機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)的故障形成及原因診斷

故障形成及原因診斷

（1）超程

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)超過由軟件設(shè)定的軟限位或由限位開關(guān)決定的硬限位時(shí)，就會(huì)發(fā)生超程報(bào)警。一般會(huì)在CRT上顯示報(bào)警內(nèi)容。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)說明書，即可排除故障，解除報(bào)警。

（2）過載

當(dāng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的負(fù)載過大，頻繁正反向運(yùn)動(dòng)以及傳動(dòng)鏈潤(rùn)滑狀態(tài)不良時(shí)，均會(huì)引起過載報(bào)警。一般會(huì)在CRT上顯示伺服電機(jī)過載、過熱或過流等報(bào)警信息。同時(shí)，在強(qiáng)電柜中的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元上，指示燈或數(shù)碼管會(huì)提示驅(qū)動(dòng)單元過載、過電流等信息。

（3）竄動(dòng)

在進(jìn)給時(shí)出現(xiàn)竄動(dòng)現(xiàn)象，其原因包括：測(cè)速信號(hào)不穩(wěn)定，如測(cè)速裝置故障、測(cè)速反饋信號(hào)干擾等; 速度控制信號(hào)不穩(wěn)定或受到干擾;接線端子接觸不良，如螺釘松動(dòng)等。當(dāng)竄動(dòng)發(fā)生在由正向運(yùn)動(dòng)與反向運(yùn)動(dòng)的換向瞬間時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙或伺服系統(tǒng)增益過大所致。

（4）爬行

發(fā)生在啟動(dòng)加速階段或低速進(jìn)給時(shí)，一般是由于進(jìn)給傳動(dòng)鏈的潤(rùn)滑狀態(tài)不良、伺服系統(tǒng)增益低和外加負(fù)載過大等因素所致。尤其要注意的是，伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠連接用的聯(lián)軸器，由于連接松動(dòng)或聯(lián)軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)和伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)不同步，從而使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)忽快忽慢，產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。

（5）振動(dòng)

機(jī)床以高速運(yùn)行時(shí)，可能產(chǎn)生振動(dòng)，這時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過流報(bào)警。機(jī)床振動(dòng)問題一般屬于速度問題，所以應(yīng)去查找速度環(huán)，即凡是與速度有關(guān)的問題，應(yīng)該去查找速度調(diào)節(jié)器。因此，振動(dòng)問題應(yīng)查找速度調(diào)節(jié)器。主要從給定信號(hào)、反饋信號(hào)及速度調(diào)節(jié)器本身這三方面去查找故障。

首先檢查輸入給速度調(diào)節(jié)器的信號(hào)，即給定信號(hào)。給定信號(hào)由位置偏差計(jì)數(shù)器發(fā)出，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量VCMD、再送入速度調(diào)節(jié)器。應(yīng)查一下這個(gè)信號(hào)是否有振動(dòng)分量，如它只有一個(gè)周期的振動(dòng)信號(hào)，可以確認(rèn)速度調(diào)節(jié)器沒有問題，而是前級(jí)的問題，即應(yīng)到D/A轉(zhuǎn)換器或位置偏差計(jì)數(shù)器中去查找問題。如果正常，就轉(zhuǎn)向查找測(cè)速發(fā)電機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)的問題。

檢查測(cè)速發(fā)電機(jī)及伺服電機(jī)。當(dāng)機(jī)床振動(dòng)時(shí)，說明機(jī)床速度在振蕩，測(cè)速發(fā)電機(jī)反饋回來的波形一定也在振蕩，觀察它的波形是否出現(xiàn)有規(guī)律的大起大落。這時(shí)，最好能測(cè)一下機(jī)床的振動(dòng)頻率與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度是否存在一個(gè)準(zhǔn)確的比例關(guān)系，如振動(dòng)的頻率是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的四倍頻率，這時(shí)就應(yīng)考慮電動(dòng)機(jī)或測(cè)速發(fā)電機(jī)有故障。首先要檢查電動(dòng)機(jī)有無故障，查其碳刷、換向器表面狀況，如果沒有問題，就再檢查測(cè)速發(fā)電機(jī)。

速度調(diào)節(jié)器故障。若采用上述方法還不能完全消除振動(dòng)，甚至無任何改善，就應(yīng)考慮速度調(diào)節(jié)器本身的問題，應(yīng)更換速度調(diào)節(jié)器板或換下后徹底檢測(cè)各處波形。

檢查振動(dòng)頻率與進(jìn)給速度的關(guān)系。若二者成比例，除機(jī)床共振原因外，多數(shù)是因?yàn)镃NC系統(tǒng)插補(bǔ)精度太差或位置檢測(cè)增益太高引起的，需要進(jìn)行插補(bǔ)調(diào)整和檢測(cè)增益的調(diào)整。如果與進(jìn)給速度無關(guān)，則可能原因有：速度控制單元的設(shè)定與機(jī)床不匹配，速度控制單元調(diào)整不好，該軸的速度環(huán)增益太大或速度控制單元的印制電路板不良。

實(shí)例：X軸振蕩的故障維修

故障現(xiàn)象：一臺(tái)配套FANUC OMC的數(shù)控機(jī)床，加工中心X軸負(fù)載有時(shí)突然上升到80%，同時(shí) X軸電動(dòng)機(jī)嗡嗡作響;有時(shí)又正常。

分析及處理過程：現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn) X軸電動(dòng)機(jī)嗡嗡作響的頻率較低，故判斷 X軸發(fā)生低頻振蕩。發(fā)生振蕩的原因有：軸位置環(huán)增益不合適；機(jī)械部分間隙大，傳動(dòng)鏈剛性差，有卡滯；負(fù)載慣量較大。經(jīng)查X軸位置增益未變，負(fù)載也正常。此機(jī)床由于一直進(jìn)行重切削加工，X軸間隙較大，進(jìn)行過間隙補(bǔ)償。經(jīng)查X軸間隙補(bǔ)償參數(shù)0535，設(shè)定值為250，用百分表測(cè)得X軸實(shí)際間隙為0.22，補(bǔ)償過渡；直到將設(shè)定值改為200后，X軸振蕩才消除。

（6）伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)

數(shù)控系統(tǒng)輸入至進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元的除了速度控制信號(hào)外，還有伺服使能控制信號(hào)，一般為DC + 24 V繼電器線圈電壓。檢查數(shù)控系統(tǒng)是否有速度控制信號(hào)輸出; 檢查使能信號(hào)是否接通。通過CRT觀察I/O狀態(tài)，分析機(jī)床PLC梯形圖（或流程圖），以確定進(jìn)給軸的啟動(dòng)條件，如潤(rùn)滑、冷卻等是否滿足; 對(duì)帶電磁制動(dòng)的伺服電動(dòng)機(jī)，應(yīng)檢查電磁制動(dòng)是否釋放; 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元故障; 伺服電動(dòng)機(jī)故障。

（7）位置誤差

當(dāng)伺服軸運(yùn)動(dòng)超過位置允差范圍時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生位置誤差過大的報(bào)警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因有：系統(tǒng)設(shè)定的允差范圍小; 伺服系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng); 位置檢測(cè)裝置有污染; 進(jìn)給傳動(dòng)鏈累積誤差過大; 主軸箱垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)平衡裝置（如平衡油缸等）不穩(wěn)。

（8）漂移

當(dāng)指令值為零時(shí)，坐標(biāo)軸仍移動(dòng)，從而造成位置誤差。通過漂移補(bǔ)償和驅(qū)動(dòng)單元上的零速調(diào)整來消除。

（9）回參考點(diǎn)故障

回參考點(diǎn)故障一般分為找不到參考點(diǎn)和找不準(zhǔn)參考點(diǎn)兩類。前一類故障一般是回參考點(diǎn)減速開關(guān)產(chǎn)生的信號(hào)或零位脈沖信號(hào)失效，可以通過檢查脈沖編碼器零標(biāo)志位或光柵尺零標(biāo)志位來確定是否有故障;后一類故障是參考點(diǎn)開關(guān)擋塊位置設(shè)置不當(dāng)引起的，需要重新調(diào)整擋塊位置。

（10）伺服電動(dòng)機(jī)開機(jī)后既自動(dòng)旋轉(zhuǎn)

主要原因有：位置反饋的極性錯(cuò)誤; 由于外力使坐標(biāo)軸產(chǎn)生了位置偏移;驅(qū)動(dòng)器、測(cè)速發(fā)電機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)或系統(tǒng)位置測(cè)量回路不良; 電動(dòng)機(jī)或驅(qū)動(dòng)器有故障。

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)的故障診斷

一、直流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)

PWM調(diào)速是利用脈寬調(diào)制器對(duì)大功率晶體管的開關(guān)時(shí)間進(jìn)行控制。將速度控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成—定頻率的方波電壓，加到直流伺服電動(dòng)機(jī)電樞的兩端，通過對(duì)方波寬度的控制，改變電樞兩端的平均電壓，從而達(dá)到控制電樞電流，進(jìn)而控制伺服電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。晶閘管調(diào)速則是利用速度調(diào)節(jié)器對(duì)晶閘管的導(dǎo)通角進(jìn)行控制，通過改變導(dǎo)通角的大小來改變電樞兩端的電壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。

1.CRT有報(bào)警顯示的故障，對(duì)于FANUC系統(tǒng)，CRT顯示的伺服報(bào)警為400～457號(hào)伺服系統(tǒng)錯(cuò)誤報(bào)警和702～704號(hào)過熱報(bào)警。引起過熱報(bào)警的原因有：機(jī)床切削條件苛刻及機(jī)床摩擦力矩增大，引起主回路中的過載繼電器動(dòng)作；切削時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)電流太大或變壓器本身故障，引起伺服變壓器熱控開關(guān)動(dòng)作；伺服電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)部短路或絕緣不良、電動(dòng)機(jī)永久磁體去磁或脫落及電動(dòng)機(jī)制動(dòng)器不良，引起電動(dòng)機(jī)內(nèi)的熱控開關(guān)動(dòng)作。

2.報(bào)警指示燈指示的故障，對(duì)于FANUC系統(tǒng)和Siemens系統(tǒng)速度控制單元中的印制線路板上有報(bào)警燈，其功能、故障原因及排除方法可參看相應(yīng)機(jī)床說明書。

3.無報(bào)警顯示的故障：機(jī)床失控。速度反饋信號(hào)為正反饋信號(hào)，多發(fā)生在維修調(diào)試過程中，通常是電纜信號(hào)線連接錯(cuò)誤所致。機(jī)床振動(dòng)。與位置控制有關(guān)的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，如指令倍率CRM和檢測(cè)倍率DMR的設(shè)定錯(cuò)誤等。檢查機(jī)床振動(dòng)周期，如機(jī)床振動(dòng)周期隨進(jìn)給速度變化，特別是快速移動(dòng)時(shí)，伴有大的沖擊，多為測(cè)速裝置有故障，如伺服電動(dòng)機(jī)上的測(cè)速發(fā)電機(jī)電刷接觸不良；若機(jī)床振動(dòng)周期不隨進(jìn)給速度變化，則調(diào)節(jié)增益電位器，使增益降低，觀察振動(dòng)是否減弱。若減弱，且振動(dòng)頻率是幾十赫茲到幾百赫茲，也即機(jī)床的固有振動(dòng)頻率，則可通過印制線路板上的有關(guān)設(shè)定來解決。若振動(dòng)不減弱，則是印制線路板有故障。定位精度低。除機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)鏈誤差大外，還與伺服系統(tǒng)增益太低有關(guān)，調(diào)節(jié)增益電位器，增大增益，以確認(rèn)能否消除故障。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)噪聲過大。伺服電動(dòng)機(jī)換向器的表面粗糙度不好或有損傷；油液或灰塵等侵入電刷或換向器；電動(dòng)機(jī)軸向存在竄動(dòng)。伺服電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。電動(dòng)機(jī)永久磁鐵脫落；帶電磁制動(dòng)器的伺服電動(dòng)機(jī)，制動(dòng)器失靈，通電后未能脫開。

二、交流進(jìn)給驅(qū)動(dòng)

1.交流伺服電動(dòng)機(jī)的基本檢查。原則上說，交流伺服電動(dòng)機(jī)可以不需要維修，因?yàn)樗鼪]有損壞。但由于交流伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)含有精密檢測(cè)器，因此，當(dāng)發(fā)生碰撞、沖擊時(shí)可能會(huì)引起故障，維修時(shí)應(yīng)進(jìn)行如下檢查：是否受到任何機(jī)械損傷; 旋轉(zhuǎn)部分是否可用手正常轉(zhuǎn)動(dòng); 帶制動(dòng)器的，制動(dòng)器是否正常;是否有任何松動(dòng)螺釘或間隙;是否安裝在潮濕、溫度變化劇烈和有灰塵的地方。

2.交流伺服電動(dòng)機(jī)的安裝注意事項(xiàng)。維修完成后，安裝伺服要注意以下幾點(diǎn)：

由于伺服系統(tǒng)防水結(jié)構(gòu)不是很嚴(yán)密，如果切削液、潤(rùn)滑油等滲入內(nèi)部，會(huì)引起絕緣性能降低或繞組短路，因此，應(yīng)注意盡可能避免切削液濺入;

當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)安裝在齒輪箱上時(shí)，加注潤(rùn)滑油時(shí)應(yīng)注意齒輪箱的潤(rùn)滑油油面高度必須低于伺服的輸出軸，防止?jié)櫥蜐B入內(nèi)部。

當(dāng)固定伺服聯(lián)軸器、齒輪、同步帶等連接件時(shí)，在任何情況下，作用在上面的力不能超過容許的徑向、軸向負(fù)載。

按說明書規(guī)定，對(duì)伺服和控制電路之間進(jìn)行正確的連接。

3.交流伺服電動(dòng)機(jī)常見的故障。包括以下幾點(diǎn)：

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)裝置故障。當(dāng)霍爾開關(guān)或光電脈沖編碼器發(fā)生故障時(shí)，會(huì)引起失控，進(jìn)給有振動(dòng)。

用萬用表或電橋測(cè)量電樞繞組的直流電阻，檢查是否斷路，并用兆歐表查絕緣是否良好。

將與機(jī)械裝置分離，用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，正常情況下感覺有阻力，轉(zhuǎn)一個(gè)角度后手放開，轉(zhuǎn)子又返回;如果用手轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子時(shí)能連續(xù)轉(zhuǎn)幾圈并自由停下，則該電動(dòng)機(jī)已損壞;如果用手轉(zhuǎn)不動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)后無返回，則機(jī)械部分可能有故障。

脈沖編碼器的更換。若交流伺服的脈沖編碼器不良，就應(yīng)更換脈沖編碼器。

三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)是開環(huán)控制系統(tǒng)中最常選用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，調(diào)試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機(jī)床上曾得到廣泛應(yīng)用。

使用過程中，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有如下常見故障：

1.電動(dòng)機(jī)過熱報(bào)警?？赡苁枪ぷ鳝h(huán)境過于惡劣，環(huán)境溫度過高;參數(shù)選擇不當(dāng)，如電流過大、超過相電流和可重新設(shè)置參數(shù)等。

2.工作中，尖叫后不轉(zhuǎn)，具體情況為加工或運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)器或步進(jìn)電動(dòng)機(jī)發(fā)出刺耳的尖叫聲。可能的原因是輸入脈沖頻率太高，引起堵塞，可通過降低輸入脈沖頻率來排除;輸入脈沖的突調(diào)頻率太高，可通過降低輸入脈沖的突調(diào)頻率來排除。

3.工作過程中停車，在工作正常的狀況下，發(fā)生突然停車的故障。

4.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失步或多步，此故障引起的可能現(xiàn)象是工作過程中，配置步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的某軸突然停頓，而后，又繼續(xù)走動(dòng)。

5.運(yùn)轉(zhuǎn)不均勻，有抖動(dòng)。反映在加工中是加工的工件有振紋，表面粗糙度大。

審核編輯：郭婷