數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的故障診斷
數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)故障占機(jī)床總故障的比率較高。由于伺服系統(tǒng)涉及 的環(huán)節(jié)較多吟钻，加之種類繁多殴据、技術(shù)原理各具特色，給維修診斷帶來困難隙殴，因此歸納一些故障 診斷方法很有必要屡旺。
數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的移動(dòng)定位是由位置伺服系統(tǒng)來完成的。位置伺服系 統(tǒng)一般采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制掷栋。(半)閉環(huán)控制的特點(diǎn)就是任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng) 定位不準(zhǔn)確端制、不穩(wěn)定或失效。診斷定位故障環(huán)節(jié)就成為維修的關(guān)鍵邦鲫。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原 理和系統(tǒng)接口的特性灸叼，對系統(tǒng)進(jìn)行分解判斷，已成為行之有效的方法庆捺。本文結(jié)合維修實(shí)例介 紹了位置環(huán)和速度環(huán)診斷方法古今。
1 位置環(huán)故障診斷
如果位置伺服系統(tǒng)的位置反饋和速度反饋各自采用一個(gè)反饋器件 ，可以斷開位置環(huán)的控制作用滔以，讓速度環(huán)單獨(dú)運(yùn)行捉腥，以便判斷故障出自位置環(huán)還是速度環(huán)。
斷開位置環(huán)的控制作用你画，可以采用兩種方法：
1）機(jī)械斷開抵碟，即斷開位置反饋編碼器與伺 服電動(dòng)機(jī)之間的傳動(dòng)連接。
2）電氣斷開坏匪，即斷開位置反饋編碼器與系統(tǒng)的連接拟逮。如果需要 屏蔽位置反饋斷線報(bào)警撬统，應(yīng)按下圖連接位置反饋輸入信號(hào)線。
在位置開環(huán)狀態(tài)下 進(jìn)行維修測試時(shí)敦迄，不允許給被測試軸任何方式的移動(dòng)指令恋追，否則將引起伺服電動(dòng)機(jī)失控。
例1CK6140A數(shù)控車床出現(xiàn)鏜孔表面有振紋奖岛，在排 除機(jī)械和工裝因素后恕孙，對X軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行檢查。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為FANUC3T宠录，伺服放大器 為FANUC H系列直流伺服椅损。
觀察X軸在停止和慢速移動(dòng)時(shí)有不規(guī)則振動(dòng)，初步判斷X軸位 置編碼器與絲杠連結(jié)有間隙或速度環(huán)不穩(wěn)定祸麸。檢查編碼器連軸節(jié)正常吉挎。由于X軸伺服系統(tǒng)有 兩個(gè)編碼器，分別用于位置反饋和速度反饋椭斜，可以將位置反饋編碼器與伺服電機(jī)之間的機(jī)械 連接斷開氨固，以便作進(jìn)一步的判斷。
首先用支撐物支撐X軸滑臺(tái)揣煤，將X軸電動(dòng)機(jī)和絲杠的傳動(dòng) 皮帶拿掉解瀑。啟動(dòng)機(jī)床，X軸在位置開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行凉适，在伺服放大器零漂的作用下電動(dòng)機(jī)慢速 轉(zhuǎn)動(dòng)(如果電動(dòng)機(jī)幾乎不轉(zhuǎn)動(dòng)蛛蒙，可適當(dāng)調(diào)整控制板上偏置電位器RV2)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到某 一固定角度渤愁，總有打頓現(xiàn)象牵祟。由此可以認(rèn)為速度環(huán)基本穩(wěn)定，這可能是由于整流子在某一角 度存在短路引起轉(zhuǎn)速瞬間跌落抖格，從而造成電機(jī)打頓現(xiàn)象诺苹。仔細(xì)清掃電動(dòng)機(jī)整流子和電刷后， 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)雹拄∈毡迹恢復(fù)系統(tǒng)連接，X軸恢復(fù)正常滓玖。
例2[ST5BZ]CH-102數(shù)控車床Z軸移動(dòng)出現(xiàn)一沖一沖的現(xiàn)象坪哄，速度越快，過沖越嚴(yán)重势篡。停止時(shí) 觀察伺服診斷畫面损姜，Z軸跟蹤誤差穩(wěn)定，接近于零殊霞。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為SIMENS 810GA2摧阅，伺服 系統(tǒng)為SIMENS 610。系統(tǒng)位置反饋和速度反饋各采用一只編碼器雌褥。
初步判斷為伺服放大器 超調(diào)或系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不良铣啰。首先調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)MD2501(伺服增益)和MD2601(多種增益)無效。 為進(jìn)一步判斷知祠，斷電拿掉Z軸位置反饋插頭肌搔。由于該機(jī)床CNC報(bào)警不影響伺服上電，故可以不屏蔽反饋斷線報(bào)警成甫。先用導(dǎo)線短接Z軸伺服驅(qū)動(dòng)使能控制端伪浅，再用一只1.5V電池經(jīng) 電位器分壓給Z軸伺服放大器速度指令端，加上大約0.5V電壓著正。機(jī)床上電惕衩，Z軸移動(dòng) 平穩(wěn)，因此可以認(rèn)為故障發(fā)生在位置反饋環(huán)節(jié)侥镀。用手撥動(dòng)位置反饋編碼器协超，聯(lián)結(jié)無松動(dòng)、損 壞的感覺皇可。交換X軸雕什，Z軸位置反饋插頭及速度指令控制線，試機(jī)故障仍在Z軸显晶。此時(shí)可以認(rèn) 為故障仍在Z軸位置反饋贷岸，拆下Z軸位置反饋編碼器，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)簧片上的一個(gè)螺釘已脫落磷雇。 修復(fù)后偿警，試機(jī)故障消除。
如果位置反饋和速度反饋由一只反饋元件完成倦春，位置反饋信號(hào)經(jīng) 轉(zhuǎn)換電路變?yōu)樗俣瓤刂菩盘?hào)户敬，則要根據(jù)系統(tǒng)硬件具體特性和故障信息作出靈活判斷。
例3CK6150A Z軸時(shí)有突然快速移動(dòng)失控的現(xiàn)象睁本， 此時(shí)H系列直流伺服板上有TGLS報(bào)警尿庐。故障現(xiàn)象不穩(wěn)定，關(guān)機(jī)再上電可能又恢復(fù)正常呢堰。
T GLS報(bào)警的原因有：動(dòng)力線未接或接反抄瑟；無速度反饋或正反饋；機(jī)械鎖死枉疼。
由于Z軸伺服電動(dòng)機(jī)速度反饋信號(hào)是由電動(dòng)機(jī)尾部位置反饋編碼器信號(hào)送入CNC主板拯奔，經(jīng)混合IC模塊F/V 轉(zhuǎn)換后獲得，而且系統(tǒng)始終無位置反饋報(bào)警窟句，所以初步判斷是CNC至伺服放大器電纜和控制 板的接觸有問題办樟。
檢查電纜和速度控制板正常优诵。由于從故障發(fā)生到伺服保護(hù)關(guān)斷只有一兩 秒鐘，使用示波器或萬用表難以觀察到速度反饋信號(hào)的有無疟骤。進(jìn)一步分析药阔，位置反饋編碼器 的信號(hào)電平正常，而A陨梅、B兩相信號(hào)不產(chǎn)生移動(dòng)變化译教，則會(huì)產(chǎn)生上述故障。于是就更換Z軸 位置編碼器押强，機(jī)床恢復(fù)正常拖揩。這可能是原來的編碼器光柵盤松動(dòng)，與軸之間有相對位移或編 碼器內(nèi)光源二極管接近失效溜棉，造成A丽示、B信號(hào)不變化。
2 速度環(huán)故障診斷
在速度開環(huán)的方式下庵佣，對速度控制單元進(jìn) 行測試歉胶。該方法需要對系統(tǒng)硬件較熟悉，以避免誤操作損壞部件巴粪。
例1 一臺(tái)維修過的FB15B-2直流伺服電動(dòng)機(jī)安裝到機(jī)床后失控通今。
現(xiàn)象表明速度反饋不正常，檢查尾部測速電動(dòng)機(jī)電刷及引線正常肛根。為測試測速電動(dòng)機(jī)的性能辫塌，應(yīng)做 以下操作：
將電動(dòng)機(jī)固定可靠，連接動(dòng)力線派哲，不連反饋線臼氨；
拿掉FANUC H系列伺服 板上的S20短路跳線，取消TGLS報(bào)警使能芭届；
接通電源储矩，伺服放大器在速度開環(huán)下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)處于2000r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中褂乍。此時(shí)測量測速電動(dòng)機(jī)輸出電壓只有6V持隧，正常的數(shù)據(jù)是1 4V，可以判定伺服電動(dòng)機(jī)的測速電動(dòng)機(jī)不正常粟五。更換測速電動(dòng)機(jī)腕浴，機(jī)床恢復(fù)正常。
例2DM3600數(shù)控車床出現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速上不去条焙，最高只有50r/ min阅六，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩顯示很大。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為三菱M3/L3，主軸伺服放大器的型號(hào)為FR-SF- 2-11K-T芒单。故障原因可能是：負(fù)載過大万杉；主軸驅(qū)動(dòng)功率模塊或控制模塊有故障；速度反饋 不正常抗躺。
檢查機(jī)械傳動(dòng)良好窍蚤，測量控制模塊各測試點(diǎn)電壓及功率模塊正常，再檢查主軸電動(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)單元之間反饋電纜和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行參數(shù)也正常曙辛。設(shè)定驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)行參數(shù)P00為1，給主 軸運(yùn)轉(zhuǎn)指令舰断，電動(dòng)機(jī)在速度開環(huán)下低速運(yùn)行移鸣，觀察負(fù)載轉(zhuǎn)矩幾乎為零，由此可以判斷速度反 饋不正常谬运。用示波器觀察速度反饋波形隙赁，沒有A相波形，打開電動(dòng)機(jī)上方蓋子梆暖，可以看到PLC 輸出電路板伞访，重新拔插電路板上的小插頭，再檢測A相波形正常轰驳『裰溃恢復(fù)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，主軸運(yùn)行正常级解。
數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)軸的移動(dòng)定位是由位置伺服系統(tǒng)來完成的。位置伺服系 統(tǒng)一般采用閉環(huán)或半閉環(huán)控制掷栋。(半)閉環(huán)控制的特點(diǎn)就是任一環(huán)節(jié)發(fā)生故障都可能導(dǎo)致系統(tǒng) 定位不準(zhǔn)確端制、不穩(wěn)定或失效。診斷定位故障環(huán)節(jié)就成為維修的關(guān)鍵邦鲫。根據(jù)伺服系統(tǒng)的控制原 理和系統(tǒng)接口的特性灸叼，對系統(tǒng)進(jìn)行分解判斷，已成為行之有效的方法庆捺。本文結(jié)合維修實(shí)例介 紹了位置環(huán)和速度環(huán)診斷方法古今。
1 位置環(huán)故障診斷
如果位置伺服系統(tǒng)的位置反饋和速度反饋各自采用一個(gè)反饋器件 ，可以斷開位置環(huán)的控制作用滔以，讓速度環(huán)單獨(dú)運(yùn)行捉腥，以便判斷故障出自位置環(huán)還是速度環(huán)。
斷開位置環(huán)的控制作用你画，可以采用兩種方法：
1）機(jī)械斷開抵碟，即斷開位置反饋編碼器與伺 服電動(dòng)機(jī)之間的傳動(dòng)連接。
2）電氣斷開坏匪，即斷開位置反饋編碼器與系統(tǒng)的連接拟逮。如果需要 屏蔽位置反饋斷線報(bào)警撬统，應(yīng)按下圖連接位置反饋輸入信號(hào)線。
在位置開環(huán)狀態(tài)下 進(jìn)行維修測試時(shí)敦迄，不允許給被測試軸任何方式的移動(dòng)指令恋追，否則將引起伺服電動(dòng)機(jī)失控。
例1CK6140A數(shù)控車床出現(xiàn)鏜孔表面有振紋奖岛，在排 除機(jī)械和工裝因素后恕孙，對X軸伺服系統(tǒng)進(jìn)行檢查。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為FANUC3T宠录，伺服放大器 為FANUC H系列直流伺服椅损。
觀察X軸在停止和慢速移動(dòng)時(shí)有不規(guī)則振動(dòng)，初步判斷X軸位 置編碼器與絲杠連結(jié)有間隙或速度環(huán)不穩(wěn)定祸麸。檢查編碼器連軸節(jié)正常吉挎。由于X軸伺服系統(tǒng)有 兩個(gè)編碼器，分別用于位置反饋和速度反饋椭斜，可以將位置反饋編碼器與伺服電機(jī)之間的機(jī)械 連接斷開氨固，以便作進(jìn)一步的判斷。
首先用支撐物支撐X軸滑臺(tái)揣煤，將X軸電動(dòng)機(jī)和絲杠的傳動(dòng) 皮帶拿掉解瀑。啟動(dòng)機(jī)床，X軸在位置開環(huán)狀態(tài)下運(yùn)行凉适，在伺服放大器零漂的作用下電動(dòng)機(jī)慢速 轉(zhuǎn)動(dòng)(如果電動(dòng)機(jī)幾乎不轉(zhuǎn)動(dòng)蛛蒙，可適當(dāng)調(diào)整控制板上偏置電位器RV2)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)到某 一固定角度渤愁，總有打頓現(xiàn)象牵祟。由此可以認(rèn)為速度環(huán)基本穩(wěn)定，這可能是由于整流子在某一角 度存在短路引起轉(zhuǎn)速瞬間跌落抖格，從而造成電機(jī)打頓現(xiàn)象诺苹。仔細(xì)清掃電動(dòng)機(jī)整流子和電刷后， 電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)雹拄∈毡迹恢復(fù)系統(tǒng)連接，X軸恢復(fù)正常滓玖。
例2[ST5BZ]CH-102數(shù)控車床Z軸移動(dòng)出現(xiàn)一沖一沖的現(xiàn)象坪哄，速度越快，過沖越嚴(yán)重势篡。停止時(shí) 觀察伺服診斷畫面损姜，Z軸跟蹤誤差穩(wěn)定，接近于零殊霞。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為SIMENS 810GA2摧阅，伺服 系統(tǒng)為SIMENS 610。系統(tǒng)位置反饋和速度反饋各采用一只編碼器雌褥。
初步判斷為伺服放大器 超調(diào)或系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不良铣啰。首先調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)MD2501(伺服增益)和MD2601(多種增益)無效。 為進(jìn)一步判斷知祠，斷電拿掉Z軸位置反饋插頭肌搔。由于該機(jī)床CNC報(bào)警不影響伺服上電，故可以不屏蔽反饋斷線報(bào)警成甫。先用導(dǎo)線短接Z軸伺服驅(qū)動(dòng)使能控制端伪浅，再用一只1.5V電池經(jīng) 電位器分壓給Z軸伺服放大器速度指令端，加上大約0.5V電壓著正。機(jī)床上電惕衩，Z軸移動(dòng) 平穩(wěn)，因此可以認(rèn)為故障發(fā)生在位置反饋環(huán)節(jié)侥镀。用手撥動(dòng)位置反饋編碼器协超，聯(lián)結(jié)無松動(dòng)、損 壞的感覺皇可。交換X軸雕什，Z軸位置反饋插頭及速度指令控制線，試機(jī)故障仍在Z軸显晶。此時(shí)可以認(rèn) 為故障仍在Z軸位置反饋贷岸，拆下Z軸位置反饋編碼器，發(fā)現(xiàn)聯(lián)軸節(jié)簧片上的一個(gè)螺釘已脫落磷雇。 修復(fù)后偿警，試機(jī)故障消除。
如果位置反饋和速度反饋由一只反饋元件完成倦春，位置反饋信號(hào)經(jīng) 轉(zhuǎn)換電路變?yōu)樗俣瓤刂菩盘?hào)户敬，則要根據(jù)系統(tǒng)硬件具體特性和故障信息作出靈活判斷。
例3CK6150A Z軸時(shí)有突然快速移動(dòng)失控的現(xiàn)象睁本， 此時(shí)H系列直流伺服板上有TGLS報(bào)警尿庐。故障現(xiàn)象不穩(wěn)定，關(guān)機(jī)再上電可能又恢復(fù)正常呢堰。
T GLS報(bào)警的原因有：動(dòng)力線未接或接反抄瑟；無速度反饋或正反饋；機(jī)械鎖死枉疼。
由于Z軸伺服電動(dòng)機(jī)速度反饋信號(hào)是由電動(dòng)機(jī)尾部位置反饋編碼器信號(hào)送入CNC主板拯奔，經(jīng)混合IC模塊F/V 轉(zhuǎn)換后獲得，而且系統(tǒng)始終無位置反饋報(bào)警窟句，所以初步判斷是CNC至伺服放大器電纜和控制 板的接觸有問題办樟。
檢查電纜和速度控制板正常优诵。由于從故障發(fā)生到伺服保護(hù)關(guān)斷只有一兩 秒鐘，使用示波器或萬用表難以觀察到速度反饋信號(hào)的有無疟骤。進(jìn)一步分析药阔，位置反饋編碼器 的信號(hào)電平正常，而A陨梅、B兩相信號(hào)不產(chǎn)生移動(dòng)變化译教，則會(huì)產(chǎn)生上述故障。于是就更換Z軸 位置編碼器押强，機(jī)床恢復(fù)正常拖揩。這可能是原來的編碼器光柵盤松動(dòng)，與軸之間有相對位移或編 碼器內(nèi)光源二極管接近失效溜棉，造成A丽示、B信號(hào)不變化。
2 速度環(huán)故障診斷
在速度開環(huán)的方式下庵佣，對速度控制單元進(jìn) 行測試歉胶。該方法需要對系統(tǒng)硬件較熟悉，以避免誤操作損壞部件巴粪。
例1 一臺(tái)維修過的FB15B-2直流伺服電動(dòng)機(jī)安裝到機(jī)床后失控通今。
現(xiàn)象表明速度反饋不正常，檢查尾部測速電動(dòng)機(jī)電刷及引線正常肛根。為測試測速電動(dòng)機(jī)的性能辫塌，應(yīng)做 以下操作：
將電動(dòng)機(jī)固定可靠，連接動(dòng)力線派哲，不連反饋線臼氨；
拿掉FANUC H系列伺服 板上的S20短路跳線，取消TGLS報(bào)警使能芭届；
接通電源储矩，伺服放大器在速度開環(huán)下運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)處于2000r/min的高速運(yùn)轉(zhuǎn)中褂乍。此時(shí)測量測速電動(dòng)機(jī)輸出電壓只有6V持隧，正常的數(shù)據(jù)是1 4V，可以判定伺服電動(dòng)機(jī)的測速電動(dòng)機(jī)不正常粟五。更換測速電動(dòng)機(jī)腕浴，機(jī)床恢復(fù)正常。
例2DM3600數(shù)控車床出現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速上不去条焙，最高只有50r/ min阅六，且負(fù)載轉(zhuǎn)矩顯示很大。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)為三菱M3/L3，主軸伺服放大器的型號(hào)為FR-SF- 2-11K-T芒单。故障原因可能是：負(fù)載過大万杉；主軸驅(qū)動(dòng)功率模塊或控制模塊有故障；速度反饋 不正常抗躺。
檢查機(jī)械傳動(dòng)良好窍蚤，測量控制模塊各測試點(diǎn)電壓及功率模塊正常，再檢查主軸電動(dòng)機(jī)至驅(qū)動(dòng)單元之間反饋電纜和驅(qū)動(dòng)運(yùn)行參數(shù)也正常曙辛。設(shè)定驅(qū)動(dòng)單元運(yùn)行參數(shù)P00為1，給主 軸運(yùn)轉(zhuǎn)指令舰断，電動(dòng)機(jī)在速度開環(huán)下低速運(yùn)行移鸣，觀察負(fù)載轉(zhuǎn)矩幾乎為零，由此可以判斷速度反 饋不正常谬运。用示波器觀察速度反饋波形隙赁，沒有A相波形，打開電動(dòng)機(jī)上方蓋子梆暖，可以看到PLC 輸出電路板伞访，重新拔插電路板上的小插頭，再檢測A相波形正常轰驳『裰溃恢復(fù)系統(tǒng)閉環(huán)運(yùn)行，主軸運(yùn)行正常级解。
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