.2 伺服系統(tǒng)的工作原理

伺服系統(tǒng)是一種反饋控制系統(tǒng)，它以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調(diào)量進(jìn)行比較，利用比較后產(chǎn)生的偏差值對系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以消除偏差，使被調(diào)量跟蹤給定值。所以伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來源于偏差信號，必須具有負(fù)反饋回路，并且始終處于過渡過程狀態(tài)。在運(yùn)動(dòng)過程中實(shí)現(xiàn)了力的放大。伺服系統(tǒng)必須有一個(gè)不斷輸入能量的能源，外加負(fù)載可視為系統(tǒng)的擾動(dòng)輸入。

2 直流主軸伺服系統(tǒng)

從原理上說，直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與通常的直流調(diào)速系統(tǒng)無本質(zhì)的區(qū)別，但因?yàn)閿?shù)控機(jī)床高速、高效、高精度的要求，決定了直流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

2.1 調(diào)速范圍寬。

2.2 直流主軸電動(dòng)機(jī)通常采用全封閉的結(jié)構(gòu)形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業(yè)環(huán)境中使用。

2.3 主軸電控機(jī)通常采用特殊的熱管冷卻系統(tǒng)，能將轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量迅速向外界發(fā)散。

2.4 直流主軸驅(qū)動(dòng)器主回路一般采用晶閘管三相全波整流，以實(shí)現(xiàn)四象限的運(yùn)行。

2.5 主軸控制性能好。

2.6 純電氣主軸定向準(zhǔn)?？刂乒δ堋?/p>

3 交流主軸伺服系統(tǒng)

主軸驅(qū)動(dòng)交流伺服化是數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)控制的發(fā)展趨勢,交流主軸伺服系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

3.1 振動(dòng)和噪聲小

3.2 采用了再生制動(dòng)控制功能

3.3 交流數(shù)字式伺服系統(tǒng)控制精度高

3.4 交流數(shù)字式伺服系統(tǒng)用參數(shù)設(shè)定 （不是改變電位器阻值）調(diào)整電路狀態(tài)

4 主軸伺服系統(tǒng)的常見故障形式

4.1 當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，通常有三種表現(xiàn)形式

4.1.1 是在操作面板上用指示燈或CRT顯示報(bào)警信息；

4.1.2 是在主軸驅(qū)動(dòng)裝置上用指示燈或數(shù)碼管顯示故障狀態(tài)；

4.1.3 是主軸工作不正常，但無任何報(bào)警信息。

4.2 常見數(shù)控機(jī)床主軸伺服系統(tǒng)的故障有以下幾種

4.2.1 外界干擾

故障現(xiàn)象：主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)無規(guī)律性的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。

原因分析：主軸伺服系統(tǒng)受電磁、供電線路或信號傳輸干擾的影響，主軸速度指令信號或反饋信號受到干擾，主軸伺服系統(tǒng)誤動(dòng)作。

檢查方法：令主軸轉(zhuǎn)速指令信號為零，調(diào)整零速平衡電位計(jì)或漂移補(bǔ)償量參數(shù)值，觀察是否因系統(tǒng)參數(shù)變化引起的故障。若調(diào)整后仍不能消除該故障，則多為外界干擾信號引起主軸伺服系統(tǒng)誤動(dòng)作。

采取措施：電源進(jìn)線端加裝電源凈化裝置，動(dòng)力線和信號線分開，布線要合理，信號線和反饋線按要求屏蔽，接地線要可靠。

4.2.2 主軸過載

故障現(xiàn)象：主軸電動(dòng)機(jī)過熱、CNC裝置和主軸驅(qū)動(dòng)裝置顯示過電流報(bào)警等。

原因分析：主軸電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)不良、動(dòng)力連線接觸不良、機(jī)床切削用量過大、主軸頻繁正、反轉(zhuǎn)等引起電流增加，電能以熱能的形式散發(fā)出來，主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和CNC裝置通過檢測，顯示過載報(bào)警。

檢查方法：根據(jù)CNC和主軸驅(qū)動(dòng)裝置提示報(bào)警信息，檢查可能引起故障的各種因素。

采取措施：保持主軸電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)良好，保持過濾網(wǎng)清潔；檢查動(dòng)力接線端子接觸情況；正確使用和操作機(jī)床，避免超載。

4.2.3 主軸定位抖動(dòng)

故障現(xiàn)象：主軸在正常加工時(shí)沒有問題，僅在定位時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。

原因分析：主軸定位一般分機(jī)械、電氣和編碼器3種準(zhǔn)停定位，當(dāng)定位機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)不到位，檢測裝置信息有誤會(huì)時(shí)產(chǎn)生抖動(dòng)。另外主軸定位要有一個(gè)減速過程，如果減速或增益等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，也會(huì)引起故障。

檢查方法：根據(jù)主軸定位的方式，主要檢查各定位、減速檢測元件的工作狀況和安裝固定情況，如限位開關(guān)、接近開關(guān)、霍爾元件等。

采取措施：保證定位執(zhí)行元件運(yùn)轉(zhuǎn)靈活，檢測元件穩(wěn)定可靠。

4.2.4 主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配

故障現(xiàn)象：當(dāng)進(jìn)行螺紋切削、剛性攻牙或要求主軸與進(jìn)給同步配合的加工時(shí)，出現(xiàn)進(jìn)給停止主軸仍繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，或加工螺紋零件出現(xiàn)亂牙現(xiàn)象。

原因分析：當(dāng)主軸與進(jìn)給同步配合加工時(shí)，要依靠主軸上的脈沖編碼器檢測反饋信息，若脈沖編碼器或連接電纜線有問題，會(huì)引起上述故障。

檢查方法：通過調(diào)用I/0狀態(tài)數(shù)據(jù)，觀察編碼器信號線的通斷狀態(tài)；取消主軸與進(jìn)給同步配合，用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令來執(zhí)行程序，可判斷故障是否與編碼器有關(guān)。

采取措施：更換維修編碼器，檢查電纜線接線情況，特別注意信號線的抗干擾措施。

4.2.5 轉(zhuǎn)速偏離指令值

故障現(xiàn)象：實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速值超過技術(shù)要求規(guī)定指令值的范圍。

原因分析：

（1）電動(dòng)機(jī)負(fù)載過大，引起轉(zhuǎn)速降低，或低速極限值設(shè)定太小，造成主軸電動(dòng)機(jī)過載；

（2）測速反饋信號變化，引起速度控制單元輸入變化；

（3）主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障，導(dǎo)致速度控制單元錯(cuò)誤輸出；

（4）CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量（±10V）沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令相對應(yīng)的值。

檢查方法：

（1）空載運(yùn)轉(zhuǎn)主軸，檢測比較實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速值與指令值，判斷故障是否由負(fù)載過大引起；

（2）檢查測速反饋裝置及電纜線，調(diào)節(jié)速度反饋量的大小，使實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到指令值；

（3）用備件替換法判斷驅(qū)動(dòng)裝置故障部位；

（4）檢查信號電纜線連接情況，調(diào)整有關(guān)參數(shù)使CNC系統(tǒng)輸出的模擬量與轉(zhuǎn)速指令值相對應(yīng)。

采取措施：更換維修損壞的部件，調(diào)整相關(guān)的參數(shù)。

4.2.6 主軸振動(dòng)或噪聲太大

首先要區(qū)別噪聲及振動(dòng)發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是電氣部分。

檢查方法：

（1）在減速過程中發(fā)生，一般是由驅(qū)動(dòng)裝置造成的，如交流驅(qū)動(dòng)中的再生回路故障。

（2）在恒轉(zhuǎn)速時(shí)，可通過觀察主軸電動(dòng)機(jī)自由停車過程中是否有噪聲和振動(dòng)來區(qū)別，如存在，則主軸機(jī)械部分有問題。

（3）檢查振動(dòng)的周期是否與轉(zhuǎn)速有關(guān)，如無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動(dòng)裝置未調(diào)整好；如有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否良好，測速裝置是否不良。

電氣方面的原因：

（1）電源缺相或電源電壓不正常。

（2）控制單元上的電源開關(guān)設(shè)定（50/60Hz切換）錯(cuò)誤。

（3）伺服單元上的增益電路和顫抖電路調(diào)整不好（或設(shè)置不當(dāng)）

（4）電流反饋回路未調(diào)整好。

（5）三相輸入的相序不對。

機(jī)械方面的原因：

（1）主軸箱與床身的連接螺釘松動(dòng)。

（2）軸承預(yù)緊力不夠或預(yù)緊螺釘松動(dòng)，游隙過大，使之產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，應(yīng)重新調(diào)查。

（3）軸承損壞，應(yīng)更換軸承。

（4）主軸部件上動(dòng)平衡不好，應(yīng)重新調(diào)整動(dòng)平衡。

（5）齒輪有嚴(yán)重?fù)p傷，或此輪嚙合間隙過大，應(yīng)更換此輪或調(diào)整嚙合間隙。

（6）潤滑不良，因油不足，應(yīng)改善潤滑條件，使?jié)櫥统渥恪?/p>

（7）主軸與主軸電機(jī)的連接皮帶過緊，應(yīng)移動(dòng)電機(jī)座調(diào)整皮帶使松緊度合適。

（8）連接主軸與電機(jī)的連軸器故障。

（9）主軸負(fù)荷太大。

4.2.7 主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)

CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動(dòng)裝置一般有速度控制模擬量信號和使能控制信號，主軸電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)應(yīng)重點(diǎn)圍繞著兩個(gè)信號進(jìn)行檢查。

電氣系統(tǒng)原因：

（1）檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出

（2）檢查使能信號是否接通:

通過CNC顯示器觀察I/O狀 態(tài);分析機(jī)床PLC梯形圖（或流程圖），以確定主軸的啟動(dòng)條件，如潤滑、冷卻 等是否滿足。

（3）主軸電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線斷裂或主軸控制單元連接不良。

（4）機(jī)床負(fù)載過大。

（5）主軸驅(qū)動(dòng)裝置故障。

（6）主軸電機(jī)故障。

機(jī)械故障原因：

機(jī)械方面，主軸不轉(zhuǎn)常發(fā)生在強(qiáng)力切削下，可能原因有:

（1）主軸與電機(jī)連接皮帶過松或皮帶表面有油，造成打滑。

（2）主軸中的拉桿未拉緊夾持刀具的拉釘。（在車床上就是卡盤未夾緊工件）

［1］葛金印.數(shù)控設(shè)備管理和維護(hù)技術(shù)基礎(chǔ).由高等教育出版社.

［2］鄧三鵬.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修.由機(jī)械工業(yè)出版社.