數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)典型故障分析及維修

高建軍

摘 要：在數(shù)控機(jī)床當(dāng)中，伺服進(jìn)給系統(tǒng)作為機(jī)床機(jī)械傳動和數(shù)控裝置的連接環(huán)節(jié)，需要負(fù)責(zé)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)的傳統(tǒng)工作，因此伺服系統(tǒng)發(fā)生故障，影響范圍極大。文章所進(jìn)行的伺服進(jìn)給系統(tǒng)研究，主要以故障診斷和故障排查維護(hù)為研究方向，首先論述了數(shù)控機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)中常見的伺服進(jìn)給系統(tǒng)故障類型，并以目前的技術(shù)為導(dǎo)向，總結(jié)了常見的故障診斷方式，最后歸納匯總了關(guān)于常見典型故障的維修處理策略，提高伺服進(jìn)給系統(tǒng)的應(yīng)用穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；伺服進(jìn)給系統(tǒng)；典型故障；維修

中圖分類號：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）01-0109-02

Abstract： In CNC machine tools， servo feed system， as the machine tool mechanical transmission and CNC device link， need to be responsible for the traditional work of the machine tool operation， so once the servo system fails， the impact can be great. The research of servo feed system in this paper is mainly focused on fault diagnosis， troubleshooting and maintenance. Firstly， the common fault types of servo feed system in the practical operation of CNC machine tools are discussed， and the current technology is used as a guide. The common fault diagnosis methods are summarized. Finally， the maintenance treatment strategies of the common typical faults are summarized to improve the application stability of the servo feed system.

Keywords： CNC machine tools； servo feed system； typical faults； maintenance

前言

目前應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)當(dāng)中的伺服進(jìn)給系統(tǒng)，是數(shù)控裝置CNC發(fā)布并運(yùn)行指令的重要環(huán)節(jié)，通常情況由自動控制、自動檢測、電氣設(shè)備驅(qū)動以及機(jī)械傳動等環(huán)節(jié)組成。在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中，伺服進(jìn)給系統(tǒng)需要首先接受CNC所提供的脈沖指令，再有插補(bǔ)軟件進(jìn)行指令的分析，實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變，完成電壓和功率的放大，最終實(shí)現(xiàn)工作臺精準(zhǔn)作業(yè)。一旦伺服進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則會直接影響刀具運(yùn)動，造成機(jī)械加工失敗。

1 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)常見的故障類型

目前廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工生產(chǎn)當(dāng)中的伺服進(jìn)給系統(tǒng)為主軸驅(qū)動下運(yùn)行的伺服系統(tǒng)，因此這類伺服系統(tǒng)又被稱為主軸伺服系統(tǒng)。筆者所進(jìn)行研究的某數(shù)控機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中面對主軸伺服系統(tǒng)典型故障表現(xiàn)在以下方面。

（1）干擾過載故障。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行當(dāng)中受到外界環(huán)境的影響十分巨大，因此伺服系統(tǒng)會在外界環(huán)境影響下出現(xiàn)干擾故障和過載故障兩種故障類型。其中干擾故障主要原因集中在電磁干擾、接地故障等方面，造成伺服系統(tǒng)的指令失靈，具體表現(xiàn)在CNC指令與伺服系統(tǒng)不協(xié)調(diào)，其中CNC指令無法通過脈沖形式完成向主軸的傳達(dá)，導(dǎo)致伺服系統(tǒng)運(yùn)作不符合CNC要求，此時(shí)伺服主軸會出現(xiàn)無規(guī)律律動現(xiàn)象；而在受到加工環(huán)境影響后，工作臺的切削環(huán)節(jié)動作過大，還會造成伺服系統(tǒng)的過載問題。在系統(tǒng)當(dāng)中，切削對象造成主軸需要頻繁切換正反轉(zhuǎn)方向，繼而造成嚴(yán)重的過熱問題[1]。

（2）執(zhí)行偏離故障。CNC指令與伺服系統(tǒng)作業(yè)之間的偏差問題也是目前數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)面臨的典型故障之一。常見的偏離故障主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速偏離進(jìn)給、偏離指令數(shù)值以及準(zhǔn)停方式錯誤等幾個(gè)方面，其中，轉(zhuǎn)速偏離進(jìn)給故障一般表現(xiàn)在CNC切削指令當(dāng)中，由于脈沖編碼器無法進(jìn)行工作配合，導(dǎo)致伺服進(jìn)給與主軸轉(zhuǎn)速之間不匹配；偏離指令數(shù)值故障則主要集中在電動機(jī)過載和驅(qū)動裝置故障等方面，CNC在進(jìn)行模擬量輸出時(shí)，其測速裝置無法完成對CNC指令的分析，導(dǎo)致反饋信號線路斷開，無法進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制；準(zhǔn)停方式方面，由于伺服系統(tǒng)當(dāng)中道具交換、退刀、換擋等場合需要運(yùn)用主軸準(zhǔn)停，因此CNC需要利用脈沖指令對于機(jī)械、編碼器以及電氣設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)?？刂?。在實(shí)現(xiàn)方式上，CNC的脈沖指令下達(dá)，伺服系統(tǒng)接受指令并完成分析，對具體運(yùn)行的設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)停準(zhǔn)備減速。但由于增益參數(shù)設(shè)置存在問題，會造成定位抖動故障。

2 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的故障診斷策略

（1）故障診斷方法。數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)故障之

后，進(jìn)行有效的故障診斷一般分為三個(gè)主要的步驟。首先是針對故障進(jìn)行檢測，檢查故障是否存在于機(jī)床之中。接下來針對故障的類型以及位置進(jìn)行確定。在機(jī)床當(dāng)中，故障判定需要結(jié)合故障的具體性質(zhì)進(jìn)行，以此來縮小故障存在的范圍，并且在確定了故障產(chǎn)生的具體位置之后，能夠?qū)l(fā)生故障的部件進(jìn)行分離[2]。最后針對已經(jīng)定位了的故障模塊進(jìn)行檢查，針對其中存在的故障進(jìn)行排查，一些嚴(yán)重的故障則需要對部件進(jìn)行徹底的更換。當(dāng)前故障診斷所使用到的方法有很多，需要結(jié)合具體狀況進(jìn)行了解。一些常見的機(jī)床故障診斷方法，例如直觀法，就是針對維修人員自身工作的經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行判斷，首先針對故障發(fā)生部位的一些異常現(xiàn)象進(jìn)行考察，或是工作運(yùn)轉(zhuǎn)的聲音表達(dá)具有異常，又或是在工作時(shí)產(chǎn)生了異味，這都是判斷并確定故障部位的一種方式。其他較為常見的判斷方式還包含了程序測試法、替換法以及隔離法等，不同方法都能夠展示出自身的特點(diǎn)與優(yōu)勢。

（2）故障診斷模型。當(dāng)前的機(jī)床故障類型，較為常見的都已經(jīng)得到了總結(jié)。數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)當(dāng)中常見的幾種故障現(xiàn)象分別為：主軸轉(zhuǎn)速隨機(jī)波動；主軸部分工作中異常抖動；主軸工作出現(xiàn)噪音與異常振動；主軸電機(jī)無法運(yùn)轉(zhuǎn)以及轉(zhuǎn)速與指令值不相符等。而常見的故障原因則包含了以下幾點(diǎn)：在主軸伺服系統(tǒng)當(dāng)中出現(xiàn)了相關(guān)參數(shù)設(shè)置方面的故障、伺服系統(tǒng)之中出現(xiàn)屏蔽與接地故障、主軸電機(jī)與驅(qū)動裝置故障或者是主軸編碼器的故障。伺服進(jìn)給系統(tǒng)當(dāng)中，不同的故障現(xiàn)象以及原因之間，并沒有固定的關(guān)聯(lián)，因此也需要結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行分析。故障的狀況乃至成因之間具有較強(qiáng)的耦合性，一切仍需要以實(shí)地考察作為落腳點(diǎn)。

3 數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)故障的維修策略

在現(xiàn)實(shí)的數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的應(yīng)用和運(yùn)行當(dāng)中，其故障問題的出現(xiàn)和影響往往并非是獨(dú)立現(xiàn)象，而是綜合性故障，一般維修人員需要在明確診斷策略和維修原理后，對故障問題做出精確判斷，并依據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行處理。

（1）外界干擾及過載故障維修處理。外界環(huán)境信號干擾下對于伺服進(jìn)給系統(tǒng)影響十分強(qiáng)烈，系統(tǒng)在受到干擾后，會出現(xiàn)故障現(xiàn)象，其中不進(jìn)行指令操作或者主軸誤動現(xiàn)象是最常見的故障類型。在進(jìn)行故障排查時(shí)，工作人員首先需要對故障問題進(jìn)行判斷，譬如可以通過調(diào)整零速電位計(jì)的方式，對參數(shù)值進(jìn)行重新設(shè)定，觀察系統(tǒng)是否在參數(shù)重置后改善故障，如果故障未能得到改善，則可以判定故障類型為外界干擾故障[3]。針對這一故障，維修人員首先應(yīng)當(dāng)進(jìn)行凈化處理。即通過在系統(tǒng)進(jìn)線位置加裝電源凈化單元，并通過合理布線方式，在完成干擾源凈化后，對信號線進(jìn)行屏蔽，從而使故障問題得到解決。過載故障的出現(xiàn)，往往伴隨著伺服系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)備出現(xiàn)過熱問題，如果沒能進(jìn)行及時(shí)處理，會造成面積更為廣泛的故障蔓延，影響機(jī)械加工的生產(chǎn)效率，同時(shí)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。與前者的判斷方式不同，伺服進(jìn)給系統(tǒng)在出現(xiàn)過載故障時(shí)，由于內(nèi)部過熱，CNC會立即顯示警報(bào)信息，此時(shí)維修人員需要及時(shí)判斷過載位置并進(jìn)行維修處理。具體的處理方式以環(huán)境改善和快速降溫兩個(gè)方面為著手點(diǎn)，首先需要對伺服進(jìn)給系統(tǒng)內(nèi)部的電動機(jī)進(jìn)行及時(shí)的通風(fēng)，并對過濾網(wǎng)進(jìn)行清潔，使伺服系統(tǒng)能夠處于清潔低溫環(huán)境運(yùn)行。同時(shí)還需要對接線端子所處的接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，對于存有的高溫問題進(jìn)行第一時(shí)間降溫，并改變原有機(jī)床操作方法，避免過載問題的再次發(fā)生。

（2）執(zhí)行偏離故障維修處理。筆者在前文列舉了三種常見的執(zhí)行偏離故障問題，這些問題在伺服系統(tǒng)日常運(yùn)行中頻繁出現(xiàn)，也是故障維修的主要對象。其中CNC指令與伺服系統(tǒng)進(jìn)給偏離問題，主要由于主軸脈沖檢測出現(xiàn)了嚴(yán)重偏差，編碼器無法進(jìn)行信息的反饋，此時(shí)CNC脈沖指令無法精準(zhǔn)傳達(dá)。維修人員首先需要借助I/O接線狀態(tài)數(shù)據(jù)的調(diào)用，來對編碼器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察，并關(guān)斷主軸和進(jìn)給的配合，通過分批次給定指令的方式，對程序執(zhí)行情況進(jìn)行觀察，如果仍然出現(xiàn)故障，則表明為編碼器存在問題[4]。此時(shí)維修人員可以采取更換全新編碼器的方式對其進(jìn)行處理，同時(shí)需要增設(shè)抗干擾措施。轉(zhuǎn)速偏離問題往往集中在電動機(jī)運(yùn)行故障、驅(qū)動裝置故障以及CNC模擬量故障等方面，在發(fā)現(xiàn)故障問題后，維修人員需要利用空載運(yùn)轉(zhuǎn)、電纜線和反饋裝置檢查以及替換備件等方法對故障原因和故障位置進(jìn)行判斷，在明確了具體的故障原因后，通常情況下需要采用調(diào)整應(yīng)用參數(shù)、更換受損部件的方式進(jìn)行維修，其中由于部件受損問題較為常見，因此維修人員可以直接進(jìn)行部件的更換，來實(shí)現(xiàn)快速的故障排除。準(zhǔn)停故障影響下的定位方式錯誤，往往來自于執(zhí)行機(jī)構(gòu)無法精確到位或者檢測信息存在誤差等方面，受到故障因素的影響，主軸定位的減速過程中，還會存在增益參數(shù)的誤差問題，造成故障的持續(xù)惡化。維修人員在判斷故障時(shí)首先應(yīng)當(dāng)對減速元件以及定位元件進(jìn)行判斷，通過直觀法對其固定安裝以及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，通常情況下，維修人員可以通過對限位開關(guān)或者霍爾元件進(jìn)行檢查，直接判斷故障類型和故障誘因。隨后，維修人員需要重新調(diào)整執(zhí)行元件的安裝位置和運(yùn)行策略，保證其擁有靈活運(yùn)轉(zhuǎn)能力，再重新調(diào)節(jié)增益參數(shù)，經(jīng)過測試保證其定位準(zhǔn)確后，完成維修工作。

（3）數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)維修實(shí)例。筆者在參與某加工中心數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的定位故障檢修工作中，通過運(yùn)用常規(guī)的更換編碼器策略對主軸定位故障進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)在完成編碼器更換后仍然存在定位震蕩以及定位不準(zhǔn)現(xiàn)象，無法完成CNC指令的精確定位。筆者分析得到結(jié)論，認(rèn)為伺服系統(tǒng)已經(jīng)完成了編碼器的更換，其所實(shí)現(xiàn)的準(zhǔn)停減速動作精準(zhǔn)無誤，仍然存在震蕩問題可能與其內(nèi)部的反饋極性存在關(guān)聯(lián)，通常情況下，反饋極性設(shè)置錯誤，也會導(dǎo)致震蕩問題。因此再維修當(dāng)中筆者首先完成了編碼器的更換，在對編碼器當(dāng)中所形成的輸出信號Ua1/Ua2進(jìn)行搜集，統(tǒng)一交由CNC進(jìn)行控制和調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)了對于反饋極性的有效調(diào)控。通過CNC信號控制，伺服系統(tǒng)定位震蕩問題消失，定位準(zhǔn)確，故障排除。

4 結(jié)束語

綜上所述，目前應(yīng)用于機(jī)械加工的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中受到內(nèi)外部環(huán)境的影響會出現(xiàn)誤動以及過載、過熱等故障，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行，為了能夠解決故障恢復(fù)生產(chǎn)，維修人員首先應(yīng)當(dāng)具備對于故障的判斷能力和診斷水平，通過精準(zhǔn)的故障現(xiàn)狀歸納和故障原因分析，發(fā)掘出深層次的故障問題和故障內(nèi)核，并制定相應(yīng)的故障維修策略，使伺服進(jìn)給系統(tǒng)存在的故障問題能夠得到完美解決。

參考文獻(xiàn)：

[1]於成業(yè)，楊春洋.伺服驅(qū)動器MECHATROLINK-Ⅲ總線在多軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用[J].機(jī)械工程師，2018（06）：162-164.

[2]趙秀芹.數(shù)控機(jī)床機(jī)械加工精度提升中誤差補(bǔ)償法的實(shí)踐研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（18）：25.

[3]陳婷.基于模糊PID控制的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)建模與仿真研究[J].廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，10（03）：28-31.

[4]張海波，黃洋洋.基于隨機(jī)時(shí)間序列的數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障頻率預(yù)測[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（01）：62-66.