数控机床伺服系统的故障诊断与维修
【摘要】数控伺服系统作为数控装置和机床的联系环节，是数控机床的重要组成部分，数控机床的精度和速度等技术指标很大程度上取决于伺服系统的性能优劣。因此，对高性能伺服系统的研究和开发一直是现代数控机床的关键技术之一。
【关键词】数控机床；伺服系统；故障诊断；维修
【作者简介】王甦，男，1975年11月出生，汉族，广西全州县人，现就职于广西河池市职业教育中心学校，讲师职称，学士学位，长期从事工业自动化、数控技术方面的教学、社会服务和课题研究工作。
伺服系统在数控机床设备中具有重要的地位，高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动。随着技术的进步和整个工业的不断发展，伺服驱动技术也取得了极大的进步，伺服系统已进入全数字化和交流化的时代。
一、伺服系统的发展过程
㈠直流伺服技术
伺服系统的发展经历了由液压到电气的过程。电气伺服系统根据所驱动的电机类型分为直流伺服系统和交流伺服系统。上世纪50年代，无刷电机和直流电机实现了产品化，并在计算机外围和机械设备上获得了广泛应用，到70年代则是直流伺服电机应用最为广泛的时代。
㈡交流伺服技术
从上世纪70年代后期到80年代初期，随着微处理技术、大功率高性能半导体技术和电机永磁材料制造工艺的发展及其性价比的日益提高，交流伺服技术—交流伺服电机和交流伺服控制系统逐渐成为主导产品。交流伺服驱动技术已经成为工业领域实现自动化的基础技术之一，并将逐渐取代直流伺服系统。
㈢交直流伺服技术的比较
⒈直流伺服驱动技术受电机本身缺陷的影响，其发展受到了限制。直流伺服电机存在机械结构复杂、维护工作量大等缺点，在运行过程中转子容易发热，影响了与其连接的其他机械设备的精度，难以应用到高速及大容量的场合，机械换向器则成为直流伺服驱动技术发展的瓶颈。
⒉交流伺服电机克服了直流伺服电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，特别是交流伺服电机的过负荷特性和低惯性更体现出交流伺服系统的优越性。所以交流伺服系统在工厂自动化等各个领域得到广泛的应用。
⒊从伺服驱动产品当前的应用来看，直流伺服产品正逐步减少，交流伺服产品则日渐增加，市场占有率逐步扩大。在实际应用中，精度更高、速度更快、使用更方便的交流伺服产品已经成为主流产品。
二、伺服系统的应用
随着市场竞争的日趋激烈，用户对所需产品提出了更高的技术要求和更合理的性价比。伺服系统以其出色的性能满足了各种产品制造厂家近乎苛刻的要求，从而能够对产品的加工过程、加工工艺和综合性能进行改造。在机电一体化设备上伺服系统的使用更加广泛，几乎工业生产的所有领域都成为伺服系统的应用对象。
三、伺服系统故障与维修
㈠主轴驱动系统的故障与维修
⒈主轴转速与进给不匹配。当进行螺纹切削或用每转进给切削时，会出现停止进给，主轴仍然运转的故障。主轴有一个每转一个脉冲的反馈信号，一般为主轴编码器有问题。可以用以下方法确定：⑴CRT画面有报警显示；⑵通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号状态；⑶用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是不消失。
⒉主轴异常噪声及振动。首先要区别异常噪声及振动发生在主轴机械部分还是在电气驱动部分。
⑴在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。
⑵在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如果有，则表示主轴机械部分有问题。
⑶检查振动周期是否有与转速有关。若无关，一般是主轴驱动装置未调整好；若有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否良好。
⒊转速偏离指令值。当主轴转速超过技术要求所规定的范围时，要考虑：⑴电机过载；⑵CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0～10V）没有达到与转速指令对应的值；⑶测速装置有故障或速度反馈信号断线；⑷主轴驱动装置故障。
⒋主轴电动机不转。CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。⑴检查CNC系统是否有速度控制信号输出；⑵检查使能信号是否接通；⑶通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足；⑷主轴驱动装置故障；⑸主轴电动机故障。
⒌主轴定位抖动。主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换挡等场合，由于准停均要经过减速的过程，如减速和增益等参数设置不当，均可引起定位抖动。如限位开关失灵、发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。
⒍过载。切削用量过大，频繁正反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴电机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等。
⒎外界干扰。由于受电磁干扰，屏蔽和接地措施不良，主轴转速指令信号或反馈信号会受到干扰，使主轴驱动出现随机的或无规律性的波动。判别有无干扰的一种方法是：当主轴转速指令为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。
㈡进给伺服系统的故障与维修
⒈超程。当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。
⒉过载。当进给运动的负载过大，频繁正反转运动及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过流等信息。
⒊窜动。在进给时出现窜动现象的原因有：⑴测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；⑵速度控制信号不稳定或受到干扰；⑶接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动的瞬间，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。
⒋爬行。发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载或联轴器本身的缺陷，如裂纹等造成的滚珠丝杠转动和伺服电机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
⒌振动。分析机床振动周期是否与进给速度无关。⑴若与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或速度反馈故障有关；⑵若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关；⑶若振动在加减速过程中产生，往往是系统加减速时间设定过小造成的。
⒍漂移。当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除。
⒎位置误差。当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因有：⑴系统设定的允差范围过小；⑵伺服系统增益设置不当；⑶位置检测装置有污染；⑷进给传动链累积误差过大；⑸主轴箱垂直运动时平衡装置不稳。
⒏回参考点故障。回参考点故障分为找不到参考点和找不准参考点两类。前者主要是回参考点开关产生的信号或零标志脉冲信号失效所致；后者往往是参考点开关挡块位置设置不当引起。
⒐伺服电机不转。数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。伺服电机不转，常用的诊断方法有：⑴检查数控系统是否有速度控制信号输出；⑵检查使能信号是否接通，通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，以确定进给轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足；⑶对带电磁制动的伺服电机，应检查电磁制动是否释放；⑷进给驱动单元故障；⑸伺服电机故障。
㈢位置伺服系统的故障与维修
位置伺服系统通常采用闭环或半闭环控制。这种控制的特点就是任意一环节发生故障都可能导致系统定位不准确、不稳定或失效。诊断定位故障环节就成为维修的关键。根据伺服系统的控制原理和系统接口特性，对系统进行分解判断，已成为行之有效的办法。下面着重介绍位置环和速度环的诊断方法。
⒈位置环故障诊断。若位置伺服系统的位置反馈和速度反馈各自采用一个反馈器件，可以断开位置环的控制作用，让速度环单独运行，以便判断故障出自位置环还是速度环。
断开位置环的控制作用，可以采用两种方法：⑴机械断开，即断开位置反馈编码器与伺服电机之间的传动连接；⑵电气断开，即断开位置反馈编码器与系统的连接。
在位置开环状态下进行维修测试时，不允许给被测试轴任何方式的移动指令，否则会引起伺服电机失控。
若位置反馈环和速度反馈环由一只反馈元件完成，位置反馈信号经转换电路变为速度控制信号，则要根据系统硬件具体特性故障信息作出灵活判断。
⒉速度环故障诊断。在速度开环的方式下，对速度控制单元进行测试。该方法需要对系统硬件较熟悉，以避免误操作损坏部件。
⒊电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电机的匹配调节已由制造者作好了或指定了相应的匹配参数，其反馈信号一般在伺服系统内连接完成，故不需接线与调整。
在三环系统中，位置环的输出是速度环的输入，速度环的输出是电流环的输入，电流环的输出直接控制功率变换单元的反馈信号。
综上所述，数控机床伺服系统诊断定位与故障环节是数控机床维修的关键，高性能的伺服系统能使数控机床更有效更灵活的加工生产零件。
【参考文献】
[1]蒋红平.数控机床维修[M].北京：高等教育出版社，2004.7
[2]武友德.数控设备故障诊断与维修技术[M].北京：化学工业出版社，2003.7
[3]白恩远等.现代数控机床伺服及检测技术[M].北京：国防工业出版社，2002
[4]任建平.现代数控机床故障诊断及维修[M].北京：国防工业出版社，2002
[5]刘蔡保.数控机床故障诊断与维修[M].北京：化学工业出版社，2012.8
