数控机床伺服故障处理方法

摘 要：本文阐述了数控机床进给伺服系统的工作原理、常见故障以及维修这些故障的常用方法。
关键词：数控机床;进给伺服系统;原理：常见故障
数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台(即工件)相对于刀具运动的控制系统。因而，它是实现数控机床加工目的的关键环节，也是数控机床故障的高发区域。数控机床常见故障有三分之一以上发生在机床的进给伺服系统。现将我在使用数控机床过程中经常遇到的进给伺服系统故障的分析和排除方法写于此，希望本文能为我国数控技术的推广应用有所帮助。
数控机床进给伺服系统按照其有无检测装置以及检测装置的位置可分为开环、闭环、半闭环三类伺服系统，本文以闭环伺服系统为例。首先，我们先了解一下数控机床闭环进给伺服系统的构成及工作原理。
一、构成
数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。
二、原理
伺服系统是一个反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。
进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置和速度控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。
在数控机床运行中进给伺服系统出现故障有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息;二是进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障;三是运动不正常，但无任何报警。机床的操作及维修人员可以根据报警信息以及该机床进给伺服系统的工作原理查找原因，排除故障。在数控机床运行中进给伺服系统常出现故障有：超程，过载，窜动，爬行，振动，伺服电机不转，位置误差，漂移，回基准点故障等。下面我们逐一叙述这些故障的成因及排除方法。
三、超程
超程是机床厂家为机床设定的保护措施，一般有软件超程、硬件超程和急停保护三种，不同机床所采用的措施会有所区别。硬件超程为防止在回零之前手动误操作而设置，急停是最后一道防线，当硬件超程限位保护失败时它会起到保护作用，软件限位在建立机床坐标系后(机床回零后)生效，软件限位设置在硬件限位之内。超

程的具体恢复方法，不同的系统有所区别，根据机床的说明书即可排除。
四、过载
当进给运动的负载过大、频繁正反向运动以及进给传动润滑状态和过载检测电路不良时，都会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流的报警，或电气柜的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过流信息。
五、窜动
在进给时出现窜动现象，即在切削过程中，进给谜度应均匀时，突然出现加速现象。产生的原因可能有：测速信号不稳定，如测速装置、测速反馈信号千扰等;速度控制信号不稳定或受到干扰：接线端子接触不良，如螺丝松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动转换的瞬间时，一般是由进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。排除方法是逐一检查上述可能故障点，找到故障确定原因加以排除即可。
六、爬行
发生在起动加速段或低速进给时，虽然进给电机和丝杆是匀速旋转的，工作台却有可能是一快一慢或一跳一停地运动，这种现象叫做“爬行”现象。一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低以及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电机和滚珠丝杠连接用的联轴器，如连接松动或联轴器本身有缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
七、振动
当发现某一进给轴振动时，首先要分析机床振动周期是否与进给速度有关。如与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或速度反馈故障有关;若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关;如振动在加减速过程中产生。往往是系统加减时间设定过小所致。根据上述原因，定位和排除故障。
八、伺服电机不转
数控系统至进给单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，使能信号是进给动作的前提，可参考具体系统的信号连接说明书。检查使能信号是否接通，通过PLC梯形图，分析轴使能的条件：检查数控系统是否发出速度控制信号;对带有电磁制动的伺服电动机应检查电磁制动是否释放;检查进给单元故障;检查伺服电机故障。
目前，闭环或半闭环数控机床常用的伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机两种。直流伺服电机伺服系统要定期对电刷、换向器、测速电机(速度检测装置)电刷进行检查。检查要在数控机床断电，电机完全冷却的状态下进行，步骤如下：
1、取下橡胶刷帽，用螺丝刀拧下刷盖并取出电刷。
2、测量电刷的长度，如FANUC直流电机的电刷由10mm磨

损到5mm时，必须更换同型号的电刷。
3、检查电刷的弧形接触面是否有深沟或裂痕，电刷弹簧上有无打火痕迹，如果有，进一步检查电机换向器表面，并分析造成这种情况的原因，比如是电机工作条件恶劣，还是电机本身封闭不良。
4、用洁净的压缩空气导入电刷的刷孔，吹净粘在孔壁上的电刷粉末，如果难以吹净，可以用螺丝刀刀尖轻轻清理，注意不要碰到换向器的表面。
5、重新装上电刷，拧紧刷盖。如果更换了新电刷，应使电机空运行一段时间，以使电刷表面和换向器表面相吻合。
6、检查测速电机时应卸下电机后盖，露出测速电机。
7、检查测速电机电刷长度、连接是否牢固，检查铜头的表面积碳是否严重，如果严重，可使电机在低速时，用金相砂纸清理铜头积碳，之后用螺丝刀刀尖或其他类似工具将铜头槽内的积碳清理掉。
交流伺服电机不存在电刷的维护问题，所以称之为免维护电机。但这并不是说交流伺服电机绝对不出故障。交流伺服电机常见故障有接线故障，转子位置检测元件故障，电磁制动故障等。交流电机故障判断方法有：
1、电阻测量：用万用表测量电枢的电阻。看三相之间电阻是否一致，用兆欧表检测绝缘状况。
2、电机检查：先将机械装置(比如丝杆)与电机脱开，用手转动电机转子，正常时感觉有一定得均匀阻力，如果旋转过程中，出现不均匀的阻力，应更换电机进行确认。
注意：1、在检查交流伺服电机时，对采用编码器识别电机旋转方向的，如连接部分无定位标记，则编码器不能随便拆离，以避免相位错位。对采用霍尔元件识别电机旋转方向的应注意开关的接线顺序，以免旋向辨别错误。
2、日常生产中，不要敲击电机上安装检测元件的部位(一般在电机尾部)，因为伺服电动机在定子中埋设热敏电阻，作为过热报警检测，出现报警时，应检查热敏电阻是否正常。
九、位置误差超差
当伺服运动超过允许的误差范围时，数控系统就会产生位置误差过大报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因：系统设定的允差范围过小：伺服系统增益设置不当;位置检测装置有污染;进给传动链累积误差过大;主轴箱垂直运动时平衡装置不稳。
十、漂移
当指令为零时，坐标轴仍在移动，从而造成误差通过漂移补偿或驱动单元上的零速调整来消除。
十一、回基准点故障
基准点是机床在停止加工或交换刀具时，机床坐标轴移动到一个预先指定的准确的位置。机床返回基准点是数控机床启动后首先必须进行的操作，然后机床才能转入正

常工作。机床不正确返回基准点是数控机床常见的故障之一。机床返回基准点的方式随机床所配用的数控系统不同而异，但多数采用栅格方式(用脉冲编码器作位置检测元件的机床)或磁性接近开关方式。下面介绍几种机床在返回基准点时的故障。
1、机床不能返回基准点
机床不能返回基准点，一般有三种情况：
①偏离基准点一个栅格距离。造成这种故障的原因有三种：减速挡块位置不正确：减速挡块的长度太短：基准点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机床大修后发生，可通过重新调整挡块位置来解决。
②偏离基准点任意位置，即偏离一个随机值。这种故障与下列因素有关：外界干扰，如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠的太近;脉冲编码器用的电源电压太低(低于4mm75V)或有故障;数控系统主控板的位置控制部分不良;进给轴与伺服电机之间的联轴器松动。
③微小漂移。其原因有两个：电缆连接器接触不良或电缆损坏：漂移补偿电压变化或主板不良。
2、机床在返回基准点时发出超程警报
这种故障有三种情况：
①无减速动作。无论是发生软件超程还是硬件超程，都不减速，一直移动到触及限位开关而停机。可能是返回基准点减速开关失效，开关触头压下后，不能复位，或减速挡块处的减速信号线松动，返回基准点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。
②返回基准点过程有减速，但以切断速度移动(改变方向移动)到触及限位开关而停机。可能原因有：减速后，返回基准点标记指定的基准脉冲不出现。其中，一种可能是光栅在返回基准点操作中没有发出返回基准点脉冲信号，或返回基准点标记失效，或由基准点标记选择的返回基准点脉冲信号在传送或处理过程中丢失;或测量系统硬件故障，对返回基准点脉冲信号无识别和处理能力。另一种可能是减速开关与返回基准点标记位置错位，减速开关复位后，未出现基准点标记。
③返回基准点过程有减速，且有返回基准点标记指定的返回基准脉冲出现后的制动到零速时的过程，但未到基准点就触及限位开关而停机，该故障原因可能是返回基准点的脉冲被超越后，坐标轴未移动够指定距离就触及限位开关。
3、机床在返回基准点过程中，数控系统突然变成“NOT READY”状态，但CRT画面却无任何报警显示。出现这种故障也多为返回基准点用的减速开关失灵。
4、机床在返回基准点过程中，发出“未返回基准点”报警，其原因可能是因改变了设定参数所致。
以上详细的介绍了进给伺服系统常见的故障;

下面介绍两种常用伺服系统故障的维修方法：
1、模块交换法;由于伺服系统的各个环节都采用模块化，不同轴的模块有的具有互换性，所以可采用模块交换法来进行一些故障的判断，但要注意遵从以下要求：模块的插拔是否会造成系统参数丢失，保证采取相应措施：各轴模块的设定可能有所区别，更换后应保证设定与以前一致;遵从先易后难的原则，先更换环节中较易更换的模块，确认不是这些模块的问题后在检查难以更换的模块。通过这种方法，比较容易确定故障的部位。
2、外部参考电压法：当某一进给轴发生故障时，为了确定是否为驱动单元和电机故障，可以脱开位置环，检查速度环。例如SIMODRIVE 6llA进给驱动模块，首先断开指令电压输入即X331-9和X331-65。接通机床电源，启动数控系统，再短接IR模块的X141-63(脉冲使能)和X141-64(驱动使能)和X141-9(+24V)。只有满足三个使能条件，电机才能工作。脉冲使能63端子无效时，驱动装置立即禁止所有轴运行，伺服电机无制动地自然停止;驱动器使能64端子无效时，驱动装置立即把所有进给轴的速度设定值置为零，伺服电机进入制动状态，200ms后电机停转。正常情况下伺服电机在外加参考电压的控制下转动，调节电位改变指令电压，可控制电机的转速，参考电压的正负决定电机的旋转方向。这时可判断驱动器和伺服电机是否正常，以判断故障是位于位置环还是速度环。
上述故障及维修方法是我总结多年的工作和教学经验，得出的一点维修心得，希望本文能对数控技术界各位同仁有一些借鉴作用。