数控机床进给伺服系统的典型故障及诊断

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摘要：数控机床是典型机电一体化产品，故障出现的种类和原因很多，其中进给伺服系统故障所占比重较大，文中主要以典型的进给伺服系统故障为例，总结、分析引起伺服系统故障的原因，并提出解决的思路和办法。

Abstract: NC machine is typical mechatronics product. Its fault types and causes are many. Especially the fault of feed servo system accounts for a large proportion. The article analyzed the typical fault of feed servo system, and summarized the causes and proposed resolutions.

关键词：伺服系统；闭环；反馈

Key words: servo systems；closed loop；feedback

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0036-01

0 引言

近年来，随着我国制造业规模的不断扩大，数控机床应用越来越广，而机床故障诊断与排除工作也日益成为从业人员的主要工作内容之一。数控机床是典型的机、电、液、光、计算机一体化的产品，故障种类和出现故障的原因复杂多变，其中又以进给伺服系统的故障相对较多。故本文以典型的进给伺服系统故障为例，总结、分析引起伺服系统故障的原因，并提出解决的思路和办法。

1 数控机床进给伺服系统的工作原理

数控机床所采用进给伺服系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制、以及混合控制。控制原理框图如下。

从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电机、检测元件、机械传动部件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，人们平时习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。

按照伺服进给系统使用的伺服电动机的类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分为起直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。20世纪70年代至80年代的数控机床一般采用直流伺驱动；从90年代初期起，半闭环、闭环的数控机床上多采用交流伺服驱动。

2 进给伺服系统典型的故障现象及诊断

数控机床进给伺服系统包含的环节多，是数控机床故障发生率较高的部分，但总结起来，常见的进给伺服故障有以下几种：

2.1 过载 通常当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链不良或楔铁、导轨有研伤，电机动力线接地等原因时，均会引起伺服电机电流大，电机温度过高或电机过载报警。有时机床运行的过程中驱动控制单元、驱动元件、电机本身故障也会引起过载报警。一般会在数控系统的显示器上或者进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过热、过载、过电流等信息。

2.2 超程 当进给运动超过由软件设定的软限位或者硬限位开关位置时，就会发生超程报警，一般会在数控系统的显示器上显示报警内容。若报警显示硬超程，则根据数控系统的说明书及电气原理图，确认数控机床回参考点的方式，进而确认减速行程开关是否失效、编码器是否正常、电机与丝杠连接的联轴器是否工作正常，从而解除超程。若是软超程，则进入数控系统修改软超程参数设置，使之生效后即可解除超程报警。

2.3 爬行 所谓爬行，是指运动部件周而复始的忽停忽跳、忽慢忽快的运动现象。一般在起动加速段或低速进给时，机床产生爬行现象。爬行出现的原因主要是机械部分故障，如伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步；或者是导轨副运动出现问题（是否有杂质或异物堵塞）。其次是由于进给传动链的状态不良、伺服系统增益低或者外加负载过大等因素也会导致爬行。

2.4 振动 在进给（尤其是低速）时，机床某轴出现振动现象通常是由于测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰；接线端子接触不良，如螺钉松动等。当振动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以首先应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。

2.5 伺服电动机不转 数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V直流电压。伺服电动机不转，首先检查数控系统是否有速度控制信号输出；检查使能信号是否接通。通过数控系统的显示器观察I/O状态，分析机床的PLC梯形图（或流程图）以确定进给轴的起动条件，如、冷却等是否满足；对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；检查进给驱动单元故障，伺服电动机是否故障。

2.6 位置误差过大 当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。产生这种故障的主要原因有：系统设定的允许范围小；伺服系统增益设置不当；位置检测装置有污染或调整不当；进给传动链累积误差过大：主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳。

2.7 失动量 机械传动部件的间隙与松动在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构外，对加工和装配必须进行严查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。

3 结语

数控机床所使用的进给系统种有直流调速系统和交流伺服系统两大类。目前交流伺服系统应用的比较广泛，主要有FANUC、FAGOR、SIEMENS、NUM、安川等厂家生产的交流伺服系统。对于不同的伺服系统，虽然其故障时，系统的显示的状态及报警号不同，但其工作的原理基本相同，维修方法有很多相通之处。作为一名设备维修工作者，应多学、多看、常总结，这样才能通过科学的方法，行之有效的措施，迅速判别故障发生的原因，解决出现的问题，保证数控机床安全、可靠运行，提高设备使用率。