【数控机床伺服系统常见故障及处理技术探析7900字（论文）】

数控机床伺服系统常见故障及处理技术分析目录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 53.3伺服系统中位置检测装置伺服系统参数的故障处理 6四、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送料伺服系统中的零件种类繁多，功能也比较复杂，因此送料伺服系统的失效种类也比较多。本文从数控机床进给伺服系统的故障进行了归纳与分析，指出了其常见的故障类型。报警：报警主要是由于进料动作超出了软件设置的限制，或者由限制开关确定的硬极限。此外，在系统进给运动负荷过大时，还会因为进给驱动链条的润滑状况太差而引起警报。当伺服系统发出警报，表示伺服系统有问题，工作人员应立即停止作业，以免因操作不当而导致产品品质问题，给机器造成物理损伤。窜动、爬行、振动是CNC机床的主要故障，一旦出现窜动、爬行、振动等问题，将会直接降低机床的加工精度和精确度，从而影响到产品的质量。窜动主要是因为测速设备的故障而引起的，如转速控制信号不稳定，以及接线端子的接触不良等。造成蠕动的主要原因是驱动链条的润滑状况不佳、伺服增益太小、负荷太大等。振动主要是由于进给速度过快或进给加速过大造成的。位置误差和偏移：当伺服轴的移动超出了位置容许误差的范围，这包括跟踪误差、轮廓误差、定位误差等。数控机床在指令值为0的情况下，坐标轴依然在运动，这不但会对工件的加工质量造成一定的影响，而且还会导致机械设备的碰撞，从而对机床造成实际的伤害。回顾基准点故障：机床回参数故障主要有两种类型，即：找不到参照点或找不到参照点，而回参考点的故障主要是因为参照点减速开关的接收信息有问题，或信号发生故障。数控机床的伺服系统包括传动和执行机构，该系统可以完成对数控机床的进给和主轴的控制，并利用NC伺服系统接收、放大、整形NC设备的指令信息，并将控制器的指令转化为机械执行元件的位移移动，以完成对工件的切割。数控机床的伺服机构需要具备较强的响应能力，能够精确、灵敏地追踪NC设备输出的数字指令，完成NC设备的指令，从而改善系统的动态跟踪和静态跟踪精度。伺服系统由主轴驱动、进给驱动、主轴伺服马达、进给伺服马达等构成。数控机床的伺服系统是实现从控制指令到特定加工过程的关键，所以伺服系统不但具有复杂的构造原理，而且在加工和加工过程中起着举足轻重的作用。伺服系统的运行稳定性对机床的运行状态和工件的加工品质有很大的影响，因此如何预防、诊断、分析是数控机床的关键技术之一。对于伺服系统的故障，通常可以参照使用说明书进行排除，对于不能参照使用说明书进行处理的情况，要根据操作说明书来进行处理。在出现振动故障时，可以进行机械装置的检查与调试，确保伺服马达的转速与定位精度，因为数控伺服系统中有大量的电子元件，所以必须要检查是否存在外界的干扰，同时还要对传动装置的参数进行检查，以判断出故障的种类，如果是机械故障，就立即修复，如果是电气故障，就必须找出故障所在，然后进行维修，或者更换元器件。当出现不能返回参考点时，首先要检验回参考点的减速开关信号是否正确、有效，然后利用原理分析、跟踪分析等方法对故障进行判断，并对故障进行维修和处理。故障现象：DHP50型卧式加工中心，采用FANUC21i数控系统，操作工早上工作时，电脑屏幕一片黑暗，控制面板上的NC电源开关已经被按下，红、绿均亮，检查电柜内的开关及主要部件是否正常；关闭后重启，再次出现故障。故障分析：由于采用进口FANUC21i数控系统，出现屏幕不能显示的原因有很多，首先要检查系统的外部供电是否正常，但是主板的电压出现了异常，断定是主板出了问题；然后是主板的更换，在更换后，系统会显示，因为更换后的机器参数要重新设定，也就是根据系统的设定程序，根据机器的参数设定，进行了相应的调整。待机器屏幕显示正常后，再根据机器的报警信息，进一步确定是否有其它故障，直至全部排除，设备重新进入工作状态。故障分析：这台机器是刚到工厂进行拆装后，整个机器的调试阶段，经过分析，故障的原因有：1）在运输时CRT的亮度和灰度旋钮发生了抖动；(2)不进行初始化调节的CNC系统；(3)NC系统的主板、内存板存在质量问题.具体的故障诊断方法如下：第一，调节CRT的亮度和灰度，仍然没有反应；然后，NC系统的初始化，在RST和DEL键的作用下，开始了NC系统的启动，这时CRT的显示是正常的，这意味着系统不能进行初始化，同时也排除了主板和内存板的问题。结论：有许多因素造成了CNC系统无法正常显示，如电源、CPU等故障，都会造成CRT无法正常显示；系统软件的错误，通常会造成CRT显示混乱，显示不正常，或者没有显示。当然，如果不能正常显示，那么首先要区分出主要矛盾和次要矛盾，而不能单纯地以为系统没有显示就是系统出了问题；如果系统的电源、系统错误等原因导致系统无法正常显示，则要首先对其它有关部件进行维护。主轴伺服系统的故障分析与处理方式：直流主轴伺服系统的故障有停机、转速异常、电机振动、主电路过流报警等