伺服系统故障及维修技术优化方案

在自动控制系统中，将输出量能够以一定的准确度跟随输入量的变化而变化的系统，称为随动系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位移和速度作为控制量的自动控制系统。驱动系统与CNC的位置控制部分构成了位置伺服系统，数控机床的驱动系统主要有两种：进给驱动和主轴驱动。进给驱动控制机床各坐标的进给运动，主轴控制主轴旋转运动。因此，驱动系统的性能在较大程度上决定着数控机床的性能，数控机床的最大移动速度、定位精度等指标主要取决于驱动系统及CNC位置控制部分的动态和静态性能。

10.4.1　伺服系统的工作原理

数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置，也称检测系统，如图10.1所示。

图10.1　闭环控制系统框图

伺服系统是一个反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。因此，伺服系统的运动来源于偏差信号，必须具有负反馈回路，始终处于过渡过程状态。伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。

10.4.2　进给伺服的故障及诊断

（1）进给伺服的故障形式

进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环和电流环。位置环接收控制指令脉冲和位置反馈脉冲且进行比较，利用其偏差，产生速度环的速度指令；速度环接收位置环发出的速度指令和电机的速度反馈，同样，速度环将速度偏差信号进行处理，产生电流信号；电流环将电流信号及从电机电流检测单元发出的反馈信号进行处理，再驱动大功率元件，产生伺服电机的驱动电流。在这些环节中，任一环节出现异常或故障，都会对伺服系统的正常工作造成影响。

当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；三是运动不正常，但无任何报警。对于第一、二种形式，因为有些报警的含义比较明确，可根据相应的系统说明书进行检查；对于第三种形式，就要综合分析伺服系统的各个环节可能造成这种现象的原因，再逐步检查、排除直至查到真正的原因，或优化各种因素直至恢复正常。进给伺服的常见故障有以下九种。

1）超程

超程是机床厂家为机床设定的保护措施，一般有软件超程、硬件超程和急停保护。不同机床所采用的措施会有所区别。硬件超程是为了防止在回零之前手动误操作而设置的，急停是最后一道防线，当硬件超程限位保护失效时它会起到保护作用，软件限位在建立机床坐标系后（机床回零后）生效，软件限位设置在硬件限位之间。不同系统的具体恢复方法有所区别，根据机床说明书即可排除。

2）过载

当进给运动的负载过大、频繁正反向运动，以及进给传动的润滑状态和过载检测电路不良时，都会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流的报警，或在电柜的进给驱动单元上，用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过流信息。

3）窜动

在进给时会出现窜动现象：测速信号不稳定，如测速装置、测速反馈信号干扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰；接线端子接触不良，如螺丝松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动瞬间时，一般是由进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。

4）爬行

发生在启动加速段或低速进给时，一般是进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低以及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服电机和滚珠丝杠连接用的联轴器，如连接松动或联轴器本身缺陷（如裂纹等），会造成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。

5）振动

分析机床振动周期是否与进给速度有关。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；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；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。

6）伺服电机不转

数控系统至进给单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，使能信号是进给动作的前提，可参考具体系统的信号连接说明。检查使能信号是否接通，通过PLC梯形图，分析轴使能的条件；检查数控系统是否发出速度控制信号；对带有电磁制动的伺服电动机应检查电磁制动是否释放；检查进给单元故障；检查伺服电机故障。

7）位置误差

当伺服运动超过允许的误差范围时，数控系统就会产生位置误差过大报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因是：系统设定的允差范围过小，伺服系统增益设置不当，位置检测装置有污染，进给传动链累积误差过大，以及主轴箱垂直运动时平衡装置不稳。

8）漂移

当指令为零时，坐标轴仍在移动，从而造成误差，可通过漂移补偿或驱动单元上的零速调整来消除。

9）回基准点故障

基准点是机床在停止加工或交换刀具时机床坐标轴移动到一个预先指定的准确位置。机床返回基准点是数控机床启动后首先必须进行的操作，然后机床才能转入正常工作。机床不能正确返回基准点是数控机床常见的故障之一。机床返回基准点的方式随机床所配用的数控系统不同而异，但多数采用栅格方式（在用脉冲编码器作为位置检测元件的机床中）或磁性接近开关方式。下面介绍四种机床在返回基准点时的故障。

①机床不能返回基准点。一般有三种情况：

a.偏离基准点一个栅格距离。造成这种故障的原因有三种：一是减速板块位置不正确；二是减速挡块的长度太短；三是基准点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机床大修后发生，可通过重新调整挡块位置来解决。

b.偏离基准点任意位置，即偏离一个随机值。这种故障与这些因素有关：外界干扰，如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠得太近；脉冲编码器用的电源电压太低（低于4.75 V）或有故障；数控系统主控板的位置控制部分不良；进给轴与伺服电机之间的联轴器松动。

c.微小偏移。其原因有两个：一个是电缆连接器接触不良或电缆损坏；另一个是漂移补偿电压变化或主板不良。

②机床在返回基准点时发出超程报警。这种故障有三种情况：

a.无减速动作。无论是发生软件超程还是硬件超程，都不减速，一直移动到触及限位开关而停机。可能是返回基准点减速开关失效，开关触头压下后不能复位，或减速挡块处的减速信号线松动，返回基准点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。

b.返回基准点过程中有减速，但以切断速度移动（或改变方向移动）到触及限位开关而停机。可能原因有：减速后，返回基准点标记指定的基准脉冲未出现。其中，一种可能是：光栅在返回基准点操作中没有发出返回基准点脉冲信号；或返回基准点标记失效；或由基准点标记选择的返回基准点脉冲信号在传送或处理过程中丢失；或测量系统硬件故障，对返回基准点脉冲信号无识别和处理能力。另一种可能是：减速开关与返回基准点标记位置错位，减速开关复位后，未出现基准点标记。

c.返回基准点过程有减速，且有返回基准点标记指定的返回基准脉冲出现后的制动到零速时的过程，但未到基准点就触及限位开关而停机。该故障原因可能是返回基准点的返回基准点脉冲被超越后，坐标轴未移动到指定距离就触及限位开关。

③机床在返回基准过程中，数控系统突然变成“NOT READY”状态，但CRT画面却无任何报警显示。出现这种故障也多为返回基准点用的减速开关失灵。

④机床在返回基准点过程中，发出“未返回基准点”报警，其原因可能是改变了设定参数所致。

（2）故障的维修方法

1）模块交换法

由于伺服系统的各个环节都具有模块化，不同轴的模块有的具有互换性，因此，可采用模块交换法来进行一些故障的判断，但要注意遵从要求：模块的插拔是否会造成系统参数丢失，是否应采取措施；各轴模块的设定可能有所区别，更换后保证设定和以前一致；遵循“先易后难”的原则，先更换环节中较易更换的模块，确认不是这些模块的问题后，再检查难以更换的模块。通过这种方法，比较容易确定故障的部位。

2）外界参考电压法

当某轴进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和电机故障，可以脱开位置环，检查速度环。

3）满足三个使能条件，电机才能工作

a.脉冲使能63无效时，驱动装置立即禁止所有轴运行，伺服电机无制动的自然停止。

b.驱动器使能64无效时，驱动装置立即置所有进给轴的速度设定值为零，伺服电机进入制动状态，200 ms后电机停转。

c.轴使能65无效时，对应轴的速度设定值为零，伺服电机进入制动状态，200 ms后电机停转。

正常情况下，伺服电机在外加参考电压的控制下转动，调节电位改变指令电压，可控制电机的转速，参考电压的正、负决定电机的旋转方向。这时，可判断驱动器和伺服电动机是否正常，以判断故障是在位置环还是在速度环。

（3）伺服电机维护

目前，数控系统的伺服电机主要有两种：直流伺服电机和交流伺服电机。

1）直流伺服电机的维护

直流伺服电机的维护主要指的是对电机电刷、换向器、测速电机电枢等定期检查和维护。数控铣床、加工中心、数控车床的直流伺服电机应每年检查一次；频繁加、减速的机床（如冲床等）中的直流伺服电机应每两个月检查一次。

2）交流伺服电机的维护

交流伺服电机不存在电刷的维护问题，故称为免维护电机。它的磁极是转子，定子与三相交流感应电机的电枢绕组一样，电机的检测元件有转子位置检测元件和脉冲编码器。转子位置检测元件一般是霍尔元件或具有相位检测的光电脉冲编码器，由于伺服系统通过转子位置信号来控制电机定子绕组的开关组件，因此检测元件的松动错位以及元件故障都会造成伺服电机无法工作。脉冲编码器，作为速度和位置检测元件为系统提供反馈信号。交流伺服电机常见的故障有：

①接线故障

由于接线不当，在使用一段时间后就可能出现故障，主要为插座接线脱焊、端子接线松动引起接触不良。

②转子位置检测元件故障

检测元件故障会造成电动机的失控、进给有振动，由于转子位置检测元件的位置安装要求比较严格，因此应由专业人员进行调整设定。

③电磁制动故障

带电磁制动的伺服电机，当制动器出现故障时，出现得电不松开、失电不制动的情况。

3）交流电机故障判断方法

①电阻测量

用万用表测量电枢的电阻，查看三相之间电阻是否一致，用兆欧表测量绝缘是否良好。

②电机检查

脱开电给予机械装置，用手转动电机转子，正常时感觉有一定的均匀阻力，如果在旋转过程中出现周期性的不均匀的阻力，应该更换电机进行确认。

在检查交流伺服电机时，对采用编码器换向的如原连接部分无定位标记的，编码器不能随便拆除，不然会使相位错位；对采用霍尔元件换向的，应注意开关的出线顺序。平时不应敲击电动机上安装位置检测元件的部位，因为伺服电机在定子中埋设热敏电阻，作为过热报警检测，出现报警时，应检查热敏电阻是否正常。

4）进给系统的故障诊断

不同厂家、不同系统系列的伺服系统的结构及信号连接有很大差别。前面章节介绍了FANUC及SIEMENS两种伺服系统的结构和连接以及故障诊断，总的来说，对于伺服系统的故障诊断，应以区分内因和外因为前提。所谓外因，指的是伺服系统启动的条件是否满足，例如，供给伺服系统的电源是否正常，供给伺服系统的控制信号是否出现，伺服系统的参数设置是否正确；所谓“内因”，指的是确认伺服驱动装置故障，在满足正常供电及驱动条件下，伺服系统能不能正常驱动伺服电机的运动。

对于外因，必须明白系统正常工作所应满足的条件、控制信号的时序关系等。随着数字化、集成化的进一步提高，用户对元器件的维修将越来越难，应将学习的重点放在调整和诊断技术上。

由于伺服系统大都具有模块化结构，因此可采用模块更换法进行故障诊断。当怀疑到某一个轴的进给模块准备进行更换时，必须明白相互更换的模块型号是否一致。这可在模块上或机床配置上查到；相互交换的模块的设定是否一致，检查设定开关，做好记录；在拆下连接模块的插头、电缆时，确认标记是否清晰，否则重作标记，以防出现接线错误。

10.4.3　主轴伺服的故障及诊断

主轴伺服系统主要完成切削加工时主轴刀具旋转速度的控制，现在有些系统还具有C轴功能，即主轴的旋转像进给轴一样进行位置控制，它可完成主轴任意角度的停止以及和Z轴联动完成刚性攻丝等功能，这类主轴系统的结构中，装有脉冲编码器作为主轴位置反馈。

主轴伺服系统分为直流主轴系统和交流主轴系统。由于直流主轴电机为他励直流电机，因此直流主轴控制系统要为电机提供励磁电压和电枢电压。在恒转矩区，励磁电压恒定，通过增大电枢的电压来提高电机速度；在恒功率区，保持电枢电压恒定，通过减小励测电压来提高电机转速。目前数控机床采用得较多主轴驱动为交流电机配变频控制的方式，它是通过改变电机的工作频率来改变电机的转速。

主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；三是主轴工作不正常但无任何报警信息。对于报警提示，可根据系统说明书详查可能的原因，常见的主轴单元的故障有以下六种：

（1）主轴不转

可能的原因：机械故障。如机械负载过大，主轴系统外部信号未满足；又如，主轴使能信号、主轴指令信号、主轴单元或主轴电机故障。

（2）电动机转速异常或转速不稳定

可能的原因：速度指令不正常，测速反馈不稳定或故障，过负载，主轴单元或电机故障。

（3）外界干扰

由于受电磁干扰，屏蔽或接地不良，主轴转速指令或反馈受到干扰，使主轴驱动出现随机或无规律的波动。判断方法：当主轴转速为零时，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除。

（4）主轴转速与进给不匹配

当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、主轴仍继续运转的故障。要执行每转进给指令，主轴必须有每转一个脉冲的反馈信号，一般情况下认为主轴编码器有问题，可用以下方法来确定：CRT画面上有报警指示；通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号状态；用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，观察故障是否消失。

（5）主轴异常噪声或振动

首先区别异常噪声的来源是机械侧还是电气驱动部分。在减速过程中产生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动装置中的再生回路故障；在恒转速时产生，可通过观察主轴电动机在自由停车过程中是否有噪声和振动来区分，若存在，则主轴机械侧部分有问题。检查主轴振动周期是否与转速有关，若无关，一般是主轴驱动装置未调整好；若有关，应检查主轴机械侧是否良好，测速装置是否良好。

（6）主轴定位抖动

主轴准停用于刀具交换，精镗退刀及齿轮变挡。有三种实现形式：

①机械准停控制。由带“V”形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。

②磁性传感器的电气准停控制。励磁体装在主轴的后端，磁传感器装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴准停点，励磁体和磁传感器之间的间隙为（1.5 ±0.5） mm。

③编码器型的准停控制。通过主轴电机内置或在主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角可任意设定。

上述的过程要经过减速的过程，如减速或增益等参数设置不当，均可引起定位抖动。另外，定位开关、励磁体及磁传感器的故障或设置不当也可能引起定位抖动。