1.伺服系統(tǒng)概念

在自動控制系統(tǒng)中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化系統(tǒng)稱之為隨動系統(tǒng)，既稱伺服系統(tǒng)或拖動系統(tǒng)，數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是指機床移動部件的位移和速度作為控制量的自動控制系統(tǒng)。

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)是機床主機和數(shù)控裝置(CNC)的聯(lián)系環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部件，是關(guān)鍵部件，故稱伺服系統(tǒng)為數(shù)控機床的三大組成部分之一。

1.1 伺服系統(tǒng)的作用

伺服系統(tǒng)接受來自數(shù)控裝置(CNC)的指令信號，經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，驅(qū)動機床執(zhí)行件跟隨指令脈沖運動，實現(xiàn)預(yù)期的運動，并保證動作快速和準確。

1.2 伺服系統(tǒng)的組成

數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動單元，驅(qū)動元件，機械傳動部件執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成，驅(qū)動控制單元和驅(qū)動元件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機械轉(zhuǎn)動部件和執(zhí)行元件組成機械傳動系統(tǒng)檢測元件與反饋電路組成檢測裝置，稱為檢測系統(tǒng)。如圖1所示。

圖1 伺服系統(tǒng)的組成

圖2 閉環(huán)伺服系統(tǒng)的反饋控制

2.伺服系統(tǒng)的工作原理

伺服系統(tǒng)是一種反饋系統(tǒng)，它以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調(diào)量進行比較，利用比較后產(chǎn)生的偏差值對系統(tǒng)進行自動調(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)的運動來源于偏差信號，必須具有反饋回路，始終處于過渡過程狀態(tài)。在運動過程中實現(xiàn)了力的放大，伺服系統(tǒng)必須有一個不斷輸入能量的能源，外加負載可視為系統(tǒng)的擾動輸入。

2.1 伺服系統(tǒng)的分類及特征

伺服系統(tǒng)是一個位置隨動系統(tǒng)，按有無位置檢測和反饋有以下三種；(1)開環(huán)伺服系統(tǒng)(2)半閉環(huán)伺服系統(tǒng)(3)閉環(huán)伺服系統(tǒng)，當前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)大多數(shù)是閉環(huán)伺服系統(tǒng)，將檢測裝置在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統(tǒng)稱為閉環(huán)伺服系統(tǒng)，閉環(huán)伺服系統(tǒng)可以消除機械傳動機構(gòu)的全部誤差，而半閉環(huán)伺服系統(tǒng)智能補償部分誤差，因此，半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度要低一些。由于采用了位置檢測，所以閉環(huán)進給系統(tǒng)的位置精度在其他因素確定之后，主要取決測量長量的分辨率和精度、閉環(huán)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)因為采用了位置測量裝置，所以在結(jié)構(gòu)上較開環(huán)伺服系統(tǒng)復(fù)雜，另外由于機械傳動機構(gòu)部分包含在系統(tǒng)之內(nèi)，機械傳動機構(gòu)的固有頻率，阻尼，間隙等將成為系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素。因此閉環(huán)伺服系統(tǒng)的特征是精度高，系統(tǒng)不穩(wěn)定。

2.2 數(shù)控機床位置伺服的閉環(huán)系統(tǒng)

閉環(huán)系統(tǒng)是數(shù)控機床上常用的伺服系統(tǒng)，因為開環(huán)系統(tǒng)的精度還不能很好地滿足機床的要求，為了保證精度，在精密機床或大型機床上就必須采用閉環(huán)系統(tǒng)。

閉環(huán)伺服系統(tǒng)是誤差控制隨動系統(tǒng)，如圖2所示。數(shù)控機床進給系統(tǒng)的誤差是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環(huán)系統(tǒng)的運動執(zhí)行元件（伺服電機）不能反映運動位置，故需要有位置檢測裝置。該裝置測出實際位移量或者所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，接著與指令值進行比較求得誤差。將此誤差信號進行放大，控制伺服電機帶動機床工作臺移動，并向著消除誤差的方向進給，直到誤差等于0為止。

由于閉環(huán)伺服系統(tǒng)是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，所以系統(tǒng)傳動鏈的誤差、環(huán)內(nèi)各元件的誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，從而大大地提高了跟隨精度和定位精度。目前閉環(huán)伺服系統(tǒng)的分辨率多數(shù)為1ūm，定位精度可達±0.01-±0.005mm；高精度系統(tǒng)的分辨率可達0.1ūm，閉環(huán)系統(tǒng)的特點是精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)試維護較難，故一般用于傳動部件精度較高、性能穩(wěn)定、使用過程中溫度變化不大的精密數(shù)控機床。

3.數(shù)控維修實踐中的典型案例

通過對數(shù)控機床閉環(huán)伺服系統(tǒng)工作原理的分析，使我們在維修過程中思路明確，如閉環(huán)伺服系統(tǒng)方面的故障有：數(shù)控系統(tǒng)指令沒發(fā)出去；伺服控制板（軸卡）有問題；伺服功率模塊）有問題；執(zhí)行元件伺服電機故障；檢測元件編碼器、光柵尺、讀數(shù)頭臟污或接觸不良；某處連接電纜線斷線或接觸不良或?qū)Φ囟搪?；機械部件卡死等。

3.1 位置檢測元件故障

例如：一臺采用FANUCOITB數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控臥車，每次開機X軸回參考點后，零點機械位置都有0.5mm-1.5mm的誤差，該設(shè)備是全閉環(huán)控制，光柵尺為海德漢LS476，增量型，回參考點固定位置，在X軸零點端壓上百分表，每次回零后觀察百分表確實有誤差，從診斷302號（從擋塊脫離的位置到第一個柵格信號位置的距離）內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)看也有變化，正常情況下診斷302號內(nèi)的數(shù)據(jù)應(yīng)該在每次回零后是固定不變的，檢查回零減速開關(guān)，沒有松動，檢測X軸機械傳動單元，也是正常的，沒有間隙。修改參數(shù)將X軸改為半閉環(huán)控制，開機回零后，發(fā)現(xiàn)診斷302號的數(shù)據(jù)不變，懷疑光柵尺有問題，把光柵尺拆下檢測發(fā)現(xiàn)動尺的讀數(shù)頭內(nèi)有冷卻液，線路板有短路發(fā)黑的痕跡，重新更換讀數(shù)頭后，機床正?；亓?。

3.2 維修中的“一題多解”

在維修實踐中，一些數(shù)控機床的發(fā)生故障原因不同，但數(shù)控系統(tǒng)顯示屏上報警信息是一樣的，這需要認真總結(jié)，舉一反三，以數(shù)控理論為基礎(chǔ)，總結(jié)實踐經(jīng)驗，提高診斷維修數(shù)控設(shè)備的準確性。例如：“一題”，相同報警信息如下：

(1)2502011 AXIS%1 drive fauit

軸伺服驅(qū)動錯誤

(2)300308 CHANNEL%1 AXIS%2VDISIGNAK SERVO ENABLE RESET DURING MOTION

通道1軸VDI伺服使能信號被復(fù)位

(3)31612 AXIS%1 drive %2 speed controller at limit

軸驅(qū)動速度被限制

但機床發(fā)生故障的部位不同：

“一解”伺服電機相同輕微短路

藍天五坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是MIEMENS840D，A軸與U軸是帶動工作臺旋轉(zhuǎn)的兩個軸，當工作臺翻轉(zhuǎn)時A軸出現(xiàn)上述報警，對調(diào)A軸與U軸驅(qū)動，故障現(xiàn)象依舊，對調(diào)A軸與Y軸的連接電纜線報警依舊，在西門子840D系統(tǒng)中，在診斷頁面下，進入服務(wù)系統(tǒng)，觀察A軸與U軸電機的溫度，電流狀態(tài)，沒有發(fā)現(xiàn)問題，拆開擋板，用手摸A軸伺服電機時感覺有震動的現(xiàn)象，并伴隨輕微的響聲，經(jīng)專業(yè)廠家對A軸伺服電機進行檢測證明是電機三相有輕微短路，導(dǎo)致A軸轉(zhuǎn)動一會就會發(fā)出報警，維修A軸伺服電機后，故障排除。

“二解”旋轉(zhuǎn)軸機械卡住

FPT四坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是MIEMENS840D。工作臺轉(zhuǎn)動時即B軸偶爾出現(xiàn)上述報警，刪除報警，再轉(zhuǎn)B軸又正常了。后來B軸一運行就是出現(xiàn)上述報警，且B軸轉(zhuǎn)不動。檢查方法如下；更換B軸伺服模塊，故障沒有排除，證明B軸伺服模塊沒有問題，調(diào)出顯示屏內(nèi)診斷畫面，按“服務(wù)”軟件顯示，B軸電機負載大，溫度高，將B軸電機與轉(zhuǎn)臺脫開，B軸電機運行正常，下電后，機械盤轉(zhuǎn)臺，轉(zhuǎn)臺一點不動，斷定機械抱閘卡死，拆下轉(zhuǎn)臺后確定B軸抱閘一直處于夾緊狀態(tài)。

“三解”伺服通訊接口板（軸卡）損壞

日發(fā)四坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是MIEMENS840D，開機后，移動Y軸出現(xiàn)上述報警，將Y軸伺服模塊與X軸伺服模塊對調(diào)后，故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)移到X軸，說明發(fā)生故障的原因在Y軸伺服模塊中。再將Y軸伺服模塊中的通訊板即軸卡對調(diào)后，相同的故障出現(xiàn)在X軸上，由此斷定故障點在B軸伺服模塊中的通訊板上。

“四解”伺服功率模塊故障

SAIO8000四坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是MIEMENS840D。在運行中X軸突然出現(xiàn)上述報警，診斷方法，首先刪除報警，看“報警”是否被清除，如不能被清除，且X軸伺服模塊上顯示紅燈亮，首先應(yīng)該用相同型號的新伺服模塊替代X軸伺服模塊，故障排除，將故障點鎖定在X軸伺服模塊上，再用新的通訊板與X軸通訊板進行替換，結(jié)果故障還在，將新的功率模塊與X軸功率模塊進行替換，系統(tǒng)恢復(fù)正常運行。

“五解”設(shè)備旋轉(zhuǎn)軸反饋電纜接觸不好

青海一機四坐標加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是MIEMENS840D。該設(shè)備在加工環(huán)形零件過程中，且在工作臺轉(zhuǎn)動時，B軸突然出現(xiàn)上述報警，診斷方法，首先更換B軸伺服，即用替代法，排除B軸伺服模塊沒有故障。再看服務(wù)顯示屏內(nèi)B軸轉(zhuǎn)動時的負載及電機，沒有問題。按“復(fù)位”鍵，B軸上述報警即可刪除，有時B軸運轉(zhuǎn)正常，但沒有出現(xiàn)上述報警，懷疑的電纜線有問題，更換B軸位置反饋電纜線后，故障排除。

4.結(jié)束語

隨著數(shù)控機床被越來越多地應(yīng)用于制造業(yè)，如何快速診斷并排除故障，減少停機時間，已成為在數(shù)控機床使用過程中被普遍關(guān)注的問題。數(shù)控機床故障的診斷是維修的前提，也是重點和難點，機床出現(xiàn)故障能否迅速診斷出故障原因，及時排除故障，關(guān)鍵看故障診斷是否準確，能否診斷準確，能否抓住問題的實質(zhì)。在數(shù)控機床維修實踐中，各軸伺服板，電機機械部件，位置反饋元件在閉環(huán)伺服系統(tǒng)中出現(xiàn)故障幾率是占電氣故障中比例最大的，因此深入研究數(shù)控機床的閉環(huán)控制系統(tǒng)特點以及工作原理是數(shù)控機床維修工作的堅實基礎(chǔ)，歸納總結(jié)閉環(huán)控制系統(tǒng)的實踐維修經(jīng)驗，對數(shù)控機床維修工作有著現(xiàn)實深遠的意義。

[1]任建平主編.現(xiàn)代數(shù)控機床故障診斷及維修[M].國防工業(yè)出版社.

[2]孫偉主編.數(shù)控設(shè)備故障診斷與維修技術(shù)[M].國防工業(yè)出版社.

[3]牛志斌主編.圖解數(shù)控機床-西門子典型系統(tǒng)維修技巧[M].機械工業(yè)出版社.