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）公司主轴驱动系统

SIEMENS公司生产的直流主轴电动机有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四个系列，与这四个系列电动机配套的6RA24、6RA27系列驱动装置采用晶闸管控制。

80年代初期，该公司又推出了1PH5和1PH6两个系列的交流主轴电动机，功率范围为3～100KW。驱动装置为6SC650系列交流主轴驱动装置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主轴驱动模块，主回路采用晶体管SPWM变频器控制的方式，具有能量再生制动功能。另外，采用为处理器80186可进行闭环转速、转矩控制及磁场计算，从而完成矢量控制。同过选件实现C轴进给控制，在不需要CNC的帮助下，实现主轴的定位控制。二、主轴驱动系统2.3常用的主轴驱动系统介绍

驱动系统包括主轴驱动器和主轴电动机。数控机床主轴的无级调速则是由主轴驱动器完成。

主轴驱动系统分为直流驱动系统和交流驱动系统，目前数控机床的主轴驱动多采用交流主轴驱动系统，即交流主轴电动机配备变频器或主轴伺服驱动器控制的方式。二、主轴驱动系统2.4主轴驱动系统的分类

（1）直流主轴驱动装置

直流主轴电动机的结构与永磁式伺服电动机不同，要求能输出大的功率，所以一般是他磁式。为缩小体积，改善冷却效果，以免电动机过热，常采用轴向强迫风冷或采用热管冷却技术。

（2）交流主轴驱动装置①交流异步伺服系统②交流同步伺服系统二、主轴驱动系统

当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：CRT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。

主轴伺服系统常见故障有：

(1)过载(2)转速偏离指令值(3)主轴定位抖动(4)主轴振动或噪声太大(5)主轴转速与进给不匹配

(6)外界干扰2.5主轴伺服系统故障诊断二、主轴驱动系统（1）外界干扰

故障现象：主轴在运转过程中出现随机和无规律性的振动或转动。

原因分析：主轴速度指令信号或反馈信号受到电磁波、供电线路或信号传输干扰而出现误动作。

检查方法：令主轴转速指令为零，观察主轴是否有往复摆动，或通过调整零速平衡和漂移补偿看故障能否消除。

2.5主轴伺服系统故障诊断（2）过载

故障现象：主轴电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等

原因分析：切削用量过大，主轴频繁正、反转，主轴润滑不良造成轴承咬死或轴承预紧力过大、电动机冷却系统不良或内置温控元件失效、动力连线接触不良等，主轴伺服系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。

检查方法：采用常规检查法针对上述部位逐一进行检查。采取措施：保持主轴电机通风系统良好，保持过滤网清洁；检查动力线接线端子接触情况，按设备操作规程正确合理操作和维护保养设备。2.5主轴伺服系统故障诊断（3）主轴定位抖动

故障现象：主轴在准停时发生抖动

原因分析：产生原因因实现准停的方式不同而异，主轴准停有三种实现方式：

（1）机械准停控制，定位抖动多为定位机械执行机构不到位，定位盘松动或有间隙引起；

（2）磁性传感器的电气准停控制，定位抖动多为传感器和发磁体之间间隙发生变化或传感器失灵引起。

（3）编码器型的准停控制，由于编码器的污染引起灵敏度下降或连接松动也会造成定位抖动。

此外主轴定位有一个减速过程，如果减速或增益系数设置不当，会引起主轴定位抖动。检查方法：根据定位方式不同，主要检查各定位、减速检测元件的工作状况和安装固定情况，核对减速或增益系数设置值等采取措施：保证定位元件运转灵活，检测元件稳定可靠。2.5主轴伺服系统故障诊断（4）主轴转速与进给不匹配故障现象：当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给，主轴仍继续运转的故障或加工螺纹出现乱牙现象。原因分析：进行螺纹加工要求主轴与进给严格保持主轴转一圈刀具进给一个螺纹导程的关系，而这必须依靠主轴上的脉冲编码器进行检测反馈信息。若编码器或连接电缆有问题，会引起上述故障。检查方法：1.CRT画面有报警显示。

2.通过CRT调用机床数据或I/O状态，观察编码器的信号线的

通断状态。

3.取消主轴与进给的同步配合，即用每分钟进给指令代替每

转进给来执行程序，观察故障是否消失。采取措施：更换、维修编码器，检查电缆接线情况及编码器安装是否松

动，特别注意信号线的防干扰措施。2.5主轴伺服系统故障诊断（5）转速偏离指令值故障现象：主轴转速超过技术要求所规定的指令值范围原因分析：电动机负载过大引起转速降低或低速极限值设定太小，造成主轴电机过载。CNC系统输出的主轴转速模拟量（通常为0—+-10V）没有达到与转速指令对应的值。测速装置有故障或速度反馈信号断线。主轴驱动装置故障，导致速度控制单元错误输出。检查方法：（1）空载运转主轴，检测比较实际转速值与指令值，判断故障是否由负载过大引起。（2）检查速度反馈装置及电缆，调节速度反馈量的大小，使实际主轴转速达到指令值。（3）检查信号电缆的连接情况，调整有关参数使CNC系统输出的模拟量与转速指令值相对应。采取措施：更换、维修损坏的部件、调整的关参数2.5主轴伺服系统故障诊断（6）主午轴异常噪诞声及振动原因分析记：首先要区陷别异常噪循声及振动提发生在主奇轴机械部锤分还是在走电气驱动泉部分。在减速过酸程中发生枣一般是又晕驱动装置种造成的，脸如交流驱足动中的再狗生回路故权障。在恒转淹速时产椒生，可衔通过观剪察主轴雾电动机剩自由停句车过程秘中是否选有噪音后和振动赖的来区蒸别，如金存在，纯则主轴竹机械部榴分有问避题检查方法亲：检查振欺动周期支是否与疗转速有士关。如榴无关，露一般是降主轴驱凶动装置盐未调整然好；如蛙有关，缠应检查肺主轴机障械部分漆是否良孙好，测锦速装置晕是否不剥良。2.5主轴鞋伺服系奥统故障客诊断（7）主抖轴电动机锅不转原因分叨析：CNC柏系统至陵主轴驱肃动装置椒除了转守速模拟云量控制巴信号外允，还有扁使能控盾制信号惜，一般清为DC钻+24同V继电低器线圈肃电压；幻玉主轴驱浩动装置倾故障；哪主轴电脱动机故丸障。检查方失法：检查CN牺C系统是塔否有速度行控制信号睁输出；检社查能使信凶号是否接尿通。通过贪CRT观唐察I/O愚状态，分但析机床P刊LC图形寒（或流程谈图），以逼确定主轴骡的启动条跳件，如润剖滑、冷却杠等是否满洞足。2.5主轴后伺服系伐统故障志诊断三、进给伺服苏系统3.1败进给泉驱动系恶统概述进给驱动柳系统的性责能在一定息程度上决伙定了数控项系统的性能，决定了凤数控机床劫的档次，因此，亮在数控技扫术发展的于历程中，植进给驱动膛系统的研继制和发展托总是放在蛛首要的位甩置。数控系统泊所发出的集控制指令争，是通过进给驱动极系统来驱动机论械执行部烘件，最终龄实现机床帐精确的进清给运动的牲。数控机床盐的进给驱睬动系统是得一种位置固随动与定陪位系统，畜它的作用是快速、短准确地纱执行由舞数控系缩慧统发出末的运动粮命令，周精确地望控制机坟床进给摄传动链孝的坐标辜运动。它的性能示决定了数局控机床的镜许多性能焦，如最高养移动速度勒、轮廓跟毙随精度、砍定位精度改等。3.2数控机劣床对进怒给驱动纲系统的闷要求（1）调速范围女要宽；（2）定位精度晃要高；（3）快速响应著，无超调；（4）低速大转砌矩，过载看能力强；（5）可靠性高；三、进给伺弃服系统3.3进给驱动音系统的分类按执行元为件的类别丽，可分为鼻：步进电王动机、直贡流电动机坝、交流电侨动机进给秧驱动系统限；按有无爬检测元嘉件和反版馈环节业，可分芦为为开音环、闭薄环控制寇两类。开环控庸制与闭兴环控制申的主要列区别为是否采慕用了位和置和速乏度检测槽反馈元逆件组成了反暮馈系统。开环控王制一般巾采用步进电动猪机作为驱浸动元件远，没有郑位置和链速度反掘馈控制医回路。闭环控制霸一般采用伺服电动盼机作为驱动垫元件，根勉据位置检尚测元件所攀处在数控咏机床不同注的位置，梯它可以分辫为半闭环、惑全闭环和群混合闭环三种。三、进给伺术服系统步进驱换动系统并简单来汤说，包赴括有步进电屠动机和步进驱扒动器。步进电机东是利用电衰磁铁的作抵用原理，哑将脉冲信智号转换为倦线位移或老角位移的婚电机。每煤来一个电筑脉冲，步挑进电机转烦动一定角泄度，带动检机械移动鸭一小段距差离。特点:(1)来一个划脉冲，吼转一个辨步距角表。(2)控制脉冲烫频率，可置控制电机强转速。(3)改变脉秧冲顺序脂，可改聚变转动决方向。（1）步进电动机驱动的进给系统

步进电动亲机驱动的漫进给系统优点：能很方主便地将辫电脉冲毛转换为朝角位移定，具有较好的插定位精虏度，无虫漂移和袍无积累鞠定位误烧差的优点彼，能跟锁踪一定聋频率范捐围的脉似冲列，状可作同链步电动涉机使用劣。缺点：①由于归步进电乘动机基壶本上是积用开环鉴系统，辱精度不洞高，不能应盖用于中桥高档数值控机床；②步垦进电动况机耗能大，恳速度低(远不味如交、香直流电纠动机)芬。因此，在目前步万进电动聚机仅用都于小容量、袭低速、精铺度要求不斥高的场合，扭如经济型逝数控，打召印机、绘颗图机等计列算机的外概部设备。（2）艰伺服电城动机驱动的进给系统伺服电川动机可怜分为两恐类：伺服电荷动机又推称执行咬电动机孝。其功能是适将输入尘的电压控相制信号转换为轴归上输出的角位移和粥角速度，驱动控制锅对象。交流伺服电动机直流伺服电动机伺服电弟动机可转控性好燃，反应歇迅速。对是自动双控制系统贩和计算笔机外围久设备中短常用的扬执行元苹件。伺服电动吐机驱动的拼进给系统3.4进给驱动银系统的组成驱动装置——接受周CNC等摊发出的指训令，经过蓝功率放大押后，驱动电动机控旋转。如转速的党大小由耐指令控亮制。执行元索件——步稿进电动竟机/直浑流电动半机/交折流电动鞋机。传动机稻构——减速援装置和滚勇珠丝杠检测元包件及反译馈电路——速度负反馈和位怎置反馈，局有旋转变侵压器、光电编简码器和酷光栅等挽。3.5进给伺捷服系统酬的常见蚊故障及呢诊断实远例常见故障当进给伺清服系统出允现故障时滩,通常有虹三种表现习形式：在CRT阳或操作面李板上显示岸报警内容次或报警信以息，在进给北伺服驱呈动单元掌上用报选警灯或胸数码管拦显示驱渡动单元滨故障；进给运动姻不正常，逢但无任何简报警信息。（1）超覆程

当进顽给运动超据过由软件练设定的软积限位或由傲限位开关剖设定的硬薄限位时，脉就会发生抹超程报警拜。产生原强因常见有服三种：编程不戒当，当工件坐炼标系没设欧定或没调标用刀补，捷应运行如数G00X足100.滨Y100府；容易出壶现起程。操作不秤当，如在J白OG方围式回参央考点，纽奉对刀错抬误，刀室补值设爆定错误虫，刀架卵离参考胳点太近脑就进行饶手动反镰回参考介点容易碰出现超礼程。出现减速康开关失灵小、参数设镜置不合理顿等造成回还不到参杜考点故叫障也会疗出现超莲程。3.5进给伺办服系统亦的常见涛故障及肢诊断实魔例（

2）罩过载当进给逐运动的负载过选大，频繁正惩、反向运挥动以及传谈动链润滑状态茄不良时，均会炸引起过载棉报警。一督般会在C荡RT上显裳示伺服电热动机过载县、过热或贫过流等报匠警信息。厅同时，在邀强电柜中废的进给驱粪动单元上英、指示灯叨或数码管浇会提示驱欢动单元过永载、过电缴流等信息浸。3.5进给伺书服系统炒的常见沙故障及决诊断实肯例（3）论窜动局在键进给时皮出现窜爷动现象邪：①测速信勤号不稳定通，如测速笋装置故障绸、测速反狸馈信号干挠扰等；②速度控抚制信号不姓稳定或受需到干扰；③接线端芝子接触不牙良，如螺膝钉松动等如。当窜动状发生在抵由正方药向运动框与反向识运动的底换向瞬楼间时，洁一般是蛋由于进给传锅动链的反向间隙梅或伺服系狗统增益过剑大所致。3.5进给伺甜服系统属的常见洪故障及搞诊断实您例（

4皱）爬行捆发生在右起动加速段碧或低速野进给时，一般年是由于进器给传动链牙的润滑状态陵不良、伺艺服系统增朵益低及外肠加负载过偏大等因素所致因。尤其要寸注意的粥是：伺枣服电动锁机和滚吸珠丝杠角联接用武的联轴雷器，由饼于联接松动览或联轴器予本身的缺原陷，如裂顽纹等，造成滚泄珠丝杠转兼动与伺服靠电动机的毫转动不同食步，从而爪使进给运姥动忽快忽国慢，产生霸爬行现象宣。3.5进给伺授服系统来的常见介故障及浇诊断实道例（5）机剥床出现振深动关机床以高浴速运行时远，可能产钱生振动，聪这时就会高出现过流犬报警。机增床振动问诱题一般属舱于速度问润题，所以雕就应去查磨找速度环；而机份床速度爬的整个皆调节过态程是由速度调节答器来完成的遍，即凡是齐与速度有楚关的问题划，应该去检查找速度详调节器，茎因此振动泻问题应查晌找速度调异节器。主孤要从给定信号摘、反馈信斗号及速度胆调节器本身这三隶方面去查忧找故障。3.5进给伺服野系统的常脱见故障及伟诊断实例（6）伺尽服电动机至不转北伺服电草动机不转垄，常用诊悄断方法有买：①检查数戚控系统是慢否有速度控制驼信号输出；②检查使能信号是否接通盾。通过C踩RT观察赠I/O状她态，分析逢机床PL绳C梯形图始(或流程吧图)，以闭确定进给粉轴的起动第条件，如壁润滑、冷推却等是否透满足；③对带跟电磁制尚动的伺伙服电动窃机，应捐检查电磁制侄动是否热释放；④进给驱拜动单元故稿障；⑤伺服电凳动机故障。3.5进给伺服掌系统的常贱见故障及设诊断实例（7）巩位置误射差当伺服务轴运动隶超过位扶置允差凯范围时杰，数控还系统就膛会产生健位置误差过锹大的报蚀警，包括跟念随误差、乱轮廓误差采和定位误茎差等。主独要原因有咐：①系统嚷设定的酬允差范解围小；②伺服系帝统增益设气置不当；③位置检六测装置有呈污染；④进给传笛动链累积床误差过大瞎；⑤主轴箱装垂直运动耍时平衡装垮置(如平慨衡液压缸荣等)不稳仗。3.5进给伺首服系统芳的常见证故障及贡诊断实螺例（8）漂税移当指令样值为零然时，坐肚标轴仍说移动，效从而造之成位置工误差。核通过误差补偿巡寿和驱动单半元的零速熟调整来消除。（9）机懂械传动部阻件的间隙材与松动在数控霜机床的眨进给传捏动链中蓬，常常由于传动超元件的键迁槽与键之残间的间隙裤使传动受气到破坏，因此，士除了在设旧计时慎重槐选择键联叨结机构之关外，对加莲工和装配币必须进行鹿严查。在纸装配滚珠孔丝杠时应蛮当检查轴虎承的预紧牵情况，以防止滚珠阵丝杠的轴独向窜动，因为游塔隙也是产帅生明显传蚊动间隙的弹另一个原鼓因。3.5进给伺服鸡系统的常炭见故障及协诊断实例四、位置检碎测元件4.1数控机荡床对检认测元件惹要求位置检骡测装置是数控机怎床伺服系幸统的重要冈组成部分太。它的作晓用是检测位差移和速雁度，发跨送反馈残信号，等构成闭滤环或半热闭环控疼制。数控机拳床的加姨工精度策主要由检测系歌统的精虚度决定。不同类型汗的数控机杠床，对位盛置检测元研件，检测蚀系统的精剃度要求和植被测部件迹的最高移挪动速度各功不相同。2023阴/4/2内942对检测元盛件的要求爽：（1）寿哭命长，可帖靠性要高荷，抗干扰乱能力强。（2）湿满足精签度、速先度和测阳量范围鸦的要求你。（3）使喉用维护方迷便，适合璃机床的工壳作环境。（4）易动于实现高宫速的动态友测量和处镇理，易于悼实现自动蚂化。（5）成敲本低。2023谊/4/2贺9444.2位置检朝测装置句的分类1、从检测醋的信号下分直线型回转型2、从传感器熄输出信号顷分模拟式

数字式直线感应射同步器、鸽长光栅、予长磁栅、溉激光干涉挎仪旋转变压提器、圆感茂应同步器浩、圆光栅、士圆磁栅、院编码盘光栅检测装装置、脉腊冲编码盘旋转变压蚀器、感应些同步器（1）直泊接测量直接测格量是将直线型检拢测装置安柱装在移动奔部件上，用来直供接测量工舅作台的直掏线位移，传作为全闭遥环伺服系啄统的位置洽反馈信号袋，而构成犬位置闭环劈燕控制。其羞优点是准确性蚂高、可粉靠性好，缺点是测量装斗置要和解工作台蹈行程等降长，所以在浅大型数控签机床上受掘到一定限郑制。（2）垦间接测谱量它是将旋转型检彩测装置安踏装在驱动赔电机轴或借滚珠丝杠上，通肃过检测转蛋动件的抹角位移揭来间接庄测量机虫床工作岗台的直委线位移，作为惑半闭环欢伺服系灭统的位波置反馈骨用。优点是测量方便傅、无长度忘限制。缺点是便测量信号防中增加了悲由回转运产动转变为用直线运动柱的传动链葬误差，从而符影响了该测量精骡度。3.期直接橡测量和递间接测滋量（1）增笋量式测量龟在轮悼廓控制数屈控机床上嫩多采用这掩种测量方相式，增量尺式测量只测相替对位移吗量，如测量单寄位为0.锦001m船m，则每张移动0.敞001m肠m就发出区一个脉冲院信号，其漂优点是测量装让置较简郊单，任何缝一个对染中点都脉可以作钉为测量萝的起点秋，而移激距是由建测量信素号计数斜累加所居得，但一旦计三数有误热，以后孩测量所炕得结果道完全错烈误。

（棍2）绝浪对式测扬量赞绝对式猫测量装熔置对于被境测量的容任意一毅点位置均均由固松定的零煤点标起，每一个被死测点都有堪一个相应淡的测量值啄。测量装置鸟的结构较完增量式复竖杂，如编备码盘中，材对应于码技盘的每一环个角度位维置便有一偿组二进制屡位数。显亏然，分辨字精度要求乓愈高，量塔程愈大，巩则所要求进的二进制布位数也愈劈燕多，结构敌就愈复杂散。4.贷增量式阿测量和殖绝对式勤测量用于位敬置检测胡的有光栅、光稳电编码器轮、感应同绣步器、旋祥转