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1、数控进给伺服系统常见故障浅析摘要1前言2第一章 数控伺服系统31.1 伺服系统31.1.1 伺服系统的组成31.2 伺服驱动系统的工作原理41.2.1 开环控制系统41.2.2 半闭环控制系统51.2.3 闭环控制系统6第二章 数控进给伺服系统的常见故障分析82.1 进给伺服系统概述82.2 数控机床进给伺服系统常见故障分析82.2.1 步进电动机伺服驱动系统82.2.2 步进电动机驱动系统的常见故障及其维修82.2.3 直流进给驱动系统102.2.4 直流（PWM）进给驱动系统的故障诊断与维修102.2.5 直流伺服电动机的维护122.2.6 交流伺服电动机故障诊断12第三章 进给伺服系统的

2、常见故障形式及定位143.1 进给伺服系统的故障形式143.2 故障定位20结论21致谢22参考文献 23摘 要本文概述了数控机床伺服系统和进给伺服系统及其工作原理，并结合了实际工作中数控机床进给伺服系统常见的故障现象，分析了进给伺服系统几类故障（如超程、过载、回参考点故障、伺服电机不转、振动、位置误差、爬行、漂移等）的原因及应对措施，并给出了维修这些故障的常用方法。 关键词：数控伺服系统，进给伺服系统，原理，常见故障前 言数控机床的进给伺服系统是以机床移动部件的位置和速度为控制量，接受来自插补装置或插补软件生成的进给脉冲指令，经过一定的信号变换及电压、功率放大、检测反馈，最终实现机床工作台(

3、即工件)相对于刀具运动的控制系统。它由进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链组成，其任务是完成各坐标轴的位置控制，在整个系统中它又包括位置环、速度环和电流环。在这些环节中，任何一环出现异常或故障都会对伺服系统的正常工作造成影响。因而，它是实现数控机床加工目的的关键环节，也是数控机床故障的高发区域。数控机床常见故障有三分之一以上发生在机床的进给伺服系统。总的来说对于进给伺服系统的故障诊断分析，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，供给伺服系统的信号是否出现，伺服系统的参数设置是否正确；内因指的是确认伺服系统故障，在满足正常供电及驱

4、动条件下，伺服系统能不能正常驱动伺服电动机的运动。现在我将通过典型实例及在使用数控机床过程中经常遇到的进给伺服系统故障的分析和排除方法写于此，希望本文能为我国数控技术的推广应用有所帮助。第一章 数控伺服系统1.1 伺服驱动系统数控机床的驱动系统主要包括伺服控制系统和电机两个部分，其作用是直接驱动各种机械执行机构完成预定的工作任务。驱动装置位于数控装置和机床工作装置之间，包括进给伺服驱动装置和主轴驱动装置其动能是在控制信息的作用下为系统提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。伺服系统是数控机床的重要组成部分，用以实现数控机床的进给位置伺服控制和主轴转速（或位置）伺服控制。伺服系统的性能是决

5、定机床加工精度、测量精度、表面质量和生产效率的主要因素。伺服系统是以驱动装置电动机位控制对象，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，它包括伺服驱动器和伺服电动机。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，并保证运动的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。数控机床的精度和速度等技术指标主要取决于伺服系统。1.1.1伺服驱动系统的组成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

6、，检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。如图1-1所示。数控机床的伺服驱动系统按有无反馈检测单元分为开环和闭环两种类型，这两种类型的伺服系统的组成不完全相同。但是不管哪种类型，执行元件及其驱动控制单元都必不可少。驱动控制单元的作用是将进给指令转化为驱动执行元件所需的信号形式，执行元件则将该信号转化为相应的机械位移。图 1-1 伺服驱动系统的基本组成开环伺服驱动系统由驱动控制单元、执行元件和机床组成。通常，执行元件选用步进电动机，执行元件对系统的特性有重要影响。闭环伺服驱动系统由执行元件、驱动控制单元、机床、反馈检测单元、比较控制环节组成。反馈检测单元将工作台的实际位置检测后反馈给比较控

7、制环节，比较控制环节将指令信号和反馈信号进行比较，以两者的差值作为伺服系统的跟随误差经驱动控制单元，驱动和控制执行元件带动工作台运动。在CNC系统中，由于计算机的引入，比较控制环节的功能由软件完成，从而导致系统结构的一些改变，但基本上还是由执行元件、反馈检测单元、比较控制环节、驱动控制单元和机床组成。1.2 伺服驱动系统的工作原理数控机床所采用的伺服进给系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制以及混合控制四种。1.2.1开环控制系统无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电动机作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出脉冲，经过步进电动机

8、的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制了步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角和转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图1-2所示为开环控制伺服驱动系统的结构原理图。采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本低，但由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度，特别是在负载转矩超过电动机输出转矩时，将导致步进电动机的“失步”，

9、使加工无法进行。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。图1-2 开环控制伺服驱动系统的结构原理图1.2.2半闭环控制系统半闭环控制数控机床的特点是机床的传动丝杠或伺服电机上装有角位移检测装置（如光电编码器等），通过它可以检测电动机或丝杠的转角，从而间接地检测了移动部件的位移。角位移信号等被反馈到数控装置或伺服驱动中，实现了从位置给定到电动机输出转角间的闭环自动调节。同样，由于伺服电动机和丝杠相连，通过丝杠可以将旋转运动转换为移动部件的直线位移，因此间接地控制了移动部件的移动速度与位移量。这种结构只对电动机或丝杠的角位移进行了闭环控制，没有实现对最终

10、输出的直线位移的闭环控制，故称为“半闭环”控制系统。采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制以机械传动间有明显的分界，因此调试、维修与故障诊断较方便。且机械部分的间隙、摩擦死区、刚度等非线性环节都在闭环以外，因此系统稳定性较好。伺服电动机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接连接或通过减速装置连接；位置检测单元和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数进行设置。它具有传动系统简单、结构紧凑、制造成本低、性能价格比高等特点，从而在数控机床上得到了广泛的应用。如图1-3和图1-4所示均为半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图。其中，图1-3为伺服电动机内装编码器的情况，图1-4为编码器

11、安装于丝杠上的情况。图1-3 半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图（一）图1-4 半闭环控制伺服驱动系统的结构原理图（二）1.2.3闭环控制系统由于闭环控制系统的特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。解决以上问题的最佳途径是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。大大简化机械传动系统的结构，实现所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度。从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置

12、输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电动机、检测元器件等部分。但在多数系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，习惯上说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。闭环伺服系统如图1-5所示，这种系统由比较环节、驱动线路、伺服电动机、检测反馈单元组成。安装在工作台的位置检测装置，将工作台的实际位移量测出并转换成电信号，经反馈线路与指令信号进行比较，并将其差值经伺服放大，控制伺服电动机带动工作台移动，直至差值消除时才停止修正动作。该系统精度理论上取决于测量位置的精度，消除了放大和传动部分的

13、误差、间隙误差等的直接影响。但系统比较复杂，调试和维修较困难，对检测元件要求较高，且有一定的保护措施，成本较高。适用于大型或比较精密的数控设备。图1-5 闭环控制伺服驱动系统结构原理图第二章 数控机床进给伺服系统常见故障及分析2.1 进给伺服系统概述进给伺服系统由各坐标轴的进给驱动装置、位置检测装置及机床进给传动链等组成。进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。数控系统根据输入的程序指令及数据，经差补运算后得到位置控制指令。同时，位置检测装置将实际位置检测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服

14、电动机带动滚珠丝杠传动进行进给运动。伺服电动机上的测速装置将电动机转速信号与速度控制指令比较，构成速度控制。其中驱动装置在结构上有：单片式和模块式。2.2 数控机床进给伺服系统常见故障分析2.2.1 步进电动机伺服驱动系统步进电动机是一种将电脉冲信号转换成相应的机械角位移或直线位移的控制电动机，又称脉冲电动机。对步进电动机输入一个控制脉冲，则步进电动机输出一个位移，称为一步。步进电动机伺服驱动系统中，输入的脉冲数决定步进电动机的位移量；脉冲频率决定步进电动机的位移速度；脉冲的相序决定步进电动机的位移方向。步进电动机具有快速启动、制动和反转功能。当停止输入控制脉冲后，只要维持控制绕组电流不变，电

15、动机就可以保持在某一固定位置上。因此，步进电动机具有自整步的能力，而且没有积累误差，所以定位精度较高。2.2.2 步进电动机驱动系统的常见故障及其维修（1）步进驱动器故障故障现象：驱动器上的绿色发光二极管RDY亮，但机床驱动器的输出信号RDY为低电平。如果PLC应用程序中对RDY信号进扫描，则导致PLC运算结果错误。故障原因：机床现场无搭地（PE与交流电源的中性线连接），有静电放电（工作环境差）。排除方法：首先将电气柜中的PE与大地连接，如果仍有故障，则表明驱动器模块可能损坏，需要更换驱动器模块。（2）高速时电动机堵转故障现象：在快速点动时步进电动机发生堵转或丢步，或使用了脉冲监控功能系统出现

16、25201号报警。故障原因：传动系统设计有问题。传动系统在设定高速时所需的转矩大于所选用步进电动机在设定的最高速度下的输出转矩，即选择的步进电动机不合适。故在设计选择步进电动机时，应注意步进电动机的矩频特性曲线。排除方法：a、若进给倍率为85%时，高速点动不堵转则可使用折线加速特性；b、降低最高进给速度；c、更换大转矩步进电动机。（3）传动系统定位精度不稳定故障现象：坐标的重复定位精度不稳定。故障原因：该传动系统机械装配问题，可能是由于丝杠螺母安装不正，造成运动部件的装配应力。排除方法：重新安装丝杠螺母。（4）参考点定位精度过大故障现象：参考点定位误差过大故障原因：a、机床接近开关或检测体的安

17、装不正确，接近开关的电气特性差；b、接近开关与检测体之间的间隙为检测临界值；c、所选用接近开关的榆测距离过大，检测体和相邻金属物体均在检测范围内； 排除方法：a、检查接近开关的安装；b、机床调整接近开关与检测体间的间隙（接近开关技术指标表示的是最大检测距离，调整时以将间隙调整为最大间隙的50%为宜）。（5）返回参考点动作不正确故障现象：返回参考点的动作不正确。故障原因：机床选用了负逻辑接近开关。排除方法：更换正逻辑接近开关。（6）传动系统定位误差较大故障现象：某坐标的定位误差较大（可重复）。故障原因：丝杠螺距误差过大。排除方法：机床进行丝杠螺距误差补偿，或更换较高精度的丝杠。（注：如果丝杠无预

18、紧力安装，丝杠螺距误差补偿没有意义）。（7）传动系统定位误差较大故障现象：某坐标的定位误差较大（不重复）故障原因：电动机与丝杠之间的机械连接有松动。排除方法：检查电动机与丝杠之间的连接。（8）螺纹加工时螺纹乱扣故障现象：在进行螺纹加工时，螺纹不能重复（即乱扣）。故障原因：主轴与主轴编码器之间的机械连接有松动。排除方法：检查主轴与编码器之间的连接。2.2.3 直流进给驱动系统直流进给伺服系统采用晶闸管速度控制单元和晶体管脉宽调制方式。驱动装置具有多种保护功能，而电动机采用直流永磁伺服电机，用铁氧体作为永磁材料，电枢部分则与普通直流电机相似，只不过暗器转子惯量大小，区分为大、中、小惯量三种电机。中

19、、小惯量伺服电机采用晶体管脉宽调制方式，大惯量伺服电机采用晶闸管整流方式。2.2.4 直流（PWM）进给驱动系统的故障诊断与维修PWM调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制，即将速度控制信号转换成一定频率的方波电压，加到直流伺服电动机的电枢两端，通过对方波宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，达到控制伺服电动机转动的目的。（1）速度控制单元上有硬件报警（LED报警提示）时的故障诊断与维修速度控制单元上的指示灯报警，在FANUC PWM速度控制单元控制板的右下部有七个报警指示灯，它们分别是BRK、HVALHCALOVC、LVAL、TGLS以及DCAL在它们的下方还有PRDY和VRDY

20、两个状态指示灯。在正常的情况下，一旦电源接通，首先PRDY灯亮然后是VRDY灯亮，如果不是这种情况，则说明速度控制单元存在故障，出现故障时根据指示灯的提示可按以下方法进行故障诊断。BRK报警：BRK为主回路熔断器跳闸指示，当指示灯亮时代表速度控制单元的主回路熔断器跳闸。检修方法如下：a、如断路器已跳起，则先断电源，再将断路器按钮按下时期复位，10min后再合上电源。b、如果合上电源后断路器又跳起，则应检查整流二极管模块或线路板上的其他元件是否已损坏。c、检查机械负载是否过大，以确认电动机负载是否超过额定值。HVAL报警：HVAL为速度控制单元过电压报警，当指示灯亮时代表输入交流电压过高或直流母

21、线过电压。故障可能的原因如下：a、输入交流电压过高。b、伺服电动机的电枢和机壳间绝缘电阻下降，可通过清洁电动机电刷和换向器来排除。c、印制电路板不良。HCAL报警：HCAL为速度控制单元过电流报警，指示灯亮表示速度控制单元存在过电流。可能的原因如下：a、主回路逆变晶体管模块不良。b、电动机不良。如电枢线间短路或电枢对地短路。c、逆变晶体管的直流输出端存在短路或对地短路。d/速度控制单元不良。OVC报警：OVC为速度控制单元过载报警，指示灯亮表示速度控制单元发生了过载。其可能的原因是：a、过电流设定不当。应检查速度控制单元上的电流设定电位器的设定是否正确。b、电动机负载过重。应改变切削条件或机械

22、负载检查机械传动系统与进给系统的安装与连接。c、电动机运动有振动。应检查机械传动系统、进给系统的安装与连接是否可靠测速机是否存在不良。d、负载惯量过大。e、位置环增益过高。应检查伺服系统的参数设定与调整是否正确、合理。f、交流输入电压过低。应检查电源电压是否满足规定的要求。2.2.5 直流伺服电动机的维护直流伺服电机伺服系统要定期对电刷、换向器、测速电机(速度检测装置)电刷进行检查。检查要在数控机床断电，电机完全冷却的状态下进行，步骤如下：（1）取下橡胶刷帽，用螺丝刀拧下刷盖并取出电刷。（2）测量电刷的长度，如FANUC直流电机的电刷由10mm磨损到5mm时，必须更换同型号的电刷。（3）检查电

23、刷的弧形接触面是否有深沟或裂痕，电刷弹簧上有无打火痕迹，如果有，进一步检查电机换向器表面，并分析造成这种情况的原因，比如是电机工作条件恶劣，还是电机本身封闭不良。（4）用洁净的压缩空气导入电刷的刷孔，吹净粘在孔壁上的电刷粉末，如果难以吹净，可以用螺丝刀刀尖轻轻清理，注意不要碰到换向器的表面。（5）重新装上电刷，拧紧刷盖。如果更换了新电刷，应使电机空运行一段时间，以使电刷表面和换向器表面相吻合。（6）检查测速电机时应卸下电机后盖，露出测速电机。（7）检查测速电机电刷长度、连接是否牢固，检查铜头的表面积碳是否严重，如果严重，可使电机在低速时，用金相砂纸清理铜头积碳，之后用螺丝刀刀尖或其他类似工具将

24、铜头槽内的积碳清理掉。2.2.6 交流伺服电动机故障诊断交流伺服电机不存在电刷的维护问题，所以称之为免维护电机。但这并不是说交流伺服电机绝对不出故障。交流伺服电机常见故障有接线故障，转子位置检测元件故障，电磁制动故障等。交流电机故障判断方法有：1、电阻测量：用万用表测量电枢的电阻。看三相之间电阻是否一致，用兆欧表检测绝缘状况。2、电机检查：先将机械装置(比如丝杆)与电机脱开，用手转动电机转子，正常时感觉有一定得均匀阻力，如果旋转过程中，出现不均匀的阻力，应更换电机进行确认。注意：1、在检查交流伺服电机时，对采用编码器识别电机旋转方向的，如连接部分无定位标记，则编码器不能随便拆离，以避免相位错位

25、。对采用霍尔元件识别电机旋转方向的应注意开关的接线顺序，以免旋向辨别错误。2、日常生产中，不要敲击电机上安装检测元件的部位(一般在电机尾部)，因为伺服电动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。第三章 进给伺服系统的故障形式及定位3.1 进给伺服系统的故障形式在数控机床运行中进给伺服系统出现故障有三种表现形式：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。机床的操作及维修人员可以根据报警信息以及该机床进给伺服系统的工作原理查找原因，排除故障。在数控机床运行中进给伺服系

26、统常出现故障有：超程，过载，窜动，爬行，振动，伺服电机不转，位置误差，漂移，回基准点故障等。下面我们举出实例逐一叙述这些故障的成因及排除方法。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三种，不同机床所采用的措施会有所区别。硬件超程为防止在回零之前手动误操作而设置，急停是最后一道防线，当硬件超程限位保护失败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内。超程的具体恢复方法，不同的系统有所区别，根据机床的说明书即可排除。故障现象：一台配套FANUC OMC，型号为XH754的数控机床，X轴回零时产生超程报警“OVER

27、 TRAYEL-X”。分析与处理过程：检查发现X轴报警时离行程极限相差甚远，而显示器显示的X坐标超过了X轴范围，故确认是软限位超程报警。查参数0704正常，断电，按住P键同时接通NC电源，在系统对软限位不做检查的情况下完成回零；亦可将0704改为-99 999 999后回零，若没问题，再将其改回原值即可；还可按P键和CAN键开机以消除报警。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，或电气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。故障现象：某配套FANUC OM

28、系统的数控立式加工中心，在加工中经常出现过载报警，报警号为434，表现形式为Z轴电动机电流过大，电动机发热，停止40min左右报警消失，接着再工作一阵，又出现同类报警。分析与处理过程：经检查电气伺服系统无故障，估计是负载过重带不动造成。为了区分电气故障还是机械故障，将Z轴电动机拆下与机械脱开，再运行时该故障不再出现。由此确认为机械丝杠或运动部位过紧造成的。调整Z轴丝杠放松螺母后，效果不明显，后俩有调整Z轴导轨镶条，机床负载明显减轻，该故障消除。3.窜动在进给时出现窜动现象，即在切削过程中，进给谜度应均匀时，突然出现加速现象。产生的原因可能有：测速信号不稳定，如测速装置、测速反馈信号千扰等；速度

29、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转换的瞬间时，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。排除方法是逐一检查上述可能故障点，找到故障确定原因加以排除即可。4.爬行发生在起动加速段或低速进给时，虽然进给电机和丝杆是匀速旋转的，工作台却有可能是一快一慢或一跳一停地运动，这种现象叫做“爬行”现象。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有缺陷，如裂纹等，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

30、现象。故障现象：某配套GSK980M系统的数控磨床，在进行多次维修和长时间不用后，发现Y轴在运动过程中有明显的爬行。分析与处理过程：经检查，发现当手轮移动X轴0.1mm是，工作台连续移动0.7mm左右后再以另一种速度缓慢移动0.1mm，因此可能是由于移动速度太快或工作台阻力太大引起故障。调整机床导轨镶条并减小工作台移动速度，故障排除。在多次运行后发现每次工作台慢速移动的距离都差不多，因此打开参数页面，发现029号参数（Y轴直线加减速时间常数）为600，而对于步进电动机来说一般设定为450。修改后再试，故障排除。5.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。故障现象：一台配套FANUC 6ME的加工中心，在长时间使用后，只要工作台移动到行程的中间段，X轴即出现缓慢的正、反向摆动。分析与处理过程：由于机床在其他位置时工作均正常，因此，系统参数、伺服驱动器和机械部分应无问题。考虑到机床已经过长期使用，机床与伺服驱动系统之间的配合可能会发生