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数控机床进给伺服系统的常见故障及排除方法

时间:2020-06-07    作者:星辰智能


数控机床的伺服进给系统取代了传统机床的机械传动,这是数控机床的重要特征之一。它是以机床移动部件的位移和速度为直接控制目标的自动控制系统。伺服系统的性能,在很大程度上决定了数控机床的性能。数控机床的最高移动速度、跟踪速度、定位精度等重要指标都取决于伺服系统的动态和静态特性。

不管是直流伺服系统还是交流伺服系统,伺服系统本身都是一个电流、速度的双闭环控制系统,以保证伺服进给的稳定。

伺服控制系统在数控机床上占有重要地位,所以,它的故障也是形响数控机床正常运行的主要因素。

01
故障形成及原因诊断


(1)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,解除报警。

(2)过载

当进给运动的负载过大,频繁正反向运动以及传动链润滑状态不良时,均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电机过载、过热或过流等报警信息。同时,在强电柜中的进给驱动单元上,指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。

(3)窜动

在进给时出现窜动现象,其原因包括:① 测速信号不稳定,如测速装置故障、测速反馈信号干扰等;② 速度控制信号不稳定或受到干扰;③接线端子接触不良,如螺钉松动等。当窜动发生在由正向运动与反向运动的换向瞬间时,一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。

(4)爬行

发生在启动加速阶段或低速进给时,一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低和外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是,伺服电动机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,造成滚珠丝杠转动和伺服电动机的转动不同步,从而使进给运动忽快忽慢,产生爬行现象。

(5)振动

机床以高速运行时,可能产生振动,这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题,所以应去查找速度环,即凡是与速度有关的问题,应该去查找速度调节器。因此,振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。

① 首先检查输入给速度调节器的信号,即给定信号。给定信号由位置偏差计数器发出,经D/A转换器转换成模拟量VCMD、再送入速度调节器。应查一下这个信号是否有振动分量,如它只有一个周期的振动信号,可以确认速度调节器没有问题,而是前级的问题,即应到D/A转换器或位置偏差计数器中去查找问题。如果正常,就转向查找测速发电机和伺服电动机的问题。

② 检查测速发电机及伺服电机。当机床振动时,说明机床速度在振荡,测速发电机反馈回来的波形一定也在振荡,观察它的波形是否出现有规律的大起大落。这时,最好能测一下机床的振动频率与电动机旋转的速度是否存在一个准确的比例关系,如振动的频率是电动机转速的四倍频率,这时就应考虑电动机或测速发电机有故障。首先要检查电动机有无故障,查其碳刷、换向器表面状况,如果没有问题,就再检查测速发电机。

③ 速度调节器故障。若采用上述方法还不能完全消除振动,甚至无任何改善,就应考虑速度调节器本身的问题,应更换速度调节器板或换下后彻底检测各处波形。

④ 检查振动频率与进给速度的关系。若二者成比例,除机床共振原因外,多数是因为CNC系统插补精度太差或位置检测增益太高引起的,需要进行插补调整和检测增益的调整。如果与进给速度无关,则可能原因有:速度控制单元的设定与机床不匹配,速度控制单元调整不好,该轴的速度环增益太大或速度控制单元的印制电路板不良。

实例:X轴振荡的故障维修

故障现象:一台配套FANUC OMC的数控机床,加工中心X轴负载有时突然上升到80%,同时 X轴电动机嗡嗡作响;有时又正常。

分析及处理过程:现场观察发现 X轴电动机嗡嗡作响的频率较低,故判断 X轴发生低频振荡。发生振荡的原因有:①轴位置环增益不合适;②机械部分间隙大,传动链刚性差,有卡滞;③负载惯量较大。经查X轴位置增益未变,负载也正常。此机床由于一直进行重切削加工,X轴间隙较大,进行过间隙补偿。经查X轴间隙补偿参数0535,设定值为250,用百分表测得X轴实际间隙为0.22,补偿过渡;直到将设定值改为200后,X轴振荡才消除。

(6)伺服电机不转

数控系统输入至进给驱动单元的除了速度控制信号外,还有伺服使能控制信号,一般为DC + 24 V继电器线圈电压。① 检查数控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,如润滑、冷却等是否满足;③ 对带电磁制动的伺服电动机,应检查电磁制动是否释放;④ 进给驱动单元故障;⑤ 伺服电动机故障。

(7)位置误差

当伺服轴运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:① 系统设定的允差范围小;② 伺服系统增益设置不当;③ 位置检测装置有污染;④ 进给传动链累积误差过大;⑤ 主轴箱垂直运动时平衡装置(如平衡油缸等)不稳。

(8)漂移

当指令值为零时,坐标轴仍移动,从而造成位置误差。通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除。

(9)回参考点故障

回参考点故障一般分为找不到参考点和找不准参考点两类。前一类故障一般是回参考点减速开关产生的信号或零位脉冲信号失效,可以通过检查脉冲编码器零标志位或光栅尺零标志位来确定是否有故障;后一类故障是参考点开关挡块位置设置不当引起的,需要重新调整挡块位置。

(10)伺服电动机开机后既自动旋转

主要原因有:① 位置反馈的极性错误;② 由于外力使坐标轴产生了位置偏移;③驱动器、测速发电机、伺服电动机或系统位置测量回路不良;④ 电动机或驱动器有故障。

02
进给驱动的故障诊断


一、直流进给驱动

PWM调速是利用脉宽调制器对大功率晶体管的开关时间进行控制。将速度控制信号转换成—定频率的方波电压,加到直流伺服电动机电枢的两端,通过对方波宽度的控制,改变电枢两端的平均电压,从而达到控制电枢电流,进而控制伺服电动机转速的目的。晶闸管调速则是利用速度调节器对晶闸管的导通角进行控制,通过改变导通角的大小来改变电枢两端的电压,从而达到调速的目的。

1.CRT有报警显示的故障,对于FANUC系统,CRT显示的伺服报警为400~457号伺服系统错误报警和702~704号过热报警。引起过热报警的原因有:① 机床切削条件苛刻及机床摩擦力矩增大,引起主回路中的过载继电器动作;② 切削时伺服电动机电流太大或变压器本身故障,引起伺服变压器热控开关动作;③ 伺服电动机电枢内部短路或绝缘不良、电动机永久磁体去磁或脱落及电动机制动器不良,引起电动机内的热控开关动作。

2.报警指示灯指示的故障,对于FANUC系统和Siemens系统速度控制单元中的印制线路板上有报警灯,其功能、故障原因及排除方法可参看相应机床说明书。

3.无报警显示的故障:① 机床失控。速度反馈信号为正反馈信号,多发生在维修调试过程中,通常是电缆信号线连接错误所致。② 机床振动。与位置控制有关的系统参数设定错误,如指令倍率CRM和检测倍率DMR的设定错误等。检查机床振动周期,如机床振动周期随进给速度变化,特别是快速移动时,伴有大的冲击,多为测速装置有故障,如伺服电动机上的测速发电机电刷接触不良;若机床振动周期不随进给速度变化,则调节增益电位器,使增益降低,观察振动是否减弱。若减弱,且振动频率是几十赫兹到几百赫兹,也即机床的固有振动频率,则可通过印制线路板上的有关设定来解决。若振动不减弱,则是印制线路板有故障。③ 定位精度低。除机床进给传动链误差大外,还与伺服系统增益太低有关,调节增益电位器,增大增益,以确认能否消除故障。④ 电动机运行时噪声过大。伺服电动机换向器的表面粗糙度不好或有损伤;油液或灰尘等侵入电刷或换向器;电动机轴向存在窜动。⑤ 伺服电动机不转。电动机永久磁铁脱落;带电磁制动器的伺服电动机,制动器失灵,通电后未能脱开。

二、交流进给驱动

1.交流伺服电动机的基本检查。原则上说,交流伺服电动机可以不需要维修,因为它没有损坏。但由于交流伺服电动机内含有精密检测器,因此,当发生碰撞、冲击时可能会引起故障,维修时应进行如下检查:①是否受到任何机械损伤;② 旋转部分是否可用手正常转动;③ 带制动器的,制动器是否正常;④是否有任何松动螺钉或间隙;⑤是否安装在潮湿、温度变化剧烈和有灰尘的地方。

2.交流伺服电动机的安装注意事项。维修完成后,安装伺服要注意以下几点:

① 由于伺服系统防水结构不是很严密,如果切削液、润滑油等渗入内部,会引起绝缘性能降低或绕组短路,因此,应注意尽可能避免切削液溅入;

② 当伺服电动机安装在齿轮箱上时,加注润滑油时应注意齿轮箱的润滑油油面高度必须低于伺服的输出轴,防止润滑油渗入内部。

③ 当固定伺服联轴器、齿轮、同步带等连接件时,在任何情况下,作用在上面的力不能超过容许的径向、轴向负载。

④ 按说明书规定,对伺服和控制电路之间进行正确的连接。

3.交流伺服电动机常见的故障。包括以下几点:

① 转子位置检测装置故障。当霍尔开关或光电脉冲编码器发生故障时,会引起失控,进给有振动。

② 用万用表或电桥测量电枢绕组的直流电阻,检查是否断路,并用兆欧表查绝缘是否良好。

③ 将与机械装置分离,用手转动转子,正常情况下感觉有阻力,转一个角度后手放开,转子又返回;如果用手转动转子时能连续转几圈并自由停下,则该电动机已损坏;如果用手转不动或转动后无返回,则机械部分可能有故障。

④ 脉冲编码器的更换。若交流伺服的脉冲编码器不良,就应更换脉冲编码器。

三、步进电动机驱动

步进电动机驱动是开环控制系统中最常选用的伺服驱动系统。开环进给系统的结构较简单,调试、维修、使用都很方便,工作可靠,成本低廉。在一般要求精度不太高的机床上曾得到广泛应用。

使用过程中,步进电动机驱动系统有如下常见故障:

1.电动机过热报警。可能是工作环境过于恶劣,环境温度过高;参数选择不当,如电流过大、超过相电流和可重新设置参数等。

2.工作中,尖叫后不转,具体情况为加工或运行过程中,驱动器或步进电动机发出刺耳的尖叫声。可能的原因是输入脉冲频率太高,引起堵塞,可通过降低输入脉冲频率来排除;输入脉冲的突调频率太高,可通过降低输入脉冲的突调频率来排除。

3.工作过程中停车,在工作正常的状况下,发生突然停车的故障。

4.步进电动机失步或多步,此故障引起的可能现象是工作过程中,配置步进电动机驱动系统的某轴突然停顿,而后,又继续走动。

5.运转不均匀,有抖动。反映在加工中是加工的工件有振纹,表面粗糙度大。
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