【数控机床伺服系统常见故障及处理方法探析8100字（论文）】

数控机床伺服系统常见故障及处理方法分析TOC\o"1-3"\h\u一、

数控机床伺服系统的组成和作用 11.1

机床电气控制技术的发展概况 11.2

伺服系统在数控加工中的作用及组成 11.3伺服系统的基本要求和特点 21.3.1伺服系统基本要求 21.3.2伺服系统的主要特点 21.3.3伺服系统的分类 2二、数控机床伺服系统常见故障 32.1故障的表现形式 32.2各类故障的排除方法 32.2.1超程 32.2.2过载 42.2.3窜动 42.2.4爬行 42.2.5振动 42.2.6伺服电机不转 42.2.7位置误差超差 42.2.8漂移 42.2.9回基准点故障 5三、伺服系统常见故障的诊断及处理方法 53.1机床不能返回基准点 53.2机床在返回基准点时发出超程警报 5四、伺服系统故障诊断及处理技术的发展 6参考文献 7摘要随着科技与工业的发展，金属制造业对精度的要求越来越高，而数控机床作为现代金属加工的主要工具，在工厂环境下能够长期稳定的高精度加工就变得尤为重要。工厂加工环境复杂多变等一系列的不利因素使得设备精度很难保持稳定，而其中一大部分精度问题可以通过伺服控制来改善。目前，随着我国经济快速发展，为提升我国的综合竞争力，数控技术研究也进入了快速发展的阶段，同时，也面临着技术创新能力及市场占有率有待提高等一系列的挑战。本文结合数控技术的国内外发展现状及相关发展趋势研究，以及对国内外数控系统种类及特点分析，通过多种检测手段，针对数控机床伺服参数的优选与实效分析，实现加工精度的改善，具体完成了如下任务：叙述了国内外数控机床的发展历史和数控系统的种类特点以及数控技术的发展趋势。对数控机床伺服控制系统技术进行研究。通过对数控机床数字控制系统（CNC）的硬件组成以及控制单元进行研究，将典型伺服电机控制模型和数控机床进给系统想结合，数控机床控制中的技术难点与解决方法。针对数控机床在使用过程中，容易对产品加工精度造成影响的爬行、振动及振纹、圆度差等难题做出分析，并提出了通过调整驱动器输出扭矩及相关参数等解决方法，对数控机床伺服系统控制技术进行研究和分析。现将我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。关键词：数控机床；控制系统；故障分析；闭环伺服系统

一、

数控机床伺服系统的组成和作用1.1

机床电气控制技术的发展概况传统机床电气控制是继电器接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、行程开关等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，在我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。为解决占机械总加工量80％左右的单件和小批量生产的自动化难题，50年代出现了数控机床。它综合应用了电子、计算机、检测、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。数控机床经过40年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。1.2

伺服系统在数控加工中的作用及组成在自动控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。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，又称为随动系统。伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件伺服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。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，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。图1.1伺服电机控制原理图1.3伺服系统的基本要求和特点1.3.1伺服系统基本要求(1)稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。(2)精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在0.01～0.001mm之间。(3)快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。1.3.2伺服系统的主要特点(1)精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。(2)有多种反馈比较原理与方法:根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、相位比较和幅值比较3种。(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。1.3.3伺服系统的分类伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。1.开环系统图1是开环系统构成图，它主要由驱动电路，执行元件和机床3大部分组成。常用的执行元件是步进电机，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。2.闭环系统闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转变压器、感应同步器、光栅、磁栅和编码盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。图1.2伺服系统闭环系统比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统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3种二、数控机床伺服系统常见故障2.1故障的表现形式一是在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。2.2各类故障的排除方法在数控机床运行中进给伺服系统常出现故障有：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。下面我们逐一叙述这些故障的成因。2.2.1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。2.2.2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。2.2.3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。2.2.4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，产生爬行现象。2.2.5振动当发现某一进给轴振动时，首先要分析机床振动周期是否与进给速度有关。如与进给速度有关，振动一般与该轴的速度环增益太高或速度反馈故障有关;若与进给速度无关，振动一般与位置环增益太高或位置反馈故障有关;如振动在加减速过程中产生。往往是系统加减时间设定过小所致。根据上述原因，定位和排除故障。2.2.6伺服电机不转数控系统至进给单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，使能信号是进给动作的前提，可参考具体系统的信号连接说明书。检查使能信号是否接通，通过PLC梯形图，分析轴使能的条件：检查数控系统是否发出速度控制信号;对带有电磁制动的伺服电动机应检查电磁制动是否释放;检查进给单元故障;检查伺服电机故障。2.2.7位置误差超差当伺服运动超过允许的误差范围时，数控系统就会产生位置误差过大报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因：系统设定的允差范围过小：伺服系统增益设置不当;位置检测装置有污染;进给传动链累积误差过大;主轴箱垂直运动时平衡装置不稳。2.2.8漂移当指令为零时，坐标轴仍在移动，从而造成误差通过漂移补偿或驱动单元上的零速调整来消除。2.2.9回基准点故障基准点是机床在停止加工或交换刀具时，机床坐标轴移动到一个预先指定的准确的位置。机床返回基准点是数控机床启动后首先必须进行的操作，然后机床才能转入正常工作。机床不正确返回基准点是数控机床常见的故障之一。机床返回基准点的方式随机床所配用的数控系统不同而异，但多数采用栅格方式(用脉冲编码器作位置检测元件的机床)或磁性接近开关方式。三、伺服系统常见故障的诊断及处理方法3.1机床不能返回基准点机床不能返回基准点，一般有三种情况：①偏离基准点一个栅格距离。造成这种故障的原因有三种：减速挡块位置不正确：减速挡块的长度太短：基准点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机床大修后发生，可通过重新调整挡块位置来解决。②偏离基准点任意位置，即偏离一个随机值。这种故障与下列因素有关：外界干扰，如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠的太近;脉冲编码器用的电源电压太低(低于4mm75V)或有故障;数控系统主控板的位置控制部分不良;进给轴与伺服电机之间的联轴器松动。③微小漂移。其原因有两个：电缆连接器接触不良或电缆损坏：漂移补偿电压变化或主板不良。3.2机床在返回基准点时发出超程警报这种故障有三种情况：①无减速动作。无论是发生软件超程还是硬件超程，都不减速，一直移动到触及限位开关而停机。可能是返回基准点减速开关失效，开关触头压下后，不能复位，或减速挡块处的减速信号线松动，返回基准点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。②返回基准点过程有减速，但以切断速度移动(改变方向移动)到触及限位开关而停机。可能原因有：减速后，返回基准点标记指定的基准脉冲不出现。其中，一种可能是光栅在返回基准点操作中没有发出返回基准点脉冲信号，或返回基准点标记失效，或由基准点标记选择的返回基准点脉冲信号在传送或处理过程中丢失;或测量系统硬件故障，对返回基准点脉冲信号无识别和处理能力。另一种可能是减速开关与返回基准点标记位置错位，减速开关复位后，未出现基准点标记。③返回基准点过程有减速，且有返回基准点标记指定的返回基准脉冲出现后的制动到零速时的过程，但未到基准点就触及限位开关而停机，该故障原因可能是返回基准点的脉冲被超越后，坐标轴未移动够指定距离就触及限位开关。3、机床在返回基准点过程中，数控系统突然变成“NOTREADY”状态，但CRT画面却无任何报警显示。出现这种故障也多为返回基准点用的减速开关失灵。4、机床在返回基准点过程中，发出“未返回基准点”报警，其原因可能是因改变了设定参数所致。3.3伺服系统中位置检测装置伺服系统参数的故障处理位置环增益优选原则为：在保证位置环系统稳定工作、位置不超差的前提条件下，增大位置环的增益，以减小位置滞后量。实际操作过程中的简单的方法在于提高位置环增益直至过冲，然后再降低位置环增益，即处于刚度较好的位置环增益速度环比例增益、速度积分时间常数。由于调速系统中比例增益系数的一个先决条件是在转速控制环内存在较大的比例增益，所以在进行最优参数选择之前，需要对其进行最优，若不先对其进行优化，而直接对其进行调整，则无法取得良好的结果。速度回路比例增益和速度积分时间常数只适用于电动机的运转。转速回路的比例增益对电动机的响应速度有很大的影响，因此必须通过增加转速回路的增益来实现对过程和冲程的控制。转速回路的积分时间常数对伺服马达的稳态转速误差和转速回路的稳定性有很大的影响。在带上实际载荷的情况下，由于实际载荷力矩和载荷惯性值与缺省参数设定不一致，速度环的带宽就会缩小；若此时转速环路带宽达到要求，且无电机转速爬升、振动等情况，则速度环的比例增益和积分时间常数不需要调节。当实际负载引起电动机运行不稳、出现爬行、振动、速度环带宽不够理想时，应调整速度环比例增益和积分时间常数。比例增益系数的调节，应当将跟踪误差降至最低。通过增大位置调节器的增益系数，可以降低跟踪误差，但比例增益系数不宜过高，容易引起过调，甚至产生振荡。跟踪误差不仅与比例增益系数相关，而且与进给速率相关，当位置调整的比例增益系数相同时，进给速度越高，位置跟踪误差也就越大，因此，在某一转速范围内，需要选择最优的比例增益系数。若转速控制器的性能比较柔软，则在增加调整器的比例增益时，其跟踪误差并不显著。通常，要使定位调节器的比例增益系数越大，以达到更高的齿轮轮廓加工精度。只有当驱动器处于定位模式时，位置环路的比例增益才是有效的。在伺服马达停机状态下，通过增大位置回路的比例增益，可以改善系统的锁紧刚性。在位置环下，随着位置环的比例增益的增加和降低，其位置迟滞也会发生变化。（a）比例增益因子过高（b）比例增益因子过小（c）比例增益因子恰当图比例增益因子优化最简单的方法就是观察其跟踪性能，在比例增益系数的变化下，除了显示控制面板上的跟踪误差，还可以通过测量装置来检测系统的转速响应曲线，由此判定伺服增益系数是否为最优，图A为设定的比例增益系数太大，产生了超调和振动；（b）设定的伺服增益系数过低、跟踪性能差、跟踪误差大；适当地设定伺服增益系数之后，它的反应曲线见图（c）。通常情况下，位置环的伺服增益系数、电流环与速度环的比例增益、积分时间常数都不会改变，并且该数值也是固定的，除非是人工调整，否则不会改变。但也有一些特殊的情况，比如电机的更换、传动系统的螺杆、滚动体等，这时，位置环的伺服增益系数、速度环、电流环的比例增益、积分时间常数的改变，位置环、速度环、电流环的系统优化，则速度环、电流环的参数与之前相比，必然会有所改变。理论上，只要保持机床的电气性能、机械刚度和机床性能的稳定性，就可以保证机床的MTBF（平均失效间隔）。然而，在实际中，当电气性能下降，机械刚度下降时，机床性能下降，就会出现监测指标“跟随误差”，导致“跟随误差”增加，也就是所谓的“精度下降”。甚至闭环控制器、位置调节器、速度调节器和电流调节器都可以降低设置和反馈之间的偏差，但随着时间的推移，这种降低也会随着时间的推移而变弱，这是因为电机的电子性能会不断降低，也就是灵敏度降低，而且随着时间的推移，机器的齿轮间隙会越来越大，导致机械刚度降低，从而导致跟踪迟缓，从而增加误差，而电流环作为最里面的一个环，保证了它的反应速度，因此，我们只要对位置和速度进行调节就可以了。其中，位置环增益、速度环增益、速度积分时间常数是调节的主要因素。位置环增益是影响控制指令位置跟踪的一个重要因素，它与工件的表面质量有着直接的联系，只有在执行机构处于定位状态时才能起到作用，而在停机状态下，通过增大位置环的比例增益，可以改善伺服马达的刚度，也就是锁定力。位置环增益是影响伺服系统响应性能的重要因素，位置环增益越大，位置环响应越好，切削精度越高，调节周期越短，调节周期越短，但是位置环增益受到转速环和力学性能的限制。若只增加位置环的增益，则会造成伺服系统的整体振动，因此，在提高回程增益的同时，应注意其反应性。位置环的增益增加，响应度增加，定位时间缩短，导致振动和超调。伺服电流环PID参数通常由驱动器内部设置，用户无需改变。转速回路的主要作用是PI（PI）和积分（PI)，比例即为增益，因此需要适当调整转速增益和速度积分的时间常数。位置环的作用是P（比例），我们只需将位置环的比例增益设置好。P（比率）的个别调整是把差分作正比的操作，其最突出的特征是有差调整。所谓有差分调整，就是指调整完成后，所调整的数量不能完全等于设置的，两者之间有一些残差，而残差的具体数值可以用比例关系来确定。提高比率可以有效地降低残差，提高系统的响应，但是也会引起剧烈的振动，甚至是不稳定。单个I