數控機床伺服進給系統常見故障及典型案例分析

摘 要：數控機床和數控系統在工作時常出現由于伺服進給系統原因造成的機床故障，此類故障出現的常見形式有超程、過載、工件尺寸無規律偏差等。針對這些典型故障現象，采用一定的機床維修技術，減少此類故障的發生率。

關鍵詞：伺服進給系統；精度；伺服電動機

中圖分類號：TH文獻標識碼：A文章編號：1672-3198（2008）12-0386-01

1 伺服進給系統常見故障形式

1.1 超程

當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關決定的硬限位時，就會發生超程報警，一般會在CRT上顯示報警內容，根據數控系統說明書，即可排除故障，解除超程。

1.2 爬行

一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良、伺服系統增益過低及外加負載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滾珠絲杠連接用的聯軸器，由于連接松動或聯軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉動或伺服的轉動不同步，從而使進給忽快忽慢，產生爬行現象。

1.3 竄動

在進給時出現竄動現象，其可能原因有：1、接線端子接觸不良，如緊固的螺釘松動；2、位置控制信號受到干擾；3、測速信號不穩定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等。如果竄動發生在正、反向運動的瞬間，則一般是由于進給傳動鏈的反向間隙或者伺服系統增益過大引起。

1.4 過載

當進給運動的負載過大、參數設定錯誤、頻繁正、反向運動以及進給傳動鏈潤滑狀態不良時，均會引起過載的故障。此故障一般機床可以自行診斷出來，并在 CRT顯示屏上顯示過載、過熱或過電流報警。同時，在進給伺服模塊上用指示燈或者數碼管顯示驅動單元過載、過電流等報警信息。

1.5 伺服電動機不轉

當速度、位置控制信號未輸出、或者使能信號（即伺服允許信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓）未接通以及進給驅動單元故障都會造成此故障。此時應測量數控裝置的指令輸出端子的信號是否正常，通過CRT觀察I/O狀態，分析機床 PLC梯形圖（或流程圖），以確定進給軸的啟動條件，觀察如潤滑、冷卻等是否滿足。如是進給驅動單元故障則用交換法，可判斷出相應單元是否有故障。

2 伺服進給系統常見故障典型案例分析

（1）一臺配套FANUC 7M系統的加工中心，進給加工過程中，發現Y軸有振動現象。

為了判定故障原因，將機床操作方式置于手動方式，用手搖脈沖發生器控制Y軸進給，發現Y軸仍有振動現象。在此方式下，通過較長時間的移動后，Y軸速度單元上OVC報警燈亮。證明Y軸伺服驅動器發生了過電流報警，根據以上現象，分析可能的原因如下：

①電動機負載過重；②機械傳動系統不良；③位置環增益過高；④伺服電動機不良，等等。

維修時通過互換法，確認故障原因出在直流伺服電動機上。卸下Y軸電動機，經檢查發現2個電刷中有1個的彈簧己經燒斷，造成了電樞電流不平衡，使電動機輸出轉矩不平衡。另外，發現電動機的軸承亦有損壞，故而引起-軸的振動與過電流。更換電動機軸承與電刷后，機床恢復正常。

（2）一臺配套FANUC 6ME系統的加工中心。軸在運動時速度不穩.由運動到停止的過程中，在停止位置出現較大幅度的振蕩，有時不能完成定位，必須關機后，才能重新工作。

分析與處理過程：仔細觀察機床的振動情況，發現，X軸振蕩頻率較低，且無異常聲。從振蕩現象上看，故障現象與閉環系統參數設定有關，如：系統增益設定過高、積分時間常數設定過大等。

檢查系統的參數設定、伺服驅動器的增益、積分時間電位器調節等均在合適的范圍，且與故障前的調整完全一致，因此可以初步判斷，軸的振蕩與參數的設定與調節無關。為了進一步驗證，維修時在記錄了原調整值的前提下，將以上參數進行了重新調節與試驗，發現故障依然存在，證明了判斷的正確性。

在以上基礎上，將參數與調整值重新回到原設定后，對伺服電動機與測量系統進行了檢查。首先清理了測速發電機和伺服電動機的換向器表面，并用數字表檢查測速發電機繞組情況。檢查發現，該伺服電動機的測速發電機轉子與電動機軸之間的連接存在松動，粘接部分已經脫開；經重新連接后，開機試驗，故障現象消失，機床恢復正常工作。

（3）一臺數控銑床，采用FUNAC 6M系列三軸一體型伺服驅動器，開機后，X軸工作正常，但是手動移動Z軸，發現在較小范圍內，Z軸可以運動，但繼續移動Z軸，系統出現伺服報警。

分析和處理過程：根據故障現象，檢查機床實際工作情況，發現開機后Z軸可以少量運動，不久溫度迅速上升，表面發燙。

分析引起以上故障的原因，可能是機床電氣控制系統

故障或機械傳動系統不良。為確定故障部位，考慮到本機床采用半閉環結構，維修時首先松開伺服與絲杠的連接，并再次開機實驗，發現故障現象不變，故確認報警是由于電氣控制系統不良引起。

由于機床Z軸伺服帶有制動器，開機測量制動器的輸入電壓正常，在系統、驅動器關機的情況下，對制動器單獨加入電源進行試驗，手動轉動Z軸，發現制動器松開，手動轉動軸平穩、輕松，證明制動器工作良好。

為了進一步縮小故障部位，確認Z軸伺服的工作情況，維修時利用不同規格的 X軸在機床側進行互換實驗，發現換上的同樣出現發熱現象，且工作時故障現象不變，從而排除了伺服本身原因。

為了確認驅動器的工作情況，維修時在驅動器側，對Z軸的驅動器進行互換實驗，即將X軸驅動器與Z軸伺服鏈接，Z軸驅動器與X軸連接。經實驗發現故障轉移到X軸，Z軸工作恢復正常

根據以上實驗，樂意確認以下幾點：

①機床機械傳動系統正常，制動器工作良好；

②數控系統工作正常，因為當Z軸驅動器帶動X軸時，機床無報警；

③Z軸伺服工作正常，因為將它在機床側與X軸互換后，工作正常；

④Z軸驅動器工作正常，因為通過X軸驅動器在電柜側互換，控制Z軸后，同樣發生故障。

綜合以上判斷，可以確認故障是由于Z軸伺服的電纜連接引起的。

仔細檢查伺服的電纜連接，發現該機床在出廠時電樞線連接錯誤，即驅動器的L/M/N端子未與插頭的 A/B/C連接端一一對應，相序存在錯誤，重新連接后，故障消失，Z軸可以正常工作。

（4）一臺配套FUNAC 6ME系統的加工中心，X軸在靜止時機床工作正常，無報警；但在X軸運動過程中，出現振動，伴有噪聲。

分析與處理過程：由于機床在X軸靜止時機床工作正常，無報警，初步判定數控系統與驅動器無故障。考慮到X軸運動時定位正確，因此，進一步判定系統X位置環工作正常。檢查X軸的振動情況，經觀察發現，振動的頻率與運動速度有關，運動速度快振動頻率較高，運動速度慢則振動頻率低，初步認為故障與速度反饋環節有關。分析引起以上故障可能的原因有：

①測速發電機不良；②測速發電機連接不良；③直流伺服電動機不良。

維修時首先檢查X軸伺服電動機的測速發電機連接，未發現不良。檢查X軸伺服電動機與內裝式測速發電機，發現換向器表面積有較多的碳粉，用壓縮空氣進行清理后，故障未消除。進一步利用數字萬用表，測量測速發電機換向片之間的電阻值，經比較后發現，有一對極片間的電阻值比其他各對極片間的電阻值大了很多，說明測速發電機繞組內部存在斷路現象。更換新的測速發電機后，機床恢復正常。