第五章數控機床典型結構與維修

第4節數控機床伺服驅動系統故障維修教師：李爽時間：2014/11/13目錄一、伺服系統概述二、主軸驅動系統

主軸驅動系統、故障形式、故障診斷三、進給伺服系統

進給驅動系統、伺服系統結構形式、故障診斷四、位置檢測裝置一、伺服系統概述1.1伺服系統概念

數控機床的伺服系統是指以機床移動部件的位置和速度作為控制量的自動控制系統，又稱隨動系統。

如果說數控系統是數控機床的大腦，是發布“命令”的指揮機構，那么伺服系統就是數控機床的“四肢”，是執行機構，它忠實而準確地執行由數控系統發來的命令，控制數控機床的運動部件的位置和速度，加工出所需工件的外形和尺寸。

伺服系統機床CNC系統指令動作脈沖頻率脈沖數量速度位置伺服系統的作用示意圖

伺服控制系統的性能直接影響數控機床的精度、穩定性、可靠性和生產效率，因此伺服系統的性能決定了數控機床的性能。在實際應用中，數控機床伺服系統出現故障的概率較高，因此充分認識伺服系統的重要性，掌握伺服系統的故障診斷與維修方法是很有必要的。1.2伺服系統組成

數控機床的伺服系統一般由驅動控制單元、驅動元件（如電機）、機械傳動部件、執行元件和檢測反饋裝置等組成。驅動控制單元和驅動元件組成伺服驅動系統；機械傳動部件和執行元件組成機械傳動系統；檢測元件和反饋電路組成檢測系統。一、伺服系統概述1.3伺服系統的分類

數控機床伺服系統分類方法有多種。按控制方式的不同，可分為開環控制系統、閉環控制系統、半閉環控制系統和混合控制系統4種。按其作用和控制功能的不同，伺服驅動系統可分為主軸伺服驅動系統和進給伺服驅動系統。按電氣控制原理和伺服電機類型的不同，還可分為直流伺服系統和交流伺服系統。根據控制信號的不同形式，伺服系統可分為模擬控制和數字控制兩種；按反饋比較控制方式不同，可分為脈沖比較伺服系統、相位比較伺服系統和幅值比較伺服系統。一、伺服系統概述二、主軸驅動系統2.1主軸驅動系統概述

主軸驅動系統也叫主傳動系統，是在系統中完成主運動的動力裝置部分。

主軸驅動系統通過該傳動機構轉變成主軸上安裝的刀具或工件的切削力矩和切削速度，配合進給運動，加工出理想的零件。

它是零件加工的成型運動之一，它的精度對零件的加工精度有較大的影響。二、主軸驅動系統

隨著數控技術的不斷發展，傳統的主軸驅動已不能滿足要求。現代數控機床對主傳動提出了更高的要求：（1）調速范圍寬并實現無極調速

對于具有自動換刀功能的數控加工中心，為適應各種刀具、工序和各種材料的加工要求，對主軸的調速范圍要求更高，要求主軸能在較寬的轉速范圍內根據數控系統的指令自動實現無級調速，并減少中間傳動環節，簡化主軸箱。

（2）恒功率范圍要寬

2.2數控機床對主軸驅動系統的要求（3）具有4象限驅動能力

要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。（4）具有位置控制能力

要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。（5）具有較高的精度與剛度，傳動平穩，噪音低（6）良好的抗振性和熱穩定性。二、主軸驅動系統2.2數控機床對主軸驅動系統的要求1、FANUC（法那科）公司主軸驅動系統

從80年代開始，該公司已使用了交流主軸驅動系統，直流驅動系統已被交流驅動系統所取代。目前三個系列交流主軸電動機為：S系列電動機，額定輸出功率范圍1.5～37KW；H系列電動機，額定輸出功率范圍1.5～22KW；P系列電動機，額定輸出功率范圍3.7～37KW。

該公司交流主軸驅動系統的特點為：①采用為處理器控制技術，進行矢量計算，從而實現最佳控制。②主回路采用晶體管PWM逆變器，使電動機電流非常接近正弦波性。③具有主軸定向控制、數字和模擬輸入接口等功能。二、主軸驅動系統2.3常用的主軸驅動系統介紹2、SIEMENS（西門子）公司主軸驅動系統

SIEMENS公司生產的直流主軸電動機有1GG5、1GF5、1GL5和1GH5四個系列，與這四個系列電動機配套的6RA24、6RA27系列驅動裝置采用晶閘管控制。

80年代初期，該公司又推出了1PH5和1PH6兩個系列的交流主軸電動機，功率范圍為3～100KW。驅動裝置為6SC650系列交流主軸驅動裝置或6SC611A（SIMODRIVE611A）主軸驅動模塊，主回路采用晶體管SPWM變頻器控制的方式，具有能量再生制動功能。另外，采用為處理器80186可進行閉環轉速、轉矩控制及磁場計算，從而完成矢量控制。同過選件實現C軸進給控制，在不需要CNC的幫助下，實現主軸的定位控制。二、主軸驅動系統2.3常用的主軸驅動系統介紹

驅動系統包括主軸驅動器和主軸電動機。數控機床主軸的無級調速則是由主軸驅動器完成。

主軸驅動系統分為直流驅動系統和交流驅動系統，目前數控機床的主軸驅動多采用交流主軸驅動系統，即交流主軸電動機配備變頻器或主軸伺服驅動器控制的方式。二、主軸驅動系統2.4主軸驅動系統的分類

（1）直流主軸驅動裝置

直流主軸電動機的結構與永磁式伺服電動機不同，要求能輸出大的功率，所以一般是他磁式。為縮小體積，改善冷卻效果，以免電動機過熱，常采用軸向強迫風冷或采用熱管冷卻技術。

（2）交流主軸驅動裝置①交流異步伺服系統②交流同步伺服系統二、主軸驅動系統

當主軸伺服系統發生故障時，通常有三種表現形式：CRT或操作面板上顯示報警內容或報警信息；在主軸驅動裝置上用報警燈或數碼管顯示主軸驅動裝置的故障；主軸工作不正常，但無任何報警信息。

主軸伺服系統常見故障有：

(1)過載(2)轉速偏離指令值(3)主軸定位抖動(4)主軸振動或噪聲太大(5)主軸轉速與進給不匹配

(6)外界干擾2.5主軸伺服系統故障診斷二、主軸驅動系統（1）外界干擾

故障現象：主軸在運轉過程中出現隨機和無規律性的振動或轉動。

原因分析：主軸速度指令信號或反饋信號受到電磁波、供電線路或信號傳輸干擾而出現誤動作。

檢查方法：令主軸轉速指令為零，觀察主軸是否有往復擺動，或通過調整零速平衡和漂移補償看故障能否消除。

2.5主軸伺服系統故障診斷（2）過載

故障現象：主軸電動機過熱、主軸驅動裝置顯示過電流報警等

原因分析：切削用量過大，主軸頻繁正、反轉，主軸潤滑不良造成軸承咬死或軸承預緊力過大、電動機冷卻系統不良或內置溫控元件失效、動力連線接觸不良等，主軸伺服系統和CNC裝置通過檢測，顯示過載報警。

檢查方法：采用常規檢查法針對上述部位逐一進行檢查。采取措施：保持主軸電機通風系統良好，保持過濾網清潔；檢查動力線接線端子接觸情況，按設備操作規程正確合理操作和維護保養設備。2.5主軸伺服系統故障診斷（3）主軸定位抖動

故障現象：主軸在準停時發生抖動

原因分析：產生原因因實現準停的方式不同而異，主軸準停有三種實現方式：

（1）機械準停控制，定位抖動多為定位機械執行機構不到位，定位盤松動或有間隙引起；

（2）磁性傳感器的電氣準停控制，定位抖動多為傳感器和發磁體之間間隙發生變化或傳感器失靈引起。

（3）編碼器型的準停控制，由于編碼器的污染引起靈敏度下降或連接松動也會造成定位抖動。

此外主軸定位有一個減速過程，如果減速或增益系數設置不當，會引起主軸定位抖動。檢查方法：根據定位方式不同，主要檢查各定位、減速檢測元件的工作狀況和安裝固定情況，核對減速或增益系數設置值等采取措施：保證定位元件運轉靈活，檢測元件穩定可靠。2.5主軸伺服系統故障診斷（4）主軸轉速與進給不匹配故障現象：當進行螺紋切削或用每轉進給指令切削時，會出現停止進給，主軸仍繼續運轉的故障或加工螺紋出現亂牙現象。原因分析：進行螺紋加工要求主軸與進給嚴格保持主軸轉一圈刀具進給一個螺紋導程的關系，而這必須依靠主軸上的脈沖編碼器進行檢測反饋信息。若編碼器或連接電纜有問題，會引起上述故障。檢查方法：1.CRT畫面有報警顯示。

2.通過CRT調用機床數據或I/O狀態，觀察編碼器的信號線的

通斷狀態。

3.取消主軸與進給的同步配合，即用每分鐘進給指令代替每

轉進給來執行程序，觀察故障是否消失。采取措施：更換、維修編碼器，檢查電纜接線情況及編碼器安裝是否松

動，特別注意信號線的防干擾措施。2.5主軸伺服系統故障診斷（5）轉速偏離指令值故障現象：主軸轉速超過技術要求所規定的指令值范圍原因分析：電動機負載過大引起轉速降低或低速極限值設定太小，造成主軸電機過載。CNC系統輸出的主軸轉速模擬量（通常為0—+-10V）沒有達到與轉速指令對應的值。測速裝置有故障或速度反饋信號斷線。主軸驅動裝置故障，導致速度控制單元錯誤輸出。檢查方法：（1）空載運轉主軸，檢測比較實際轉速值與指令值，判斷故障是否由負載過大引起。（2）檢查速度反饋裝置及電纜，調節速度反饋量的大小，使實際主軸轉速達到指令值。（3）檢查信號電纜的連接情況，調整有關參數使CNC系統輸出的模擬量與轉速指令值相對應。采取措施：更換、維修損壞的部件、調整的關參數2.5主軸伺服系統故障診斷（6）主軸異常噪聲及振動原因分析：首先要區別異常噪聲及振動發生在主軸機械部分還是在電氣驅動部分。在減速過程中發生一般是又驅動裝置造成的，如交流驅動中的再生回路故障。在恒轉速時產生，可通過觀察主軸電動機自由停車過程中是否有噪音和振動的來區別，如存在，則主軸機械部分有問題檢查方法：檢查振動周期是否與轉速有關。如無關，一般是主軸驅動裝置未調整好；如有關，應檢查主軸機械部分是否良好，測速裝置是否不良。2.5主軸伺服系統故障診斷（7）主軸電動機不轉原因分析：

CNC系統至主軸驅動裝置除了轉速模擬量控制信號外，還有使能控制信號，一般為DC+24V繼電器線圈電壓；主軸驅動裝置故障；主軸電動機故障。檢查方法：檢查CNC系統是否有速度控制信號輸出；檢查能使信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態，分析機床PLC圖形（或流程圖），以確定主軸的啟動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足。2.5主軸伺服系統故障診斷三、進給伺服系統3.1

進給驅動系統概述

進給驅動系統的性能在一定程度上決定了數控系統的性能，決定了數控機床的檔次，因此，在數控技術發展的歷程中，進給驅動系統的研制和發展總是放在首要的位置。

數控系統所發出的控制指令，是通過進給驅動系統來驅動機械執行部件，最終實現機床精確的進給運動的。

數控機床的進給驅動系統是一種位置隨動與定位系統，它的作用是快速、準確地執行由數控系統發出的運動命令，精確地控制機床進給傳動鏈的坐標運動。它的性能決定了數控機床的許多性能，如最高移動速度、輪廓跟隨精度、定位精度等。3.2數控機床對進給驅動系統的要求（1）調速范圍要寬；（2）定位精度要高；（3）快速響應，無超調；（4）低速大轉矩，過載能力強；（5）可靠性高；三、進給伺服系統3.3進給驅動系統的分類按執行元件的類別，可分為：步進電動機、直流電動機、交流電動機進給驅動系統；按有無檢測元件和反饋環節，可分為為開環、閉環控制兩類。

開環控制與閉環控制的主要區別為是否采用了位置和速度檢測反饋元件組成了反饋系統。開環控制一般采用步進電動機作為驅動元件，沒有位置和速度反饋控制回路。閉環控制一般采用伺服電動機作為驅動元件，根據位置檢測元件所處在數控機床不同的位置，它可以分為半閉環、全閉環和混合閉環三種。三、進給伺服系統步進驅動系統簡單來說，包括有步進電動機和步進驅動器。步進電機是利用電磁鐵的作用原理，將脈沖信號轉換為線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，步進電機轉動一定角度，帶動機械移動一小段距離。特點:

(1)來一個脈沖，轉一個步距角。

(2)控制脈沖頻率，可控制電機轉速。

(3)改變脈沖順序，可改變轉動方向。（1）步進電動機驅動的進給系統

步進電動機驅動的進給系統優點：能很方便地將電脈沖轉換為角位移，具有較好的定位精度，無漂移和無積累定位誤差的優點，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動機使用。缺點：①由于步進電動機基本上是用開環系統，精度不高，不能應用于中高檔數控機床；②步進電動機耗能大，速度低(遠不如交、直流電動機)。因此，目前步進電動機僅用于小容量、低速、精度要求不高的場合，如經濟型數控，打印機、繪圖機等計算機的外部設備。（2）伺服電動機驅動的進給系統伺服電動機可分為兩類：

伺服電動機又稱執行電動機。其功能是將輸入的電壓控制信號轉換為軸上輸出的角位移和角速度，驅動控制對象。交流伺服電動機直流伺服電動機

伺服電動機可控性好，反應迅速。是自動控制系統和計算機外圍設備中常用的執行元件。伺服電動機驅動的進給系統3.4進給驅動系統的組成驅動裝置——接受CNC等發出的指令，經過功率放大后，驅動電動機旋轉。轉速的大小由指令控制。執行元件——步進電動機/直流電動機/交流電動機。傳動機構——減速裝置和滾珠絲杠檢測元件及反饋電路——速度反饋和位置反饋，有旋轉變壓器、光電編碼器和光柵等。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例常見故障

當進給伺服系統出現故障時,通常有三種表現形式：在CRT或操作面板上顯示報警內容或報警信息，在進給伺服驅動單元上用報警燈或數碼管顯示驅動單元故障；進給運動不正常，但無任何報警信息

。（1）超程

當進給運動超過由軟件設定的軟限位或由限位開關設定的硬限位時，就會發生超程報警。產生原因常見有三種：編程不當，當工件坐標系沒設定或沒調用刀補，應運行如G00X100.Y100；容易出現起程。操作不當，如在JOG方式回參考點，對刀錯誤，刀補值設定錯誤，刀架離參考點太近就進行手動反回參考點容易出現超程。出現減速開關失靈、參數設置不合理等造成回不到參考點故障也會出現超程。

3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（

2）過載

當進給運動的負載過大，頻繁正、反向運動以及傳動鏈潤滑狀態不良時，均會引起過載報警。一般會在CRT上顯示伺服電動機過載、過熱或過流等報警信息。同時，在強電柜中的進給驅動單元上、指示燈或數碼管會提示驅動單元過載、過電流等信息。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（3）竄動

在進給時出現竄動現象：①測速信號不穩定，如測速裝置故障、測速反饋信號干擾等；②速度控制信號不穩定或受到干擾；③接線端子接觸不良，如螺釘松動等。

當竄動發生在由正方向運動與反向運動的換向瞬間時，一般是由于進給傳動鏈的反向間隙或伺服系統增益過大所致。

3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（

4）爬行

發生在起動加速段或低速進給時，一般是由于進給傳動鏈的潤滑狀態不良、伺服系統增益低及外加負載過大等因素所致。

尤其要注意的是：伺服電動機和滾珠絲杠聯接用的聯軸器，由于聯接松動或聯軸器本身的缺陷，如裂紋等，造成滾珠絲杠轉動與伺服電動機的轉動不同步，從而使進給運動忽快忽慢，產生爬行現象。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（5）機床出現振動

機床以高速運行時，可能產生振動，這時就會出現過流報警。機床振動問題一般屬于速度問題，所以就應去查找速度環；而機床速度的整個調節過程是由速度調節器來完成的，即凡是與速度有關的問題，應該去查找速度調節器，因此振動問題應查找速度調節器。主要從給定信號、反饋信號及速度調節器本身這三方面去查找故障。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例

（6）伺服電動機不轉

伺服電動機不轉，常用診斷方法有：①檢查數控系統是否有速度控制信號輸出；②檢查使能信號是否接通。通過CRT觀察I/O狀態，分析機床PLC梯形圖(或流程圖)，以確定進給軸的起動條件，如潤滑、冷卻等是否滿足；③對帶電磁制動的伺服電動機，應檢查電磁制動是否釋放；④進給驅動單元故障；⑤伺服電動機故障。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（7）位置誤差

當伺服軸運動超過位置允差范圍時，數控系統就會產生位置誤差過大的報警，包括跟隨誤差、輪廓誤差和定位誤差等。主要原因有：

①系統設定的允差范圍小；

②伺服系統增益設置不當；

③位置檢測裝置有污染；

④進給傳動鏈累積誤差過大；

⑤主軸箱垂直運動時平衡裝置(如平衡液壓缸等)不穩。3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例（8）漂移

當指令值為零時，坐標軸仍移動，從而造成位置誤差。通過誤差補償和驅動單元的零速調整來消除。（9）機械傳動部件的間隙與松動

在數控機床的進給傳動鏈中，常常由于傳動元件的鍵槽與鍵之間的間隙使傳動受到破壞，因此，除了在設計時慎重選擇鍵聯結機構之外，對加工和裝配必須進行嚴查。在裝配滾珠絲杠時應當檢查軸承的預緊情況，以防止滾珠絲杠的軸向竄動，因為游隙也是產生明顯傳動間隙的另一個原因。

3.5進給伺服系統的常見故障及診斷實例四、位置檢測元件4.1數控機床對檢測元件要求

位置檢測裝置是數控機床伺服系統的重要組成部分。它的作用是檢測位移和速度，發送反饋信號，構成閉環或半閉環控制。數控機床的加工精度主要由檢測系統的精度決定。不同類型的數控機床，對位置檢測元件，檢測系統的精度要求和被測部件的最高移動速度各不相同。2023/7/842對檢測元件的要求：（1）壽命長，可靠性要高，抗干擾能力強。（2）滿足精度、速度和測量范圍的要求。（3）使用維護方便，適合機床的工作環境。（4）易于實現高速的動態測量和處理，易于實現自動化。（5）成本低。2023/7/8444.2位置檢測裝置的分類1、從檢測的信號分

直線型回轉型

2、從傳感器輸出信號分模擬式

數字式直線感應同步器、長光柵、長磁柵、激光干涉儀旋轉變壓器、圓感應同步器、圓光柵、圓磁柵、編碼盤光柵檢測裝置、脈沖編碼盤旋轉變壓器、感應同步器（1）直接測量

直接測量是將直線型檢測裝置安裝在移動部件上，用來直接測量工作臺的直線位移，作為全閉環伺服系統的位置反饋信號，而構成位置閉環控制。其優點是準確性高、可靠性好，缺點是測量裝置要和工作臺行程等長，所以在大型數控機床上受到一定限制。（2）間接測量

它是將旋轉型檢測裝置安裝在驅動電機軸或滾珠絲杠上，通過檢測轉動件的角位移來間接測量機床工作臺的直線位移，作為半閉環伺服系統的位置反饋用。優點是測量方便、無長度限制。缺點是測量信號中增加了由回轉運動轉變為直線運動的傳動鏈誤差，從而影響了測量精度。3.

直接測量和間接測量（1）增量式測量

在輪廓控制數控機床上多采用這種測量方式，增量式測量只測相對位移量，如測量單位為0.001mm，則每移動0.001mm就發出一個脈沖信號，其優點是測量裝置較簡單，任何一個對中點都可以作為測量的起點，而移距是由測量信號計數累加所得，但一旦計數有誤，以后測量所得結果完全錯誤。

（2）絕對式測量

絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標起，每一個被測點都有一個相應的測量值。測量裝置的結構較增量式復雜，如編碼盤中，對應于碼盤的每一個角度位置便有一組二進制位數。顯然，分辨精度要求愈高，量程愈大，則所要求的二進制位數也愈多，結構就愈復雜。4.增量式測量和絕對式測量用于位置檢測的有光柵、光電編碼器、感應同步器、旋轉變壓器和磁柵等；用于轉速檢測的有測速發電動機或光電編碼器等。4.2

常用的位置檢測元件

（1）光柵

光柵利用光的透射、衍射原理，通過光敏元件測量莫爾條紋移動的數量來測量機床工作臺的位移量。一般用于機床數控系統的閉環控制。光柵主要由標尺光柵和光柵讀數頭兩部分組成。透射光柵測量系統原理如圖所示，它由光源、透鏡、標尺光柵、指示光柵、光敏元件和信號處理電路組成。2023/7/848（2）旋轉變壓器

旋轉變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數關系的電信號的一種間接測量裝置。

（3）光電脈沖編碼器

工作原理：當光電碼盤隨工作軸一起轉動時，光源通過聚光鏡，透過光電碼盤和光欄板形成忽明忽暗的光信號，光敏元件把光信號轉換成電信號，然后通過信號處理電路的整形、放大、分頻、計數、譯碼后輸出或顯示。

2023/7/851

（4）感應同步器

感應同步器與旋轉變壓器一樣，是利用電磁耦合原理，將位移或轉角轉化成電信號的位置檢測裝置。

按其運動形式和結構形式的不同，可分為旋轉式（或稱圓盤式）和直線式兩種。前者用來檢測轉角位移，用于精密轉臺，各種回轉伺服系統；后者用來檢測直線位移，用于大型和精密機床的自動定位，位移數字顯示和數控系統中，兩者工作原理和工作方式相同。

2023/7/852（5）磁尺磁尺由磁性標尺，磁頭和檢測電路組成，其結構如圖所示。

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