數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)常見故障及實(shí)例分析

摘 要：數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)是CNC系統(tǒng)及機(jī)床本體之間的電傳動(dòng)聯(lián)系環(huán)節(jié)，由于其連接機(jī)械部分，所以容易出現(xiàn)各種故障，占據(jù)整個(gè)CNC系統(tǒng)故障的三分之一以上，且一旦伺服系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的后果。文章主要研究數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的常見故障，并結(jié)合實(shí)例分析故障診斷及排除的方法，旨在與廣大業(yè)內(nèi)同行共同交流。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；伺服系統(tǒng)；故障分析

1 伺服系統(tǒng)概述

伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其起到連接CNC系統(tǒng)及機(jī)床本體的作用，CNC系統(tǒng)向伺服系統(tǒng)發(fā)送位移、速度等相關(guān)指令，經(jīng)過變換、放調(diào)、整大后，電動(dòng)機(jī)及機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)再驅(qū)動(dòng)機(jī)床的坐標(biāo)軸及主軸帶動(dòng)工作臺(tái)及刀架，通過一系列軸的聯(lián)動(dòng)作用產(chǎn)生各種機(jī)械加工運(yùn)動(dòng)。伺服系統(tǒng)包括兩大部分，即進(jìn)給伺服系統(tǒng)與主軸伺服系統(tǒng)，其中進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要作用是完成CNC輸出的坐標(biāo)軸位置控制，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給；而主軸伺服系統(tǒng)的主要作用則是將電動(dòng)機(jī)的原動(dòng)力變成切削力矩及切削速度，以完成主軸上刀具的切削加工。

2 伺服系統(tǒng)常見故障現(xiàn)象

2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要作用是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，將其放大后對執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)予以控制，即其控制內(nèi)容包括進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的速度及刀具的加工精度。根據(jù)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的控制方式不同，可將數(shù)控機(jī)床分為三個(gè)類型，即開環(huán)型、閉環(huán)型及半閉環(huán)型，其中只有開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)不包含位置檢測裝置，閉環(huán)型及半閉環(huán)型伺服系統(tǒng)中均包含位置檢測裝置或角位移測量裝置。一個(gè)典型的數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制進(jìn)給伺服系統(tǒng)包含位置比較、放大元件、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)裝置、檢測反饋元件等幾大部分，上述任何部分出現(xiàn)故障均有可能對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生直接影響，因此故障的診斷與排除至關(guān)重要。進(jìn)給伺服系統(tǒng)常見的故障現(xiàn)象包括以下幾個(gè)方面：

首先，超程。進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過設(shè)定的限位即為超程，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出超程警報(bào)，并顯示于CRT上；操作人員必須按照機(jī)床說明書進(jìn)行操作，以進(jìn)一步排除故障、解除報(bào)警。其次，振動(dòng)。多種因素均有可能導(dǎo)致伺服系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)故障，比如機(jī)械安裝、調(diào)整不良、伺服電機(jī)速度或位置檢測準(zhǔn)確度不夠、未合理設(shè)定及調(diào)整驅(qū)動(dòng)單元參數(shù)設(shè)定、外部干擾過大等等；當(dāng)伺服系統(tǒng)發(fā)生振動(dòng)時(shí)要首先確定屬于電氣故障還是機(jī)械故障，而后再行處理。再次，無法回參考點(diǎn)。如果機(jī)床出現(xiàn)回參考點(diǎn)減速開關(guān)產(chǎn)生的信號失效、零標(biāo)志脈沖信號失效等問題，則機(jī)床會(huì)出現(xiàn)無法回參考點(diǎn)的現(xiàn)象，此時(shí)必須與機(jī)床回參考點(diǎn)的方法相結(jié)合進(jìn)行故障排除，對照故障現(xiàn)象，采用原理分析法、追蹤法等診斷方法進(jìn)行排除。最后，位置誤差大于設(shè)定值。進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置誤差包括跟隨誤差、輪廓誤差、定位誤差等多種，系統(tǒng)誤差參數(shù)設(shè)置不合理、位置檢測裝置受到污損、伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不合理、主軸箱平衡裝置穩(wěn)定性差等因素均會(huì)導(dǎo)致位置誤差大于設(shè)定值。

2.2 主軸伺服系統(tǒng)

主軸伺服系統(tǒng)的主要作用是產(chǎn)生主切削力，其包括兩大部分，即伺服驅(qū)動(dòng)裝置及伺服電動(dòng)機(jī)。一般情況下，主軸伺服系統(tǒng)主要控制加工速度，其具備正反轉(zhuǎn)、停車及速度調(diào)節(jié)等功能即可，要求其具備較大的調(diào)速范圍。常見的主軸伺服控制系統(tǒng)包括直流主軸控制系統(tǒng)及交流主軸控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)不同，相應(yīng)的故障類型也有所不同。常見的主軸伺服系統(tǒng)故障現(xiàn)象包括以下幾種：

首先，主軸電機(jī)不轉(zhuǎn)。導(dǎo)致出現(xiàn)該問題的主要原因可以從以下幾個(gè)方面檢查：數(shù)控系統(tǒng)是否正常輸出速度控制信號；通過CRT觀察I/O狀態(tài)，對機(jī)床PLC梯形圖情況進(jìn)行分析，確定是否滿足主軸的啟動(dòng)條件；如果伺服電動(dòng)機(jī)帶有電磁制動(dòng)，則要確定是否釋放了電磁制動(dòng)；此外，還可進(jìn)一步分析伺服驅(qū)動(dòng)單元及伺服電動(dòng)機(jī)是否發(fā)生故障。其次，主軸無法實(shí)現(xiàn)指令轉(zhuǎn)速。首先要確定機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行是否正常，可以在MDI方式行進(jìn)行速度轉(zhuǎn)換，如未發(fā)現(xiàn)異常，則機(jī)械傳統(tǒng)變速機(jī)構(gòu)的故障可基本排除；再對主軸驅(qū)動(dòng)器的電纜連接及狀態(tài)指示燈進(jìn)行檢查，以判斷主軸驅(qū)動(dòng)器是否存在故障；除此之外，機(jī)床控制柜的位置控制輸出信號的穩(wěn)定性也會(huì)影響到主軸電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，因此也要重視檢查。最后，主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生振動(dòng)，多數(shù)為主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣故障所致，機(jī)械共振的故障可基本排除。此時(shí)可在分析機(jī)床電氣原理圖的基礎(chǔ)上，對機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電氣連接情況進(jìn)行檢查，確定故障后予以排除。

3 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障排除實(shí)例分析

例1：某進(jìn)口立式加工中心在工作過程中，某軸無法正常移動(dòng)。

通過分析機(jī)床電氣原理圖可知，該加工中心采用的是HSV-16型交流伺服驅(qū)動(dòng)，分析機(jī)床動(dòng)作發(fā)現(xiàn)，程序運(yùn)行過程中其速度信號、位置控制信號輸出均處于正常狀態(tài)，而PLC狀態(tài)則發(fā)現(xiàn)未輸入伺服允許信號。再分析“刀庫給定值轉(zhuǎn)換/定位控制”板原理圖進(jìn)行逐級測量，發(fā)現(xiàn)型號為DG201的模擬開關(guān)損壞，更換為恢復(fù)正常。

例2：數(shù)控車床Z軸產(chǎn)生尺寸誤差超出允許值。

通過詢問操作人員及現(xiàn)場觀察、檢測可知，Z方向尺寸向負(fù)方向緩慢轉(zhuǎn)移、變化，歸零后加工的工件尺寸誤差值正常，但加工2個(gè)之后又逐漸發(fā)生變化，整體尺寸向Z軸負(fù)方向緩慢移動(dòng)。對加工程序進(jìn)行檢查，未發(fā)生人為的錯(cuò)誤改動(dòng)；檢查刀架也未發(fā)現(xiàn)晃動(dòng)或定位不準(zhǔn)等異常，則可基本判定為伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的問題；進(jìn)一步檢查Z軸電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，發(fā)生同步齒形帶有幾個(gè)齒被嚴(yán)重磨損，且分布不均，一旦快速移動(dòng)可能會(huì)出現(xiàn)丟步問題，導(dǎo)致整體尺寸發(fā)生偏移；更換同步齒形帶后即恢復(fù)正常。通常絲杠間隙、皮帶磨損等傳動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，會(huì)對機(jī)床的加工精度產(chǎn)生直接影響，如影響不大，比如反向間隙，在系統(tǒng)參數(shù)里進(jìn)行反向間隙補(bǔ)償即可，但如果誤差超出允許值，則要對傳動(dòng)鏈等整個(gè)伺服系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測，以排除故障。

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作者簡介： 孫凱（1975-），男，山東濟(jì)寧人，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，碩士，工程師，現(xiàn)任總工程師。