梁國(guó)強(qiáng)

（中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制科技有限公司，陜西 西安 710077）

進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)抽的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的精度又決定了加工尺寸的精度。由此可見(jiàn)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能高低，直接影響機(jī)床的整體性能和加工精度，其移動(dòng)速度、定位精度指標(biāo)的影響因素，包括機(jī)械本身、傳動(dòng)鏈、導(dǎo)軌、軸承的精度和剛度，以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和CNC的動(dòng)態(tài)性能、靜態(tài)性能。以下結(jié)合實(shí)例，針對(duì)伺服系統(tǒng)的故障和診斷維修進(jìn)行探討。

1 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)工作原理

數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)，主要包括以下部件：驅(qū)動(dòng)單元、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行部件、檢測(cè)反饋元件。其中，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由驅(qū)動(dòng)單元、驅(qū)動(dòng)元件組成，機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由傳動(dòng)部件、執(zhí)行元件組成，檢測(cè)裝置系統(tǒng)則由檢測(cè)元件、反饋電路組成。圖1是設(shè)備位置檢測(cè)環(huán)的示意圖。

圖1 設(shè)備位置檢測(cè)環(huán)

伺服系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)，首先輸入指令脈沖，針對(duì)給定脈沖數(shù)、反饋脈沖數(shù)進(jìn)行比較；然后利用比較后產(chǎn)生的偏差值，來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)行，起到消除偏差的作用，促使運(yùn)行值和給定值保持一致。從這一點(diǎn)來(lái)看，伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)來(lái)源、偏差信號(hào)，都要有負(fù)反饋回路，使其處于過(guò)渡狀態(tài)，直至運(yùn)行停止；對(duì)伺服系統(tǒng)外加負(fù)載，相當(dāng)于輸入了擾動(dòng)信號(hào)。

2 伺服系統(tǒng)的故障類型和診斷方法

伺服系統(tǒng)的主要作用，就是控制機(jī)床的各個(gè)坐標(biāo)軸，按照控制流程分為三個(gè)環(huán)節(jié)：①位置環(huán)。首先接收控制指令脈沖，然后和位置反饋脈沖進(jìn)行比較，依據(jù)偏差量形成速度指令。②速度環(huán)，接收位置環(huán)的速度指令，然后和電機(jī)速度反饋相比較，針對(duì)速度偏差處理后形成電流信號(hào)。③電流環(huán)，接收電機(jī)發(fā)出的電流檢測(cè)反饋信號(hào)，處理后驅(qū)動(dòng)元件產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)電流。這三個(gè)環(huán)節(jié)一旦出現(xiàn)異?；蚬收?，就會(huì)影響伺服系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

結(jié)合以往工作實(shí)踐，伺服系統(tǒng)發(fā)生故障后，主要表現(xiàn)為三種形式：第一，操作面板或顯示屏上，會(huì)出現(xiàn)報(bào)警信息內(nèi)容；第二，伺服驅(qū)動(dòng)單元的報(bào)警燈故障，或者數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障；第三，系統(tǒng)運(yùn)行異常，但沒(méi)有報(bào)警信息。針對(duì)前兩種故障類型，通過(guò)查詢系統(tǒng)說(shuō)明書，對(duì)照?qǐng)?bào)警信息和內(nèi)容，即可明確故障部位和原因，因此維修簡(jiǎn)單。對(duì)于第三種故障，處理起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，應(yīng)該從伺服系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)入手進(jìn)行檢查，排查故障并修復(fù)之后，確保伺服系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。以下介紹了幾種常見(jiàn)的故障類型。

2.1 超程

超程的設(shè)置，本質(zhì)上是保護(hù)機(jī)床運(yùn)行的一種措施，一般分為急停保護(hù)、硬件超程、軟件超程三種。針對(duì)不同規(guī)格型號(hào)的機(jī)床，超程設(shè)置也不同。其中，硬件超程能防止人工誤操作，通過(guò)和急停電路相串聯(lián)，在軟件超程限位保護(hù)失效時(shí)發(fā)揮保護(hù)作用。軟件超程依靠機(jī)床的坐標(biāo)系，一般設(shè)置在硬件限位之間。發(fā)生故障以后，可以根據(jù)說(shuō)明書的指示予以排除。

2.2 過(guò)載

如果進(jìn)給運(yùn)動(dòng)負(fù)載較大，在正方向交替運(yùn)行、傳動(dòng)潤(rùn)滑不足、過(guò)載檢測(cè)電路不良時(shí)，均會(huì)引起過(guò)載報(bào)警。通過(guò)顯示屏，可以看到伺服電機(jī)過(guò)載、過(guò)熱，主要利用指示燈或數(shù)碼管提供過(guò)載信息。

2.3 竄動(dòng)

進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí)竄動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)速信號(hào)不穩(wěn)定，此時(shí)測(cè)速裝置、反饋信號(hào)等受到干擾。分析其原因，可能是速度控制信號(hào)不穩(wěn)定，或者接線端子連接不良或者螺絲松動(dòng)。此外，在正向或反向運(yùn)行時(shí)發(fā)生竄動(dòng)現(xiàn)象，則是進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙過(guò)大，或伺服系統(tǒng)增益過(guò)大引起的。

2.4 爬行

常發(fā)生在啟動(dòng)加速階段或低速進(jìn)給階段，主要是傳動(dòng)鏈潤(rùn)滑不良、系統(tǒng)增益較低、負(fù)載過(guò)大引起的。故障發(fā)生后，應(yīng)該注意連接伺服電機(jī)、滾珠絲杠的聯(lián)軸器，如果聯(lián)軸器本身有缺陷，或者連接松動(dòng)，就會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠和伺服電機(jī)之間的異步轉(zhuǎn)動(dòng)，結(jié)果進(jìn)給速度不穩(wěn)定，出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。

2.5 振動(dòng)

發(fā)生振動(dòng)后，首先確定是否是進(jìn)給速度引起的。兩者若是有關(guān)，故障原因主要是該軸速度環(huán)增益過(guò)高，或者速度反饋故障；兩者若是無(wú)關(guān)，故障原因則是位置環(huán)增益過(guò)高，或者位置反饋故障。當(dāng)加速減速時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)，原因在于加速減速時(shí)間設(shè)定過(guò)小。

2.6 漂移

漂移故障指的是，當(dāng)指令顯示為零時(shí)，坐標(biāo)軸卻依然在移動(dòng)，此時(shí)就會(huì)造成誤差。對(duì)于這種故障，進(jìn)行漂移補(bǔ)償，或者利用零速調(diào)整即可消除。

2.7 伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)

在進(jìn)給單元中，不僅包括速度控制信號(hào)，還有使能控制信號(hào)，它是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的前提。當(dāng)伺服電機(jī)不轉(zhuǎn)時(shí)，首先檢查使能信號(hào)的連通性，利用PLC技術(shù)分析軸使能條件；然后檢查速度控制信號(hào)；最后檢查電磁制動(dòng)的釋放情況，看進(jìn)給單元是否發(fā)生故障。

2.8 跟隨誤差過(guò)大

如果伺服運(yùn)動(dòng)誤差超限，此時(shí)系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生報(bào)警，提示位置偏差過(guò)大，包括跟隨誤差、定位誤差、輪廓誤差等類型。分析故障原因，主要是系統(tǒng)本身設(shè)定的誤差允許值較小，或者系統(tǒng)增益設(shè)置不當(dāng)，或者位置檢測(cè)裝置受到污染和干擾。如此一來(lái)，傳動(dòng)部分發(fā)生故障，傳動(dòng)鏈在誤差積累過(guò)程中，導(dǎo)致主軸垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)不穩(wěn)，平衡裝置發(fā)生偏差。

2.9 回參考點(diǎn)故障

數(shù)控機(jī)床啟動(dòng)以后，返回參考點(diǎn)是必要的操作，是正常運(yùn)行的基礎(chǔ)。機(jī)床如何返回參考點(diǎn)，根據(jù)內(nèi)部配置的不同而有明顯差異，主要包括有擋塊回零、無(wú)擋塊回零兩種類型。系統(tǒng)出現(xiàn)回參考點(diǎn)故障后，原因主要有三點(diǎn)：一是零點(diǎn)開(kāi)關(guān)問(wèn)題，導(dǎo)致PLC無(wú)法正常傳遞減速信號(hào)；二是編碼器、光柵尺的零點(diǎn)脈沖問(wèn)題；三是測(cè)量板問(wèn)題，無(wú)法接收零點(diǎn)脈沖。

3 伺服系統(tǒng)故障的維修實(shí)例分析

3.1 實(shí)例一

DMU60P五軸加工中心，采用MILLPLUS系統(tǒng)，C軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)C04號(hào)報(bào)警故障的解除。故障現(xiàn)象：伺服系統(tǒng)的C軸在旋轉(zhuǎn)期間，出現(xiàn)C04號(hào)（Max following error too large）報(bào)警，此時(shí)伺服系統(tǒng)強(qiáng)電斷開(kāi)。診斷過(guò)程：該機(jī)床的伺服系統(tǒng)，采用閉環(huán)控制模式，控制系統(tǒng)采用MILLPLUS系統(tǒng)，具有位置控制、速度控制兩個(gè)環(huán)節(jié)。分析報(bào)警信息后，將跟隨誤差參數(shù)3481的數(shù)值從500調(diào)整為2000，結(jié)果報(bào)警依然存在。開(kāi)機(jī)維修時(shí)，可見(jiàn)其他軸的移動(dòng)、回零均正常，只有C軸指令值超過(guò)參數(shù)3481中的值才會(huì)報(bào)警。對(duì)此，測(cè)量驅(qū)動(dòng)輸出，顯示電壓輸出正常，因此判斷故障出現(xiàn)在傳動(dòng)部分?？紤]到C軸屬于旋轉(zhuǎn)軸，通過(guò)同步皮帶和伺服電機(jī)相連，從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)。因此檢查傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)同步皮帶斷裂。處理方法：更換同步皮帶后故障解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

3.2 實(shí)例二

DMU50eV五軸加工中心，采用MILLPLUS系統(tǒng)，C軸在旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)C04號(hào)報(bào)警故障的解除。故障現(xiàn)象：伺服系統(tǒng)C軸在旋轉(zhuǎn)期間，出現(xiàn)C04號(hào)（Max following error too large）報(bào)警，此時(shí)伺服系統(tǒng)強(qiáng)電斷開(kāi)。診斷過(guò)程：機(jī)床在正常運(yùn)行期間，C軸出現(xiàn)報(bào)警，首先對(duì)機(jī)床關(guān)機(jī)后再次啟動(dòng)，發(fā)現(xiàn)報(bào)警消失。將跟隨誤差參數(shù)3481的數(shù)值從500調(diào)整為3000，運(yùn)行一段時(shí)間后再次出現(xiàn)報(bào)警，因此初步懷疑故障原因如下：①檢測(cè)裝置的光柵出現(xiàn)污染；②傳動(dòng)部分故障，由于誤差累積過(guò)大，超過(guò)了系統(tǒng)設(shè)置的誤差允許范圍。對(duì)此，觀察機(jī)床運(yùn)動(dòng)后，機(jī)床出現(xiàn)報(bào)警，關(guān)機(jī)重啟后警報(bào)依然存在，且C軸不能移動(dòng)。檢查驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)C軸溫度升高，是散熱風(fēng)扇損壞，驅(qū)動(dòng)沒(méi)有輸出電壓，因此C軸驅(qū)動(dòng)損壞。處理方法：更換C軸驅(qū)動(dòng)后故障解除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控機(jī)床中，伺服系統(tǒng)具有自動(dòng)控制的作用，關(guān)系到加工精度和生產(chǎn)進(jìn)度。通過(guò)文中列舉的常見(jiàn)故障和維修實(shí)例，可見(jiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題是解決問(wèn)題的關(guān)鍵；雖然診斷過(guò)程復(fù)雜，但是明確故障部位和原因，維修處理工作比較簡(jiǎn)單。對(duì)此，要求工作人員具備扎實(shí)的技術(shù)知識(shí)，同時(shí)不斷積累診斷和維修經(jīng)驗(yàn)，以便及時(shí)準(zhǔn)確地找出故障原因，盡快恢復(fù)機(jī)床的正常運(yùn)行，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和效益。

[1]陶曉巍,尹曉靜,張玉玲等.數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障機(jī)制分析研究[J].機(jī)床與液壓,2013,41(23):162-165，168.

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