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摘要: 针对数控机床中伺服系统的故障形式、诊断及维护的简单阐述。
关键词: 数控机床 ；伺服系统 ；故障 ；诊断
Abstract：The article will indicates the opinions of form of failure 、diagnose and maintenance about servo system in numerical control machine。
Keywords: Numerical control machine ； Servo system ； Failure ； Diagnose
1．伺服系统的组成及工作原理
1.1伺服系统的概念
在自动控制系统中输出量以一定规律跟随输入量的变化而变化的系统称之为随动系统，亦称伺服系统（伺服是英文“SERVO”的谐音）。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制量的自动控制系统。它主要是控制机床的进给运动，一般有X、Y、Z三个坐标方向和主轴转速。
1.2伺服系统的作用
接受来自数控装置（CNC）的速度和位置指令信号，经过伺服驱动电路作一定的转换和放大后，通过伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床执行元件跟随指令脉冲运动，实现预期的快速﹑准确的运动和进给。
1.3伺服系统的组成
数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测系统。
1.4伺服系统的工作原理
伺服系统是一种反馈控制系统。按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作用下被控对象输出量的变化，并用其与指令值之间的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。因此，伺服系统的运动来源于偏差信号，其工作过程是一个偏差不断产生又不断消除的动态过渡过程。
伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能和加工精度。数控机床的最大移动速度、跟踪精度、定位精度及重复定位精度等重要技术指标均直接取决于伺服系统的动、静态性能。因而，保障伺服系统的正常运行是数控机床维护中的关键。
2．主轴伺服系统的故障形式及诊断方法
数控机床对主轴要求在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。如日立公司的H.MARK-20D数控钻床，要求主轴转速的调节范围为20KRPM~120KRPM，以满足加工不同孔径的PCB的需求。
主轴伺服系统发生故障的表现形式有：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用LED或数码管显示驱动装置的故障代码；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障及诊断：
2.1环境干扰
当屏蔽或接地不良，主轴转速指令信号或反馈信号受外部环境的电磁干扰，使主轴驱动出现无规律性的波动。判别方法：设定主轴转速指令为零，若主轴仍有转速，而调零速平衡和飘移补偿无效。
2.2过载
切削用量过大，负载转矩超过最大值都可能引起主轴伺服过载报警。一般表现为主轴电动机过热﹑变频器（对交流主轴驱动而言）显示过流报警﹑保险丝熔断等。如一台日立H.MARK-10D数控钻床，由于一支钻头其柄直径偏差较大，在工作过程中，钻头下落，直至刀柄切入PCB中无切削刃切削，导致主轴负载陡然上升，继而CRT显示主轴伺服过载信息，检查发现该轴保险丝已熔断。
2.3主轴转速与进给不匹配
主轴转速与进给不匹配时，在切削过程中很容易折断刀具。判定故障点的方法：
1)参考CRT显示的报警信息。2)查看机床数据参数或I/O状态。
2.4转速偏离指令值
主轴转速不在正常范围时，可能的因素有：1)电机故障。2)CNC系统输出的转速模拟信号（一般为0~10V）与指令值不符。3)测速装置有故障或速度反馈信号断线。4)主轴驱动装置故障。例：一台MARK-7数控钻、铣两用机床开机自检，CRT显示转速没有归零。查看测速装置LED指示与CRT显示报警信息一致，经检测为测速装置有故障，更换后故障解除。
2.5主轴异常噪声及振动
1)在减速过程中发生，一般由于驱动装置造成的。如交流驱动中的再生回路故障。
2)在恒转速时产生，观察主轴电机自由停车过程中有否异常，如仍存在，则主轴机械部分有问题。
3)查看振动频率与转速是否有关。有，一般是机械部分或测速装置不良；无，应检查主轴驱动装置是否调整好。例：一台日立H.MARK-10D数控钻床有一个主轴在钻孔过程中频繁断钻头。检修时发现此轴在加上转速后有异常噪声，实测转速较给定值小，自由停车时间比较其它主轴明显的要短。此主轴电机轴承为气浮结构，考虑到使用时间已较长，可能气浮部分有问题。拆开主轴查看，果然是气浮轴承有些气孔被堵塞，气浮作用力不均匀，转子运转失衡导致电机产生故障。
2.6主轴电机不转
CNC系统主轴驱动装置除了转速模拟控制信号外还有使能控制信号（一般为直流24V电压控制使能继电器线圈）。
1)确定CNC系统是否有速度控制信号输出。
2)检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态以确定主轴的启动条件如气压﹑冷却﹑主轴选择等是否满足。
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3)主轴驱动装置﹑变频器故障。
4)主轴电动机故障。一般为轴承损坏。
3．进给伺服系统的故障形式及诊断方法
3.1进给伺服系统常见的故障有：
3.1.1超程
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警。此时上显示报警内容或报警信息，参考操作说明即可排除故障。
3.1.2过载
当进给运动的负载过大，频繁正反的运动以及进给传动链润滑状态不良时均会引起过载报警。一般会在CRT上显示过载或过流等报警信息，在进给驱动单元上也会通过LED给出相应提示。例：一台日立H.MARK-10D数控钻床在做检测钻头参数的动作时死机，片刻后CRT显示Z轴伺服驱动器过载。经仔细观察发现，在机器做检测钻头参数的动作时，主轴压力脚碰到了工作台上新换的托板（尺寸有偏差），致使检测动作不到位，伺服电动机驱动受阻，相持一段时间后，伺服驱动器过载报警。
3.1.3窜动
在进给时窜动：
1)测速信号不稳定。如测速装置故障。
2)速度控制信号不稳定或受到干扰。
3)接线端子接触不良。如螺钉松动﹑接线折断等。发生在正反向换向瞬间，则可能是由于传动链有间隙或伺服系统增益过大导致。
3.1.4爬行
发生在加减速进给时 ，一般是由于传动链润滑状态不良，伺服增益过低及外加负载过大等因素所致。
3.1.5振动
观测振动周期是否与进给速度有关。
1)有关，与该轴的速度增益太高或速度反馈故障有关。
2)无关，与位置环增益太高或位置反馈故障有关。
3)只在加减速中产生，往往是加速度过大造成的。
3.1.6伺服电机不转
与主轴电机不转故障诊断要点及方法类似，可参考检查。
3.1.7位置误差
1)伺服系统增益设置不当。2)位置检测装置有污染。3)进给传动链累积误差大（对半闭环而言）。
3.1.8漂移
通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除。
3.1.9回零参考点故障。
1)位置检测装置损坏、污染或松动。
2)伺服系统增益设置不当。例：一台Drill 95钻机开机后，在执行回零参考点时，X轴方向工作台失控，直致超程触碰限位开关后制动。该机在坐标轴上采用光栅尺作位置检测装置。在目检扫描头时发现没有常见的光亮射出，故初步判断为扫描头内灯泡损坏。拆下灯泡测量，灯丝已熔断，更换同规格灯泡后试机正常。
3.2故障定位
当伺服系统出现故障时，为了快速定位故障的部位，可以采用如下方法：
3.2.1模块交换法
数控机床有些进给轴的驱动单元具有相同的当量，如日立钻机X、Y轴的驱动单元是一样的。当其中的某一单元发生故障时，可以用另外一个轴的来替代，观察故障的转移情况，快速确定故障的部位。
3.2.2外接参考电压法
当某一个轴在进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。以Drill 95机Z轴伺服电动机为例：正常情况下，外加参考电压的大小控制伺服电机的转速，其正负则决定电机的旋转方向,由此可以判断驱动装置和伺服电机是否正常，进而判定故障部位。
4．位置检测装置的故障形式及诊断方法
4.1用于位置检测的几种常见传感器及维护
4.1.1光栅
由于光栅尺直接安装在工作台和机床床身上，因此极易受到切削产生的碎屑，油污和环境中粉尘的污染，造成测量信号不准，影响位置控制精度，所以光栅尺的维护重在防污，宜经常用镜头纸或脱脂棉蘸无水酒精轻轻擦除扫描头与光栅上的污物并尽可能保持清洁。另外，在拆换光栅尺时，严禁碰撞，敲击以免损坏光学元件。
4.1.2光电脉冲编码器
编码器是精密测量器件，使用和拆换时也要注意防污和防振。编码器内的紧固件易受振动而松动脱落，造成故障。例：因编码器与丝杆的联轴器松动，一台ACCU-SCORE数控V槽机刀具位置控制精度严重超差，导致或PCB切割V槽余厚过大或前后刀碰撞损坏。
4.1.3感应同步器
对感应同步器的维护需要注意：必须保持定尺和滑尺相对平行，定尺固定螺栓不超过尺面，调整间隙在0.1mm左右；接线时要分清滑尺的正、余弦绕组并分别接入励磁电压。
4.1.4其它的传感器
其它的传感器还有磁栅尺、旋转变压器、码盘、激光式传感器、电容式传感器、电位器式传感器等。目前用于闭环控制的位置检测元件多用直线位移传感器，如光栅尺；用于半闭环控制的位置检测元件多用角位移传感器，如光电脉冲编码器。对于闭环控制的伺服系统，位置检测元件的精度直接影响到机床的位置精度。
4.2一般故障形式
4.2.1轮廓误差超差报警。
运动中的轴实际位置超出机床参数预设的允差值。
4.2.2静态误差超差报警。
机床坐标轴定位时的实际位置与给定位置之差超出机床参数预设的允差值。
4.2.3测量装置监控报警。
位置检测装置硬件发生故障。
4.3故障诊断
当出现位置环开环报警时，将测量装置与CNC系统的接口板连接器，断开短接报警信号，即假定测量装置正常。此时合上系统电源，根据报警是否再现便可迅速判断出故障的大致部位。若问题出现在测量装置，则可采用类似方法将故障定位在光栅尺或EXE脉冲整形电路上。
参考文献：
[1]《机电一体化设计基础》 郑堤 唐可洪主编 机械工业出版社 1997
[2]《机电一体化系统设计》 高钟毓主编 机械工业出版社 1997
[3]《现代数控机床故障诊断及维修》 任建平主编 国防工业出版社 2002
论文作者:程军徽
论文发表刊物:《防护工程》2017年第19期
论文发表时间:2017/12/12
标签：主轴论文; 故障论文; 装置论文; 转速论文; 伺服系统论文; 位置论文; 信号论文; 《防护工程》2017年第19期论文;