数控机床进给驱动系统的故障诊断及其维修

第三章进给驱动系统

的故障诊断与维修

3.1对伺服进给系统的要求1.调速范围宽

2.定位精度高

3.有足够的传动刚性和高的速度稳定性4.快速响应，无超调为了保证生产率和加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快，因为数控系统在启动、制动时，要求加、减加速度足够大，缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。

5.低速大转矩，过载能力强一般来说，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4～6倍而不损坏。6.可靠性高

要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力和很强的抗干扰的能力。7.对电机的要求1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4～6倍而不损坏。3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。4）电机应能承受频繁启、制动和反转。3.2数控机床进给驱动系统的基本形式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4种。无位置反馈装置的伺服进给系统称为开环控制系统。使用步进电机（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件，是其最明显的特点。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器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机，最终控制了步进电机的角位移。步进电机再经过减速装置（或直接连接）带动了丝杠旋转，通过丝杠将角位移转移。因此，控制步进电机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动速度与位移量。如图3-1为开环控制驱动系统的结构原理图。图3-1开环控制伺服驱动系统的结构原理图为半闭环控制系统的结构原理图。图3-2半闭环控制系统结构原理图图3-3全闭环控制系统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，但是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。步进电机的步距角误差、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，将导致步进电机的“失步”，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。采用半闭环控制系统的数控机床，电气控制与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，因此系统的稳定性较好。伺服电机和光电编码器通常做成一体，电动机和丝杠间可以直接联接或通过减速装置联接；位置检测单位和实际最小移动单位间的匹配，可以通过数控系统的参数（电子齿轮比）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广泛应用。如图3-2为半闭环控制系统的结构原理图。采用闭环控制系统的数控机床的特点是：机床移动部件上直接安装有直线位移检测装置，检测装置检测最终位移输出量。实际位移值被反馈到数控装置或伺服驱动中，它可以直接与输入的指令位移值进行比较，用误差进行控制，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上说，对于这样的闭环系统，其运动精度仅取决于检测装置的检测精度，它与机械传动的误差无关，显然，其精度将高于半闭环系统。而且它可以对传动系统的间隙、磨损自动补偿，其精度保持性要比半闭环系统好得多。图3-3为全闭环控制系统的结构原理图。由于闭环控制系统的工作特点，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。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“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。3.3.1、步进电机的工作原理

步进电机是一种能将数字脉冲以轴步进一个步距角增量，因此，步进电机能很方便地将电脉冲转换为角位移，具有较好的定位精度，无漂移和无积累定位误差的优点，能跟踪一定频率范围的脉冲列，可作同步电动机使用，广泛地应用于各种小型自动化设备及仪器。3.3

步进驱动系统3.3.2步进电机的分类：按转矩产生的原理可分为:

1.反应式步进电机;2.永磁式步进电机;3.混合式步进电机；

可变磁阻式步进电机又称为反应式步进电机，工作原理是由改变电动机的定子和转子的软钢齿之间的电磁引力来改变定子和转子的相对位置，这种电动机结构简单、步距角小。

永磁式步进电机的转子铁心上装有多条永久磁铁，转子的转动与定位是由定、转子之间的电磁引力与磁铁磁力共同作用的。与反应式步进电机相比，相同体积的永磁式步进电动机转矩大，步距角也大。

混合式步进电机结合了反应式步进电机和永磁式步进电机的优点，采用永久磁铁提高电动机的转矩，采用细密的极齿来减小步距角，是目前数控机床上应用最多的步进电动机。从控制绕组数量上可分为:1.二相步进电机。2.三相步进电机。3.四相步进电机。4.五相步进电机。5.六相步进电机。从运动的型式上可分为：1.旋转步进电机。2.直线步进电机。3.平面步进电机。（一）.驱动电路：

(a)(b)(c)VDCVDCVDC步进电机绕组的驱动电路，单极性电流一般采用下图<a>双管串联电路,双极性电流一般采用下图<b>的H桥电路;对于三相混合式步进电机则采用三相逆变桥电路,<c>3.3.3步进电机的驱动电路、控制方式及接线图

（二）步进电动机绕组电流控制电路

（三）.步进电机的接线图（一）步距角和步距误差：

转子每步转过的空间机械角度，即步距角β为

β=360°/Z*N

其中Z-转子齿数，N-运行拍数。步进电机每走一步，转子实际的角位移与设计的步距角存在有步距误差。连续走若干步时，上述误差形成累积值。转子转过一圈后，回至上一转的稳定位置，因此步进电机步距的误差不会长期积累。步进电机步距的积累误差，是指一转范围内步距积累误差的最大值，步距误差和积累误差通常用度、分或者步距角的百分比表示。影响步距误差和积累误差的主要因素有:齿与磁极的分度精度；铁心迭压及装配精度；各相矩角特性之间差别的大小；气隙的不均匀程度等。（四）步进电机的主要特性：（二）静态矩角特性和最大静转矩特性：

所谓静态是指电机不改变通电状态，转子不动时的工作状态。空载时，步进电机某相通以直流电流时，该相对应的定、转子齿对齐，这时转子无转矩输出。如在电机轴上加一顺时针方向的负载转矩，步进电机转子则按顺时针方向转过一个小角度θ，称为失调角,这时转子电磁转矩T与负载转矩相等。矩角特性是描述步进电机稳态时，电磁转矩与失调角θ之间关系的曲线，或称为静转矩特性。T0步进电机矩角特性

（三）启动惯频特性在负载转矩ML=0的条件下，步进电动机由静止状态突然启动，不丢步地进入正常运行状态所允许的最高启动频率，称为启动频率或突跳频率，超过此值就不能正常启动。启动频率与机械系统的转动惯量有关，包括步进电动机转子的转动惯量，加上其它运动部件折算至步进电动机轴上的转动惯量。下图表示启动频率与负载转动惯量之间的关系。随着负载惯量的增加，起动频率下降。若同时存在负载转矩ML；则起动频率将进一步降低。在实际应用中，由于ML的存在，可采用的启动频率要比惯频特性还要低。（四）步进电机矩频特性：

矩频特性是用来描述步进电机连续稳定运行时输出转矩写连续运行频率之间的关系曲线。矩频特性曲线上每一频率所对应的转矩称为动态转矩。动态转矩除了和步进电机结构及材料有关外，还与步进电机绕组连接、驱动电路、驱动电压有密切的关系。下图是混合式步进电机连续运行时的典型的矩频特性曲线。

1.电机不运转

1）驱动器无供电电压2）驱动器保险丝熔断3）驱动器报警(过电压、欠电压、过电流、过热)4）驱动器与电机连线断线5）系统参数设置不当6）驱动器使能信号被封锁7）接口信号线接触不良8）驱动器电路故障9）电机卡死或者出现故障10）电动机生锈11）指令脉冲太窄、频率过高、脉冲电平太低3.3.4步进电机常见故障及分析：2.电机起动后堵转

1）指令频率太高2）负载转矩太大3）加速时间太短4）负载惯量太大5）电源电压降低

3.电机运转不均匀，有抖动1）指令脉冲不均匀2）指令脉冲太窄3）指令脉冲电平不正确4）指令脉冲电平与驱动器不匹配5）脉冲信号存在噪声6）脉冲频率与机械发生共振

4.电机运转不规则，正反转地摇摆

1）指令脉冲频率与电机发生共振2）外部干扰

5.电机定位不准

1）加减速时间太小2）存在干扰噪声3）系统屏蔽不良

6.电机过热：1）工作环境过于恶劣，环境温度过高2）参数选择不当，如电流过大，超过相电流3）电压过高

7.工作过程中停车：1）驱动电源故障2）电动机线圈匝间短路或接地3）绕组烧坏4）脉冲发生电路故障5）杂物卡住

8.噪声大1）电机运行在低频区或共振区2）纯惯性负载、短程序、正反转频繁3）磁路混合式或永磁式转子磁钢退磁后以单步运行或在失步区4）永磁单向旋转步进电机的定向机构损坏9.失步或者多步1）负载过大，超过电动机的承载能力2）负载忽大忽小3）负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲4）传动间隙大小不均5）传动间隙产生的零件有弹性变形6）电动机工作在震荡失步区7）电路总清零使用不当8）干扰9）定、转子相檫10.无力或者是出力降低

1）驱动电源故障2）电动机绕组内部发生错误3）电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落4）电动机轴断5）电动机定子与转子之间的气隙过大6）电源电压过低

11.不能启动1）工作方式不对2）驱动电路故障3）遥控时，线路压降过大4）安装不正确，或电动机本身轴承、止口等故障使电动机不转5）N、S极接错6）长期在潮湿场所存放，造成电动机部分生锈

驱动保护电路开关电源FPGA显示、按键26LS32EPROMM26LS31光耦光耦光耦285DSP(ADSP2181)X25163电平变换16C550AD7888IPMPMSM三相220V单相220V编码器输出信号输出输入脉冲接口RS232串行接口模拟接口编码器输入接口6PG+光耦3.4.1进给伺服原理原理及接线图3.4进给伺服驱动系统伺服驱动器一般硬件框图伺服驱动控制结构图伺服系统主回路的接线图松下伺服驱动器I/F速度控制接线图松下伺服驱动器I/F位置控制接线图松下伺服驱动器I/F转矩控制接线图三洋伺服系统与数控系统连接图松下伺服系统与数控系统连接图

西门子伺服系统与数控系统连接图3.4.2参数设置位置比例增益

①设定位置环调节器的比例增益。②设置值越大，增益越高，刚度越大，相同频率指令脉冲条件下，位置滞后量越小。但数值太大可能会引起振荡或超调。③参数数值由具体的伺服系统型号和负载情况确定。

2.速度比例增益

①设定速度调节器的比例增益。②设置值越大，增益越高，刚度越大。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载值情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。③在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较大的值。

3.速度积分时间常数①设定速度调节器的积分时间常数。②设置值越小，积分速度越快。参数数值根据具体的伺服驱动系统型号和负载情况确定。一般情况下，负载惯量越大，设定值越大。③在系统不产生振荡的条件下，尽量设定较小的值。3.4.3进给伺服系统各类故障的反映形式机床进给伺服系统的故障按机床提供的报警形式大致可分为三类：1）CRT或操作面板上显示报警内容，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上的硬件（如发光二极管或数码管指示，保险丝熔断等）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。

1.进给伺服系统出错报警故障这类故障的起因，大多是速度控制单元方面的故障引起的，或是主控制印制线路板与位置控制或伺服信号有关部分的故障。可根据报警所显示的内容去排除。3.4.4进给伺服常见报警

2.

检测元件（测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器等）或检测信号方面引起的故障例如：某数控机床显示“主轴编码器断线”。引起的原因有：①电机动力线断线。如果伺服电源刚接通，尚未接到任何指令时，就发生这种报警，则由于断线而造成故障可能性最大。②伺服单元印制线路板上设定错误，如将检测元件脉冲编码器设定成了测速发电机等。③没有速度反馈电压或时有时断，这可用显示其来测量速度反馈信号来判断，这类故障出检测元件本身存在故障外，多数是由于连接不良或接通不良引起的。④由于光电隔离板或中间的某些电路板上劣质元器件所引起的。当有时开机运行相当长一段时间后，出现“主轴编码器断线”，这是，重新开机，可能会自动消除故障。

3.过热报警故障这里所述的过热是指伺服单元、变压器及伺服电机等的过热。引起过热报警的原因有：1）机床切削条件苛刻及机床摩擦力矩过大，引起主回路中的过热继电器动作。2）切削时，伺服电机电流太大或变压器本身故障，引起伺服变压器热控开关动作。3）伺服电机电耦内部短路或绝缘不良、电机永久磁钢去磁或脱落及电机制动器不良，引起电机的热控开关动作。4）驱动器参数增益不当或驱动器与电机参数匹配不当。

例如：某直流伺服电机过热报警，可能原因有：①过负荷。可以通过测量电机电流是否超过额定值来判断。②电机线圈绝缘不良。可用500V绝缘电阻表检查电枢线圈与机壳之间的绝缘电阻。如果在1MΩ以上，表示绝缘正常，否则应清理换向器表面的炭刷粉末等。③电机线圈内部短路。可卸下电机，测电机空载电流，如果此电流与转速成正比变化，则可判断为电机线圈内部短路。应清扫换向器表面，如表面上有油更易引起此故障。④电机磁铁退磁。可通过快速旋转电机时，测定电机电枢电压是否正常。如电压低且发热，则说明电机已退磁。应重新充磁。⑤制动器失灵。当电机带有制动器时，如电机过热则应检查制动器动作是否灵活。⑥CNC装置的有关印制线路板不良。

4.电机过载

i）机床负荷异常，引起电机电流超过额定值。这可以用检查电动机电流来判断。此时需要变更切削条件，减轻机床负荷。

ii）印制电路板设定错误。亦即应确定电动机过载的设定是否正确。iii）印制线路板不良。iv）对于交流伺服来说，没有脉冲编码器反馈信号也会引起电机过载报警。

v）起动扭矩超过最大扭矩或者负载有冲击现象；电机振动或抖动。vi）电机或编码器配线异常（配线不良或连接不良）。

vii)编码器有故障（反馈脉冲与电动机转角不成比例变化，而有跳跃）

5.伺服单元过电流报警

i）伺服驱动器的电路板与热开关连接不良。ii）U、V、W与地线连接错误，或它们之间存在短路。iii）伺服驱动器故障（电流反馈电路、功率晶体管或者电路板故障)。

iv）因负载转动惯量大并且高速旋转，动态制动器停止，制动电路故障。v）伺服驱动器的安装方法（方向、与其他部分的间隔）不适合。vi）负载是否过大，是否超出再生处理能力等。

vii）伺服驱动器的风扇停止转动

6.伺服单元过电压报警

i）负载转动惯量过大（再生能力不足）。

ii）内部或外接的再生放电电路故障（包括接线断开或破损等）。iii）加减速时间过小，在降速过程中引起过电压。

iv）检查AC电源电压（是否有过大的变化）。

7.伺服单元欠电压报警

i）电源容量太小或AC电源电压过低。

ii）伺服驱动器的保险丝熔断。iii）冲击电流限制电阻断线（电源电压是否异常，冲击电流限制电阻是否过载）。

iv）伺服ON信号提前有效。

v）电机主电路用电缆短路。vi）发生瞬时停电。vii）整流器件损坏或伺服驱动器故障。

8.速度单元的断路器断开报警1）干扰。有时速度单元受外界的干扰影响，断路器自动断开。2）机床负荷异常。这可以用示波器检查机床在快速进给时的电动机电流是否超过额定值来判断机床负荷是否异常。3）速度控制单元内整流用二级管模块不好。4）印制电路板不好或印制板与速度控制单元之间的连接不好。

9.停机误差过大或运行时误差过大报警

i）位置偏差设置错误。因此要认真检查参数的设定值。

ii）超调。在数控系统中加/减速时间里，如果电动机没有流过加减速时必要的电流，从而使位置控制回路的误差增加。当用示波器观察速度控制单元的指令波形，应使超调量在5％以下。为了消除本报警，可加大数控系统的加减速时间和加大速度控制单元的增益。

iii）输入电源电压太低。

iv）连接不良。如测速机信号线、电机动力线等的连接不良均会引起误差过大。

v）数控系统的位置控制部分和速度控制部分的故障。

vi）如果是直流伺服电动机，则电机的碳刷接触不良也会引起误差过大。10.漂移补偿量过大报警

i）连接不良。这里指的连接有两个方面。一是电动机动力线连接不良，二是电动机和检测元件之间的连接不良。

ii）CNC系统中有关漂移量补偿的参数设定错误引起的。

iii）速度控制单元CNC装置的主板的位置控制部分有故障。3.4.5进给伺服驱动系统常见故障及处理

1.位置跟踪误差超差报警1）电机过载2）伺服变压器过热3）伺服变压器保护熔断器熔断4）输入电源电压太低5）伺服驱动器与CNC之间的信号电缆连接不良6）干扰7）参数设置不当（位置偏差值设定错误）8）伺服电机不良9）电机的动力线和反馈线连接故障10）速度控制单元故障以及系统主板的位置控制部分故障11）伺服参数设置不当或错误12)编码器不良13）连接不良引起14）机械传动系统引起

2.工作过程中，振动或爬行

1）电动机负载过重。2）机械传动系统不良。

3）位置环增益过高。4）伺服电动机不良。5）外部干扰、接地、屏蔽不良等等。例1：一台配套某系统的加工中心，进给加工过程中，发现X轴有振动现象。分析与处理过程：加工过程中坐标轴出现振动、爬行现象与多种原因有关，故障可能是机械传动系统的原因，亦可能是伺服进给系统的调整与设定不当等等。

维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下X轴电动机，经检查发现6个电刷中有2个的弹簧已经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起Y轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。例2：配套某系统的加工中心，在长期使用后，手动操作Z轴时有振动和异常响声，并出现“移动过程中”Z轴误差过大”报警。利用手动转动机床Z轴，发现丝杠转动困难，丝杠的轴承发热。经仔细检查，发现Z轴导轨无润滑，造成Z轴摩擦阻力过大；重新修理Z轴润滑系统后，机床恢复正常。

3.运动失控（飞车）

1）位置检测、速度检测信号是否为正反馈。2）电动机或位置编码器故障。3）主板、速度控制单元故障。

4.机床定位精度或加工精度差

机床定位精度或加工精度差可分为定位超调、单脉冲进给精度差、定位点精度不好、圆弧插补加工的圆度差等情况。

1）加/减速时间设定过小。2）电动机与机床的连接部分刚性差或连接不牢固。3）机械传动系统存在爬行或松动。4）伺服系统的增益不足。5）位置检测器件（编码器、光栅）不良。6）速度控制单元控制板不良。7）机床反向间隙大、定位精度差。8）位置环增益设定不当。9）各插补轴的检测增益设定不良。10）感应同步器或旋转变压器的接口板调整不良。11）丝杠间隙或传动系统间隙过大。

5.超速1）测速反馈连接错误，如：被接成正反馈或断线。2）在全闭环系统中，联轴器、电动机与工作台的连接不良，造成速度检测信号不正确或无速度检测信号。3）位置控制板发生故障，是来自F/V转速的速度反馈信号为输入到速度控制单元。4）速度控制单元设定不当。

5）系统参数（最高运行速度）设置过低。

6.窜动

1）测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。2）速度控制信号不稳定或受到干扰。3）接线端子接触不良，如螺钉松动等。当窜动发生在由正向运动向反向运动的瞬间，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。

7.爬行

1）进给传动链的润滑状态不良。2）伺服系统增益设置过低。3）外加负载过大。4）连轴器有裂纹或松动。

8.伺服电动机不转

1）检查数控系统是否有速度控制信号输出。2）检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，如润滑、冷却等是否满足。3）对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放。4）进给驱动单元故障。5）伺服电动机故障。

9.回参考点故障

1）回参考点减速开关产生的信号或零位脉冲信号失效。2）脉冲编码器零标志位或光栅尺零标志位有故障。3）参考点开关档块位置设置不当。

10.开机后电动机产生尖叫（高频振荡）往往是CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的。

11.加工工作尺寸出现无规律变化1）机械传动系统的安装、连接与精度不良。2）伺服进给系统的设定与调整不当。3）干扰。4）弹性连轴器未能锁紧。

12.伺服电动机开机后即自动旋转1）位置反馈的极性错误。2）由于外力使坐标轴产生了位置偏移。3）驱动器、测速发电机、伺服电动机或系统位置测量回路不良。

13.定位超调（位置“过冲”现象）1）加减速时间设定过小2）位置环比例增益设置过大3）速度环比例增益设置过大4）速度环积分时间设置过小3.4.6交流伺服电机常见故障1.定子绕组断路或匝间短路。2.轴锁死、轴窜动、轴变形。3.编码器故障。4.电机转子退磁。5.制动器故障。6.进油、进水、锈蚀。

3.4.7进给伺服驱动系统日常维护（一）安装注意事项1）伺服单元应置于密封的强电柜内2）安装伺服单元时应考虑到容易维修检查和拆卸3）电机的安装要遵循下列原则:i）安装面要平，有足够的刚性。ii）安装位置尽可能使检修作业容易进行。iii)出入电机冷却风口的空气要充分，安装位置要尽可能使冷却部分的检修清洁工作容易进行。

iv)电机应安装在灰尘少、湿度不高场所，环境温度应在40℃以下。v)电机应安装远离切削液和油的位置。（二）使用检查1）伺服系统启动前的检查

i）检查伺服单元和电动机的信号线、动力线等的连接是否正确，是否松动以及绝缘是否良好。

ii)强电柜和电机是否可靠接地。

iii)电机电刷的安装是否牢靠，电机安装螺栓是否完全拧紧。2）使用时的检查

i)运行时电柜门要关闭

ii)检查速度指令值与电机转速是否一致

iii)电机有否发出异常声音和异常振动

iv)轴承温度是否