閉環伺服系統中的“一題多解”——數控機床典型維修案例分析

1.伺服系統概念

在自動控制系統中，把輸出量能夠以一定準確度跟隨輸入量的變化系統稱之為隨動系統，既稱伺服系統或拖動系統，數控機床的伺服系統是指機床移動部件的位移和速度作為控制量的自動控制系統。

數控機床的伺服系統是機床主機和數控裝置(CNC)的聯系環節，是數控機床的重要組成部件，是關鍵部件，故稱伺服系統為數控機床的三大組成部分之一。

1.1 伺服系統的作用

伺服系統接受來自數控裝置(CNC)的指令信號，經過放大和轉換，驅動機床執行件跟隨指令脈沖運動，實現預期的運動，并保證動作快速和準確。

1.2 伺服系統的組成

數控機床的伺服系統一般由驅動單元，驅動元件，機械傳動部件執行件和檢測反饋環節等組成，驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統。機械轉動部件和執行元件組成機械傳動系統檢測元件與反饋電路組成檢測裝置，稱為檢測系統。如圖1所示。

圖1 伺服系統的組成

圖2 閉環伺服系統的反饋控制

2.伺服系統的工作原理

伺服系統是一種反饋系統，它以指令脈沖為輸入給定值與輸出被調量進行比較，利用比較后產生的偏差值對系統進行自動調節以消除偏差，使被調量跟蹤給定值，所以伺服系統的運動來源于偏差信號，必須具有反饋回路，始終處于過渡過程狀態。在運動過程中實現了力的放大，伺服系統必須有一個不斷輸入能量的能源，外加負載可視為系統的擾動輸入。

2.1 伺服系統的分類及特征

伺服系統是一個位置隨動系統，按有無位置檢測和反饋有以下三種；(1)開環伺服系統(2)半閉環伺服系統(3)閉環伺服系統，當前數控機床的伺服系統大多數是閉環伺服系統，將檢測裝置在移動部件上，直接測量移動部件的實際位移來進行位置反饋的進給系統稱為閉環伺服系統，閉環伺服系統可以消除機械傳動機構的全部誤差，而半閉環伺服系統智能補償部分誤差，因此，半閉環伺服系統的精度比閉環系統的精度要低一些。由于采用了位置檢測，所以閉環進給系統的位置精度在其他因素確定之后，主要取決測量長量的分辨率和精度、閉環和半閉環伺服系統因為采用了位置測量裝置，所以在結構上較開環伺服系統復雜，另外由于機械傳動機構部分包含在系統之內，機械傳動機構的固有頻率，阻尼，間隙等將成為系統不穩定的因素。因此閉環伺服系統的特征是精度高，系統不穩定。

2.2 數控機床位置伺服的閉環系統

閉環系統是數控機床上常用的伺服系統，因為開環系統的精度還不能很好地滿足機床的要求，為了保證精度，在精密機床或大型機床上就必須采用閉環系統。

閉環伺服系統是誤差控制隨動系統，如圖2所示。數控機床進給系統的誤差是CNC輸出的位置指令和機床工作臺（或刀架）實際位置的差值。閉環系統的運動執行元件（伺服電機）不能反映運動位置，故需要有位置檢測裝置。該裝置測出實際位移量或者所處位置，并將測量值反饋給CNC裝置，接著與指令值進行比較求得誤差。將此誤差信號進行放大，控制伺服電機帶動機床工作臺移動，并向著消除誤差的方向進給，直到誤差等于0為止。

由于閉環伺服系統是反饋控制，反饋測量裝置精度很高，所以系統傳動鏈的誤差、環內各元件的誤差以及運動中造成的誤差都可以得到補償，從而大大地提高了跟隨精度和定位精度。目前閉環伺服系統的分辨率多數為1ūm，定位精度可達±0.01-±0.005mm；高精度系統的分辨率可達0.1ūm，閉環系統的特點是精度高，但結構復雜、調試維護較難，故一般用于傳動部件精度較高、性能穩定、使用過程中溫度變化不大的精密數控機床。

3.數控維修實踐中的典型案例

通過對數控機床閉環伺服系統工作原理的分析，使我們在維修過程中思路明確，如閉環伺服系統方面的故障有：數控系統指令沒發出去；伺服控制板（軸卡）有問題；伺服功率模塊）有問題；執行元件伺服電機故障；檢測元件編碼器、光柵尺、讀數頭臟污或接觸不良；某處連接電纜線斷線或接觸不良或對地短路；機械部件卡死等。

3.1 位置檢測元件故障

例如：一臺采用FANUCOITB數控系統的數控臥車，每次開機X軸回參考點后，零點機械位置都有0.5mm-1.5mm的誤差，該設備是全閉環控制，光柵尺為海德漢LS476，增量型，回參考點固定位置，在X軸零點端壓上百分表，每次回零后觀察百分表確實有誤差，從診斷302號（從擋塊脫離的位置到第一個柵格信號位置的距離）內記錄的數據看也有變化，正常情況下診斷302號內的數據應該在每次回零后是固定不變的，檢查回零減速開關，沒有松動，檢測X軸機械傳動單元，也是正常的，沒有間隙。修改參數將X軸改為半閉環控制，開機回零后，發現診斷302號的數據不變，懷疑光柵尺有問題，把光柵尺拆下檢測發現動尺的讀數頭內有冷卻液，線路板有短路發黑的痕跡，重新更換讀數頭后，機床正?；亓恪?/p>

3.2 維修中的“一題多解”

在維修實踐中，一些數控機床的發生故障原因不同，但數控系統顯示屏上報警信息是一樣的，這需要認真總結，舉一反三，以數控理論為基礎，總結實踐經驗，提高診斷維修數控設備的準確性。例如：“一題”，相同報警信息如下：

(1)2502011 AXIS%1 drive fauit

軸伺服驅動錯誤

(2)300308 CHANNEL%1 AXIS%2VDISIGNAK SERVO ENABLE RESET DURING MOTION

通道1軸VDI伺服使能信號被復位

(3)31612 AXIS%1 drive %2 speed controller at limit

軸驅動速度被限制

但機床發生故障的部位不同：

“一解”伺服電機相同輕微短路

藍天五坐標加工中心，數控系統是MIEMENS840D，A軸與U軸是帶動工作臺旋轉的兩個軸，當工作臺翻轉時A軸出現上述報警，對調A軸與U軸驅動，故障現象依舊，對調A軸與Y軸的連接電纜線報警依舊，在西門子840D系統中，在診斷頁面下，進入服務系統，觀察A軸與U軸電機的溫度，電流狀態，沒有發現問題，拆開擋板，用手摸A軸伺服電機時感覺有震動的現象，并伴隨輕微的響聲，經專業廠家對A軸伺服電機進行檢測證明是電機三相有輕微短路，導致A軸轉動一會就會發出報警，維修A軸伺服電機后，故障排除。

“二解”旋轉軸機械卡住

FPT四坐標加工中心，數控系統是MIEMENS840D。工作臺轉動時即B軸偶爾出現上述報警，刪除報警，再轉B軸又正常了。后來B軸一運行就是出現上述報警，且B軸轉不動。檢查方法如下；更換B軸伺服模塊，故障沒有排除，證明B軸伺服模塊沒有問題，調出顯示屏內診斷畫面，按“服務”軟件顯示，B軸電機負載大，溫度高，將B軸電機與轉臺脫開，B軸電機運行正常，下電后，機械盤轉臺，轉臺一點不動，斷定機械抱閘卡死，拆下轉臺后確定B軸抱閘一直處于夾緊狀態。

“三解”伺服通訊接口板（軸卡）損壞

日發四坐標加工中心，數控系統是MIEMENS840D，開機后，移動Y軸出現上述報警，將Y軸伺服模塊與X軸伺服模塊對調后，故障現象轉移到X軸，說明發生故障的原因在Y軸伺服模塊中。再將Y軸伺服模塊中的通訊板即軸卡對調后，相同的故障出現在X軸上，由此斷定故障點在B軸伺服模塊中的通訊板上。

“四解”伺服功率模塊故障

SAIO8000四坐標加工中心，數控系統是MIEMENS840D。在運行中X軸突然出現上述報警，診斷方法，首先刪除報警，看“報警”是否被清除，如不能被清除，且X軸伺服模塊上顯示紅燈亮，首先應該用相同型號的新伺服模塊替代X軸伺服模塊，故障排除，將故障點鎖定在X軸伺服模塊上，再用新的通訊板與X軸通訊板進行替換，結果故障還在，將新的功率模塊與X軸功率模塊進行替換，系統恢復正常運行。

“五解”設備旋轉軸反饋電纜接觸不好

青海一機四坐標加工中心，數控系統是MIEMENS840D。該設備在加工環形零件過程中，且在工作臺轉動時，B軸突然出現上述報警，診斷方法，首先更換B軸伺服，即用替代法，排除B軸伺服模塊沒有故障。再看服務顯示屏內B軸轉動時的負載及電機，沒有問題。按“復位”鍵，B軸上述報警即可刪除，有時B軸運轉正常，但沒有出現上述報警，懷疑的電纜線有問題，更換B軸位置反饋電纜線后，故障排除。

4.結束語

隨著數控機床被越來越多地應用于制造業，如何快速診斷并排除故障，減少停機時間，已成為在數控機床使用過程中被普遍關注的問題。數控機床故障的診斷是維修的前提，也是重點和難點，機床出現故障能否迅速診斷出故障原因，及時排除故障，關鍵看故障診斷是否準確，能否診斷準確，能否抓住問題的實質。在數控機床維修實踐中，各軸伺服板，電機機械部件，位置反饋元件在閉環伺服系統中出現故障幾率是占電氣故障中比例最大的，因此深入研究數控機床的閉環控制系統特點以及工作原理是數控機床維修工作的堅實基礎，歸納總結閉環控制系統的實踐維修經驗，對數控機床維修工作有著現實深遠的意義。

[1]任建平主編.現代數控機床故障診斷及維修[M].國防工業出版社.

[2]孫偉主編.數控設備故障診斷與維修技術[M].國防工業出版社.

[3]牛志斌主編.圖解數控機床-西門子典型系統維修技巧[M].機械工業出版社.