数控机床的进给伺服系统故障诊断与维修.doc

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1、 广 西 英 华 国 际 职 业 学 院 Talent International College Guangxi学生毕业论文数控机床的进给伺服系统故障诊断与维修目录一、构成4二、原理4三、特点4四、常见故障5五、维修实例9六、伺服系统的维护9（一）日常保养9（二）定期检查9总结10致谢词11(单独一页，四号黑体不加粗，1.5倍行距)内容提要数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精度的的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确的执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它决定了数控机床的许多性

2、能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等等。数控机床进给伺服系统由经给驱动装置，位置检测装置及机床经给传动链组成，其任务是完成坐标轴的位置控制，在整个系统中它又包含位置环、速度环和电流环。在这些环节中，任何一环出现异常或者故障都会影响伺服系统的正常工作。数控机床和数控系统在工作时常出现由于伺服进给系统原因造成的机床故障，此类故障出现的常见形式有超程、过载、工件尺寸无规律偏差等。针对这些典型故障现象，采用一定的机床维修技术，减少此类故障的发生率。关键词：伺服进给系统 精度 伺服电动机（单独一页，四号黑体不加粗，1.5倍行距）数控机床的进给伺服系统故障诊断与维修（一至三级标题用四号黑体，行距为

3、1.5倍。正文段落用小四号宋体，行距为25磅）一、构成数控机床的伺服系统一般由驱动单元、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统，机械传动部件和执行元件组成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测装置，亦称检测系统。二、原理伺服系统是一个反馈控制系统，它以指令脉冲为输入给定值与反馈脉冲进行比较，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。进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置和速度控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。如图：三、特点 （一）.高传动刚度进给传动系统的高传动刚度主要取决于丝杆螺母副(直线运动)或蜗

4、轮蜗杆副(回转运动)及其支承部件的刚度。刚度不足与摩擦阻力一起会导致工作台产生爬行现象以及造成反向死区，影响传动准确性。缩短传动链，合理选择丝杆尺寸以及对丝杆螺母副及支承部件等预紧是提高传动刚度的有效途径。（二）高谐振 为提高进给系统的抗振性，应使机械构件具有高的固有频率和合适的阻尼，一般要求机械传动系统的固有频率应高于伺服驱动系统固有频率的23倍。 （三）低摩擦 进给传动系统要求运动平稳，定位准确，快速响应特性好，必须减小运动件的摩擦阻力和动、静摩擦系数之差，在进给传动系统中现普遍采用滚珠丝杆螺母副。 （四）低惯量 进给系统由于经常需进行起动、停止、变速或反向，若机械传动装置惯量大，会增大负

5、载并使系统动态性能变差。因此在满足强度与刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的重量以及各传动元件的尺寸，以提高传动部件对指令的快速响应能力。 （五）无间隙机械间隙是造成进给系统反向死区的另一主要原因，因此对传动链的各个环节，包括：齿轮丝杆螺母副、联轴器及其支承部件等等均应采用消除间隙的结构措施。四、常见故障在数控机床运行中进给伺服系统出现故障有三种表现形式：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。在数控机床运行中进

6、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及排除方法。（一）.超程当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除超程。故障现象：一台配套 FANUC OMC,型号为XH754 的数控机床，X轴回零时产生超程报警“OVER TRAVEL X”。 分析与处理过程：检查发现X轴报警时离行程极限相差甚远，而且显示器显示的X坐标超过了X轴的范围，故确认是软限位超程报警。查参数0704正常，断电，按住P键同时接通NC电源

7、，在系统对软限位不做检查的情况下完成回零；亦可将0704改为-99 999 999后回，若没问题，再将其改回原来值即可；还可按P键和CAN键开机消除报警。 （二）.爬行 一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。因为数控机床低速运行时的爬行现象往往取决于机械传动部分的特性，高速时的振动又通常与进给传动链中运动副的预紧力有关，由此数控机床的爬行与振动故障可能会在机械部分。如果在机械部分，首先应该检查导轨副

8、。因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，如果导轨副的动、静摩擦系数大，且其差值也大，将容易造成爬行。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨或塑料导轨，如果导轨间隙调整不好，仍会造成爬行或振动。其次，要检查进给传动链。因为在进给系统中，伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。定位精度下降、反向间隙增大也会使工作台在进给运动中出现爬行。通过调整轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧力，调整松动环节，调整补偿环节，都可有效地提高这一传动链的扭转和拉压刚度（即提高其传动刚度），对于提高运动精度，消除爬行非常有益；另外传动链太长，传动轴直径偏小，支承座

9、的刚度不够也是引起爬行的因素。因此，在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷，逐个排查。 （三）.振动在进给时出现振动现象，其可能原因有：1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；2、位置控制信号受到干扰；3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。故障现象：一台配套FANUC 6ME系统的加工中心。轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。 分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现

10、象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。 在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开

11、；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。 （四）.过载 当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以自行诊断出来，并在 CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。故障现象：某配套FANUC-OM系统的数控立式加工中心，在加工中经常出现过载报警，报警号位434，表现形式为Z轴电动机电流过大，电机发热，停上40min左右报警消失，接着工作一阵，又出现同类报警。分析与处理过程：经检查电气伺服系统无故障，估计是负载过重带不动造成。为了

12、区分是电气故障还是机械故障，将Z轴电机拆下与机械脱开，在运行时在出现该故障。此时确认为机械丝杆或运动部位过紧造成的。调整Z轴丝杆的防松螺帽后，效果不明显，后来又调整Z轴导轨的镶条，机床负载明显减轻，该故障排除。 （五）.伺服电动机不转 当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，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，观察如润滑、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。故障现象

13、：一台FANUC OM 系统的加工中心，机床启动后，在自动方式下运行，CRT显示401号报警。分析与处理过程：FANUC OM出现401号报警的含义是“轴伺服驱动器的CRDY信号断开，既驱动器未准备好”。根据故障的含义以及机床上伺服进给系统的实际配置情况，维修时按下列顺序进行了检查与确认:（1）检查L/M/N轴的伺服驱动器，发现驱动器的状态指示灯PRDY、CRDY均不亮。（2）检查伺服驱动器电源ACIOOV、ACI8V 均正常。（3）测量驱动器控制板上的辅助控制电压，发现正负24V，正负15V异常。 根据以上检查，可以初步确定故障与驱动器的控制电源有关。仔细检查输入电源，发现X轴伺服驱动器上的

14、输入电源熔断器电阻大于2M,远远超出规定值。 更换熔断器后，再次测量直流辅助电压，正负24V、正负15V恢复正常，状态指示灯PRDY、VRDY均恢复正常，重新运行机床，401号报警消失。（六）.位置误差位置误差当伺服轴动动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因有：系统设定的允许范围小；伺服系统增益设置不当；位置检测装置有污染或调整不当；进给传动链累积误差过大：主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳。故障现象：某配套FANUC 6M 系统，DC20/30型直流PWM驱动的卧式加工中心，在自动加工过程中，偶然出现ALM401、A

15、LM421报警。分析与处理过程：ALM401是X、Y、Z等进给轴伺服驱动系统的速度控制单元的准备信号（VRDY信号）为OFF状态，即伺服驱动系统没有准备好；ALM421是Y轴位置跟随超差报警。由于故障偶尔出现，初步判定CNC与伺服驱动系统本身无损坏；根据操作人员反映，在机床手动，回参考点工作时，均无报警，分析电缆连接不良的可能性很小。为了确定故障原因，维修时对Y轴编制了空运行实验程序，经过多次的实验确定：故障均在快进起动与停止时出现，发生故障时，速度控制单元上HVAL报警指示灯亮，表明驱动系统存在过电压。测量速度控制单元输出电源、斩波管均未损坏，初步判定故障是由于机械负载过重引起的。由于该机床

16、Y轴采用了液压平衡系统，分析机械负载过重可能与平衡液压缸的压力调节有关，进一步检查液压系统，发现平衡压力调整过低，重新调整平衡系统压力后，故障现象消失，机床正常工作。（七）.回参考点故障机床参考点常见故障一般可分为找不到参考点和找不准参考点。前一类故障主要是参考点减速开关的信号或者零标志脉冲信号失效（包括信号未产生或在传输过程中丢失）所致。排除故障时，先要搞清机床回参考点的方式，再对故障现象进行分析，可先检测机床外部的挡块和参考点开关，观察CNC系统PLC接口I/O状态指示信号；在检测编码器的零标志脉冲信号。后一类故障往往是参考点开关挡块位置不当引起的，只要重新调整挡块位置即可。故障现象:某台

17、数控车床（系统FANUC-TD）回零时，X轴回零动作正常（先正方向快速移动，碰到减速开关后，能以慢速移动）但是机床出现系统因X轴硬件超程而急停报警。此时Z轴回零控制正常。分析处理：根据故障现象和返回参考点控制原理，可以判定减速信号正常，位置检测的零标志脉冲信号不正常。产生该故障的原因可能是来自X轴进给电动机的编码器故障（包括连接的电缆线）所以可以采取交换法莱判断故障的部位。交换后，发现X轴回零操作正常而Z轴回零报警，判定故障在系统轴板最后更换轴板，机床正常工作。五、维修实例（一）. 一台XK755数控铣床，采用FANUC 0i-MC数控系统。在加工过程中，突然出现“X+、X-、Y+、Y- 硬限

18、位”报警，而实际上机床在正常的加工范围内。分析与处理过程：根据上述现象，估计线路接触不良或断路可能性最大，测量电器柜中接线排上供给限位电路的24V电压，压值正常。按照线路走向逐一查找，在用手旋动床体右侧的一个线路插头时，发现屏幕上报警瞬间消失，在松手间报警复现。于是，拆下该插接头，仔细检查发现里面焊接的两根导线已经脱落，在用手向里面旋动的过程中可以让导线断路的两端碰触，所以有上述变化现象。重新焊接好接头后，机床恢复正常。（二）. 某台卧式加工中心，当NC系统电源起动后接通伺服电源后显示器显示410号报警，同时显示Y轴出现故障。分析与处理过程：经断电后再起动报警不再出现，但是后来问题越来越严重，

19、有时几次断电再起动仍出现该报警，直到后来只要送电起动总是出现该报警，此报警具体内容为位置误差过大，超过1829参数设定的值，将伺服参数重新设定仍不能排除故障。该机床为四个NC轴，配置两个相同的双轴驱动模块，将两个模块调换后，原先Y轴410号报警变成第四轴410号报警，此现象说明这个模块出现故障，将该模块更换后再未出现410号报警。（三）. 某台卧式加工中心三个几何坐标配有直线光栅，当Z轴快速移到某段位置时偶然出现445报警，低速移动时不报警。分析与处理过程：该报警具体内容为伺服软件检测到位置反馈断线，后来50%快速时也开始出现报警，到后来该报警出现越来越频繁，经过光栅重新调整仍不能解决问题，交

20、换信号电缆也未能排除故障，而且出现报警时的位置也不在某一段，再后来X轴也偶然出现445号报警，更换驱动器模块仍无效，打开导轨防护罩检查导轨的工作状态，发现导轨润滑不良，几乎没有润滑油，检查润滑装置，油箱中已经没有润滑油了（经检查，液位检测器出现故障，未产生润滑油不足报警），油箱加满油，给导轨面上打上足够的润滑油，先低速来回移动各坐标轴，此后再快速移动就不再出现445报警了（参考文献，四号楷体不加粗，1.5倍行距）。六、数控伺服系统的维护（一）、日常保养在系统正常工作的状态，日常检查时，需要确认以下项目的正常。1.环境温度、湿度是否正常，是否有粉尘、粒、异物等。2.电动机是否有异常声音及震动。3

21、.有异常发热或有异味。4.周围温度是否过高。5.面板是否清洁。6.是否有松脱的连接或不正确的引脚位置。7.输出电流监视表示是否与通常值相差很大。8.伺服驱动器下部安装的冷却风扇是否正常运动。（二）定期检查定期保养时，请确认以下项目。1.是否存在松开的螺钉。2.是否存在过热的迹象3.是否存在灼烧的端子。总结数控机床是一个完整的有机整体，机械、电气、液压的控制存在相互联系和相互影响。因此分析解决进给伺服系统故障时，应有整体概念和经验，这样才能有效解决实际问题。 如果故障既有机械部件的原因，又有进给伺服系统的原因，而且很难分辨出引起这一故障的主要矛盾，就要进行多方而的检测，耐心细致地分析和诊断，直至

22、找出故障根源。若故障的根源是综合性因素造成的，只有采取综合的排除故障的方法才能解决。数控机床进给伺服系统由经给驱动装置，位置检测装置及机床经给传动链组成，其任务是完成坐标轴的位置控制，在整个系统中它又包含位置环、速度环和电流环。在这些环节中，任何一环出现异常或者故障都会影响伺服系统的正常工作。总的来说对于伺服系统的故障诊断，应以区分内应和外因为前提。所谓外因指的是伺服系统启动的条件是否满足，例如供给伺服系统的电源是否正常供给伺服系统的控制信号是否出现，伺服系统的参数设置是否正确；内因指的是确认伺服驱动装置故障，在满足正常供电及驱动的条件下，伺服系统能不能正常驱动伺服电机的运动。致谢词弹指间，三

23、年的大学生生活在经意或者不经意间飞逝殆尽。回首这九百个多个日日夜夜，心中百感交集，这期间，得到的、失去的、渴望的、拥有的实在太多又太匆匆，匆匆得让我还来不及细想、琢磨、品味，匆匆得让我留下了太多的不舍与感谢。 感谢恩师叶春媚求真务实的治学态度，深厚的学术功底和渊博的学识给了我很大的帮助。从开题到完稿，这篇论文的每个细节，都离不开她的细心指导和精心批阅。她的意见总是切中要害，令我茅塞顿开，虽然以我的浅陋未能更深入研究，仍感到获益良多，我很庆幸一生中能有这样的良师指导我的人生之路。她所给予的教诲我将终生受用。 我要感谢室友，和我在求学和求职的路上互相支持鼓励，共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着

24、寝室那份家的融洽。在论文修改过程中，他们提出诸多有益的建议，启发了我的思考。毕业在即，愿我们都有锦绣前程。 焉得谖草，言树之背。感谢我的爸爸妈妈，他们给予我努力前进的不竭精神动力，养育之恩，无以回报，祝愿我的父母永远健康快乐。在论文即将完成之际，感慨万千，一切即将结束，一切又将开始。十七年的求学生涯即将告一段落，但学校仍是我工作和学习的居所。踏上新的征程，我会不懈努力，继续奋斗，来报答所有关心、支持、鼓励和帮助我的人！让生命成为感激！ 谨致谢忱！参考文献1王春海,张增良.数控机床的螺距误差检测及补偿.微计算机信息J,2006（1）：228-229 2徐衡.数控机床故障诊断M.北京：化学工业出版社,2005 3龚仲华.数控机床维修技术与典型实例M.北京：人民邮电出版社,2005 4任建平.现代数控机床故障诊断及维修M.北京：国防工业出版社,2005 5余仲裕.数控机床维修M.北京：机械工业出版社,2005(end)14