数控机床伺服驱动系统故障维修

第五章数控机床典型结构与维修

第4节数控机床伺服驱动系统故障维修教师：李爽时间：2014/11/13目录一、伺服系统概述二、主轴驱动系统

主轴驱动系统、故障形式、故障诊断三、进给伺服系统

进给驱动系统、伺服系统结构形式、故障诊断四、位置检测装置一、伺服系统概述1.1伺服系统概念

数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称随动系统。

如果说数控系统是数控机床的大脑，是发布“命令”的指挥机构，那么伺服系统就是数控机床的“四肢”，是执行机构，它忠实而准确地执行由数控系统发来的命令，控制数控机床的运动部件的位置和速度，加工出所需工件的外形和尺寸。

伺服系统机床CNC系统指令动作脉冲频率脉冲数量速度位置伺服系统的作用示意图

伺服控制系统的性能直接影响数控机床的精度、稳定性、可靠性和生产效率，因此伺服系统的性能决定了数控机床的性能。在实际应用中，数控机床伺服系统出现故障的概率较高，因此充分认识伺服系统的重要性，掌握伺服系统的故障诊断与维修方法是很有必要的。1.2伺服系统组成

数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件（如电机）、机械传动部件、执行元件和检测反馈装置等组成。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系统。一、伺服系统概述1.3伺服系统的分类

数控机床伺服系统分类方法有多种。按控制方式的不同，可分为开环控制系统、闭环控制系统、半闭环控制系统和混合控制系统4种。按其作用和控制功能的不同，伺服驱动系统可分为主轴伺服驱动系统和进给伺服驱动系统。按电气控制原理和伺服电机类型的不同，还可分为直流伺服系统和交流伺服系统。根据控制信号的不同形式，伺服系统可分为模拟控制和数字控制两种；按反馈比较控制方式不同，可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统。一、伺服系统概述二、主轴驱动系统2.1主轴驱动系统概述

主轴驱动系统也叫主传动系统，是在系统中完成主运动的动力装置部分。

主轴驱动系统通过该传动机构转变成主轴上安装的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合进给运动，加工出理想的零件。

它是零件加工的成型运动之一，它的精度对零件的加工精度有较大的影响。二、主轴驱动系统

随着数控技术的不断发展，传统的主轴驱动已不能满足要求。现代数控机床对主传动提出了更高的要求：（1）调速范围宽并实现无极调速

对于具有自动换刀功能的数控加工中心，为适应各种刀具、工序和各种材料的加工要求，对主轴的调速范围要求更高，要求主轴能在较宽的转速范围内根据数控系统的指令自动实现无级调速，并减少中间传动环节，简化主轴箱。

（2）恒功率范围要宽

2.2数控机床对主轴驱动系统的要求（3）具有4象限驱动能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。（4）具有位置控制能力

要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短。（5）具有较高的精度与刚度，传动平稳，噪音低（6）良好的抗振性和热稳定性。二、主轴驱动系统2.2数控机床对主轴驱动系统的要求1、FANUC（法那科）公司主轴驱动系统

从80年代开始，该公司已使用了交流主轴驱动系统，直流驱动系统已被交流驱动系统所取代。目前三个系列交流主轴电动机为：S系列电动机，额定输出功率范围1.5～37KW；H系列电动机，额定输出功率范围1.5～22KW；P系列电动机，额定输出功率范围3.7～37KW。

该公司交流主轴驱动系统的特点为：①采用为处理器控制技术，进行矢量计算，从而实现最佳控制。②主回路采用晶体管PWM逆变器，使电动机电流非常接近正弦波性。③具有主轴定向控制、数字和模拟输入接口等功能。二、主轴驱动系统2.3常用的主轴驱动系统介绍2、SIEMENS（西门子子）公司主轴轴驱动系统SIEMENS公司生产产的直流主轴轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个个系列，与这这四个系列电电动机配套的的6RA24、6RA27系列驱动动装置采用晶晶闸管控制。。80年代初期期，该公司又又推出了1PH5和1PH6两个个系列的交流流主轴电动机机，功率范围为为3～100KW。驱动动装置为6SC650系系列交流主轴轴驱动装置或或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴轴驱动模块，，主回路采用用晶体管SPWM变频器器控制的方式式，具有能量量再生制动功功能。另外，，采用为处理理器80186可进行闭闭环转速、转转矩控制及磁磁场计算，从从而完成矢量量控制。同过过选件实现C轴进给控制制，在不需要要CNC的帮帮助下，实现现主轴的定位位控制。二、主轴驱动系统统2.3常用的主轴驱驱动系统介绍绍驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴轴的无级调速速则是由主轴轴驱动器完成成。主轴驱动系统统分为直流驱动系统统和交流驱动系统统，目前数控机机床的主轴驱驱动多采用交交流主轴驱动动系统，即交流主轴电动机配备变频器或主轴轴伺服驱动器器控制的方式。。二、主轴驱动系统统2.4主轴驱动系统统的分类（1）直流主轴驱动动装置直流主轴电动动机的结构与与永磁式伺服服电动机不同同，要求能输输出大的功率率，所以一般般是他磁式。。为缩小体积积，改善冷却却效果，以免免电动机过热热，常采用轴轴向强迫风冷冷或采用热管管冷却技术。。（2）交流主轴驱动动装置①交流异步步伺服系统②交流同步步伺服系统二、主轴驱动系统统当主轴伺服系系统发生故障障时，通常有有三种表现形形式：CRT或操作作面板上显示示报警内容或或报警信息；；在主轴驱动装装置上用报警警灯或数码管管显示主轴驱驱动装置的故故障；主轴工作不正正常，但无任任何报警信息息。主轴伺服系统统常见故障有有：(1)过载载(2)转速偏离指令令值(3)主轴定位抖动动(4)主轴振振动或噪声太太大(5)主轴转转速与进给不不匹配(6)外界干干扰2.5主轴伺服系系统故障诊断断二、主轴驱动系统统（1）外界干干扰故障现象：主轴在运转过过程中出现随随机和无规律律性的振动或或转动。原因分析：主轴速度指令令信号或反馈馈信号受到电电磁波、供电电线路或信号号传输干干扰而出现误误动作。检查方法：令主轴转速指指令为零，观观察主轴是否否有往复摆动动，或通过调调整零速平衡衡和漂移补偿偿看故障能否否消除。2.5主轴伺服系系统故障诊断断（2）过过载故障现象象：主轴电动动机过热热、主轴轴驱动装装置显示示过电流流报警等等原因分析析：切削用量量过大，，主轴频频繁正、、反转，，主轴润润滑不良良造成轴轴承咬死死或轴承承预紧力力过大、、电动机机冷却系系统不良良或内置置温控元元件失效效、动力力连线接接触不良良等，主主轴伺服服系统和和CNC装置通通过检测测，显示示过载报报警。检查方法法：采用常规规检查法法针对上上述部位位逐一进进行检查查。采取措施施：保持主轴轴电机通通风系统统良好，，保持过过滤网清清洁；检检查动力力线接线线端子接接触情况况，按设设备操作作规程正正确合理理操作和和维护保保养设备备。2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断（3）主主轴定位位抖动故障现象象：主轴在准准停时发发生抖动动原因分析析：产生原因因因实现现准停的的方式不不同而异异，主轴轴准停有有三种实实现方式式：（1）机械准停停控制，定位抖抖动多为为定位机机械执行行机构不不到位，，定位盘盘松动或或有间隙隙引起；；（2）磁性传感感器的电电气准停停控制，定位抖抖动多为为传感器器和发磁磁体之间间间隙发发生变化化或传感感器失灵灵引起。。（3）编码器型型的准停停控制，由于编码码器的污污染引起起灵敏度度下降或或连接松松动也会会造成定定位抖动动。此外主轴轴定位有有一个减减速过程程，如果果减速或或增益系系数设置置不当，，会引起起主轴定定位抖动动。检查方法法：根据定位位方式不不同，主主要检查查各定位位、减速速检测元元件的工工作状况况和安装装固定情情况，核核对减速速或增益益系数设设置值等等采取措施施：保证定位位元件运运转灵活活，检测测元件稳稳定可靠靠。2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断（4）主主轴转速速与进给给不匹配配故障现象象：当进行螺螺纹切削削或用每每转进给给指令切切削时，，会出现现停止进进给，主主轴仍继继续运转转的故障障或加工工螺纹出出现乱牙牙现象。。原因分析析：进行螺纹纹加工要要求主轴轴与进给给严格保保持主轴轴转一圈圈刀具进进给一个个螺纹导导程的关关系，而而这必须须依靠主主轴上的的脉冲编编码器进进行检测测反馈信信息。若若编码器器或连接接电缆有有问题，，会引起起上述故故障。检查方法法：1.CRT画面面有报警警显示。。2.通过过CRT调用机机床数据据或I/O状态态，观察察编码器器的信号号线的通断状态态。3.取消消主轴与与进给的的同步配配合，即即用每分分钟进给给指令代代替每转进给来来执行程程序，观观察故障障是否消消失。采取措施施：更换、维维修编码码器，检检查电缆缆接线情情况及编编码器安安装是否否松动，特别别注意信信号线的的防干扰扰措施。。2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断（5）转转速偏离离指令值值故障现象象：主轴转速速超过技技术要求求所规定定的指令令值范围围原因分析析：电动机负负载过大大引起转转速降低低或低速速极限值值设定太太小，造造成主轴轴电机过过载。CNC系系统输出出的主轴轴转速模模拟量（（通常为为0—+-10V）没没有达到到与转速速指令对对应的值值。测速装置置有故障障或速度度反馈信信号断线线。主轴驱动动装置故故障，导导致速度度控制单单元错误误输出。。检查方法法：（1）空载运转转主轴，，检测比比较实际际转速值值与指令令值，判判断故障障是否由由负载过过大引起起。（2）检检查速度度反馈装装置及电电缆，调调节速度度反馈量量的大小小，使实实际主轴轴转速达达到指令令值。（3）检检查信号号电缆的的连接情情况，调调整有关关参数使使CNC系统输输出的模模拟量与与转速指指令值相对应。采取措施施：更换、维维修损坏坏的部件件、调整整的关参参数2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断（6）主主轴异常常噪声及及振动原因分析析：首先要区区别异常常噪声及及振动发发生在主主轴机械械部分还还是在电电气驱动动部分。。在减速过过程中发发生一般般是又驱驱动装置置造成的的，如交交流驱动动中的再再生回路路故障。。在恒转速速时产生生，可通通过观察察主轴电电动机自自由停车车过程中中是否有有噪音和和振动的的来区别别，如存存在，则则主轴机机械部分分有问题题检查方法法：检查振动动周期是是否与转转速有关关。如无无关，一一般是主主轴驱动动装置未未调整好好；如有有关，应应检查主主轴机械械部分是是否良好好，测速速装置是是否不良良。2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断（7）主主轴电动动机不转转原因分析析：CNC系系统至主主轴驱动动装置除除了转速速模拟量量控制信信号外，，还有使使能控制制信号，，一般为为DC+24V继电器器线圈电电压；主主轴驱动动装置故故障；主主轴电动动机故障障。检查方法法：检查CNC系统统是否有有速度控控制信号号输出；；检查能能使信号号是否接接通。通通过CRT观察察I/O状态，，分析机机床PLC图形形（或流流程图）），以确确定主轴轴的启动动条件，，如润滑滑、冷却却等是否否满足。。2.5主轴伺伺服系统统故障诊诊断三、进给伺服服系统3.1进进给驱驱动系统统概述进给驱动动系统的的性能在在一定程程度上决决定了数数控系统统的性能，决定了了数控机机床的档次，因此，，在数控控技术发发展的历历程中，，进给驱驱动系统统的研制制和发展展总是放放在首要要的位置置。数控系统统所发出出的控制制指令，，是通过过进给驱动动系统来驱动机机械执行行部件，，最终实实现机床床精确的的进给运运动的。。数控机床床的进给给驱动系系统是一一种位置置随动与与定位系系统，它它的作用是快速、准准确地执执行由数数控系统统发出的的运动命命令，精精确地控控制机床床进给传传动链的的坐标运运动。它的性能能决定了了数控机机床的许许多性能能，如最最高移动动速度、、轮廓跟跟随精度度、定位位精度等等。3.2数控机床床对进给给驱动系系统的要要求（1）调速范围围要宽；（2）定位精度度要高；（3）快速响应应，无超超调；（4）低速大转转矩，过过载能力力强；（5）可靠性高高；三、进给伺服服系统3.3进给驱动动系统的的分类按执行元元件的类类别，可可分为：：步进电电动机、、直流电电动机、、交流电电动机进进给驱动动系统；；按有无检检测元件件和反馈馈环节，，可分为为为开环环、闭环环控制两两类。开环控制制与闭环环控制的的主要区区别为是否采用用了位置置和速度度检测反反馈元件件组成了反反馈系统统。开环控制制一般采采用步进电动动机作为驱动动元件，，没有位位置和速速度反馈馈控制回回路。闭环控制制一般采采用伺服电动动机作为驱动动元件，，根据位位置检测测元件所所处在数数控机床床不同的的位置，，它可以以分为半闭环、、全闭环环和混合合闭环三种。三、进给伺服服系统步进驱动动系统简简单来说说，包括括有步进电动动机和步进驱动动器。步进电机机是利用用电磁铁铁的作用用原理，，将脉冲冲信号转转换为线线位移或或角位移移的电机机。每来来一个电电脉冲，，步进电电机转动动一定角角度，带带动机械械移动一一小段距距离。特点:(1)来一个脉脉冲，转转一个步步距角。。(2)控制脉冲冲频率，，可控制制电机转转速。(3)改变脉冲冲顺序，，可改变变转动方方向。（1）步进电动机驱动的进给系统

步进电动动机驱动动的进给给系统优点：能很方便便地将电电脉冲转转换为角角位移，，具有较好的定定位精度度，无漂漂移和无无积累定定位误差差的优点，，能跟踪踪一定频频率范围围的脉冲冲列，可可作同步步电动机机使用。。缺点：①由于步步进电动动机基本本上是用用开环系系统，精精度不高高，不能应用用于中高高档数控控机床；②步进进电动机机耗能大，，速度低低(远不如如交、直直流电动动机)。。因此，目目前步进进电动机机仅用于于小容量、、低速、、精度要要求不高高的场合，，如经济济型数控控，打印印机、绘绘图机等等计算机机的外部部设备。。（2）伺伺服电动动机驱动的进给系统伺服电动动机可分分为两类类：伺服电动动机又称称执行电电动机。。其功能是将将输入的的电压控制制信号转换为轴轴上输出出的角位移和和角速度度，驱动控制制对象。。交流伺服电动机直流伺服电动机伺服电动动机可控控性好，，反应迅迅速。是是自动控控制系统和和计算机机外围设设备中常常用的执执行元件件。伺服电动动机驱动动的进给给系统3.4进给驱动动系统的的组成驱动装置置——接受受CNC等发出出的指令令，经过过功率放放大后，，驱动电动机旋旋转。转转速的大大小由指指令控制制。执行元件件——步进进电动机机/直流流电动机机/交流流电动机机。传动机构构——减速速装置和和滚珠丝丝杠检测元件件及反馈馈电路——速度度反馈和和位置反反馈，有有旋转变变压器、、光电编码码器和光光栅等。。3.5进给伺服服系统的的常见故故障及诊诊断实例例常见故障障当进给伺伺服系统统出现故故障时,通常有有三种表表现形式式：在CRT或操作作面板上上显示报报警内容容或报警警信息，，在进给伺伺服驱动动单元上上用报警警灯或数数码管显显示驱动动单元故故障；进给运动动不正常常，但无无任何报报警信息息。（1）超超程当当进给运运动超过过由软件件设定的的软限位位或由限限位开关关设定的的硬限位位时，就就会发生生超程报报警。产产生原因因常见有有三种：编程不当当，当工件坐坐标系没没设定或或没调用用刀补，，应运行行如G00X100.Y100；容容易出现现起程。操作不当当，如在JOG方式式回参考考点，对对刀错误误，刀补补值设定定错误，，刀架离离参考点点太近就就进行手手动反回回参考点点容易出出现超程程。出现减速速开关失失灵、参参数设置置不合理理等造成回不不到参考考点故障障也会出出现超程程。3.5进给伺服服系统的的常见故故障及诊诊断实例例（

2））过载当进给运运动的负载过大大，频繁正正、反向向运动以以及传动动链润滑状态态不良时，均会会引起过过载报警警。一般般会在CRT上上显示伺伺服电动动机过载载、过热热或过流流等报警警信息。。同时，，在强电电柜中的的进给驱驱动单元元上、指指示灯或或数码管管会提示示驱动单单元过载载、过电电流等信信息。3.5进给伺服服系统的的常见故故障及诊诊断实例例（3）窜窜动在在进进给时出出现窜动动现象：：①测速信信号不稳稳定，如如测速装装置故障障、测速速反馈信信号干扰扰等；②速度控控制信号号不稳定定或受到到干扰；；③接线端端子接触触不良，，如螺钉钉松动等等。当窜动发发生在由由正方向向运动与与反向运运动的换换向瞬间间时，一一般是由由于进给传动动链的反向间隙隙或伺服服系统增增益过大大所致。3.5进给伺服服系统的的常见故故障及诊诊断实例例（

4））爬行发发生在起起动加速段或或低速进进给时，一般般是由于于进给传传动链的的润滑状态态不良、、伺服系系统增益益低及外外加负载载过大等等因素所致致。尤其要注注意的是是：伺服服电动机机和滚珠珠丝杠联联接用的的联轴器器，由于于联接松动动或联轴轴器本身身的缺陷陷，如裂裂纹等，造成滚滚珠丝杠杠转动与与伺服电电动机的的转动不不同步，，从而使使进给运运动忽快快忽慢，，产生爬爬行现象象。3.5进给伺服服系统的的常见故故障及诊诊断实例例（5）机机床出现现振动机机床以高高速运行行时，可可能产生生振动，，这时就就会出现现过流报报警。机机床振动动问题一一般属于于速度问问题，所所以就应应去查找找速度环环；而机机床速速度的的整个个调节节过程程是由由速度调调节器器来完成成的，，即凡凡是与与速度度有关关的问问题，，应该该去查查找速速度调调节器器，因因此振振动问问题应应查找找速度度调节节器。。主要要从给定信信号、、反馈馈信号号及速速度调调节器器本身这这三方方面去去查找找故障障。3.5进给伺伺服系系统的的常见见故障障及诊诊断实实例（6））伺服服电动动机不不转伺伺服服电动动机不不转，，常用用诊断断方法法有：：①检查查数控控系统统是否否有速度控控制信信号输输出；②检查查使能信信号是否接接通。。通过过CRT观观察I/O状态态，分分析机机床PLC梯形形图(或流流程图图)，，以确确定进进给轴轴的起起动条条件，，如润润滑、、冷却却等是是否满满足；；③对带电磁制制动的伺服电电动机，应检检查电磁制动是否否释放；④进给驱动单元故障；⑤伺服电动机故障。3.5进给伺服系统统的常见故障障及诊断实例例（7）位置误误差当伺服轴运动动超过位置允允差范围时，，数控系统就就会产生位置置误差过大的报报警，包括跟随误误差、轮廓误误差和定位误误差等。主要要原因有：①系统设定的的允差范围小小；②伺服系统增增益设置不当当；③位置检测装装置有污染；；④进给传动链链累积误差过过大；⑤主轴箱垂直直运动时平衡衡装置(如平平衡液压缸等等)不稳。3.5进给伺服系统统的常见故障障及诊断实例例（8）漂移当指令值为零零时，坐标轴轴仍移动，从从而造成位置置误差。通过过误差补偿和驱驱动单元的零零速调整来消除。（9）机械传传动部件的间间隙与松动在数控机床的的进给传动链链中，常常由于传动元件件的键槽与键键之间的间隙隙使传动受到到破坏，因此，除了了在设计时慎慎重选择键联联结机构之外外，对加工和和装配必须进进行严查。在在装配滚珠丝丝杠时应当检检查轴承的预预紧情况，以以防止滚珠丝杠杠的轴向窜动动，因为游隙也也是产生明显显传动间隙的的另一个原因因。3.5进给伺服系统统的常见故障障及诊断实例例四、位置检测元件4.1数控机床对检检测元件要求求位置检测装置置是数控机床伺伺服系统的重重要组成部分分。它的作用用是检测位移和速速度，发送反反馈信号，构构成闭环或半半闭环控制。。数控机床的加加工精度主要要由检测系统的精精度决定。不同类型的数数控机床，对对位置检测元元件，检测系系统的精度要要求和被测部部件的最高移移动速度各不不相同。2022/12/1242对检测元件的的要求：（1）寿命长长，可靠性要要高，抗干扰扰能力强。（2）满足精精度、速度和和测量范围的的要求。（3）使用维维护方便，适适合机床的工工作环境。（4）易于实实现高速的动动态测量和处处理，易于实实现自动化。。（5）成本低低。2022/12/12444.2位置检测装置置的分类1、从检测的信号号分直线型回转型2、从传感器输出出信号分模拟式

数字式直线感应同步步器、长光栅栅、长磁栅、、激光干涉仪仪旋转变压器、、圆感应同步步器、圆光栅、圆磁磁栅、编码盘盘光栅检测装置置、脉冲编码码盘旋转变压器、、感应同步器器（1）直接测测量直接测量是将将直线型检测装装置安装在移移动部件上，用来直接测测量工作台的的直线位移，，作为全闭环环伺服系统的的位置反馈信信号，而构成成位置闭环控控制。其优点点是准确性高、可可靠性好，缺点是测量装置要和和工作台行程程等长，所以在大型型数控机床上上受到一定限限制。（2）间接测测量它是将旋转型检测装装置安装在驱驱动电机轴或或滚珠丝杠上，通过检测转动件的的角位移来间间接测量机床床工作台的直直线位移，作为半闭环环伺服系统的的位置反馈用用。优点是测量方便、无无长度限制。缺点是测量量信号中增加加了由回转运运动转变为直直线运动的传动链误差，从而影响了了测量精度。。3.

直接接测量和间接接测量（1）增量式式测量在在轮廓廓控制数控机机床上多采用用这种测量方方式，增量式式测量只测相对位移移量，如测量单位为为0.001mm，则每每移动0.001mm就就发出一个脉脉冲信号，其其优点是测量装置较简简单，任何一个对