数控机床伺服系统的故障分析

数控机床伺服系统的故障分析

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申报工种：维修电工

2017年 7 月

数控机床伺服系统的故障分析

胡伟涛

【摘要】伺服系统是联系数控系统和机床的中间环节，伺服系统的故障是数控机床中较为重要的故障。结合实际工作中数控机床的故障现象，介绍伺服系统最常见的故障类型; 根据故障定位方法判断故障发生部位; 通过伺服系统故障诊断实例进行说明并提出处理办法。

【关键词】数控机床; 伺服系统; 故障分析

一、数控对进给伺服系统的要求与分类

1. 数控机床对进给伺服系统的要求。

数控机床的进给伺服系统一般由速度控制、位置控制、伺服电机和机械传动部件4部分组成，如图1所示。为了满足进给驱动的要求，要求进给伺服系统:精度高、响应速度快、调速范围宽、低速时具有大转矩。为了使数控机床的性能得到保证，对进给伺服系统的伺服电机提出了很高要求。

图1进给伺服系统的机构形式

(1)在调速范围内电动机能够平滑地运转，转矩波动要小，特别在低速时应仍有平滑的速度而无爬行现象。

(2)为了满足低转速、大转矩的要求，电动机应具有一定的过载能力。

(3)为了满足快速响应的要求，电动机必须具有较小的转动惯量、较大的堵转转矩、小的电动机时间常数和启动电压。

(4)电动机应能承受频繁的启动、制动和反转。

2. 数控机床进给伺服系统的分类。

(1)按数控机床进给伺服系统的控制方式分为开环、闭环、半闭环。其中开环进给伺服系统无位置检测装置，闭环、半闭环伺服系统含有位置检测装置或角位移测量装置。由于半闭环电路中线性因素少，容易整定，通过补偿提高位置精度比较方便，电气控制部分与执行机械相对独立，系统通用性强，因而得到广泛应用。

(2)根据机床进给伺服系统发展经历的阶段可分为开环的步进电动机系统阶段、直流伺服系统阶段和交流伺服系统阶段。在20世纪70- 80年代的数控机床上，一般均采用直流伺服驭动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。

二、常见故障及原因分析

1.常见进给伺服系统故障类型。

（1）在 CRT 显示器或操作面板上显示报警内容或报警信息的故障：控制单元故障，如位置控制单元、速度控制单元发生故障；检测单元故障，如测速发电机、旋转变压器、脉冲编码器故障；过热报警，如伺服电机过热报警等。

（2）在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：如进给驱动单元过载、过电流报警；电网电压过高报警；感应开关动作有误报警等。

（3）无任何报警信息的故障：机床噪声过大、机床振动、进给运动不稳定、位置误差超过允许值等。

2.常见进给伺服系统故障现象。

1）超程。超程一般分为硬超程与软超程。超程报警后，挡块撞击行程开关的是硬超程; 未撞击，为软超程。超程报警机理: 软限位( 软超程) : 实际坐标大于软限位参数，发生软件报警。硬限位( 硬超程) : 实际坐标大于硬限位行程，发生硬件报警。超程解除一般做法是，手动将机床沿超程的反方向退回，检查确定无危险时，按复位键重新启动，若警报依旧，则为软超程。

2）过载。当进给运动的负载过大、频繁正反向运动及进给传动

链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在 CRT上显示伺服电动机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯提示驱动单元过载、过电流等信息。具体故障原因见表1。

表1 过载故障的可能原因及排除

可能原因检查步骤排除措施

机床负荷异常用检查电动机电流来

判断需要变更切削条件，减轻机床负荷

参数设定错误检查设置电动机过载

的参数是否正确依参数说明书，正确设置参数

起动扭矩超过最大扭矩目测启动或者带有负

载情况下的工作状况

采用减小电流启动的

方式

频繁正、反向运动目测工作过程中是否

有频繁正、反向编制数控加工程序时，尽量不要有这种现象

进给传动链润滑不良听工作时的声音，观

察工作状态做好机床的润滑，确保润滑的电动机工作正常并且润滑油足够

电动机或编码器等反馈装置配线异常检查其连接的通断情

况或是否有信号线接

反的状况

确保电动机和位置反

馈装置配线正常

编码器有故障检测编码器等的反馈

信号是否正常更换编码器等反馈装置

驱动器有故障用更换法判断驱动器

是否有故障

更换驱动器

3）窜动。在进给时出现窜动现象的原因:

(1) 测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；

(2) 速度控制信号不稳定或受到干扰；

(3) 接线端子接触不良，如螺钉松动等；

(4) 进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。

当窜动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由

于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致，紧固螺钉或调整间隙和增益能解决此故障。

4）爬行。发生在启动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是: 伺服电动机和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。

5）振动。机床振动周期是否与进给速度有关:

（1）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;

（2）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;

（3）如振动在加减速过程中产生，往往是系统加减速时间设定过小造成的。

6）伺服电动机不转。数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为 DC ± 24 V 继电器线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：

（1）检查数控系统是否有速度控制信号输出；

（2) 检查使能信号是否接通。通过 CRT 观察 I /O 状态，分析机床 PLC 梯形图( 或流程图) ，以确定进给轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足；

（3）对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；

（4）进给驱动单元故障；

（5）伺服电动机故障；

7)位置误差。当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因如下:

（1) 系统设定的允差范围过小;

（2) 伺服系统增益设置不当;

（3) 位置检测装置有污染;

（4) 进给传动链累积误差过大;