数控机床伺服系统的故障分析及处理

电气技 术与 自动化 邰 鑫 等 数控机床伺服 系统的故障分析 及处理 数控机床 伺服 系统 的故 障分析及处理 邰鑫 史亚贝 河南工业职业技术 学院 机 电工程系 河南 南阳 4 7 3 0 0 9 摘要 伺服 系统是联 系数 控 系统和机床 的中间环 节 伺服 系统 的故 障是数控机 床 中较 为重要 的故障 结合实际工作中数控机床的故障现象 介绍伺服系统最常见的故障类型 根据故障定 位方法判断故障发生部位 通过伺服 系统故障诊断实例进行说明并提出处理办法 关 键词 数控机床 伺服 系统 故障分析 中图分类号 T G 6 5 9 T M 9 2 1 5 4 1 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 1 0 5 0 1 4 9 0 3 Fa ul t Ana l y s i s a nd Tr e a t me nt o f CNC M a c hi ne To o l S e r v e S y s t e m T AI Xi n S HI Ya b e i D e p a r t me n t o f Ma c h a n ic a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g H e n a n P o l y t e c h n i c I n s t it u t e N a n y a n g 4 7 3 0 0 9 C h i n a Abs t r ac t The se r v o s y s t em a c t s o n i n t er med i a t e l i n k o f NC s y s t ems a n d ma c h i n e t oo ls I t s f a i l u r e i s an i mp o r t a n t f ai lur e o f in CNC mac h i n e t oo l s This p a p er int r od u c e s t h e c ommon f au l t s o c c ur r ing t o t h i s s y s t e m i n t h e o p er a t ion ac c o r ding t o f au lt lo c a t ing me t h od d e t e r mi n e s f a ult lo c a t ion a n d t h e n g i v e s it s f a u l t d i a gn o s is e x ample an d p r o c e s s i n g met h o d Ke y wor d s CNC ma c h i n e t o o l s er v o s y s t em f au lt a n a l y s is 0 前言 进给伺服系统是数控机床的重要组成部分 它的作 用是 接受数控系统发出的进给位移和速度指令信号 由 伺服驱动电路作一定的转换和放大后 经伺服驱动装置和 机械传动机构 驱动机床的工作台 主轴头架等执行部件 进行工作进给或快速进给 进给伺服系统的性能直接 决定了机床的加工精度 定位精度 运动速度等重要指标 因此 进给伺服系统故障是数控机床非常常见的故障之 一 当数控机床进给伺服系统出现故障时 通常有三种表 现方式 在 C R T或操作面板上显示报警内容或报警信息 在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 进给运动不正常 但无任何报警信息 1 常见 故障及原 因分析 数控机床进 给伺服系统 的常见 故障有 8种 如下 所述 1 1 超 程 超程一般分为硬超程与软超程 超程报警后 挡块撞 击行程开关的是硬超程 未撞击 为软超程 超程报警机 理 软限位 软超程 实际坐标大于软限位参数 发生软 件报警 硬限位 硬超程 实际坐标大于硬限位行程 发 生硬件报警 超程解除一般做法是 手动将机床沿超程的 反方向退回 检查确定无危险时 按复位键重新启动 若警 报依旧 则为软超程 1 2 过载 当进给运动的负载过大 频繁正反向运动及进给传动 链润滑状态不 良时 均会引起过载报警 一般会在 C R T 上显示伺服电动机过载 过热或过流等报警信息 同时 在强电柜中的进给驱动单元上 用指示灯提示驱动单元过 载 过电流等信息 1 3 窜动 在进给时出现窜动现象的原因 1 测速信号不稳定 如测速装置故障 测速反馈信号 干扰等 2 速度控制信号不稳定或受到干扰 3 接线端子接触不良 4 进 给传 动链的反 向间隙或伺服系统增益过大 所 致 1 4 爬行 发生在启动加速段或低速进给时 一般是由于进给传 动链的润滑状态不良 伺服系统增益过低及外加负载过大 等因素所致 尤其要注意的是 伺服电动机和滚珠丝杠连 接用的联轴器 由于连接松动或联轴器本身的缺陷 如裂 纹等 造成滚珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步 从 而使进给运动忽快忽慢 产生爬行现象 1 5 振动 机床 振动周期是否与进给速度有关 1 如与进给速度有关 振动一般与该轴的速度环增 作者简介 邰鑫 1 9 8 5 一 男 河南南阳人 本科 研究方向为数控维修 数控技术 Ma c h i n e B u i ld i n g 8 A u t o m a t i o n Oc t 2 0 1 1 4 0 5 1 4 9 1 5 1 1 4 9 电气技术与 自动化 邰鑫 等 数控机床伺服 系统的故障分析及处理 益太高或速度反馈故障有关 2 若与进给速度无关 振动一般与位置环增益太高 或位置反馈故障有关 3 如振动在加减 速过 程 中产生 往 往是 系统 加减 速 时间设定过小造成 的 1 6 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 D C 2 4 V继电器线圈电压 1 检查数控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 C R T观察 I O状 态 分析机床 P L C梯形图 或流程图 以确定进给轴的启 动条件 如润滑 冷却等是否满足 3 对带电磁制动的伺服电动机 应检查 电磁制动是 否释放 4 进给驱动单元故障 5 伺服电动机故障H J 1 7位置误差 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 主要原因如下 1 系统设定 的允差范 围过 小 2 伺 服系统增益设置不 当 3 位置检测装置有污染 4 进给传动链累积误差过大 5 主轴箱垂直运动时平衡装置 如平衡油缸等 不稳 1 8 漂移 当指令值为零时 坐标轴仍移动 从而造成位置误差 零点漂移会使机床绝对坐标与实际位置之间产生误差 轻 则导致所加工的工件报废 重则导致刀具和机床床身的损 坏 通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除 2 故障分析 当进给伺服系统发生故障时 数控系统显示报警信 号 伺服放大器报警灯会亮 根据报警信息综合分析报警 现象 查找报警原因 排除非报警 因素 找到故障所在之 处 由于伺服系统是由位置环和速度环组成的 当伺服系 统出现故障时 为了快速定位故障部位 可以采用如下两 种方法 a 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 立式加工 中心 轴 和 Y 轴 的驱动单元往往是一 致 的 当其 中的某一轴发生故障时 可以用另一轴来替代 观察故障 的转移情 况 快速确定故 障的部位 图 1 和 图 2为采 用模 块交换法故障诊断的方法 其中 x和 Y针型插座为 C N C系统位置控制模块至 轴和 Y轴驱动模块的控制信号 包括速度控制信号和伺服 使能信号等 X M和 Y M为伺服电动机接线端子 X F和 Y F 1 5 0 图 1系统示意 图 图 2 故障分析流程图 为伺服电动机检测装置的反馈信号 b 外接参考 电压 法 当某轴进给发生故障时 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 3 故障诊断综合实例 a 故障现象 某采 用 F A N U C O T数控 系统 的数 控车床 开机 时全部 动作正 常 伺服进给 系统 高速 运动平稳 低 速无爬行 加 工 的零件精度全部达到要求 当机床正常工作 5 7 h后 轴出现剧烈振荡 C N C报警 机床无法正常工作 这时 即使关机再启动 只要手动或 自动移动z轴 在所有速度 范围内 都发生剧烈振荡 但 是 如果关机 时间足够长 如第二天开机 机床又可以正常工作 5 7 h 并再次出 现以上故障 如此周期性重复 b 分析故障产生的原因 根据以上故障现象 首先从大的方面考虑 分析可能 的原 因不 外乎机械 电气 两个方 面 在机 械方 面 可 能是 由于贴塑导轨的热变形 脱胶 或者滚珠丝杠 丝杠轴承的 局部损坏或调整不当等原因引起的非均匀性负载变化 导 致进 给系统的不稳定 在 电气方 面 可能是 由于某个 元器 h t t p ffZ Z HD c h i n a j o u rna 1 n e t c n E ma i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 n e t c n 机械制造 与 自动化 电气技术与自动化 邰鑫 等 数控机床伺服系统的故障分析及处理 件的参数变化 引起系统的动态特性改变 导致系统的不 稳定 e 维 修步骤 1 松开 z轴伺服 电动机和滚珠丝杠之间的机械连 接 在 z 轴无负载的情况下 运行加工程序 以区分是机械 故障还是电气故障 经试验发现故障仍然存在 但发生故 障的时间有所延长 因此 可以确认故障为电气原 因 并 且和负载大小或温升 有关 2 将 C N C的 轴和 轴 的速 度 给定 和位 置 反馈 互 换 即利用 C N C的 轴指令控制机床的 轴伺服和电动机 运动 C N C的z轴指令控制机床的 轴伺服和电动机运 动 以判别故障发生在 C N C或伺服 经更换发现 此时 C N C的 轴 带 轴伺服及 电动机 运动正常 但 轴 带 轴伺服及电动机 运动时出现振荡 据此 可以确认故障 在z 轴伺服驱动或伺服电动机上 3 恢复第二步 C N C和 伺服 问的正常连接后 将 的 P C B板经过调整设定后互换 经互换发现 这时 轴工作 不正常 Z 轴故障现象消失 检修 Z的P C B板 故障修复 4 结论 会有更加复杂的故障原因 这就要求维修人员具有较广的 知识面 胆大心细 有 明确的 目的和完整 的思路 进行细致 的操作 充分运用维修知识 进行故障排查和维修 提高机 床的使用率 参 考文 献 1 冯荣军 数控机床故障诊断与维修 M 保障 出版社 2 0 0 7 2 彭跃湘 数控机床故障诊断及维护 M 社 2 0 0 7 北京 中 国社会 劳动 北 京 清华大学 出版 3 周荃 常见数控机床伺服系统故障分析 J 新技术新工艺 2 0 1 0 5 4 韩祥凤 王振 数 控机 床 伺 服 系统 故障 实例 分 析 J 2 0 0 9 4 5 李世班 房玉胜 数控 机床伺 服系统故 障诊 断分析 J 2 0 0 5 5 6 姚敏 强 史 时喜 王 晓余 等 数 控 机床 故障 诊断 维修 技 术 M 北京 电子工业 出版社 2 0 0 7 在实际生产过程中 数控机床的进给伺服系统可能还 收稿日期 o 一 o 3 一 l l l l l l 21 l l l ll l l l l l l l l l 机械别 篁与1i 5 劲亿 征稿说明 机械制造与自动化 期刊是南京机械工程学会会刊 创刊于 1 9 7 2年 双月刊 全国发行 现为中国科技核 心期刊 期刊经过4 0年的风雨历程 已日臻成熟和完善 在科技传媒领域 占有一席之地 期刊编委会由 l 0多名院 士和专家组成 由南京航空航天大学原校长朱剑英教授任主任 为提升期刊水平尽心尽力 经常为期刊撰稿 介 绍 国内外高端装备及技术 的最新信 息和发展 趋势 期刊主编为 东南大学现任校 长 易红教授 为保 证期刊 质量 十分关注期刊的出版及发展状况 即时给予指导 期刊拥有一支稳定的编校队伍和完善的运行规范 为期刊的 编校质量提供了保证 期刊于2 0 1 0年正式加入 中国学术期刊不端文献检测中心 以强化对学术不端行为的 抑 制 期刊将继续弘扬 面向机电行业 交流科技信息 促进成果转化 椎动技术进步 的办刊宗旨 进一步发挥桥 梁和纽带作用 为厚重坚实的装备制造业 迅猛发展的电气及信息技术产业传递科技信息 为把我 国由制造大 国迈 向制造强 国做 出应有 的贡献 期刊 的主要 栏 目分为 综述与展 望 机械制造研 究 电气技 术与 自动化 信 息技 术 专题技 术讲座 消息与动 态等 期刊 的主要服 务对象为 装备 制造企业 工科类 大专 院校 机 电科研 院所 等单位 从事机 电产 品开发 设计 工 艺 管理 教 学等专业人 员 作为中国科技核心期刊 我们十分注重论文的前瞻性和规范性 凡投稿我刊的论文应符合下列要求 1 论文应层次清晰 格式符合规范 主要 包括 论文标题 作者姓名 工作 学习 单位 所在省市 邮政编 码 论文摘要 1 0 0 2 0 0字 关键词 3 8个 正文及参考文献 2 论