数控机床伺服系统常见故障分析与处理

数控机床伺服系统常见故障分析与处理

摘要：

数控机床中的伺服系统是CNC系统与机床本体之间的电传动联系环节，主要包两部分，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控制CNC输出的坐标轴位置，完成进给驱动；而主轴伺服系统的主要作用是将主电动机的原动力变成切削力矩与切削速度实现主轴刀具的切削加工。在整个数控机床系数中，由于伺服系统涉及到较多环节，结构原理复杂，所以其故障率相对较高，并会对机床的运行状态、工件加工质量等产生直接影响。本文就针对数控机床伺服系统的常见故障进行分析。

关键词：数控机床；伺服系统；故障分析

一、进给伺服系统故障分析及处理

进给伺服系统的主要作用是在数控系统指令信息的指示下对执行部件的运动予以控制，控制内容包括进给速度、刀具相对工件的移动位置及轨迹。进给伺服系统可以根据其控制方式不同分为三种，即开环、闭环及半闭环，三种进给伺服系统中，只有开环进给伺服系统没有位置检测装置，其余两种均有。典型的进给伺服系统包括五大部分，即位置比较、放大元件、驱动元件、机械传动装置、检测反馈元件等，每个环节出现故障均可能会整个伺服系统、乃至整个数控机床的稳定性产生影响，因此要做好进给伺服系统的故障分析及处理。

（一）进给伺服系统故障类型

常见进给伺服系统故障包括以下几种：首先，可以显示报警内容、报警信息的故障，一般是控制单元、检测单元、过热报警会在CRT显示器或操作面板将报警信息显示出来；其次，进给伺服单地上通过数码管显示出来的故障，主要故障包括进给驱动单元过载、过电流报警、电网电压过或过低以及感应开关误动等；最后，有些故障可能不会产生报警信息，比如机床噪音或振动，进给运动系统稳定性差，或者位置误差过大等等。

（二）进给伺服系统常见故障及处理

首先，超程故障，即进给运动超过系统设定的限位，此时CRT上会显示出超程报警信息。针对这种情况，操作人员只需根据机床说明书进行操作即可将故障排除。其次，振动故障。机械安装、调整不良、伺服电机速度或位置检测不准确、外部干扰过大、驱动单元参数不当等原因均有可能导致进给伺服系统发生振动，此时操作人员需要先将故障类型确定下来，分析是电气故障还是机械故障，然后根据不同的故障原因予以排除。再次，无法回参考点，当回参考点减速开关发出的信号失效时就会出现机床无法回参考点故障，针对该问题要

采用原理分析法或追踪法与机床回参考点的具体方法相结合，再与故障现象进行对比分析。最后，位置误差超过允许值，跟随误差、定位误差及轮廓误差等均为进给伺服系统的位置误差。位置误差超过允许值主要是由于系统误差参数设置不当、伺服系统增益设置不合理、主轴箱平衡装置不稳等原因，要视具体情况进行处理。

二、主轴伺服系统故障分析及处理

所谓主轴伺服系统即生产主切削力的传动系统，其主要包括两部分，即伺服驱动装置及电动力。主轴伺服系统主要作用是进行速度控制，因此其具备正反转、调速及停车等功能，通常主轴伺服系统是由CNC直接控制的，也可以后通过编程控制器进行控制。主轴伺服系统分为直流和交流两种，当然，主轴伺服系统种类不同，其故障类型也存在差异。

（一）主轴伺服系统故障类型

一种是直流主轴伺服系统故障，主要表现为主轴停转、速度异常、电机振动或出现异常噪声、主电路过电流发出报警等。另外一种则是交流主轴控制系统，主要表现为电机因超载运行、接触不良或冷却装置损坏等原因导致的电机过势故障；交流输入电路、再生回路熔丝熔断等故障，引发该故障的主要原因一般是阻抗过高或者浪涌吸收器发生故障等。（二）主轴伺服系统常见故障处理

首先，主轴电机不运转，出现该问后需要确定数控系统是否输出控制信号，再对I/O状态进行观察，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，再确定是否释放了电磁制动。其次，主轴转速异常。出现该问题后要先对机械传动机构进行检查，确保机床动作无异常；排除机械传动系统变速机构原因后，再对主轴驱动器的电缆连接、主轴驱动器的状态指示灯等进行检查，再分析是否主轴驱动器出现问题。此外，主轴电机转速不正常也可能是由于机床控制柜中位置控制板输出信号稳定性差所导致的，如上述问题均可排除，也可以再进一步查看控制板。最后，主轴高速转动时产生振动，这种情况可以将机械共振因素直接排除，多数是由于主轴驱动系统电气部分出现问题所致；此时要根据电气原理图对主轴驱动系统的各处电气连接进行全面检查，确定故障部位后再予以排除。

三、数控机床伺服系统故障实例分析

（一）故障描述

某数控车床采用FANUC OT数控系统，开机至正常工作5h阶段，伺服系统运行平稳，低速无爬行，且工件精度也符合要求。但在5h之后，z轴开始发生振荡因幅度剧烈，CNC 开始报警，机床停运。重启机床后，如果z轴被移动，则在所在速度范围内仍然剧烈振荡。但次日再启动机床，又可正常工作5h，后再次出现上述问题，呈周期性反复。

（二）故障原因分析

分析上述故障现象，可以首先确定故障原因的大方向，可能是由于机械故障或电气故障引起的。机械故障可能是由于贴塑地轨发生热变形、脱胶等，或者滚珠丝杠、丝杠轴承调整不合理、损坏会导致非均匀性负载发生变化，从而影响到进给系统的稳定性。而电气故障则是由于某个元器件参数发生变化改变了系统的动态特性，从而影响到系统的稳定性等。（三）故障排除

进行故障维修步骤如下：首先，将z轴伺服电动机与滚珠丝杠的连接松开，使得z轴无负载运行，该作法可以确定出上述故障是属于机械故障或者电气故障；z轴运行后发现仍然存在振荡现象，只是机床正常运行的时间延长到9h，所以可以初步判定上述故障属于电气故障，且与负载大小、温升等有直接关系。其次，给定CNC的x轴与z轴的速度，并互换二者位置反馈，此时z轴伺服及电动机动转由CNC的x轴指令来控制，而x轴伺服及电动机运转则由CNC的z轴控制；这种情况下CNC的z轴处于正常运转状态，而x轴则出现振荡，由此可知，z轴伺服驱动或电机上发生故障。最后，将CNC的x、z伺服间的连接恢复正常，再对二者的PCB板进行调整设定，然后互换，此时x轴工作出现异常，而z轴则恢复正常；进一步检查z轴PCB板，发现故障后修复。

参考文献：

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