數控機床伺服進給系統典型故障分析及維修

高建軍

摘 要：在數控機床當中，伺服進給系統作為機床機械傳動和數控裝置的連接環節，需要負責機床運轉的傳統工作，因此伺服系統發生故障，影響范圍極大。文章所進行的伺服進給系統研究，主要以故障診斷和故障排查維護為研究方向，首先論述了數控機床在實際運行環節中常見的伺服進給系統故障類型，并以目前的技術為導向，總結了常見的故障診斷方式，最后歸納匯總了關于常見典型故障的維修處理策略，提高伺服進給系統的應用穩定性。

關鍵詞：數控機床；伺服進給系統；典型故障；維修

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0109-02

Abstract： In CNC machine tools， servo feed system， as the machine tool mechanical transmission and CNC device link， need to be responsible for the traditional work of the machine tool operation， so once the servo system fails， the impact can be great. The research of servo feed system in this paper is mainly focused on fault diagnosis， troubleshooting and maintenance. Firstly， the common fault types of servo feed system in the practical operation of CNC machine tools are discussed， and the current technology is used as a guide. The common fault diagnosis methods are summarized. Finally， the maintenance treatment strategies of the common typical faults are summarized to improve the application stability of the servo feed system.

Keywords： CNC machine tools； servo feed system； typical faults； maintenance

前言

目前應用于數控機床傳動機構當中的伺服進給系統，是數控裝置CNC發布并運行指令的重要環節，通常情況由自動控制、自動檢測、電氣設備驅動以及機械傳動等環節組成。在實際運行當中，伺服進給系統需要首先接受CNC所提供的脈沖指令，再有插補軟件進行指令的分析，實現信號轉變，完成電壓和功率的放大，最終實現工作臺精準作業。一旦伺服進給系統出現故障，則會直接影響刀具運動，造成機械加工失敗。

1 數控機床伺服進給系統常見的故障類型

目前廣泛應用于數控機床加工生產當中的伺服進給系統為主軸驅動下運行的伺服系統，因此這類伺服系統又被稱為主軸伺服系統。筆者所進行研究的某數控機床在實際運行當中面對主軸伺服系統典型故障表現在以下方面。

（1）干擾過載故障。數控機床的伺服系統在實際運行當中受到外界環境的影響十分巨大，因此伺服系統會在外界環境影響下出現干擾故障和過載故障兩種故障類型。其中干擾故障主要原因集中在電磁干擾、接地故障等方面，造成伺服系統的指令失靈，具體表現在CNC指令與伺服系統不協調，其中CNC指令無法通過脈沖形式完成向主軸的傳達，導致伺服系統運作不符合CNC要求，此時伺服主軸會出現無規律律動現象；而在受到加工環境影響后，工作臺的切削環節動作過大，還會造成伺服系統的過載問題。在系統當中，切削對象造成主軸需要頻繁切換正反轉方向，繼而造成嚴重的過熱問題[1]。

（2）執行偏離故障。CNC指令與伺服系統作業之間的偏差問題也是目前數控機床伺服系統面臨的典型故障之一。常見的偏離故障主要體現在轉速偏離進給、偏離指令數值以及準停方式錯誤等幾個方面，其中，轉速偏離進給故障一般表現在CNC切削指令當中，由于脈沖編碼器無法進行工作配合，導致伺服進給與主軸轉速之間不匹配；偏離指令數值故障則主要集中在電動機過載和驅動裝置故障等方面，CNC在進行模擬量輸出時，其測速裝置無法完成對CNC指令的分析，導致反饋信號線路斷開，無法進行轉速控制；準停方式方面，由于伺服系統當中道具交換、退刀、換擋等場合需要運用主軸準停，因此CNC需要利用脈沖指令對于機械、編碼器以及電氣設備進行準停控制。在實現方式上，CNC的脈沖指令下達，伺服系統接受指令并完成分析，對具體運行的設備進行準停準備減速。但由于增益參數設置存在問題，會造成定位抖動故障。

2 數控機床伺服進給系統的故障診斷策略

（1）故障診斷方法。數控機床伺服進給系統出現故障之

后，進行有效的故障診斷一般分為三個主要的步驟。首先是針對故障進行檢測，檢查故障是否存在于機床之中。接下來針對故障的類型以及位置進行確定。在機床當中，故障判定需要結合故障的具體性質進行，以此來縮小故障存在的范圍，并且在確定了故障產生的具體位置之后，能夠將發生故障的部件進行分離[2]。最后針對已經定位了的故障模塊進行檢查，針對其中存在的故障進行排查，一些嚴重的故障則需要對部件進行徹底的更換。當前故障診斷所使用到的方法有很多，需要結合具體狀況進行了解。一些常見的機床故障診斷方法，例如直觀法，就是針對維修人員自身工作的經驗來進行判斷，首先針對故障發生部位的一些異常現象進行考察，或是工作運轉的聲音表達具有異常，又或是在工作時產生了異味，這都是判斷并確定故障部位的一種方式。其他較為常見的判斷方式還包含了程序測試法、替換法以及隔離法等，不同方法都能夠展示出自身的特點與優勢。

（2）故障診斷模型。當前的機床故障類型，較為常見的都已經得到了總結。數控機床伺服系統當中常見的幾種故障現象分別為：主軸轉速隨機波動；主軸部分工作中異常抖動；主軸工作出現噪音與異常振動；主軸電機無法運轉以及轉速與指令值不相符等。而常見的故障原因則包含了以下幾點：在主軸伺服系統當中出現了相關參數設置方面的故障、伺服系統之中出現屏蔽與接地故障、主軸電機與驅動裝置故障或者是主軸編碼器的故障。伺服進給系統當中，不同的故障現象以及原因之間，并沒有固定的關聯，因此也需要結合實際狀況進行分析。故障的狀況乃至成因之間具有較強的耦合性，一切仍需要以實地考察作為落腳點。

3 數控機床伺服進給系統故障的維修策略

在現實的數控機床伺服進給系統的應用和運行當中，其故障問題的出現和影響往往并非是獨立現象，而是綜合性故障，一般維修人員需要在明確診斷策略和維修原理后，對故障問題做出精確判斷，并依據維修經驗進行處理。

（1）外界干擾及過載故障維修處理。外界環境信號干擾下對于伺服進給系統影響十分強烈，系統在受到干擾后，會出現故障現象，其中不進行指令操作或者主軸誤動現象是最常見的故障類型。在進行故障排查時，工作人員首先需要對故障問題進行判斷，譬如可以通過調整零速電位計的方式，對參數值進行重新設定，觀察系統是否在參數重置后改善故障，如果故障未能得到改善，則可以判定故障類型為外界干擾故障[3]。針對這一故障，維修人員首先應當進行凈化處理。即通過在系統進線位置加裝電源凈化單元，并通過合理布線方式，在完成干擾源凈化后，對信號線進行屏蔽，從而使故障問題得到解決。過載故障的出現，往往伴隨著伺服系統內部設備出現過熱問題，如果沒能進行及時處理，會造成面積更為廣泛的故障蔓延，影響機械加工的生產效率，同時造成嚴重的經濟損失。與前者的判斷方式不同，伺服進給系統在出現過載故障時，由于內部過熱，CNC會立即顯示警報信息，此時維修人員需要及時判斷過載位置并進行維修處理。具體的處理方式以環境改善和快速降溫兩個方面為著手點，首先需要對伺服進給系統內部的電動機進行及時的通風，并對過濾網進行清潔，使伺服系統能夠處于清潔低溫環境運行。同時還需要對接線端子所處的接觸狀態進行分析，對于存有的高溫問題進行第一時間降溫，并改變原有機床操作方法，避免過載問題的再次發生。

（2）執行偏離故障維修處理。筆者在前文列舉了三種常見的執行偏離故障問題，這些問題在伺服系統日常運行中頻繁出現，也是故障維修的主要對象。其中CNC指令與伺服系統進給偏離問題，主要由于主軸脈沖檢測出現了嚴重偏差，編碼器無法進行信息的反饋，此時CNC脈沖指令無法精準傳達。維修人員首先需要借助I/O接線狀態數據的調用，來對編碼器的運行狀態進行觀察，并關斷主軸和進給的配合，通過分批次給定指令的方式，對程序執行情況進行觀察，如果仍然出現故障，則表明為編碼器存在問題[4]。此時維修人員可以采取更換全新編碼器的方式對其進行處理，同時需要增設抗干擾措施。轉速偏離問題往往集中在電動機運行故障、驅動裝置故障以及CNC模擬量故障等方面，在發現故障問題后，維修人員需要利用空載運轉、電纜線和反饋裝置檢查以及替換備件等方法對故障原因和故障位置進行判斷，在明確了具體的故障原因后，通常情況下需要采用調整應用參數、更換受損部件的方式進行維修，其中由于部件受損問題較為常見，因此維修人員可以直接進行部件的更換，來實現快速的故障排除。準停故障影響下的定位方式錯誤，往往來自于執行機構無法精確到位或者檢測信息存在誤差等方面，受到故障因素的影響，主軸定位的減速過程中，還會存在增益參數的誤差問題，造成故障的持續惡化。維修人員在判斷故障時首先應當對減速元件以及定位元件進行判斷，通過直觀法對其固定安裝以及運行狀態進行分析，通常情況下，維修人員可以通過對限位開關或者霍爾元件進行檢查，直接判斷故障類型和故障誘因。隨后，維修人員需要重新調整執行元件的安裝位置和運行策略，保證其擁有靈活運轉能力，再重新調節增益參數，經過測試保證其定位準確后，完成維修工作。

（3）數控機床伺服進給系統維修實例。筆者在參與某加工中心數控機床伺服進給系統的定位故障檢修工作中，通過運用常規的更換編碼器策略對主軸定位故障進行處理，發現伺服進給系統在完成編碼器更換后仍然存在定位震蕩以及定位不準現象，無法完成CNC指令的精確定位。筆者分析得到結論，認為伺服系統已經完成了編碼器的更換，其所實現的準停減速動作精準無誤，仍然存在震蕩問題可能與其內部的反饋極性存在關聯，通常情況下，反饋極性設置錯誤，也會導致震蕩問題。因此再維修當中筆者首先完成了編碼器的更換，在對編碼器當中所形成的輸出信號Ua1/Ua2進行搜集，統一交由CNC進行控制和調整，從而實現了對于反饋極性的有效調控。通過CNC信號控制，伺服系統定位震蕩問題消失，定位準確，故障排除。

4 結束語

綜上所述，目前應用于機械加工的數控機床伺服系統在實際應用中受到內外部環境的影響會出現誤動以及過載、過熱等故障，嚴重影響機組運行，為了能夠解決故障恢復生產，維修人員首先應當具備對于故障的判斷能力和診斷水平，通過精準的故障現狀歸納和故障原因分析，發掘出深層次的故障問題和故障內核，并制定相應的故障維修策略，使伺服進給系統存在的故障問題能夠得到完美解決。

參考文獻：

[1]於成業，楊春洋.伺服驅動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯動數控機床上的應用[J].機械工程師，2018（06）：162-164.

[2]趙秀芹.數控機床機械加工精度提升中誤差補償法的實踐研究[J].山東工業技術，2017（18）：25.

[3]陳婷.基于模糊PID控制的數控機床伺服系統建模與仿真研究[J].廣西職業技術學院學報，2017，10（03）：28-31.

[4]張海波，黃洋洋.基于隨機時間序列的數控機床伺服系統故障頻率預測[J].東北電力大學學報，2014，34（01）：62-66.