數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的故障與維修

[摘要]數(shù)控伺服系統(tǒng)作為數(shù)控裝置和機(jī)床的聯(lián)系環(huán)節(jié)。是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)很大程度上取決于伺服系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。因此，對高性能伺服系統(tǒng)的研究和開發(fā)一直是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)之一。

[關(guān)鍵詞]伺服系統(tǒng) 控制 電機(jī)

伺服系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床設(shè)備中具有重要的地位，高性能的伺服系統(tǒng)可以提供靈活、方便、準(zhǔn)確、快速的驅(qū)動。隨著技術(shù)的進(jìn)步和整個工業(yè)的不斷發(fā)展，伺服驅(qū)動技術(shù)也取得了極大的進(jìn)步，伺服系統(tǒng)已進(jìn)入全數(shù)字化和交流化的時代。

一、伺服系統(tǒng)的發(fā)展過程

(一)直流伺服技術(shù)

伺服系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了由液壓到電氣的過程。電氣伺服系統(tǒng)根據(jù)所驅(qū)動的電機(jī)類型分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。50年代，無刷電機(jī)和直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，并在計算機(jī)外圍設(shè)備和機(jī)械設(shè)備上獲得了廣泛的應(yīng)用。70年代則是直流伺服電機(jī)應(yīng)用最為廣泛的時代。

(二)交流伺服技術(shù)

從70年代后期到80年代初期，隨著微處理器技術(shù)、大功率高性能半導(dǎo)體功率器件技術(shù)和電機(jī)永磁材料制造工藝的發(fā)展及其性能價格比的日益提高，交流伺服技術(shù)一交流伺服電機(jī)和交流伺服控制系統(tǒng)逐漸成為主導(dǎo)產(chǎn)品。交流伺服驅(qū)動技術(shù)已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)自動化的基礎(chǔ)技術(shù)之一，并將逐漸取代直流伺服系統(tǒng)。

(三)交直流伺服技術(shù)的比較

1、直流伺服驅(qū)動技術(shù)受電機(jī)本身缺陷的影響，其發(fā)展受到了限制。直流伺服電機(jī)存在機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)工作量大等缺點(diǎn)，在運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)子容易發(fā)熱，影響了與其連接的其他機(jī)械設(shè)備的精度，難以應(yīng)用到高速及大容量的場合，機(jī)械換向器則成為直流伺服驅(qū)動技術(shù)發(fā)展的瓶頸。

2、交流伺服電機(jī)克服了直流伺服電機(jī)存在的電刷、換向器等機(jī)械部件所帶來的各種缺點(diǎn)，特別是交流伺服電機(jī)的過負(fù)荷特性和低慣性更體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性。所以交流伺服系統(tǒng)在工廠自動化等各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

3、從伺服驅(qū)動產(chǎn)品當(dāng)前的應(yīng)用來看，直流伺服產(chǎn)品正逐步減少，交流伺服產(chǎn)品則日漸增加，市場占有率逐步擴(kuò)大。在實(shí)際應(yīng)用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服產(chǎn)品已經(jīng)成為主流產(chǎn)品。

二、伺服系統(tǒng)的應(yīng)用

隨著市場競爭的日趨激烈，用戶對所需產(chǎn)品提出了更高的技術(shù)要求和更合理的性能價格比。伺服系統(tǒng)以其出色的性能滿足了各種產(chǎn)品制造廠家近乎苛刻的要求，從而能夠?qū)Ξa(chǎn)品的加工過程、加工工藝和綜合性能進(jìn)行改造。在機(jī)電一體化設(shè)備上伺服系統(tǒng)的使用更加廣泛，幾乎工業(yè)生產(chǎn)的所有領(lǐng)域都成為伺服系統(tǒng)的應(yīng)用對象。

三、伺服系統(tǒng)故障與維修

(一)主軸驅(qū)動系統(tǒng)的故障與維修

1、主軸轉(zhuǎn)速與進(jìn)給不匹配。當(dāng)進(jìn)行螺紋切削或用每轉(zhuǎn)進(jìn)給切削時，會出現(xiàn)停止進(jìn)給，主軸仍然運(yùn)轉(zhuǎn)的故障。主軸有一個每轉(zhuǎn)一個脈沖的反饋信號，一般為主軸編碼器有問題。可以用以下方法確定：(1)CRT畫面有報警顯示；(2)通過CRT調(diào)用機(jī)床數(shù)據(jù)或I/O狀態(tài)，觀察編碼器的信號狀態(tài)；(3)用每分鐘進(jìn)給指令代替每轉(zhuǎn)進(jìn)給指令來執(zhí)行程序，觀察故障是否消失。

2、主軸異常噪聲及振動。首先要區(qū)別異常噪聲及振動發(fā)生在主軸機(jī)械部分還是在電氣驅(qū)動部分。

(1)在減速過程中發(fā)生，一般是由驅(qū)動裝置造成的，如交流驅(qū)動中的再生回路故障。

(2)在恒轉(zhuǎn)速時產(chǎn)生，可通過觀察主軸電動機(jī)自由停車過程中是否有噪聲和振動來區(qū)別，如果有，則表示主軸機(jī)械部分有問題。

(3)檢查振動周期是否有與轉(zhuǎn)速有關(guān)。若無關(guān)，一般是主軸驅(qū)動裝置未調(diào)整好；若有關(guān)，應(yīng)檢查主軸機(jī)械部分是否良好，測速裝置是否良好。

3、轉(zhuǎn)速偏離指令值。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過技術(shù)要求所規(guī)定的范圍時，要考慮：(1)電機(jī)過載；(2)CNC系統(tǒng)輸出的主軸轉(zhuǎn)速模擬量(通常為0—10V)沒有達(dá)到與轉(zhuǎn)速指令對應(yīng)的值；(3)測速裝置有故障或速度反饋信號斷線；(4)主軸驅(qū)動裝置故障。

4、主軸電動機(jī)不轉(zhuǎn)。CNC系統(tǒng)至主軸驅(qū)動裝置除了轉(zhuǎn)速模擬量控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。(1)檢查CNC系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。(2)檢查使通信號是否接通。(3)通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖，以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。(4)主軸驅(qū)動裝置故障。(5)主軸電動機(jī)故障。

5、主軸定位抖動。主軸準(zhǔn)停用于刀具交換、精鏜退刀及齒輪換擋等場合，由于準(zhǔn)停均要經(jīng)過減速的過程，如減速和增益等參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，均可引起定位抖動。如限位開關(guān)失靈、發(fā)磁體和磁傳感器之間的間隙發(fā)生變化或磁傳感器失靈均可引起定位抖動。

6、過載。切削用量過大，頻繁正反轉(zhuǎn)等均可引起過載報警。具體表現(xiàn)為主軸電機(jī)過熱、主軸驅(qū)動裝置顯示過電流報警等。

7、外界干擾。由于受電磁干擾，屏蔽和接地措施不良，主軸轉(zhuǎn)速指令信號或反饋信號會受到干擾，使主軸驅(qū)動出現(xiàn)隨機(jī)的或無規(guī)律性的波動。判別有無干擾的一種方法是，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速指令為零時，主軸仍往復(fù)轉(zhuǎn)動，調(diào)整零速平衡和漂移補(bǔ)償也不能消除故障。

(二)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障與維修

1、超程。當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動超過由軟件設(shè)定的軟限位或由限位開關(guān)設(shè)定的硬限位時，就會發(fā)生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內(nèi)容，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)說明書，即可排除故障，解除報警。

2、過載。當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動的負(fù)載過大，頻繁正反轉(zhuǎn)動運(yùn)動及傳動鏈潤滑狀態(tài)不良時，均會引起過載報警。一般會在CRT上顯示伺服電機(jī)過載、過熱或過流等報警信息。同時，在強(qiáng)電柜中的進(jìn)給驅(qū)動單元上，用指示燈或數(shù)碼管提示驅(qū)動單元過載、過電流等信息。

3、竄動。在進(jìn)給時出現(xiàn)竄動現(xiàn)象的原因有：(1)測速信號不穩(wěn)定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等。(2)速度控制信號不穩(wěn)定或受到干擾。(3)接線端子接觸不良，如螺釘松動等。當(dāng)竄動發(fā)生在由正向運(yùn)動向反向運(yùn)動的瞬間，一般是由于進(jìn)給傳動鏈的反向間隙或伺服系統(tǒng)增益過大所致。

4、爬行。發(fā)生在起動加速段或低速進(jìn)給時，一般是由于進(jìn)給傳動鏈的潤滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益過低及外加負(fù)載或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉(zhuǎn)動和伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動不同步，從而使進(jìn)給運(yùn)動忽快忽慢，產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

5、振動。分析機(jī)床振動周期是否與進(jìn)給速度有關(guān)。(1)若與進(jìn)給速度有關(guān)，振動一般與該軸的速度環(huán)增益太高或速度反饋故障有關(guān)。(2)若與進(jìn)給速度無關(guān)，振動一般與位置環(huán)增益太高或位置反饋故障有關(guān)。(3)若振動在加減速過程中產(chǎn)生，往往是系統(tǒng)加減速時間設(shè)定過小造成的。

6、漂移。當(dāng)指令值為零時，坐標(biāo)軸仍移動，從而造成位置誤差。通過漂移補(bǔ)償和驅(qū)動單元上的零速調(diào)整來消除。

7、位置誤差。當(dāng)伺服軸運(yùn)動超過位置允差范圍時，數(shù)控系統(tǒng)就會產(chǎn)生位置誤差過大的報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因有：(1)系統(tǒng)設(shè)定的允差范圍過小。(2)伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng)。(3)位置檢測裝置有污染。(4)進(jìn)給傳動鏈累積誤差過大。(5)主軸箱垂直運(yùn)動時平衡裝置不穩(wěn)。

8、回參考點(diǎn)故障。回參考點(diǎn)故障分為找不到參考點(diǎn)和找不準(zhǔn)參考點(diǎn)兩類。前者主要是回參考點(diǎn)開關(guān)產(chǎn)生的信號或零標(biāo)志脈沖信號失效所致。后者往往是參考點(diǎn)開關(guān)擋塊位置設(shè)置不當(dāng)引起。

9、伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)至進(jìn)給驅(qū)動單元除了速度控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓。伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)，常用的診斷方法有：(1)檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有速度控制信號輸出。(2)檢查使能信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖，以確定進(jìn)給軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。(3)對帶電磁制動的伺服電機(jī)，應(yīng)檢查電磁制動是否釋放。(4)進(jìn)給驅(qū)動單元故障。(5)伺服電機(jī)故障。

(三)數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的移動定位是由位置伺服系統(tǒng)來完成的

位置伺服系統(tǒng)通常采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制。這種控制的特點(diǎn)就是任一一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng)定位不準(zhǔn)確、不穩(wěn)定或失效。診斷定位故障環(huán)節(jié)就成為維修的關(guān)鍵。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原理和系統(tǒng)接口特性，對系統(tǒng)進(jìn)行分解判斷，已成為行之有效的方法。下面著重介紹位置環(huán)和速度環(huán)的診斷方法。

1、位置環(huán)故障診斷。若位置伺服系統(tǒng)的位置反饋和速度反饋各自采用一個反饋器件，可以斷開位置環(huán)的控制作用，讓速度環(huán)單獨(dú)運(yùn)行，以便判斷故障出自位置環(huán)還是速度環(huán)。

斷開位置環(huán)的控制作用，可以采用兩種方法：(1)機(jī)械斷開，即斷開位置反饋編碼器與伺服電機(jī)之間的傳動連接。(2)電氣斷開，即斷開位置反饋編碼器與系統(tǒng)的連接。

在位置開環(huán)狀態(tài)下進(jìn)行維修測試時，不允許給被測試軸任何方式的移動指令，否則會引起伺服電機(jī)失控。

若位置反饋和速度反饋由一只反饋元件完成，位置反饋信號經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變?yōu)樗俣瓤刂菩盘枺瑒t要根據(jù)系統(tǒng)硬件具體特性故障信息作出靈活判斷。

2、速度環(huán)故障診斷。在速度開環(huán)的方式下，對速度控制單元進(jìn)行測試。該方法需要對系統(tǒng)硬件較熟悉，以避免誤操作損壞部件。

3、電流環(huán)是為伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電機(jī)的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號一般在伺服系統(tǒng)內(nèi)連接完成，故不需接線與調(diào)整。

在三環(huán)系統(tǒng)中，位置環(huán)的輸出是速度環(huán)的輸入，速度環(huán)的輸出是電流環(huán)的輸入，電流環(huán)的輸出直接控制功率變換單元的反饋信號。

綜上所述，數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)診斷定位與故障環(huán)節(jié)是數(shù)控機(jī)床維修的關(guān)鍵，高性能的伺服系統(tǒng)能使數(shù)控機(jī)床更有效更靈活的加工生產(chǎn)零件。

(責(zé)編 高云江)