數控機床伺服系統故障及其診斷

梁國強

（中國航發西安動力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

進給驅動系統控制機床各個坐標抽的進給運動，而驅動系統的精度又決定了加工尺寸的精度。由此可見，驅動系統的性能高低，直接影響機床的整體性能和加工精度，其移動速度、定位精度指標的影響因素，包括機械本身、傳動鏈、導軌、軸承的精度和剛度，以及驅動系統和CNC的動態性能、靜態性能。以下結合實例，針對伺服系統的故障和診斷維修進行探討。

1 數控機床伺服系統工作原理

數控機床的伺服系統，主要包括以下部件：驅動單元、機械傳動部件、執行部件、檢測反饋元件。其中，伺服驅動系統由驅動單元、驅動元件組成，機械傳動系統由傳動部件、執行元件組成，檢測裝置系統則由檢測元件、反饋電路組成。圖1是設備位置檢測環的示意圖。

圖1 設備位置檢測環

伺服系統是一個閉環的反饋控制系統，首先輸入指令脈沖，針對給定脈沖數、反饋脈沖數進行比較；然后利用比較后產生的偏差值，來調節系統運行，起到消除偏差的作用，促使運行值和給定值保持一致。從這一點來看，伺服系統的運動來源、偏差信號，都要有負反饋回路，使其處于過渡狀態，直至運行停止；對伺服系統外加負載，相當于輸入了擾動信號。

2 伺服系統的故障類型和診斷方法

伺服系統的主要作用，就是控制機床的各個坐標軸，按照控制流程分為三個環節：①位置環。首先接收控制指令脈沖，然后和位置反饋脈沖進行比較，依據偏差量形成速度指令。②速度環，接收位置環的速度指令，然后和電機速度反饋相比較，針對速度偏差處理后形成電流信號。③電流環，接收電機發出的電流檢測反饋信號，處理后驅動元件產生驅動電流。這三個環節一旦出現異常或故障，就會影響伺服系統的正常運行。

結合以往工作實踐，伺服系統發生故障后，主要表現為三種形式：第一，操作面板或顯示屏上，會出現報警信息內容；第二，伺服驅動單元的報警燈故障，或者數碼管顯示驅動系統故障；第三，系統運行異常，但沒有報警信息。針對前兩種故障類型，通過查詢系統說明書，對照報警信息和內容，即可明確故障部位和原因，因此維修簡單。對于第三種故障，處理起來相對復雜，應該從伺服系統的各個環節入手進行檢查，排查故障并修復之后，確保伺服系統恢復正常運行。以下介紹了幾種常見的故障類型。

2.1 超程

超程的設置，本質上是保護機床運行的一種措施，一般分為急停保護、硬件超程、軟件超程三種。針對不同規格型號的機床，超程設置也不同。其中，硬件超程能防止人工誤操作，通過和急停電路相串聯，在軟件超程限位保護失效時發揮保護作用。軟件超程依靠機床的坐標系，一般設置在硬件限位之間。發生故障以后，可以根據說明書的指示予以排除。

2.2 過載

如果進給運動負載較大，在正方向交替運行、傳動潤滑不足、過載檢測電路不良時，均會引起過載報警。通過顯示屏，可以看到伺服電機過載、過熱，主要利用指示燈或數碼管提供過載信息。

2.3 竄動

進給運動時竄動，導致測速信號不穩定，此時測速裝置、反饋信號等受到干擾。分析其原因，可能是速度控制信號不穩定，或者接線端子連接不良或者螺絲松動。此外，在正向或反向運行時發生竄動現象，則是進給傳動鏈的反向間隙過大，或伺服系統增益過大引起的。

2.4 爬行

常發生在啟動加速階段或低速進給階段，主要是傳動鏈潤滑不良、系統增益較低、負載過大引起的。故障發生后，應該注意連接伺服電機、滾珠絲杠的聯軸器，如果聯軸器本身有缺陷，或者連接松動，就會導致滾珠絲杠和伺服電機之間的異步轉動，結果進給速度不穩定，出現爬行現象。

2.5 振動

發生振動后，首先確定是否是進給速度引起的。兩者若是有關，故障原因主要是該軸速度環增益過高，或者速度反饋故障；兩者若是無關，故障原因則是位置環增益過高，或者位置反饋故障。當加速減速時出現振動，原因在于加速減速時間設定過小。

2.6 漂移

漂移故障指的是，當指令顯示為零時，坐標軸卻依然在移動，此時就會造成誤差。對于這種故障，進行漂移補償，或者利用零速調整即可消除。

2.7 伺服電機不轉

在進給單元中，不僅包括速度控制信號，還有使能控制信號，它是進給運動的前提。當伺服電機不轉時，首先檢查使能信號的連通性，利用PLC技術分析軸使能條件；然后檢查速度控制信號；最后檢查電磁制動的釋放情況，看進給單元是否發生故障。

2.8 跟隨誤差過大

如果伺服運動誤差超限，此時系統就會發生報警，提示位置偏差過大，包括跟隨誤差、定位誤差、輪廓誤差等類型。分析故障原因，主要是系統本身設定的誤差允許值較小，或者系統增益設置不當，或者位置檢測裝置受到污染和干擾。如此一來，傳動部分發生故障，傳動鏈在誤差積累過程中，導致主軸垂直運動時不穩，平衡裝置發生偏差。

2.9 回參考點故障

數控機床啟動以后，返回參考點是必要的操作，是正常運行的基礎。機床如何返回參考點，根據內部配置的不同而有明顯差異，主要包括有擋塊回零、無擋塊回零兩種類型。系統出現回參考點故障后，原因主要有三點：一是零點開關問題，導致PLC無法正常傳遞減速信號；二是編碼器、光柵尺的零點脈沖問題；三是測量板問題，無法接收零點脈沖。

3 伺服系統故障的維修實例分析

3.1 實例一

DMU60P五軸加工中心，采用MILLPLUS系統，C軸在旋轉時出現C04號報警故障的解除。故障現象：伺服系統的C軸在旋轉期間，出現C04號（Max following error too large）報警，此時伺服系統強電斷開。診斷過程：該機床的伺服系統，采用閉環控制模式，控制系統采用MILLPLUS系統，具有位置控制、速度控制兩個環節。分析報警信息后，將跟隨誤差參數3481的數值從500調整為2000，結果報警依然存在。開機維修時，可見其他軸的移動、回零均正常，只有C軸指令值超過參數3481中的值才會報警。對此，測量驅動輸出，顯示電壓輸出正常，因此判斷故障出現在傳動部分。考慮到C軸屬于旋轉軸，通過同步皮帶和伺服電機相連，從而帶動轉臺旋轉。因此檢查傳動機構，結果發現同步皮帶斷裂。處理方法：更換同步皮帶后故障解除，系統恢復正常運行。

3.2 實例二

DMU50eV五軸加工中心，采用MILLPLUS系統，C軸在旋轉時出現C04號報警故障的解除。故障現象：伺服系統C軸在旋轉期間，出現C04號（Max following error too large）報警，此時伺服系統強電斷開。診斷過程：機床在正常運行期間，C軸出現報警，首先對機床關機后再次啟動，發現報警消失。將跟隨誤差參數3481的數值從500調整為3000，運行一段時間后再次出現報警，因此初步懷疑故障原因如下：①檢測裝置的光柵出現污染；②傳動部分故障，由于誤差累積過大，超過了系統設置的誤差允許范圍。對此，觀察機床運動后，機床出現報警，關機重啟后警報依然存在，且C軸不能移動。檢查驅動系統，發現C軸溫度升高，是散熱風扇損壞，驅動沒有輸出電壓，因此C軸驅動損壞。處理方法：更換C軸驅動后故障解除，系統恢復正常運行。

4 結語

在數控機床中，伺服系統具有自動控制的作用，關系到加工精度和生產進度。通過文中列舉的常見故障和維修實例，可見發現問題是解決問題的關鍵；雖然診斷過程復雜，但是明確故障部位和原因，維修處理工作比較簡單。對此，要求工作人員具備扎實的技術知識，同時不斷積累診斷和維修經驗，以便及時準確地找出故障原因，盡快恢復機床的正常運行，提高企業的生產效率和效益。

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