數控機床主軸伺服系統常見故障診斷與維護

彭紅梅

（徐州機電工程高等職業技術學校 江蘇 徐州 221000）

1 伺服系統簡介

1.1 伺服系統的概念

數控機床伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，又稱隨動系統。在數控機床中，伺服系統是連接數控系統和數控機床本體的中間環節，是數控機床的“四肢”。因為伺服系統的性能決定了數控機床的性能，所以要求伺服系統具有高精度、快速度和良好的穩定性。

1.2 伺服系統的工作原理

伺服系統是一種反饋控制系統，它以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調量進行比較，利用比較后產生的偏差值對系統進行自動調節，以消除偏差，使被調量跟蹤給定值。所以伺服系統的運動來源于偏差信號，必須具有負反饋回路，并且始終處于過渡過程狀態。在運動過程中實現了力的放大。伺服系統必須有一個不斷輸入能量的能源，外加負載可視為系統的擾動輸入。

2 直流主軸伺服系統

從原理上說，直流主軸驅動系統與通常的直流調速系統無本質的區別，但因為數控機床高速、高效、高精度的要求，決定了直流主軸驅動系統具有以下特點：

2.1 調速范圍寬。

2.2 直流主軸電動機通常采用全封閉的結構形式，可以在有塵埃和切削液飛濺的工業環境中使用。

2.3 主軸電控機通常采用特殊的熱管冷卻系統，能將轉子產生的熱量迅速向外界發散。

2.4 直流主軸驅動器主回路一般采用晶閘管三相全波整流，以實現四象限的運行。

2.5 主軸控制性能好。

2.6 純電氣主軸定向準停控制功能。

3 交流主軸伺服系統

主軸驅動交流伺服化是數控機床主軸驅動控制的發展趨勢,交流主軸伺服系統的特點如下：

3.1 振動和噪聲小

3.2 采用了再生制動控制功能

3.3 交流數字式伺服系統控制精度高

3.4 交流數字式伺服系統用參數設定 （不是改變電位器阻值）調整電路狀態

4 主軸伺服系統的常見故障形式

4.1 當主軸伺服系統發生故障時，通常有三種表現形式

4.1.1 是在操作面板上用指示燈或CRT顯示報警信息；

4.1.2 是在主軸驅動裝置上用指示燈或數碼管顯示故障狀態；

4.1.3 是主軸工作不正常，但無任何報警信息。

4.2 常見數控機床主軸伺服系統的故障有以下幾種

4.2.1 外界干擾

故障現象：主軸在運轉過程中出現無規律性的振動或轉動。

原因分析：主軸伺服系統受電磁、供電線路或信號傳輸干擾的影響，主軸速度指令信號或反饋信號受到干擾，主軸伺服系統誤動作。

檢查方法：令主軸轉速指令信號為零，調整零速平衡電位計或漂移補償量參數值，觀察是否因系統參數變化引起的故障。若調整后仍不能消除該故障，則多為外界干擾信號引起主軸伺服系統誤動作。

采取措施：電源進線端加裝電源凈化裝置，動力線和信號線分開，布線要合理，信號線和反饋線按要求屏蔽，接地線要可靠。

4.2.2 主軸過載

故障現象：主軸電動機過熱、CNC裝置和主軸驅動裝置顯示過電流報警等。

原因分析：主軸電動機通風系統不良、動力連線接觸不良、機床切削用量過大、主軸頻繁正、反轉等引起電流增加，電能以熱能的形式散發出來，主軸驅動系統和CNC裝置通過檢測，顯示過載報警。

檢查方法：根據CNC和主軸驅動裝置提示報警信息，檢查可能引起故障的各種因素。

采取措施：保持主軸電動機通風系統良好，保持過濾網清潔；檢查動力接線端子接觸情況；正確使用和操作機床，避免超載。

4.2.3 主軸定位抖動

故障現象：主軸在正常加工時沒有問題，僅在定位時產生抖動。

原因分析：主軸定位一般分機械、電氣和編碼器3種準停定位，當定位機械執行機構不到位，檢測裝置信息有誤會時產生抖動。另外主軸定位要有一個減速過程，如果減速或增益等參數設置不當，也會引起故障。

檢查方法：根據主軸定位的方式，主要檢查各定位、減速檢測元件的工作狀況和安裝固定情況，如限位開關、接近開關、霍爾元件等。

采取措施：保證定位執行元件運轉靈活，檢測元件穩定可靠。

4.2.4 主軸轉速與進給不匹配

故障現象：當進行螺紋切削、剛性攻牙或要求主軸與進給同步配合的加工時，出現進給停止主軸仍繼續運轉，或加工螺紋零件出現亂牙現象。

原因分析：當主軸與進給同步配合加工時，要依靠主軸上的脈沖編碼器檢測反饋信息，若脈沖編碼器或連接電纜線有問題，會引起上述故障。

檢查方法：通過調用I/0狀態數據，觀察編碼器信號線的通斷狀態；取消主軸與進給同步配合，用每分鐘進給指令代替每轉進給指令來執行程序，可判斷故障是否與編碼器有關。

采取措施：更換維修編碼器，檢查電纜線接線情況，特別注意信號線的抗干擾措施。

4.2.5 轉速偏離指令值

故障現象：實際主軸轉速值超過技術要求規定指令值的范圍。

原因分析：

（1）電動機負載過大，引起轉速降低，或低速極限值設定太小，造成主軸電動機過載；

（2）測速反饋信號變化，引起速度控制單元輸入變化；

（3）主軸驅動裝置故障，導致速度控制單元錯誤輸出；

（4）CNC系統輸出的主軸轉速模擬量（±10V）沒有達到與轉速指令相對應的值。

檢查方法：

（1）空載運轉主軸，檢測比較實際主軸轉速值與指令值，判斷故障是否由負載過大引起；

（2）檢查測速反饋裝置及電纜線，調節速度反饋量的大小，使實際主軸轉速達到指令值；

（3）用備件替換法判斷驅動裝置故障部位；

（4）檢查信號電纜線連接情況，調整有關參數使CNC系統輸出的模擬量與轉速指令值相對應。

采取措施：更換維修損壞的部件，調整相關的參數。

4.2.6 主軸振動或噪聲太大

首先要區別噪聲及振動發生在主軸機械部分還是電氣部分。

檢查方法：

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

（2）在恒轉速時，可通過觀察主軸電動機自由停車過程中是否有噪聲和振動來區別，如存在，則主軸機械部分有問題。

（3）檢查振動的周期是否與轉速有關，如無關，一般是主軸驅動裝置未調整好；如有關，應檢查主軸機械部分是否良好，測速裝置是否不良。

電氣方面的原因：

（1）電源缺相或電源電壓不正常。

（2）控制單元上的電源開關設定（50/60Hz切換）錯誤。

（3）伺服單元上的增益電路和顫抖電路調整不好（或設置不當）

（4）電流反饋回路未調整好。

（5）三相輸入的相序不對。

機械方面的原因：

（1）主軸箱與床身的連接螺釘松動。

（2）軸承預緊力不夠或預緊螺釘松動，游隙過大，使之產生軸向竄動，應重新調查。

（3）軸承損壞，應更換軸承。

（4）主軸部件上動平衡不好，應重新調整動平衡。

（5）齒輪有嚴重損傷，或此輪嚙合間隙過大，應更換此輪或調整嚙合間隙。

（6）潤滑不良，因油不足，應改善潤滑條件，使潤滑油充足。

（7）主軸與主軸電機的連接皮帶過緊，應移動電機座調整皮帶使松緊度合適。

（8）連接主軸與電機的連軸器故障。

（9）主軸負荷太大。

4.2.7 主軸電動機不轉

CNC系統至主軸驅動裝置一般有速度控制模擬量信號和使能控制信號，主軸電動機不轉應重點圍繞著兩個信號進行檢查。

電氣系統原因：

（1）檢查CNC系統是否有速度控制信號輸出

（2）檢查使能信號是否接通:

通過CNC顯示器觀察I/O狀 態;分析機床PLC梯形圖（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻 等是否滿足。

（3）主軸電動機動力線斷裂或主軸控制單元連接不良。

（4）機床負載過大。

（5）主軸驅動裝置故障。

（6）主軸電機故障。

機械故障原因：

機械方面，主軸不轉常發生在強力切削下，可能原因有:

（1）主軸與電機連接皮帶過松或皮帶表面有油，造成打滑。

（2）主軸中的拉桿未拉緊夾持刀具的拉釘。（在車床上就是卡盤未夾緊工件）

［1］葛金印.數控設備管理和維護技術基礎.由高等教育出版社.

［2］鄧三鵬.數控機床故障診斷與維修.由機械工業出版社.