数控机床主轴伺服系统常见故障诊断与维护

彭红梅

（徐州机电工程高等职业技术学校 江苏 徐州 221000）

1 伺服系统简介

1.1 伺服系统的概念

数控机床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。在数控机床中，伺服系统是连接数控系统和数控机床本体的中间环节，是数控机床的“四肢”。因为伺服系统的性能决定了数控机床的性能，所以要求伺服系统具有高精度、快速度和良好的稳定性。

1.2 伺服系统的工作原理

伺服系统是一种反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与输出被调量进行比较，利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被调量跟踪给定值。所以伺服系统的运动来源于偏差信号，必须具有负反馈回路，并且始终处于过渡过程状态。在运动过程中实现了力的放大。伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。

2 直流主轴伺服系统

从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：

2.1 调速范围宽。

2.2 直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。

2.3 主轴电控机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。

2.4 直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。

2.5 主轴控制性能好。

2.6 纯电气主轴定向准停控制功能。

3 交流主轴伺服系统

主轴驱动交流伺服化是数控机床主轴驱动控制的发展趋势,交流主轴伺服系统的特点如下：

3.1 振动和噪声小

3.2 采用了再生制动控制功能

3.3 交流数字式伺服系统控制精度高

3.4 交流数字式伺服系统用参数设定 （不是改变电位器阻值）调整电路状态

4 主轴伺服系统的常见故障形式

4.1 当主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式

4.1.1 是在操作面板上用指示灯或CRT显示报警信息；

4.1.2 是在主轴驱动装置上用指示灯或数码管显示故障状态；

4.1.3 是主轴工作不正常，但无任何报警信息。

4.2 常见数控机床主轴伺服系统的故障有以下几种

4.2.1 外界干扰

故障现象：主轴在运转过程中出现无规律性的振动或转动。

原因分析：主轴伺服系统受电磁、供电线路或信号传输干扰的影响，主轴速度指令信号或反馈信号受到干扰，主轴伺服系统误动作。

检查方法：令主轴转速指令信号为零，调整零速平衡电位计或漂移补偿量参数值，观察是否因系统参数变化引起的故障。若调整后仍不能消除该故障，则多为外界干扰信号引起主轴伺服系统误动作。

采取措施：电源进线端加装电源净化装置，动力线和信号线分开，布线要合理，信号线和反馈线按要求屏蔽，接地线要可靠。

4.2.2 主轴过载

故障现象：主轴电动机过热、CNC装置和主轴驱动装置显示过电流报警等。

原因分析：主轴电动机通风系统不良、动力连线接触不良、机床切削用量过大、主轴频繁正、反转等引起电流增加，电能以热能的形式散发出来，主轴驱动系统和CNC装置通过检测，显示过载报警。

检查方法：根据CNC和主轴驱动装置提示报警信息，检查可能引起故障的各种因素。

采取措施：保持主轴电动机通风系统良好，保持过滤网清洁；检查动力接线端子接触情况；正确使用和操作机床，避免超载。

4.2.3 主轴定位抖动

故障现象：主轴在正常加工时没有问题，仅在定位时产生抖动。

原因分析：主轴定位一般分机械、电气和编码器3种准停定位，当定位机械执行机构不到位，检测装置信息有误会时产生抖动。另外主轴定位要有一个减速过程，如果减速或增益等参数设置不当，也会引起故障。

检查方法：根据主轴定位的方式，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，如限位开关、接近开关、霍尔元件等。

采取措施：保证定位执行元件运转灵活，检测元件稳定可靠。

4.2.4 主轴转速与进给不匹配

故障现象：当进行螺纹切削、刚性攻牙或要求主轴与进给同步配合的加工时，出现进给停止主轴仍继续运转，或加工螺纹零件出现乱牙现象。

原因分析：当主轴与进给同步配合加工时，要依靠主轴上的脉冲编码器检测反馈信息，若脉冲编码器或连接电缆线有问题，会引起上述故障。

检查方法：通过调用I/0状态数据，观察编码器信号线的通断状态；取消主轴与进给同步配合，用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序，可判断故障是否与编码器有关。

采取措施：更换维修编码器，检查电缆线接线情况，特别注意信号线的抗干扰措施。

4.2.5 转速偏离指令值

故障现象：实际主轴转速值超过技术要求规定指令值的范围。

原因分析：

（1）电动机负载过大，引起转速降低，或低速极限值设定太小，造成主轴电动机过载；

（2）测速反馈信号变化，引起速度控制单元输入变化；

（3）主轴驱动装置故障，导致速度控制单元错误输出；

（4）CNC系统输出的主轴转速模拟量（±10V）没有达到与转速指令相对应的值。

检查方法：

（1）空载运转主轴，检测比较实际主轴转速值与指令值，判断故障是否由负载过大引起；

（2）检查测速反馈装置及电缆线，调节速度反馈量的大小，使实际主轴转速达到指令值；

（3）用备件替换法判断驱动装置故障部位；

（4）检查信号电缆线连接情况，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，调整相关的参数。

4.2.6 主轴振动或噪声太大

首先要区别噪声及振动发生在主轴机械部分还是电气部分。

检查方法：

（1）在减速过程中发生，一般是由驱动装置造成的，如交流驱动中的再生回路故障。

（2）在恒转速时，可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别，如存在，则主轴机械部分有问题。

（3）检查振动的周期是否与转速有关，如无关，一般是主轴驱动装置未调整好；如有关，应检查主轴机械部分是否良好，测速装置是否不良。

电气方面的原因：

（1）电源缺相或电源电压不正常。

（2）控制单元上的电源开关设定（50/60Hz切换）错误。

（3）伺服单元上的增益电路和颤抖电路调整不好（或设置不当）

（4）电流反馈回路未调整好。

（5）三相输入的相序不对。

机械方面的原因：

（1）主轴箱与床身的连接螺钉松动。

（2）轴承预紧力不够或预紧螺钉松动，游隙过大，使之产生轴向窜动，应重新调查。

（3）轴承损坏，应更换轴承。

（4）主轴部件上动平衡不好，应重新调整动平衡。

（5）齿轮有严重损伤，或此轮啮合间隙过大，应更换此轮或调整啮合间隙。

（6）润滑不良，因油不足，应改善润滑条件，使润滑油充足。

（7）主轴与主轴电机的连接皮带过紧，应移动电机座调整皮带使松紧度合适。

（8）连接主轴与电机的连轴器故障。

（9）主轴负荷太大。

4.2.7 主轴电动机不转

CNC系统至主轴驱动装置一般有速度控制模拟量信号和使能控制信号，主轴电动机不转应重点围绕着两个信号进行检查。

电气系统原因：

（1）检查CNC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CNC显示器观察I/O状 态;分析机床PLC梯形图（或流程图），以确定主轴的启动条件，如润滑、冷却 等是否满足。

（3）主轴电动机动力线断裂或主轴控制单元连接不良。

（4）机床负载过大。

（5）主轴驱动装置故障。

（6）主轴电机故障。

机械故障原因：

机械方面，主轴不转常发生在强力切削下，可能原因有:

（1）主轴与电机连接皮带过松或皮带表面有油，造成打滑。

（2）主轴中的拉杆未拉紧夹持刀具的拉钉。（在车床上就是卡盘未夹紧工件）

［1］葛金印.数控设备管理和维护技术基础.由高等教育出版社.

［2］邓三鹏.数控机床故障诊断与维修.由机械工业出版社.