数控机床伺服系统故障研究与分析Word文档格式.docx
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、数控机床概述
数控机床具有高度柔性、加工精度高、加工质量稳定、生产率高等特点，在制造业中发挥着极其重要的作用，首先我们了解一下数控机床的结构。
数控机床一般都是由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成的。
其基本组成框图如下：
1、数控装置接受输入装置送来的脉冲信号，经过编译、运算和逻辑处理后，输出信号和指令来控制机床的各个部分，并按程序要求实现规定的动作；
在执行过程中，，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便处理后发送新的执行命令。
2、伺服系统是数控机床切削工作的动力部分主要实现主运动和进给运动。
伺服系统主要完成机床的运动及运动控制（包括进给运动、主轴运动、位置控制等），由伺服驱动电路和伺服驱动电动机组成，并与机床上的驱动元件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。
伺服系统接受来自数控装置的位置控制信息，将其转换成相应坐标轴进给运动和精确的定位运动，驱动机床执行机构运动。
由于伺服系统是数控机床的最后控制环节，其性能将直接影响数控机床的生产率、加工精度和表面加工质量。
3、车床主体部分即车床的机械部分，是整个机床的基础，包括床身、主轴箱、进给装置、刀架、尾座、卡盘、安全防护、托架及其它辅助装置等。
、伺服系统概述
在自动控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。
数控机床的伺服系统是以机床移动部件位移和速度为控制对象的自动控制系统。
伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件（或称执行元件伺服电机）机械传动装置、位置检测装置等组成，它是数控系统的执行部分，驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机等。
1、按照用途和功能分类：
主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，对于进给伺服驱动系统来说，这就要求高质量的速度和位置伺服，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如进给伺服控制高。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
2、按控制原理分类：
开环伺服系统
开环伺服系统中没有位置检测装置，信号流是单向的（数控装置
进给系统），故系统稳定性好。
闭环伺服系统
闭环系统是误差控制随动系统。
数控机床进给系统的控制量是CNC输出的位置指令机床工作台（或刀架等）实际位移的差值（误差）。
因此需要位置检测装置。
半闭环伺服系统
位置检测元件从最终运动部件（如工作台）移到电机轴端或丝杠轴端。
3、按使用的执行元件分类：
电液伺服系统：
其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达
电气伺服系统：
其伺服驱动装置是伺服电机（包括步进电机、直流电机、交流电机等）
直流伺服系统
交流伺服系统
、伺服系统常见故障
伺服系统的故障原因由多方面的因素构成，相同的故障表现，往往有多种不同的原因，而同一种原因，往往会引发不同的故障，要在这样复杂的情况下，快速、准确地诊断并排除各种故障，就需要有丰富的实践工作经验和较强的综合分析能力。
下面对伺服系统中常见的故障问题进行分类分析：
1.主轴伺服系统故障
当主轴伺服系统发生故障时，通常有3种表现形式：
在CPT或操作面板上显示报警内容或报警信息；
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；
主轴工作不正常，但无任何报警信息
主轴伺服系统常见的故障现象、造成原因及排除方法：
主轴转速与指令为零，主轴仍往复转动，调整零速平衡和漂移补偿主轴仍转动。
造成这种故障的原因，电磁干扰、屏蔽和接地不好。
排除方法检查电源进线、电路线。
主轴转速与指示值不符
原因是CNC输出的0V一士10V转速模拟量偏离转速指令对应的数值。
排除方法检查CNC模拟量输出。
如正常则检查CNC和变频器模拟量的参数加不正常则检查模拟量输出电缆线的连接是否松动。
主轴有噪声、有振动原因：
在减速中发生，一般是由驱动装置造成；
可通过修复驱动装置来排除此类故障。
在主轴恒速时，反馈信号正常，可通过观察电动机在自由停车过程中如有此故障则属干机械故障，一般是主轴部件损坏或磨损。
更换损坏或磨损零件可消除此类故障。
如果振动周期与转速无关，一般是主轴驱动装置未调整好；
如果有关，是机械故障或测速装置故障。
检查修复主轴机械部分或测速装置。
主轴电机不转造成原因：
CNC没有速度控制信号输出速度信号传输有故障、使信号没有接通、主轴启动条件不满足、主轴驱动装置故障、主轴电动机故障。
可以通过检查修复CNC装置、线路、冷却润滑情况，电动机等排除故障。
过载报警
造成此故障的原因有：
切削量过大、主轴频繁正反转、电机冷却不良、主轴电机与主轴驱动装置的连线断开或接触不良。
解决方法是重新调整切削量、检查修复电机内部风扇、电机与驱动装置的连线等。
主轴转速与进给不匹配
脉冲编码器有故障、反馈信号异常。
解决方法是修复或更换脉冲编码器脸查反馈回路。
主轴定位抖动
准停装置有故障减速或增益参数设置不当。
解决方法是调整定位液压缸活塞移动的限位开关位置，调整发磁体和磁传感器之间的间隙到1.5±
0.5mm。
2、进给伺服系统故障
当进给伺服系统发生故障时，通常有3种表现形式：
在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；
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；
进给运动不正常，但无任何报警信息。
进给伺服系统常见的故障现象、造成原因及排除方法
飞车造成此故障的原因有：
电动机与脉冲编码器连接错误腔制单元有故障。
解决方法：
检查电机与编码器的连接脸查控制单元。
振动造成此故障的原因有：
如振动周期与进给速度有关，一般是该轴的速度环增益太高或速度反馈有故障；
通过检查速度反馈元件、位置反馈元件以及反馈信号线来排除故障加与进给速度无关，一般是位置环增益太高或位置反馈有故障，通过检查电动机及位置检测元件可排除此故障。
振动如果是在加减速时产生，是由于加减速时间设定过小，解决办法重新调整加减速时间。
在进给（尤其是低速）时，机床某轴出现振动现象通常是由于测速信号不稳定，如测速装置故障、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，如螺钉松动等。
当振动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，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。
机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。
机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；
而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。
主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障
加工圆时轮廓超差造成故障的原因有：
进给轴的机械调整不佳机械间隙大、进给轴的位置增益不一致。
解决办法：
调整进给轴的机械间隙。
超程当进给运动超过由软件设定的软限位或者硬限位开关位置，加工程序不妥时，就会发生超程报警，一般会在数控系统的显示器上显示报警内容，根据数控系统的说明书及电气原理图，即可排除，解除报警。
注意：
如果机床的某个轴未行使至终端位置而发生超程报警，通常是由于机床在行驶过程中限位开关线断或限位开关被东西卡住。
解决办法：
检查限位开关；
是否有干扰源；
检查加工程序。
过载通常当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑不良或斜铁有研伤，电机动力线接地等原因时，均会引起伺服电机电流大，电机温度过高或电机过载报警。
有时机床运行的过程中驱动控制单元、驱动元件、电机本身故障也会引起过载报警。
一般会在数控系统的显示器上显示伺服电动机过载、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、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。
检查润滑；
电机电源连线；
电动机内线等。
例：
大型装备制造分厂的型号为TK42160C数控镗床，采用的是SIEMENS840D的数控系统，X轴就曾因为拖链中的伺服电机动力线接地而引起过载报警，更换新的电机动力电缆后机床正常。
窜动造成故障的原因有：
干扰、控制信号不稳定、测速元件有故障、伺服系统增益过大、进给轴反向间隙过大。
检查有无千扰源；
修复测速元件；
调整进给轴的反向间隙至合适。
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、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。
尤其要注意的是：
伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
检查导轨副以及润滑、进给传动链。
大型装备制造分厂的型号为2A637гФ1数控镗床，X轴曾出现低速进给不稳的现象（即爬行现象），经检查发现X轴斜铁因滑润油脏而有轻微的研伤，处理后，X轴低速进给正常。
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直流电压。
伺服电动机不转，常用的诊断方法有：
检查数控系统是否有速度控制信号输出；
检查使能信号是否接通。
通过数控系统的显示器观察I/O状态，分析机床的PLC梯形图（或流程图）以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；
对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；
检查进给驱动单元故障，伺服电动机是否故障。
检查数控系统有无信号输出、信号是否接通、伺服电机。
大型装备制造分厂采用SIEMENS840D数控系统的型号为XK2425/2的武汉数控龙门铣床曾出现Z轴伺服电机不转的故障。
故障现象是无论正、反向开Z轴，Z轴均无动作（Z轴电机不转），但无任何报警。
通过观察数控系统显示器显示的“诊断”—“服务显示”—“驱动调整”菜单发现轴的脉冲使能信号无。
而轴的使能信号由轴的驱动单元的控制板给出，故初步判定轴的控制板故障或控制板到数控单元使能信号线断。
首先将Z轴驱动控制板与Y轴的驱动控制板更换，发现此时开Z轴正常，而开Y轴时出现了与Z轴最初相同的故障现象。
故障可以确定Z轴的驱动控制板故障，Z轴更换新的驱动控制板后正常。
位置误差当伺服轴动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：
系统设定的允许范围小；
伺服系统增益设置不当；
位置检测装置有污染或调整不当；
进给传动链累积误差过大：
主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳；
与进给轴运动有关的机械松动、电气干扰、进给轴间隙补偿设定不当、输入电源电压过低、位置检测信号不良、数控系统的位置控制与速度控制部分有故障。
分析清楚原因，对对应故障部位进行检测与修复。
回参考点故障造成故障的原因有：
回参考点减速开关产生的信号或零位脉冲信号失效、参考点开关档块位置设置不当。
检查脉冲编码器标志位或光栅、重新调整挡块位置。
漂移漂移是指当给定指令值为零时，坐标轴仍移动。
通过数控系统误差补偿和驱动单元的零速调整来消。
机械传动部件的间隙与松动在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构外，对加工和装配必须进行严查。
在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。
3、位置检测系统故障
数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的，对于闭环控制的伺服系统，位置检测元件的精度直接影响到机床的位置精度。
目前常用的位置检测元件有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器磁栅尺等。
当位置控制出现故障时，往往在CRT显示报警信号及报警信息。
大多数情况下，若正在运动着的轴实际位置超过参数所设定的允差值，则产生轮廓误差监视报警；
若机床坐标轴定位时的实际位置与给定位置之差超过参数设定的允差值，则产生静态误差监视报警；
若位置检测硬件有故障，则产生测量装置监控报警等。
、数控机床常见故障实例与分析
1、伺服电机引起的故障交流伺服电机虽然结构简单，基本不需维护，但使用时间久了，也会出现故障，且引起的故障很难判断。
故障1：
一台配套SINUMERIK810T系统的数控车床，一次刀塔出现故障，转动不到位，刀塔转动时，出现6016号报警“SLIDEPOWERPACKNOOPERATION”。
分析及处理过程：
根据工作原理和故障现象进行分析，刀塔转动是由伺服电动机驱动的，电动机一起动，伺服单元就产生过载报警，切断伺服电源，并反馈给NC系统，显示6016报警。
检查机械部分，更换伺服单元都没有解决问题。
更换伺服电动机后，故障被排除。
故障2：
一台从德国SHULER公司引进的N25N高速单槽冲床，冲出的冲片定位槽在约4mm之内反复变化，槽距也有微小变化。
该冲床所用的系统是SIEMENSPROCAMGMBH产品，主要由DPI、GEO/P、E220、E230、E207/l、E207／2、E213/l、E213／2、E213/3等模块构成，采用SINUMERIKS5115UPLC，X轴和C轴以及主轴都采用SIEMENS直流调速系统。
冲床冲片的分度是由C轴控制的，定位槽尺寸变化，是C轴四零不准引起的。
在C轴电机轴伸端打记号，反复回零，发现每一次都不同，估计编码器或其接口板有问题。
把X轴和Z轴接口板E36011和E36012互换，故障依旧。
拆下电机，在取编码器的过程中，发现电机轴与编码器相连的弹性连轴器断裂，换一新的，几天之后故障重现。
怀疑是由于连轴器的强度不够引起的，把连轴器由多连杆柔性连轴器换成镍波纹管连轴器、再换成销装型的高强度连轴器都不成功。
把电机拆下来拿到我厂的SIEMENS伺服电机试验台上试验，一切正常。
实在无法，只好拆开电机检查，最后发现电机轴伸端端盖的轴承档由于轴承外圈的转动已磨偏，说明故障是由于这个原因使电机在高速起停过程中引起电机轴摆动，从而扭断了连轴器。
找到原因问题就好解决了。
根据原样重新做一端盖换上，解决了这一困扰我们很长时间的问题。
故障3：
MJ－50CNC数控车床急停后刀架自动滑落。
该车床的X轴与水平呈45度夹角，为防止刀架滑落，交流伺服电机带有制动器。
在正常通电的情况下可加工工件，说明车床其它功能正常，问题只出在制动部分。
拆开电机检查，发现由于电机轴伸端端盖由于轴承外留转动在轴的轴向有磨损，从而使制动器的滑动摩擦片的滑动间隙加大，断电时磨出阻力变小，弹力不足无法制动。
给轴承档与轴承外田间加套固定轴承外圈，在轴承档轴向端加铜皮，把制动器间隙调整到0.5mm之内，故障排除。
故障4：
TH5632加工中心Z轴过流报警该加工中心用的是SIEMENS6SC6101系列驱动器和1FT5交流伺服电机。
在加工过程中经常出现过流报警，并伴随有超温报警。
在变频器上检查这两个报警的指示灯变亮。
手摸电机感觉温度很高。
据操作工说，在切削量小时一切正常，加工同样的工件，不产生报警的最大切削量越来越小。
这说明变频器及判断转子位置的霍尔元件码盘没有问题，有可能电机性能变差了。
把电机拿到我厂SIEMENS伺服电机试验台上检查，发现电机三相电流波形很差。
可能是电机转子上的永久磁铁磁性能变差引起的。
给电机转子重新充磁后，该问题解决。
故障5：
TH5632加工中心X轴在变频器一有使能，该轴就剧烈抖动。
由于变频器一有使能X轴即剧烈抖动，为避免扩大故障和影响机床精度，先进行外围检查。
用搬手撵动丝杠，很费力而且有死点。
拆下电机，发现电机轴撵不动。
说明电机出了问题。
拆开电机看见电机转子上固定永久磁铁块的带子已脱落，卡在了定转子的间隙内，使电机无法转动。
再用摇表测量，发现三相线四两相绝缘已破坏。
重新下线后，故障排除。
2、伺服驱动器故障
故障1：
S1200数控车床一送电，Z轴即向卡盘高速运动。
重现该故障，没有发现与故障有关的报警，由于运动速度太快，通电时间太短，故无法进行在线检测。
由于该机床使用多时，编码器反馈线接反的情况不可能，系统没有断线报答，先不考虑编码器。
断开VCMD信号，故障依旧，可进一步检查伺服驱动部分。
互换X、Z驱动模块，故障依旧。
去掉控制模块，Z轴不再快速移动。
控制模块主要由比例积分环节、转速控制器、电流控制器、三角波发生器及各种保护电路组成，无报警说明该控制模块很多功能已丧失。
购买一块新板后，问题解决。
故障2：
ZXS－50钻铣床C轴在手动或自动方式下移动时，产生抖动，达不到预定位置。
产生这种故障现象的原因，一是输出大功率模块有一相损坏。
二是判断转子位置的霍尔元件或其驱动器的接线有问题，使驱动器无法得到正确的电子换相信号。
三是测速机的整流子有断线或击穿现象，或测速机与驱动器的连线有问题，从而使测速信号缺相引起C轴抖动。
互换X轴与C轴输出模块故障依旧。
检查霍尔元件与驱动器的接线良好，而测速机与驱动器的连线的S相断线，正好有一根备用线，换接后，C轴恢复正常。
Primus数控车床出现伺服系统没准备好故障。
该车床的配置是：
NC系统是SIEMENS8l0T、伺服系统采用的是SIEMENS6SC6101驱动器和1FT5交流伺服电机。
检查急停开关、压力开关、限位开关等与之有关的开关量都没有问题。
打开电气柜，发现判断驱动器脉冲使能信号的绿灯没有点亮，用万用表检查，驱动器三相电源正常，但测r，Is，It，与M之间没有5V电压，进一步量电源板，发现+5V等直流电压都没有，拆下检查，发现电路板严重烧坏，恢复已不可能，买一同型号的电源在更换后正常。
3、测速机故障
一火焰切割机的X轴在加工时走走停停。
该机床配置的是FANUC直流伺服系统。
根据故障现象，说明位置反馈部分正常，问题只出在伺服系统。
用示波器检测测速机反馈直流电压，发现有许多尖峰电压。
拆开直流电机检查，发现测速机有两处断线，修复很困难，买一新的测速机更换后，故障排除。
故障2：
N25N高速单槽冲床有尖锐啸叫声。
观察发现叫声是从C分度轴发出，并伴随有冲头回不到上死点的报警。
根据这种现象，怀疑是由于C轴在高速分度起停旋转过程中，在一个冲次周期中转动不到位引起的。
检查速度反馈线没问题，直流调速器也无明显故障。
拆下电机通以70V的直流电压，电机转动正常，随电压的变化转速调整也很平稳，说明电机没问题。
再用示波器测测速机电压，同样发现有尖峰电压，拆下测速机检查，发现在整流子与绕组接线的部位击穿了一个黑洞，由于修复非常困难，机床24小时不能停，于是用我厂在引进SIEMENS交流伺服电机生产线时闲置的一套SIEMENS6SC6101驱动器和1FT5交流伺服电机改造后，一直使用至今，解决了直流电机在工作中发热严重，维护工作量大的困难。
4、编码器故障
S3000／Q转塔冲床大转塔上的小转塔C轴不回零。
该转塔冲床配置的是FANUC0P系统，用的是a系列交流伺服电机，C轴在大转塔T上，有十二个小冲模，通电后每次都要回零。
故障出现后，回零时C轴一直以回零高速速度不停旋转，随后出现零点找不到报警。
根据故障现象，有两种情况：
一是回零限位开关信号失效，二是编码器上的一转栅格信号找不到。
在PLC的诊断画面诊断位上检查回零开关信号，在C轴旋转时，该信号在0与1之间不停变化，说明该信号是正常的。
打开安装电机的护板，发现机械框架内有积水，这是厂房二楼有一次跑水漏进去的，拆开电机后盖，里面也有积水，虽然编码器密封很好，但还是怀疑有水气进去。
打开编码器，果然发现了问题：
编码器的码盘是用胶沾在旋转轴上，由于水气进入码盘与轴之间的边缘空隙产生铁锈，铁锈顶起码盘，磨坏了一转栅格信号发光二极管前和码盘上的这光涂层
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