进给伺服系统的常见故障诊断
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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输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电机、检测元件、机械传动部件等部分。但在很多系统中，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，人们平时习惯上所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。 数控机床所采用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。按伺服进给系统使用的伺服电动机的类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分为起直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。在20世纪70年代至80年代的数控机床上，一般均采用直流伺驱动；从80年代中、后期起，数控机床上多采用交流伺服驱动。 直流伺服驱动系统一般按其主回路采用的功率放大元器件类型，又分为“晶闸管调速方式”（简称为SCR速度控制系统）和“晶体管脉宽调制调速方式”（简称PWM速度控制系统）两类。在控制上可以采用模拟量控制或数字量控制，，因此，在某些场合还可以分为模拟式与数字式两种类型。 交流伺服系统一般采用PWM调制信号控制功率晶体管进行驱动放大的主回路，并按其指令信号与控制形式，分为模拟式伺服与数字式伺服两类。初期的交流伺服系统一般是模拟式伺服系统，而目前使用的交流伺服系统通常都是采用数字量控制的全数字式交流伺服系统。 在多年的维修工作中，处理过许多有关数控机床进给伺服系统的故障，我针对进给伺服系统的常见故障做了归纳总结。常见的进给伺服故障有以下几种： 1、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。 2、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。 大型装备制造分厂的型号为TK42160C数控镗床，采用的是SIEMENS 840D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。 3、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。 4、振动 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。 5、伺服电动机不转 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。 大型装备制造分厂采用SIEMENS 840D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。 6、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。 7、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。 8、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。 我公司的数控机床所使用的进给系统种有直流调速系统和交流伺服系统两大类。目前交流伺服系统应用的比较广泛，主要有FAGOR、SIEMENS、NUM、安川等厂家生产的交流伺服系统。对于不同的伺服系统，虽然其故障时，系统的显示的状态及报警号不同，但其工作的原理基本相同，维修方法有很多相同之处。作为一名设备维修工作者，应多学、多看、常总结，这样才能通过科学的方法，行之有效的措施，迅速判别故障发生的原因，随时解决出现的问题，保证数控机床安全、可靠运行，提高设备使用率。 |
