数控机床进给伺服系统常见故障分析.doc

成都电子机械高等专科学校成教院毕业论文（分析） （数控机床进给伺服系统常见故障分析）摘 要本文阐述了数控机床进给伺服系统的工作原理、常见故障以及维修这些故障的常用方法。数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台(即工件)相对于刀具运动的控制系统。因而，它是实现数控机床加工目的的关键环节，也是数控机床故障的高发区域。数控机床常见故障有三分之一以上发生在机床的进给伺服系统。现将我在使用数控机床过程中经常遇到的进给伺服系统故障的分析和排除方法写于此，希望本文能在数控机床伺服系统维修的推广应用有所帮助。关键词：数控机床、进给伺服系统、原理、常见故障AbstractIn this paper, numerical control machine tool servo system works, common faults and maintenance of the common methods of these failures. CNC machine tool feed servo system is based on the position and speed of moving parts to control the amount received from the interpolation device or software-generated interpolation feed pulse command, after a certain amount of signal conversion and voltage, power amplification, detection feedback , and ultimately the machine table (ie the workpiece) relative to the tool movement control system. Thus, it is the purpose of the NC machine tool key, but also a high incidence of failure of CNC machine tool area.CNC machine tools more than one third of common faults in the machine tool feed servo system. Now Im using the process of CNC machine tool feed servo often encountered in system failure analysis and troubleshooting methods to write this, I hope this can be the maintenance of CNC machine tool servo system application help.Keywords: CNC machine tools、 feed servo system、 principle、 common faults目 录第一章 数控机床闭环进给伺服系统的构成及工作原理1第一节 构成1第二节 原理1第二章 数控机床进给伺服系统的故障的成因及排除方法2第一节 超程2第二节 过载2第三节 窜动2第四节 爬行2第五节 振动2第六节 伺服电机不转3第三章 伺服进给系统常见故障典型案例分析5第一节 发现Y轴有振动现象5第二节 轴在运动时速度不稳5第三节 系统出现伺服报警5第四节 X轴工作时出现异常6结束语8谢 辞9参考文献10第一章 数控机床闭环进给伺服系统的构成及工作原理第一节 构成数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行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装置，亦称检测系统。可参看下图：图1-1 数控机床闭环进给伺服系统第二节 原理伺服系统是一个反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置和速度控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。 在数控机床运行中进给伺服系统出现故障有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；三是运动不正常，但无任何报警。机床的操作及维修人员可以根据报警信息以及该机床进给伺服系统的工作原理查找原因，排除故障。在数控机床运行中进给伺服系统常出现故障有：超程，过载，窜动，爬行，振动，伺服电机不转，位置误差，漂移，回基准点故障等。第二章 数控机床进给伺服系统的故障的成因及排除方法第一节 超程 超程是机床厂家为机床设定的保护措施，一般有软件超程、硬件超程和急停保护三种，不同机床所采用的措施会有所区别。硬件超程为防止在回零之前手动误操作而设置，急停是最后一道防线，当硬件超程限位保护失败时它会起到保护作用，软件限位在建立机床坐标系后(机床回零后)生效，软件限位设置在硬件限位之内。超程的具体恢复方法，不同的系统有所区别，根据机床的说明书即可排除。第二节 过载当进给运动的负载过大、频繁正反向运动以及进给传动润滑状态和过载检测电路不良时，都会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流的报警，或电气柜的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过流信息。第三节 窜动在进给时出现窜动现象，即在切削过程中，进给谜度应均匀时，突然出现加速现象。产生的原因可能有：测速信号不稳定，如测速装置、测速反馈信号千扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰：接线端子接触不良，如螺丝松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动转换的瞬间时，一般是由进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。排除方法是逐一检查上述可能故障点，找到故障确定原因加以排除即可。第四节 爬行发生在起动加速段或低速进给时，虽然进给电机和丝杆是匀速旋转的，工作台却有可能是一快一慢或一跳一停地运动，这种现象叫做“爬行”现象。一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低以及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电机和滚珠丝杠连接用的联轴器，如连接松动或联轴器本身有缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。第五节 振动发生在起动加速段或低速进给时，虽然进给电机和丝杆是匀速旋转的，工作台却有可能是一快一慢或一跳一停地运动，这种现象叫做“爬行”现象。一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低以及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电机和滚珠丝杠连接用的联轴器，如连接松动或联轴器本身有缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。第六节 伺服电机不转数控系统至进给单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，使能信号是进给动作的前提，可参考具体系统的信号连接说明书。检查使能信号是否接通，通过PLC梯形图，分析轴使能的条件：检查数控系统是否发出速度控制信号；对带有电磁制动的伺服电动机应检查电磁制动是否释放；检查进给单元故障；检查伺服电机故障。目前，闭环或半闭环数控机床常用的伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机两种。直流伺服电机伺服系统要定期对电刷、换向器、测速电机(速度检测装置)电刷进行检查。检查要在数控机床断电，电机完全冷却的状态下进行，步骤如下：（一）取下橡胶刷帽，用螺丝刀拧下刷盖并取出电刷。 （二）测量电刷的长度，如FANUC直流电机的电刷由10mm磨损到5mm时，必须更换同型号的电刷。 （三）查电刷的弧形接触面是否有深沟或裂痕，电刷弹簧上有无打火痕迹，如果有，进一步检查电机换向器表面，并分析造成这种情况的原因，比如是电机工作条件恶劣，还是电机本身封闭不良。 （四）用洁净的压缩空气导入电刷的刷孔，吹净粘在孔壁上的电刷粉末，如果难以吹净，可以用螺丝刀刀尖轻轻清理，注意不要碰到换向器的表面。（五）重新装上电刷，拧紧刷盖。如果更换了新电刷，应使电机空运行一段时间，以使电刷表面和换向器表面相吻合。（六）检查测速电机时应卸下电机后盖，露出测速电机。 （七）检查测速电机电刷长度、连接是否牢固，检查铜头的表面积碳是否严重，如果严重，可使电机在低速时，用金相砂纸清理铜头积碳，之后用螺丝刀刀尖或其他类似工具将铜头槽内的积碳清理掉。交流伺服电机不存在电刷的维护问题，所以称之为免维护电机。但这并不是说交流伺服电机绝对不出故障。交流伺服电机常见故障有接线故障，转子位置检测元件故障，电磁制动故障等。交流电机故障判断方法有：1、电阻测量：用万用表测量电枢的电阻。看三相之间电阻是否一致，用兆欧表检测绝缘状况。2、电机检查：先将机械装置(比如丝杆)与电机脱开，用手转动电机转子，正常时感觉有一定得均匀阻力，如果旋转过程中，出现不均匀的阻力，应更换电机进行确认。第三章 伺服进给系统常见故障典型案例分析第一节 发现Y轴有振动现象（一）一台配套FANUC 7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：1、电动机负载过重；2、机械传动系统不良；3、位置环增益过高；4、伺服电动机不良，等等。维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。第二节 轴在运动时速度不稳一台配套FANUC 6ME系统的加工中心，轴在运动时速度不稳。由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。第三节 系统出现伺服报警一台数控铣床，采用FUNAC 6M系列三轴一体型伺服驱动器，开机后，X轴工作正常，但是手动移动Z轴，发现在较小范围内，Z轴可以运动，但继续移动Z轴，系统出现伺服报警。分析和处理过程：根据故障现象，检查机床实际工作情况，发现开机后Z轴可以少量运动，不久温度迅速上升，表面发烫。分析引起以上故障的原因，可能是机床电气控制系统故障或机械传动系统不良。为确定故障部位，考虑到本机床采用半闭环结构，维修时首先松开伺服与丝杠的连接，并再次开机实验，发现故障现象不变，故确认报警是由于电气控制系统不良引起。（一）由于机床Z轴伺服带有制动器，开机测量制动器的输入电压正常，在系统、驱动器关机的情况下，对制动器单独加入电源进行试验，手动转动Z轴，发现制动器松开，手动转动轴平稳、轻松，证明制动器工作良好。（二）为了进一步缩小故障部位，确认Z轴伺服的工作情况，维修时利用不同规格的 X轴在机床侧进行互换实验，发现换上的同样出现发热现象，且工作时故障现象不变，从而排除了伺服本身原因。（三）为了确认驱动器的工作情况，维修时在驱动器侧，对Z轴的驱动器进行互换实验，即将X轴驱动器与Z轴伺服链接，Z轴驱动器与X轴连接。经实验发现故障转移到X轴，Z轴工作恢复正常。根据以上实验，确认以下几点：1、机床机械传动系统正常，制动器工作良好；2、数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警；3、数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警；4、Z轴驱动器工作正常，因为通过X轴驱动器在电柜侧互换，控制Z轴后，同样发生故障。综合以上判断，可以确认故障是由于Z轴伺服的电缆连接引起的。仔细检查伺服的电缆连接，发现该机床在出厂时电枢线连接错误，即驱动器的L/M/N端子未与插头的 A/B/C连接端一一对应，相序存在错误，重新连接后，故障消失，Z轴可以正常工作。第四节 X轴工作时出现异常一台配套FUNAC 6ME系统的加工中心，X轴在静止时机床工作正常，无报警；但在X轴运动过程中，出现振动，伴有噪声。分析与处理过程：由于机床在X轴静止时机床工作正常，无报警，初步判定数控系统与驱动器无故障。考虑到X轴运动时定位正确，因此，进一步判定系统X位置环工作正常。检查X轴的振动情况，经观察发现，振动的频率与运动速度有关，运动速度快振动频率较高，运动速度慢则振动频率低，初步认为故障与速度反馈环节有关。分析引起以上故障可能的原因有：1、测速发电机不良；2、测速发电机连接不良；3、直流伺服电动机不良。维修时首先检查X轴伺服电动机的测速发电机连接，未发现不良。检查X轴伺服电动机与内装式测速发电机，发现换向器