数控机床伺服系统常见故障及实例分析

数控机床伺服系统常见故障及实例分析

数控机床的伺服系统是CNC系统及机床本体之间的电传动联系环节，由于其连接机械部分，所以容易出现各种故障，占据整个CNC系统故障的三分之一以上，且一旦伺服系统出现故障，则会导致非常严重的后果。文章主要研究数控机床伺服系统的常见故障，并结合实例分析故障诊断及排除的方法，旨在与广大业内同行共同交流。

标签：数控机床；伺服系统；故障分析

1 伺服系统概述

伺服系统是数控机床的重要组成部分，其起到连接CNC系统及机床本体的作用，CNC系统向伺服系统发送位移、速度等相关指令，经过变换、放调、整大后，电动机及机械传动机构再驱动机床的坐标轴及主轴带动工作台及刀架，通过一系列轴的联动作用产生各种机械加工运动。伺服系统包括两大部分，即进给伺服系统与主轴伺服系统，其中进给伺服系统的主要作用是完成CNC输出的坐标轴位置控制，实现驱动进给；而主轴伺服系统的主要作用则是将电动机的原动力变成切削力矩及切削速度，以完成主轴上刀具的切削加工。

2 伺服系统常见故障现象

2.1 进给伺服系统

进给伺服系统的主要作用是根据数控系统的指令信息，将其放大后对执行部件的运动予以控制，即其控制内容包括进给运动的速度及刀具的加工精度。根据进给伺服系统的控制方式不同，可将数控机床分为三个类型，即开环型、闭环型及半闭环型，其中只有开环进给伺服系统不包含位置检测装置，闭环型及半闭环型伺服系统中均包含位置检测装置或角位移测量装置。一个典型的数控机床闭环控制进给伺服系统包含位置比较、放大元件、驱动元件、机械传动装置、检测反馈元件等几大部分，上述任何部分出现故障均有可能对整个系统运行产生直接影响，因此故障的诊断与排除至关重要。进给伺服系统常见的故障现象包括以下几个方面：

首先，超程。进给运动超过设定的限位即为超程，系统会发出超程警报，并显示于CRT上；操作人员必须按照机床说明书进行操作，以进一步排除故障、解除报警。其次，振动。多种因素均有可能导致伺服系统发生振动故障，比如机械安装、调整不良、伺服电机速度或位置检测准确度不够、未合理设定及调整驱动单元参数设定、外部干扰过大等等；当伺服系统发生振动时要首先确定属于电气故障还是机械故障，而后再行处理。再次，无法回参考点。如果机床出现回参考点减速开关产生的信号失效、零标志脉冲信号失效等问题，则机床会出现无法回参考点的现象，此时必须与机床回参考点的方法相结合进行故障排除，对照故障现象，采用原理分析法、追踪法等诊断方法进行排除。最后，位置误差大于设

定值。进给伺服系统的位置误差包括跟随误差、轮廓误差、定位误差等多种，系统误差参数设置不合理、位置检测装置受到污损、伺服系统增益设置不合理、主轴箱平衡装置稳定性差等因素均会导致位置误差大于设定值。

2.2 主轴伺服系统

主轴伺服系统的主要作用是产生主切削力，其包括两大部分，即伺服驱动装置及伺服电动机。一般情况下，主轴伺服系统主要控制加工速度，其具备正反转、停车及速度调节等功能即可，要求其具备较大的调速范围。常见的主轴伺服控制系统包括直流主轴控制系统及交流主轴控制系统，控制系统不同，相应的故障类型也有所不同。常见的主轴伺服系统故障现象包括以下几种：

首先，主轴电机不转。导致出现该问题的主要原因可以从以下几个方面检查：数控系统是否正常输出速度控制信号；通过CRT观察I/O状态，对机床PLC梯形图情况进行分析，确定是否满足主轴的启动条件；如果伺服电动机带有电磁制动，则要确定是否释放了电磁制动；此外，还可进一步分析伺服驱动单元及伺服电动机是否发生故障。其次，主轴无法实现指令转速。首先要确定机械传动机构运行是否正常，可以在MDI方式行进行速度转换，如未发现异常，则机械传统变速机构的故障可基本排除；再对主轴驱动器的电缆连接及状态指示灯进行检查，以判断主轴驱动器是否存在故障；除此之外，机床控制柜的位置控制输出信号的稳定性也会影响到主轴电机的运转速度，因此也要重视检查。最后，主轴高速旋转时发生振动，多数为主轴驱动系统电气故障所致，机械共振的故障可基本排除。此时可在分析机床电气原理图的基础上，对机床主轴驱动系统的电气连接情况进行检查，确定故障后予以排除。

3 数控机床伺服系统故障排除实例分析

例1：某进口立式加工中心在工作过程中，某轴无法正常移动。

通过分析机床电气原理图可知，该加工中心采用的是HSV-16型交流伺服驱动，分析机床动作发现，程序运行过程中其速度信号、位置控制信号输出均处于正常状态，而PLC状态则发现未输入伺服允许信号。再分析“刀库给定值转换/定位控制”板原理图进行逐级测量，发现型号为DG201的模拟开关损坏，更换为恢复正常。

例2：数控车床Z轴产生尺寸误差超出允许值。

通过询问操作人员及现场观察、检测可知，Z方向尺寸向负方向缓慢转移、变化，归零后加工的工件尺寸误差值正常，但加工2个之后又逐渐发生变化，整体尺寸向Z轴负方向缓慢移动。对加工程序进行检查，未发生人为的错误改动；检查刀架也未发现晃动或定位不准等异常，则可基本判定为伺服传动系统的问题；进一步检查Z轴电动机传动机构，发生同步齿形带有几个齿被严重磨损，且分布不均，一旦快速移动可能会出现丢步问题，导致整体尺寸发生偏移；更换同步齿形带后即恢复正常。通常丝杠间隙、皮带磨损等传动系统出现问题，会对

机床的加工精度产生直接影响，如影响不大，比如反向间隙，在系统参数里进行反向间隙补偿即可，但如果误差超出允許值，则要对传动链等整个伺服系统进行全面检测，以排除故障。

参考文献

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作者简介：孙凯（1975-），男，山东济宁人，毕业于西安交通大学，硕士，工程师，现任总工程师。