数控机床伺服系统常见故障的诊断及其处理1

数控机床伺服系统常见故障的诊断与处理摘要: 数控机床的伺服系统是机床主体和数控装置CNC 的联系环节, 是数控机床的重要组成部分,数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣; 本文通过给出伺服系统常见的各类故障及排除方法,说明伺服系统的故障诊断及定位是数控机床维修的关键。关键词: 伺服系统; 伺服电机; 故障; 维修统计资料表明, 数控机床故障一般都具有“浴盆”曲线所描述的寿命特性, 如图1 所示。T1 称为早期故障期, 故障率曲线为递减型。早期故障是指机床使用初期, 由于设计或生产等原因引起的故障, 在这段时间内, 机械处于磨合阶段, 机械零件或电子元器件经受不了初朗的考验而损坏, 所以故障发生的频率相对来讲要高一些。而当早期故障被有效地排除后, 产品运转便逐渐正常, 故障率趋于稳定, 到T2 故障率曲线已开始变平, T 2 称为偶然故障期, 故障率近似为一常数。T3 称为耗损故障期, 故障率曲线为递增型。耗损故障是通过事前检测或监测可预测到的故障, 是由于机床的性能随时间增加而逐渐衰退引起的, 耗损故障可以通过预防维修, 防止故障, 延长寿命, 或在将到耗损期前及时更新以保证机床的使用寿命。 一、 数控机床故障分类及伺服系统的地位数控机床故障按其性质分，可分为硬件故障、软件故障和干扰故障口。硬件故障主要是由C N C 电子元器件，润滑系统、换刀系统、限位机构和机床本体产生。软件故障是指程序编制错误， 机床操作失误，参数设定不准确。干扰故障是指由于系统工艺、线路设计电源地线配置不当及工作环境的恶劣变化而产生的。一直以来都是由数控系统中自诊断功能检测、报警这些故障中的一部分故障。 伺服系统在数控机床设备中具有重要的地位。在数控机床中, 伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令, 经变换、调整与放大后, 由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等, 带动工作台及刀架, 通过多轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动, 从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。数控机床进给伺服系统由进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链组成（机构形式如图一所示），其作用是实现各坐标轴的位置控制。在数控机床使用过程中, 进给伺服系统比较容易发生故障, 因此, 做好伺服系统的故障诊断和处理工作, 是数控机床维修和维护的关键。下面将结合实际工作中数控机床的故障现象, 对伺服系统常见故障形式及诊断方法进行探讨。二、伺服系统的常见故障原因及排除方法根据进给伺服系统的结构与分类, 主要从3种伺服系统的各部件分析常见的故障原因并给出排除方法。1、 开环步进电动机进给伺服系统常见故障及排除方法( 1) 驱动器故障报警现象。故障原因可能是机床现场无大地或是静电放电(工作环境差)。排除方法是将电气柜中的保护导体与大地连接。( 2) 高速时步进电动机堵转现象。故障原因是传动系统设计存在问题, 步进电动机选择不合理。排除方法是降低最高转速, 或者更换大转矩步进电动机。( 3) 某坐标的重复定位精度不稳定(时大时小)现象。故障原因是机械装配存在问题, 如丝杠螺母安装不正, 造成运动部件的装配应力。排除方法是重新安装丝杠螺母。2、直流进给伺服系统的常见故障及排除方法直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型, 又分晶闸管调速方式(简称为SCR速度控制系统) 和晶体管脉宽调制调速方式(简称PWM 速度控制系统) 两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制, 因此, 在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。直流伺服电动机必须定期检查。直流伺服电动机带有数对电刷, 电动机旋转时, 电刷与换向器摩擦而逐渐磨损, 需要更换新电刷, 更换新电刷后必须使电动机空载运行一段时间, 以使电刷表面和换向器表面相吻合。晶闸管整流方式速度控制系统的故障是直流进给伺服系统的最常见故障。( 1) 速度过高。引起速度过高的原因有: 测速部件接成正反馈; 柔性连轴器损坏; 位置控制板发生故障。( 2) 在启动、运动过程中或在加速/减速时机床运动轴发生爬行故障。引起原因有: 柔性连轴器损坏; 脉冲编码器或测速发电机不良; 电动机电枢绕组内部短路; 速度控制单元不良; 外来噪声干扰; 伺服系统不稳定。( 3) 超调。伺服系统增益不够是造成系统超调的原因之一。主要解决措施是: 提高速度控制单元印制线路板上可调电位器的值, 也可适当减小位置增益环。另外, 改善电动机和机械进给轴之间的刚度, 也可解决系统超调。( 4) 单脉冲进给时加工精度太差。产生这种现象的原因有两种: 1. 机械松动, 如果电动机能准确定位, 而机械最终定位精度差, 则应重新调整机械;2. 伺服系统增益不够, 这时需要增加可调电位器的值。( 5) 低速波动。造成低速波动的原因可能是伺服系统不稳定, 也可能是机械惯性过大。( 6) 圆弧切削时加工表面出现波纹。出现波纹原因有: 伺服系统增益不足和机械松动。3、 交流进给伺服系统故障及排除方法交流伺服系统一般均采用PWM 调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路, 并按其指令信号与控制型式, 分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统, 而目前使用的交流伺服系统通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。交流伺服电动机采用全封闭和无刷的结构形式,使电动机不需维修。( 1) 交流伺服电动机的常见故障1. 转子位置检测装置故障。当霍尔开关或光电脉冲编码器发生故障时, 会引起电动机失控, 进给有振动。可以采用交换法检测位置编码器。2. 电磁制动故障。对于带电磁制动的伺服电动机, 当电磁制动器出现故障时, 会出现通电不松开、断电不制动的现象。( 2) 交流伺服系统常见故障及原因1. 由于伺服电动机过载引起系统报警的原因: 电动机负载过大; 速度控制单元的热继电器设定错误(小于电动机额定电流); 伺服变压器热敏开关不良;再生反馈能量过大; 速度控制单元印制电路板上设定错误。2.由于移动误差过大引起系统报警的原因: 数控系统位置偏差量设定错误; 伺服系统超调; 电源电压过低; 位置控制部分或速度控制单元不良; 电动机输出功率太小或负载太大。三、总结通过分析研究，利用上述方法可以有效地解决数控机床伺服系统出现的故障，大大地提高了数控机床的使用效率。数控机床伺服系统故障诊断与定位是数控机床维修的关键, 高性能的伺服系统使数控机床更有效、更灵活地用于加工作业。参考文献1. 钱平. 伺服系统M . 北京: 机械工业出版社, 2005.2. 汪光远. 数控机床伺