常見數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障分析

周 荃

濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261030

常見數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障分析

周 荃

濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261030

隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的使用也越來(lái)越廣泛。數(shù)控機(jī)床涉及機(jī)、電、液、氣等技術(shù)，其故障類型繁多，故障點(diǎn)難確定。本文通過對(duì)數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的分析，總結(jié)出伺服系統(tǒng)故障的規(guī)律，供使用者及時(shí)方便地排除故障。

數(shù)控機(jī)床；伺服系統(tǒng)；故障

數(shù)控機(jī)床是一種高效自動(dòng)化機(jī)床，它綜合了機(jī)、電、液、氣等各個(gè)領(lǐng)域的新的技術(shù)成果， 其品種多樣性和結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對(duì)其故障診斷提出了很高的要求。數(shù)控機(jī)床的故障種類眾多，CNC系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)和輔助機(jī)構(gòu)等部分的運(yùn)行不良都可導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障。其中伺服系統(tǒng)的故障占機(jī)床總故障的比率較高，其故障的發(fā)生直接影響到機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)和零件的加工質(zhì)量。由于伺服系統(tǒng)涉及的環(huán)節(jié)較多，原理復(fù)雜，給診斷和維修帶來(lái)了一定困難。

伺服系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)和機(jī)床本體之間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)，由進(jìn)給伺服系統(tǒng)和主軸伺服系統(tǒng)兩部分組成。進(jìn)給伺服系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成CNC輸出的各坐標(biāo)軸位置控制，達(dá)到進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的要求；主軸伺服系統(tǒng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)，它將主電動(dòng)機(jī)的原動(dòng)力變成可供主軸上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。

1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)傳來(lái)的指令信息，進(jìn)給放大以后控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)，不僅需要控制進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度，同時(shí)還要精確控制刀具相對(duì)于工件的移動(dòng)位置和軌跡。按照進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式，可將數(shù)控機(jī)床分為開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種類型，其中開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)無(wú)位置檢測(cè)裝置，閉環(huán)、半閉環(huán)伺服系統(tǒng)含有位置測(cè)量裝置或角位移測(cè)量裝置。典型的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)通常由位置比較、放大元件、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)裝置和檢測(cè)反饋元件等部分組成，任一環(huán)節(jié)不穩(wěn)定都可能導(dǎo)致系統(tǒng)故障，診斷定位故障部位就成為故障排除的關(guān)鍵。

1.1 常見進(jìn)給伺服系統(tǒng)故障類型

1）在CRT顯示器或操作面板上顯示報(bào)警內(nèi)容或報(bào)警信息的故障：控制單元故障，如位置控制單元、速度控制單元發(fā)生故障；檢測(cè)單元故障，如測(cè)速發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)變壓器、脈沖編碼器、光柵尺故障；過熱報(bào)警，如伺服電機(jī)過熱報(bào)警等；

2）在進(jìn)給伺服單元上用報(bào)警燈或數(shù)碼管顯示的故障：如進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元過載、過電流報(bào)警；電網(wǎng)電壓過高報(bào)警、電壓過低報(bào)警；感應(yīng)開關(guān)動(dòng)作有誤報(bào)警等；

3）無(wú)報(bào)警顯示的故障：機(jī)床噪音過大、機(jī)床振動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定、位置誤差超過允許值等。

1.2 常見進(jìn)給伺服系統(tǒng)故障現(xiàn)象

1）超程

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過提前設(shè)定的限位時(shí)，就會(huì)發(fā)生超程報(bào)警。這種故障一般會(huì)在CRT上顯示報(bào)警內(nèi)容，操作人員可根據(jù)機(jī)床說明書進(jìn)行操作，即可排除故障，解除報(bào)警。

2）振動(dòng)

伺服系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)的原因可能有：機(jī)械安裝、調(diào)整不良；伺服電機(jī)速度、位置檢測(cè)不準(zhǔn)確；驅(qū)動(dòng)單元參數(shù)設(shè)定和調(diào)整不當(dāng)（如系統(tǒng)增益設(shè)定、積分時(shí)間常數(shù)設(shè)定不合理）外部干擾過大等，操作人員可先行確定是電氣還是機(jī)械故障，進(jìn)一步確定故障部位。

3）無(wú)法回參考點(diǎn)

機(jī)床無(wú)法回參考點(diǎn)通常由于回參考點(diǎn)減速開關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)或零標(biāo)志脈沖信號(hào)失效所致。排除故障時(shí)應(yīng)結(jié)合機(jī)床回參考點(diǎn)的方式，對(duì)照故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，常用的診斷方法有原理分析法和追蹤法。

4）位置誤差超過允許值

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置誤差包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。常見的原因有：系統(tǒng)設(shè)定的誤差參數(shù)不合理、伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng)、位置檢測(cè)裝置污損、主軸箱平衡裝置不穩(wěn)等。

2 主軸伺服系統(tǒng)

數(shù)控機(jī)床的主軸伺服系統(tǒng)是指產(chǎn)生主切削力的傳動(dòng)系統(tǒng)，一般包括伺服驅(qū)動(dòng)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)兩部分。主軸伺服系統(tǒng)一般只是一個(gè)速度控制系統(tǒng)，要求具備正反轉(zhuǎn)，停車及調(diào)速功能，并要求有較大的調(diào)速范圍，它可由CNC裝置直接控制，也可由CNC裝置通過可編程控制器控制。常見的主軸伺服控制系統(tǒng)有直流主軸控制系統(tǒng)和交流主軸控制系統(tǒng)，不同類別的控制系統(tǒng)產(chǎn)生故障的類型也不盡相同。

2.1 常見主軸伺服控制系統(tǒng)故障類型

1）直流主軸控制系統(tǒng)常見故障：主軸停轉(zhuǎn)、主軸速度異常、主電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)或噪聲過大、主電路過電流報(bào)警等；

2）交流主軸控制系統(tǒng)常見故障：電動(dòng)機(jī)過熱故障，如電機(jī)超負(fù)載運(yùn)行、冷卻裝置損壞、控制單元與電機(jī)元件接觸不良等；交流輸入電路及再生回路熔絲熔斷，原因如阻抗過高、浪涌吸收器損壞等；主電機(jī)振動(dòng)、噪聲過大、電機(jī)速度異常等。

2.2 常見主軸伺服系統(tǒng)故障現(xiàn)象

1）主軸電機(jī)不轉(zhuǎn)

當(dāng)發(fā)生伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)的故障時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面檢查原因：檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有速度控制信號(hào)輸出；通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖，確定主軸的啟動(dòng)條件（如冷卻、潤(rùn)滑）是否滿足；對(duì)帶有電磁制動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)檢查電磁制動(dòng)是否釋放；伺服驅(qū)動(dòng)單元及伺服電動(dòng)機(jī)故障。

2）主軸達(dá)不到指令轉(zhuǎn)速

發(fā)生此類故障應(yīng)先行考慮機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是否正常，維修時(shí)可在MDI方式下進(jìn)行各種高、中、低轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換，如發(fā)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)作正常，則可排除機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)故障原因，隨后可檢查主軸驅(qū)動(dòng)器的電纜連接以及主軸驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)指示燈是否處于正常工作狀態(tài)，用以判斷主軸驅(qū)動(dòng)器是否故障原因。除此之外，機(jī)床控制柜中的位置控制板輸出信號(hào)不穩(wěn)定，也可使主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速異常，操作人員同樣不可忽視。

3）主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)

電機(jī)在高于某轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，可以基本排除機(jī)械共振的故障原因，發(fā)生此類故障多數(shù)由主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣部分產(chǎn)生，應(yīng)對(duì)照機(jī)床電氣原理圖仔細(xì)檢查機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣連接，以進(jìn)一步確定故障部位，排除故障。

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要部分，出現(xiàn)故障的機(jī)會(huì)比較多，且通常后果比較嚴(yán)重，為了能在實(shí)際應(yīng)用中能快速排除伺服系統(tǒng)故障，維修人員應(yīng)從檢測(cè)開始，查找并分析故障部位和故障類型，進(jìn)一步采取措施排除故障。

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