数控机床伺服系统的故障诊断与维修实例.docx

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数控机床伺服系统的故障诊断与维修实例

毕业设计（论文）

题目数控机床伺服系统的故障诊断与维修实例

指导教师

系部机电工程系

专业数控技术

姓名

学号

2008年12月1日

摘要

伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。

作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。

数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及故障出现原因、检查方法等来论述。

编者

2008-12-01

目录

前言..............................................................4

第一章

数控伺服系统概述............................................5

第二章

数控设备故障分析诊断的方法.............................8

第三章

数控伺服系统故障及诊断

3.1主轴伺服系统故障及诊断..................................10

3.2进给伺服系统的故障与诊断...............................12

第四章

数控伺服系统故障维修实例

4.1机床主轴伺服系统的故障及维修实例....................13

4.2机床进给伺服系统的故障及维修实例....................15

结束语...........................................................18

参考资料......................................................19

前言

数控机床是技术密集型和知识密集型的机电一体化装备。

它以自动化传感检测计算机液压以及光电激光等技术为基础，在机械加工领域实现了高精度高速度和高自动化加工，代表了现代机床的发展方向。

与普通机床完全依靠人工控制操作不同，数控机床工作是通过装在机床上的数字式程序控制系统阅读和处理数字指令式机床完成规定动作的，因而机床电子系统与机械液压等系统的交接部位就成为了日常维护和保养的重点，这些部位的故障诊断和维修工作就是数控机床维修故障研究的主要对象。

随着我国制造业装备水平的提高，各类数控机床在企业生产中的作用越来越重要。

但是，数控机床的广泛应用也给我们带来了一些新问题。

首先，数控机床精度高，生产率高，因此它一旦发生故障停机，所造成的损失会比普通机床大的多。

其次数控机床本身价格昂贵，其投资比普通机床高许多。

从投入产出的角度讲，高投入应当带来高收益。

达到这一目的重要保证是充分发挥数控机床的高效率，保证其开动率，是机床的平均无故障间隔时间增大，故障诊断修复时间减少。

作为机电一体化的典型产品，数控机床本身的技术综合性和复杂性很强，这给数控机床的管理使用和维修等工作提出了新的要求。

目前，由于企业中缺乏掌握机电一体化技术的维修人员，并且由于数控机床维修知识和经验不足，造成了数控机床维护和修理能力普遍低的局面，进而直接影响了数控机床的开动率，降低了它的使用效率。

随着现代化CNC系统可靠性以及机床自诊断能力的不断提高，特别是人类对数控机床故障诊断与维修方法特点认识的不断加深，这一被动局面将得到改观。

然而数控机床的故障类型是多种多样的，也是复杂多变的。

我主要谈论的是数控机床发生故障部件方面的问题，是数控机床伺服系统方面的故障维修与分析以及一些实例。

编者

2008-12-01

第一章

伺服系统的概述

伺服系统

伺服系统是以机械运动的驱动设备，电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。

这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。

具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。

   作为数控机床的执行机构，伺服系统将电力电子器件、控制、驱动及保护等集为一体，并随着数字脉宽调制技术、特种电机材料技术、微电子技术及现代控制技术的进步，经历了从步进到直流，进而到交流的发展历程。

数控机床中的伺服系统种类繁多，本文通过分析其结构及简单归分，对其技术现状及发展趋势作简要探讨。

伺服系统的结构及分类

   从基本结构来看，伺服系统主要由三部分组成：

控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。

控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。

   附图中的主要成分变化多样，其中任何部分的变化都可构成不同种类的伺服系统。

如根据驱动电动机的类型，可将其分为直流伺服和交流伺服；根据控制器实现方法的不同，可将其分为模拟伺服和数字伺服；根据控制器中闭环的多少，可将其分为开环控制系统、单环控制系统、双环控制系统和多环控制系统。

考虑伺服系统在数控机床中的应用，本文首先按机床中传动机械的不同将其分为进给伺服与主轴伺服，然后再根据其他要素来探讨不同伺服系统的技术特性。

  进给伺服系统的现状与展望

进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。

为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。

具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。

根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。

（一）步进伺服系统

   步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。

其角位移与脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可调节电动机的转速。

如果停机后某些绕组仍保持通电状态，则系统还具有自锁能力。

步进电动机每转一周都有固定的步数，如500步、1000步、50000步等等，从理论上讲其步距误差不会累计。

   步进伺服结构简单，符合系统数字化发展需要，但精度差、能耗高、速度低，且其功率越大移动速度越低。

特别是步进伺服易于失步，使其主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造。

但近年发展起来的恒斩波驱动、PWM驱动、微步驱动、超微步驱动和混合伺服技术，使得步进电动机的高、低频特性得到了很大的提高，特别是随着智能超微步驱动技术的发展，将把步进伺服的性能提高到一个新的水平。

（二）直流伺服系统

   直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。

与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。

另一方面从控制角度看，直流伺服的控制是一个单输入单输出的单变量控制系统，经典控制理论完全适用于这种系统，因此，直流伺服系统控制简单，调速性能优异，在数控机床的进给驱动中曾占据着主导地位。

   然而，从实际运行考虑，直流伺服电动机引入了机械换向装置。

其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。

同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。

电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。

为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。

   （三）交流伺服系统

   针对直流电动机的缺陷，如果将其做“里翻外”的处理，即把电驱绕组装在定子、转子为永磁部分，由转子轴上的编码器测出磁极位置，就构成了永磁无刷电动机，同时随着矢量控制方法的实用化，使交流伺服系统具有良好的伺服特性。

其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。

同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求。

   目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有三种类型：

模拟形式、数字形式和软件形式。

模拟伺服用途单一，只接收模拟信号，位置控制通常由上位机实现。

数字伺服可实现一机多用，如做速度、力矩、位置控制。

可接收模拟指令和脉冲指令，各种参数均以数字方式设定，稳定性好。

具有较丰富的自诊断、报警功能。

软件伺服是基于微处理器的全数字伺服系统。

其将各种控制方式和不同规格、功率的伺服电机的监控程序以软件实现。

使用时可由用户设定代码与相关的数据即自动进入工作状态。

配有数字接口，改变工作方式、更换电动机规格时，只需重设代码即可，故也称万能伺服。

   交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。

一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。

   （四）直线伺服系统

   直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（DirectDrive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。

这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标，如加速度可达3g以上，为传统驱动装置的10～20倍，进给速度是传统的4～5倍。

从电动机的工作原理来讲，直线电动机有直流、交流、步进、永磁、电磁、同步和异步等多种方式；而从结构来讲，又有动圈式、动铁式、平板型和圆筒型等形式。

目前应用到数控机床上的主要有高精度高频响小行程直线电动机与大推力长行程高精度直线电动机两类。

   直线伺服是高速高精数控机床的理想驱动模式，受到机床厂家的重视，技术发展迅速。

主轴伺服系统的现状及展望

   主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。

但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。

与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。

随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。

（一）交流异步伺服系统

交流异步伺服通过在三相异步电动机的定子绕组中产生幅值、频率可变的正弦电流，该正弦电流产生的旋转磁场与电动机转子所产生的感应电流相互作用，产生电磁转矩，从而实现电动机的旋转。

其中，正弦电流的幅值可分解为给定或可调的励磁电流与等效转子力矩电流的矢量和；正弦电流的频率可分解为转子转速与转差之和，以实现矢量化控制。

交流异步伺服通常有模拟式、数字式两种方式。

与模拟式相比，数字式伺服加速特性近似直线，时间短，且可提高主轴定位控制时系统的刚性和精度，操作方便，是机床主轴驱动采用的主要形式。

然而交流异步伺服存在两个主要问题：

一是转子发热，效率较低，转矩密度较小，体积较大；二是功率因数较低，因此，要获得较宽的恒功率调速范围，要求较大的逆变器容量。

（二）交流同步伺服系统

   近年来，随着高能低价永磁体的开发和性能的不断提高，使得采用永磁同步调速电动机的交流同步伺服系统的性能日益突出，为解决交流异步伺服存在的问题带来了希望。

与采用矢量控制的异步伺服相比，永磁同步电动机转子温度低，轴向连接位置精度高，要求的冷却条件不高，对机床环境的温度影响小，容易达到极小的低限速度。

即使在低限速度下，也可作恒转矩运行，特别适合强力切削加工。

同时其转矩密度高，转动惯量小，动态响应特性好，特别适合高生产率运行。

较容易达到很高的调速比，允许同一机床主轴具有多种加工能力，既可以加工像铝一样的低硬度材料，也可以加工很硬很脆的合金，为机床进行最优切削创造了条件。

   （三）电主轴

   电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，它将主轴电动机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，电动机的转子即为主轴的旋转部分，由于取消了齿轮变速箱的传动与电动机的连接，实现了主轴系统的一体化、“零传动”。

因此，其具有结构紧凑、重量轻、惯性小、动态特性好等优点，并可改善机床的动平衡，避免振动和噪声，在超高速切削机床上得到了广泛的应用。

   从理论上讲，电主轴为一台高速电动机，其既可使用异步交流感应电动机，也可使用永磁同步电动机。

电主轴的驱动一般使用矢量控制的变频技术，通常内置一脉冲编码器，来实现厢位控制及与进给的准确配合。

由于电主轴的工作转速极高，对其散热、动平衡、润滑等提出了特殊的要求。

在应用中必须妥善解决，才能确保电主轴高速运转和精密加工。

第二章

数控设备故障分析诊断的方法

数控机床伺服系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程，一旦查明了原因 ，故障也就几乎等于排除了。

因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。

下面把机床故障的常用诊断方法综列于下。

1.1直观检查法 这是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的检查。

　　①询问 向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析 判断过程中可能要多次询问。

　　②目视　总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态（例如各坐标轴位置、主轴状态、 刀库、机械手位置等），各电控装置（如数控系统、温控装置、润滑装置等）有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等 。

　　③触摸　在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、 各功率及信号导线（如伺服与电机接触器接线）的联接状况等来发现可能出现故障的原因。

　　④通电　这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。

1.2仪器检查法 使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号等进行测量，从中找寻可能的故障。

例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置的 相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无，用PLC 编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。

　　1.3信号与报警指示分析法

　　①硬件报警指示　这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。

　　②软件报警指示　如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。

　　1.4接口状态检查法　

现代数控系统多将PLC集成于其中，而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。

有些故障是与接口信号错误或丢失相关的，这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示，而所有的接口信号都可以用PLC编程器调出。

这种检查方法要求维修人员既要熟悉本机床的接口信号，又要熟悉PLC编程器的应用。

1.5参数调整法　

数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机床、 不同工作状态的要求。

这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配，而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。

因此，任何参数的变化（尤其是模拟量参数）甚至丢失都是不允许的；而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。

此类故障多指故障分类一节中后一类故障，需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。

这种方法对维修人员的要求是很高的，不仅要对具体系统主要参数十分了解，既知晓其地址熟悉其作用，而且要有较丰富的电气调试经验。

　　1.6备件置换法　

当故障分析结果集中于某一印制电路板上时，由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的，为了缩短停机时间，在有相同备件的条件下可以先将备件换上，然后再去检查修复故障板。

备件板的更换要注意以下问题。

　　①更换任何备件都必须在断电情况下进行。

　　②许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要，因此在更换备件板上一 定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警而不能工作。

　　③某些印制电路板的更换还需在更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数的建立。

这 一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。

　　④有些印制电路板是不能轻易拔出的，例如含有工作存储器的板，或者备用电池板，它会丢 失有用的参数或者程序。

必须更换时也必须遵照有关说明操作。

　　鉴于以上条件，在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步骤 之后再动手，以免造成更大的故障。

　　1.7交叉换位法　

当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下，可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查，例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故障板或故障部位。

这种交叉换位法应特别注意，不仅硬件接线的正确交换，还要将一系列相应的参数交换，否则不仅达不到目的，反而会产生新的故障造成思维的混乱，一定要事先考虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误再行交换检查。

　　1.8特殊处理法　

当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段，其中软件含量越来越丰富，有系统软件、机床制造者软件、甚至还有使用者自己的软件，由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问题，会使得有些故障状态无从分析，例如死机现象。

对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，有时则可能将故障消除。

维修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。

第三章

数控伺服系统故障及诊断

在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。

伺服系统主要是控制机床的进给运动和主轴转速。

伺服系统是以中反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值，与输出量进行比较，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.

3.1主轴伺服系统故障及诊断

数控机床要求主轴在很宽范围内转速连续可调，恒功率范围宽。

当要求机床有螺纹加工功能时准停功能和恒线速加工等功能时，就要对主轴提出相应的进给控制和位置控制要求，因此主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统。

主轴伺服系统的故障按机床提供的报警形式大致可分为3类：

（1）在CRT或操作面板上显示报警内容的故障，它是利用软件的诊断程序来实现；

（2）利用进给伺服驱动单元伤的硬件显示报警驱动单元的故障。

（3）进给运动不正常，但没有任何报警指示的故障。

其中前两类，都可根据生产厂家提供的产品﹤﹤维修说明﹥﹥中有关“各种报警信息产生的可能原因”的提示进行分析判断，并且一般都能确诊故障原因及部位。

对于第三类故，则要进行综合分析，这类故障往往是以机床工作不正常的形式出现的，如机床失控·振动及工件质量差等。

3.1.1主轴波动

主轴波动是指由于电磁干扰屏蔽和接地措施不良等影响，主轴转速指令信号为零时，主轴仍往复运动，调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。

a.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。

b.主轴定位抖动主轴准停用于刀具交换精膛退刀及齿轮换挡等场合，有3种实现方式：

（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发磁体安装在主轴后端，磁传感器安装在主轴箱上，其安装位置决定了主轴的准停点，发磁体和磁传感器之间的间隙为（1+-0.5）mm。

（3）编码器型的准停控制通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制，准停角度可任意设置。

3.1.2主轴转速与进给不匹配

当进行螺纹切削或用没转进给指令切削是，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障。

发生这种故障一般是主轴编码器有问题。

可用以下方法来确定:

（1）CRT画面有报警显示；

（2）通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号状态；（3）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。

a.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：

1.电动机过载。

2.CNC系统输出的主轴转速模拟器每有达到与转速指令对应的值；3.测速装置有故障或速度反馈信号断线4.主轴驱动装置故障。

b.主轴异常噪声及振动

发生此情况后，首先要区别异常噪声及振动法生在主轴机械部分还是在电气部分。

若在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障；若在恒转速时发生，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，如存在噪声和我振动，则主轴机械部分有问题。

若检查发现振动周期与转速有关，则应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良；如无关，一般是主轴驱动装置未调好。

c.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。

发生故障后，要检查：

1.CNC系统是否具有速度控制信号输出。

2.信号是否接通。

通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图，确定主轴的启动条件，如润滑、冷却、等是否满足。

3.主轴驱动装置和主轴电动机是否有问题。

3.2进给伺服系统的故障与诊断

数控机床进给伺服系统的作用是：

根据CNC发出的动作指令，迅速、准确地完成在各坐标轴方向的进给，与主轴驱动相配合，实现对工件的高精度加工。

因此，进给伺服系统的维护保养，及时发现故障、排除故障是十分必要的。

机床进给伺服系统的常见故障有进给运动超程；伺服运动定位精度超差；进给运动过载、爬行，窜动；机床振动；伺服电机不转；坐标轴漂移等。

各类报警中的典型故障如下：

CRT上显示报警内容的故障

这类故障在CRT上显示的报警内容及原因是：

3.2.1超程报警

一般是由进给运动超过了软件设定的限位或由限位开关决定的硬限位引起的，