数控机床伺服系统故障实例分析

【摘要】本文从数控机床伺服系统的工作原理入手，分析伺服系统常见故障的分析手段与方法，并以工作中遇到的配备FAUNC 0i-mate-TC数控系统的CK0625数控机床伺服系统的典型故障实例，进一步阐明这类故障的维修思路及排故过程。

【关键词】数控机床；伺服系统；故障实例；分析与排除

1.前言

随着科学技术和社会生产的不断发展，机械制造技术有了深刻的变化。随着数控技术越来越广泛的应用，人们对数控机床故障与诊断技术的要求也越来越高。在数控机床的诸多故障中，伺服系统的故障由于其结构和控制上的复杂性以及在数控机床中所占地位的重要性而显得尤为特殊，同时对维修人员维修水平的要求也相对要高。在下面文章中，就先从伺服系统的控制原理出发，分析FAUNC 0i-mate伺服系统典型故障的分析及排故的过程。

2.数控机床的伺服系统

2.1 数控机床的组成

数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电机拖动、自动控制、检测等技术为一体的自动化设备。

数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统、辅助控制系统、反馈系统及机床本体。

2.2 数控机床的伺服系统

2.2.1 概述

数控机床伺服系统（Servo System）通常是指进给伺服系统，它是数控系统和机床机械传动部件间的联接环节，是数控机床的重要组成部分。进给伺服系统是以机床移动部件位置为控制量的自动控制系统，它根据数控系统插补运算生成的位置指令，精确地变换为机床移动部件的位移，直接反映了机床坐标轴跟踪运动指令和实际定位的性能。

从位置控制的角度看，伺服系统有开环、闭环和半闭环之分。开环控制不需要位置检测与反馈；闭环和半闭环控制需要有位置检测与反馈环节，它们是基于反馈控制原理工作的。

2.2.2 伺服系统的组成

位置闭环或半闭环伺服系统由位置检测装置、位置控制、伺服驱动装置、伺服电动机及机床进给传动链组成，如图2.1所示。

闭环伺服系统的一般结构通常由位置环和速度环组成。速度环由伺服电动机、伺服驱动装置、测速装置及速度反馈组成；位置环由数控系统中的位置控制、位置检测装置及位置反馈组成。

2.2.3 伺服系统的工作原理

2.2.3.1 位置控制

位置控制是伺服系统的重要组成部分，是保证位置控制精度的重要环节。位置控制的实质是位置随动控制，其控制原理如图2.2所示。

2.2.3.2 伺服系统的工作原理

在位置控制中，根据插补运算得到的位置指令，与位置检测装置反馈来的机床坐标轴的实际位置相比较，形成位置偏差，经变换得到速度给定电压。在速度控制中，伺服驱动装置

根据速度给定电压和速度检测装置反馈的实际转速对伺服电动机进行控制，以驱动机床传动部件。

2.2.3.3 速度控制信号的实现方式

经位置控制的比较获得的位置偏差均以脉冲的形式存在，该位置偏差经一定的转换后，形成速度控制信号，该信号通过伺服驱动装置驱动伺服电动机。从位置偏差到速度控制信号的形成如图2.3所示。

速度指令Vc=位置偏差Pe×位置增益KV

位置增益KV决定了速度对位置偏差的响应程度，它反映了伺服系统的灵敏度。

3.FAUNC 0i-mate-TC伺服系统

3.1 FAUNC 0i-mate-TC伺服系统的特点

在FAUNC 0i-mate-TC伺服系统中，位置环、速度环和电流环的电路都被设计在数控系统内部，作为系统控制的一部分，通常叫做轴卡（AXES CARD）。该部分实现了位置、速度和电流的控制，最终将被三角波调制后的PWM信号输出到伺服功率放大器。图3.1为FAUNC 0i-mate伺服系统结构示意图。

3.2 FAUNC 0i-mate的伺服参数

FAUNC 0i-mate的系统参数有几千个之多，其中与伺服有关的参数分别是：

1）参数1010：CNC控制轴数。

2）参数1020：各轴的编程名称

3）参数1022：基本座标系中各轴的顺序

4）参数1023：各轴的伺服轴号。

5）参数1825：各轴的伺服环增益。

6）参数1826：各轴的到位宽度。

7）参数1827：设定各轴切削进给的到位宽度。

8）参数1828：各轴移动中的最大允许位置偏差量。

9）参数1829：各轴停止中的最大允许位置偏差量。

10）参数1420：各轴快移速度的最大值。

11）参数1422：各轴切削进给速度的最大值。

12）参数1423：各轴手动连续进给速度的最大值。

其中，决定伺服轴能否正常运动的参数有1825#、1828#、1829#、1420#、1422#及1423#参数。

总之，上述参数若出现没有设置或设置不正确的问题，则势必会影响到伺服轴的正常运行，由此将引发伺服故障。我们将由于参数问题引发的数控机床故障称之为“软件故障”。

4.伺服系统的典型故障及诊断

4.1 进给伺服的故障形式

进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。在这些环节中，任何一个环节出现异常或故障都会对伺服系统的正常工作造成影响。下面就以出现频率较高又最有代表性的故障：“随动误差大”的报警作为典型伺服故障进行详细的分析。

4.2 CK0625数控车床X轴“随动误差大”报警的分析与修复

故障机床：南京日上公司的数控车床

控制系统类型：FANUC 0i-mate-TC

故障现象：机床上电后，点动方式下手动移动X轴，X轴不动，接着CRT上出现“411.随动误差大X轴”报警，同时设备二次电掉电，每次都如此。

故障分析：对于“随动误差大”的故障，其实质是运动轴的实际位置与理论位置（即位置给定）之间的累计误差值超过了该轴参数中规定的允许值，故障有可能出现在硬件或软件两个方面。

4.2.1 软件原因

就是伺服参数设定的问题。这时可以检查1825#参数，看看该轴的伺服环增益是否设置得过小，可相应地提高伺服增益；或者看1828#参数，该轴移动中的最大允许位置偏差量是否太小，若太小则增大这个值；其次，检查1423#参数及1424#参数，看轴手动连续进给（JOG进给）时的进给速度或手动快速进给是否过大，可适当减小设置。

但我们的故障现象是X轴根本没动，因此与速度设定无关；1825#参数和1828#参数的设定内容与正常时一样，因此，也不是位置增益或最大允许位置偏差量太小的问题。

4.2.2 硬件原因

本着由外及内、先易后难的排故原则，做如下操作：

1）是否为机械方面的问题，如电机与丝杠的连接问题、电机轴承问题、问题等。

排除方法：手动移动该轴的同时，在CRT上监测电机的负载变化情况，若负载超过额定负载的100%，则说明确实存在机械卡死；若负载正常，则可以这个怀疑。运用该方法，我们发现手动移动X轴时，直到报警出现，负载都非常正常且最大不超过额定负载的8%，说明X轴随动误差大并不是由于机械原因造成的。

2）位置检测元件、控制模块或电气连接等方面的问题。

排除方法：通过交换法进行判断。首先交换X轴与Z轴的功率放大器，结果依然出现X轴随动误差大的报警，说明X轴的功率放大器没有问题。

其次，把两轴电机动力线进行对换，为了保证每个轴闭环的完整性，此时还得将两轴的脉冲编码器的反馈线进行对换。其实，这种操作就等同于两个电机的交换，只不过挪动电机不方便而已。结果，X轴可以手动运行了，也没有报警出现，而在手动运行Z轴时，则出现了与先前X轴一样的故障情况，即不但Z轴不动反而出现了“411随动误差大Z轴”的报警。这足以说明问题出在电机侧。在对X轴电机进行静态测量时，发现电机上连接动力线的插座中，有一根插针弯了，使得三相动力电源中有一相没能接到电机上，造成X轴电机缺相，电机无法运动进而产生上述故障。将弯曲的插针弄直，电机连接恢复正常后上电，再次运行X轴及Z轴，则一切正常。到此为止，故障修复。

5.结束语

数控机床伺服系统故障的诊断，要求维修人员必须明白伺服控制的原理，熟悉数控机床伺服系统的连接情况，还要具有清晰的思维和正确的分析方法，只有这样才能取得事半功倍的维修效果。以上内容是笔者多年维修工作的一点经验之谈，无论在理论论述上还是排故的具体方法上都还存在不足之处，敬请同行批评指教。

参考文献

[1]王侃夫.数控机床控制技术与系统[M].北京:机械工业出版社,2003.4.

[2]BEIJING-FANUC 0i Mate-C系统 参数说明书.

作者简介：李虹（1967—），女，大学本科，工学学士，沈阳航空职业技术学院电工电子系高级工程师，副教授。

徐宁（1980—），女，大学本科，工学学士，沈阳航空职业技术学院电工电子系工程师，讲师。