數控機床伺服系統常見故障及實例分析

摘 要：數控機床的伺服系統是CNC系統及機床本體之間的電傳動聯系環節，由于其連接機械部分，所以容易出現各種故障，占據整個CNC系統故障的三分之一以上，且一旦伺服系統出現故障，則會導致非常嚴重的后果。文章主要研究數控機床伺服系統的常見故障，并結合實例分析故障診斷及排除的方法，旨在與廣大業內同行共同交流。

關鍵詞：數控機床；伺服系統；故障分析

1 伺服系統概述

伺服系統是數控機床的重要組成部分，其起到連接CNC系統及機床本體的作用，CNC系統向伺服系統發送位移、速度等相關指令，經過變換、放調、整大后，電動機及機械傳動機構再驅動機床的坐標軸及主軸帶動工作臺及刀架，通過一系列軸的聯動作用產生各種機械加工運動。伺服系統包括兩大部分，即進給伺服系統與主軸伺服系統，其中進給伺服系統的主要作用是完成CNC輸出的坐標軸位置控制，實現驅動進給；而主軸伺服系統的主要作用則是將電動機的原動力變成切削力矩及切削速度，以完成主軸上刀具的切削加工。

2 伺服系統常見故障現象

2.1 進給伺服系統

進給伺服系統的主要作用是根據數控系統的指令信息，將其放大后對執行部件的運動予以控制，即其控制內容包括進給運動的速度及刀具的加工精度。根據進給伺服系統的控制方式不同，可將數控機床分為三個類型，即開環型、閉環型及半閉環型，其中只有開環進給伺服系統不包含位置檢測裝置，閉環型及半閉環型伺服系統中均包含位置檢測裝置或角位移測量裝置。一個典型的數控機床閉環控制進給伺服系統包含位置比較、放大元件、驅動元件、機械傳動裝置、檢測反饋元件等幾大部分，上述任何部分出現故障均有可能對整個系統運行產生直接影響，因此故障的診斷與排除至關重要。進給伺服系統常見的故障現象包括以下幾個方面：

首先，超程。進給運動超過設定的限位即為超程，系統會發出超程警報，并顯示于CRT上；操作人員必須按照機床說明書進行操作，以進一步排除故障、解除報警。其次，振動。多種因素均有可能導致伺服系統發生振動故障，比如機械安裝、調整不良、伺服電機速度或位置檢測準確度不夠、未合理設定及調整驅動單元參數設定、外部干擾過大等等；當伺服系統發生振動時要首先確定屬于電氣故障還是機械故障，而后再行處理。再次，無法回參考點。如果機床出現回參考點減速開關產生的信號失效、零標志脈沖信號失效等問題，則機床會出現無法回參考點的現象，此時必須與機床回參考點的方法相結合進行故障排除，對照故障現象，采用原理分析法、追蹤法等診斷方法進行排除。最后，位置誤差大于設定值。進給伺服系統的位置誤差包括跟隨誤差、輪廓誤差、定位誤差等多種，系統誤差參數設置不合理、位置檢測裝置受到污損、伺服系統增益設置不合理、主軸箱平衡裝置穩定性差等因素均會導致位置誤差大于設定值。

2.2 主軸伺服系統

主軸伺服系統的主要作用是產生主切削力，其包括兩大部分，即伺服驅動裝置及伺服電動機。一般情況下，主軸伺服系統主要控制加工速度，其具備正反轉、停車及速度調節等功能即可，要求其具備較大的調速范圍。常見的主軸伺服控制系統包括直流主軸控制系統及交流主軸控制系統，控制系統不同，相應的故障類型也有所不同。常見的主軸伺服系統故障現象包括以下幾種：

首先，主軸電機不轉。導致出現該問題的主要原因可以從以下幾個方面檢查：數控系統是否正常輸出速度控制信號；通過CRT觀察I/O狀態，對機床PLC梯形圖情況進行分析，確定是否滿足主軸的啟動條件；如果伺服電動機帶有電磁制動，則要確定是否釋放了電磁制動；此外，還可進一步分析伺服驅動單元及伺服電動機是否發生故障。其次，主軸無法實現指令轉速。首先要確定機械傳動機構運行是否正常，可以在MDI方式行進行速度轉換，如未發現異常，則機械傳統變速機構的故障可基本排除；再對主軸驅動器的電纜連接及狀態指示燈進行檢查，以判斷主軸驅動器是否存在故障；除此之外，機床控制柜的位置控制輸出信號的穩定性也會影響到主軸電機的運轉速度，因此也要重視檢查。最后，主軸高速旋轉時發生振動，多數為主軸驅動系統電氣故障所致，機械共振的故障可基本排除。此時可在分析機床電氣原理圖的基礎上，對機床主軸驅動系統的電氣連接情況進行檢查，確定故障后予以排除。

3 數控機床伺服系統故障排除實例分析

例1：某進口立式加工中心在工作過程中，某軸無法正常移動。

通過分析機床電氣原理圖可知，該加工中心采用的是HSV-16型交流伺服驅動，分析機床動作發現，程序運行過程中其速度信號、位置控制信號輸出均處于正常狀態，而PLC狀態則發現未輸入伺服允許信號。再分析“刀庫給定值轉換/定位控制”板原理圖進行逐級測量，發現型號為DG201的模擬開關損壞，更換為恢復正常。

例2：數控車床Z軸產生尺寸誤差超出允許值。

通過詢問操作人員及現場觀察、檢測可知，Z方向尺寸向負方向緩慢轉移、變化，歸零后加工的工件尺寸誤差值正常，但加工2個之后又逐漸發生變化，整體尺寸向Z軸負方向緩慢移動。對加工程序進行檢查，未發生人為的錯誤改動；檢查刀架也未發現晃動或定位不準等異常，則可基本判定為伺服傳動系統的問題；進一步檢查Z軸電動機傳動機構，發生同步齒形帶有幾個齒被嚴重磨損，且分布不均，一旦快速移動可能會出現丟步問題，導致整體尺寸發生偏移；更換同步齒形帶后即恢復正常。通常絲杠間隙、皮帶磨損等傳動系統出現問題，會對機床的加工精度產生直接影響，如影響不大，比如反向間隙，在系統參數里進行反向間隙補償即可，但如果誤差超出允許值，則要對傳動鏈等整個伺服系統進行全面檢測，以排除故障。

參考文獻

[1]姚敏強，史時喜，王曉余，等.B.數控機床故障診斷維修技術[J].北京：電子工業出版社，2009：334-335.

[2]王振.數控機床伺服系統故障診斷五例[J].新技術新工藝，2010（5）：36-37.

[3]周荃.常見數控機床伺服系統故障分析[J].新技術新工藝，2010（5）：28.

[4]龔仲華.數控機床故障診斷與維修500例[M].北京：機械工業出版社，2009：156-157.

[5]熊軍.數控機床原理與結構[M].北京：人民郵電出版社，2010：342-343.

作者簡介： 孫凱（1975-），男，山東濟寧人，畢業于西安交通大學，碩士，工程師，現任總工程師。