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数控机床故障诊断及维修方法
摘要:本文就数控机床维修的一个重要组成部分—伺服系统—的诊断维修方法做出了简单的论述。
文中将伺服系统分为进给伺服和主轴伺服两部分，分别谈了一般诊断维修方法。本文没有在具体故障现象上做详细讨论，因为伺服系统中出现的问题现象太多，我们要抓住问题的根本，而不是表面现象，所以只介绍了基本的维修方法和维修原理。在介绍进给伺服系统时，提出了模块交换法、外界参考电压法、电机使能条件法等通用的维修方法。在主轴伺服系统上，介绍了诊断维修的原理。
关键字:伺服系统，进给伺服，主轴伺服，故障诊断，维修
前言
随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。它们给机械制造业的发展创造了条件，并且带来了很大的效益。
任何一台数控设备都是一种过程控制设备，要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要。在许多行业中，花费了几十万到上千万美元引进的数控机床，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。
我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。
在数控设备中，伺服系统是非常重要的一个部分，也是最容易出现故障的一个部分，下面文章就伺服系统中的一些故障问题来做讨论。
一、伺服系统的工作原理
数控机床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。
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。所以伺服系统的运动来源于偏差信号，必须具有负反馈回路，始终处于过渡过程状态。伺服系统必须有一个不断输入能量的能源，外加负载可视为系统的扰动输入。
二、伺服系统故障诊断及维修方法
1、主轴伺服系统故障及诊断
（1）主轴伺服的故障形式
主轴伺服系统发生故障时，通常有三种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障：三是主轴工作不正常但无任何报警信息。对于报警提示，可根据系统说明书详查可能的原因。
（2）主轴伺服常见故障
1）主轴转速与进给不匹配
当进行螺纹切削或用每转进给切削时，会出现停止进给，主轴仍然运转的故障。主轴
一个每转一个的脉冲的反馈信号，一般为主轴编码器有问题。
2）转速偏移指令值
3）主轴异常噪声及振动
电气驱动（在减速过程中发生、振动周期与转速无关）
主轴机械（恒转速自由停车、振动周期与转速有关） 4）主轴电动机不转：CNC是否有速度信号输出；使能信号是否接通、CTR观察I/O状态、分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件（润滑、冷却）主轴驱动故障：主轴电机故障。
2、进给伺服系统故障及诊断
1．进给伺服的故障及诊断
（1）进给伺服的故障形式
进给伺服系统的任务是完成各坐标轴的位置控制，在整个系统中它又分为：位置环、速度环、电流环。位置环接收控制指令脉冲和位置反馈脉冲且进行比较，利用其偏差，产生速度环的速度指令；速度环接收位置环发出的速度指令和电机的速度反馈，同样，速度环将速度偏至信号进行处理，产生电流信号；电流环将电流信号及从电机电流检测单元发出的反馈信号进行处理，再驱动大功率元件，产生伺服电机的驱动电流。在这些环节中，任一环节出现异常或故障都会对伺服系统的正常工作造成影响。
当进给伺服系统出现故障时，通常有三种表现形式：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。对于第一、第二种形式，因为有些报警的含义比较明确，可根据相应的系统说明书进行检查。第三种形式，就要综合分析伺服系统的各个环节可能造成这种现象的原因，再逐步检查、排除直至查到真正的原因，或优化各种因素直至恢复正常。进给伺服的常见的故障有。
（2）进给伺服故障的诊断维修方法
1）模块交换法
由于伺服系统的各个环节都具有模块化，不同轴的模块有的具有互换性，所以可采用模块交换法来进一些故障的判断，但要注意遵从以下要求：模块的插拔是否会造成系统参数丢失，是否采取措施；各轴模块的设定可能有所区别，更换后保证设定和以前一致；遵从先易后难的原则，先更换环节中较易更换的模块，确认不是这些模块的问题后再检查更难以更换的模块。通过这种方法，比较容易确定故障的部位。
2）外界参考电压法
当某轴进给发生故障时，为了确定是否为驱动单元和电机故障，可脱开位置环，检查速度环。如SIMODRIVE611A进给驱动模块，首先断开指令电压输入X33l之56、14端，接一个由9V电池和电位器组成的调压电路作为指令输入：再短接使能信号X331-9和X33l-65。接通机床电源，启动数控系统，再短接ER模块的x141-63(脉冲使能)和x141-9(+24V)、x141-64(驱动使能)和x141-9(+24 V)。
3）满足三个使能条件，电机才能工作
脉冲使能63无效时，驱动装置立即禁止所有轴运行伺服电机无制动的自然停止；驱动器使能64无效时，驱动装置立即置所有进给轴的速度设定值为零，伺服电机进入制动状态，200ms后电机停转；轴使能65无效时，对应轴的速度设定值为零，伺服电机进入制动状态，200ms后电机停转。正常情况下伺服电机在外加参考电压的控制下转动，调节电位改变指令电压，可控制电机的转速，参考电压的正负决定电机的旋转方向。这叫可判断驱动器和伺服电动机是否正常，以判断故障是在位置环还是在速度环。
4）交流电机的故障诊断方法
a.电阻测量：用万用表测量电枢的电阻，看三相电阻是否一致，用兆欧表测量绝缘是否良好。
b.电机检查：脱开电给与机械装置，用手转动电机转子，正常时感觉有一定的均匀阻力，
如果旋转过程中，出现周期性的不均匀的阻力，应该更换电机进行确认。在检查交流伺服电机时，对采用编码器换向的如原连接部分确定何标记的，编码器不能随便拆离，不然会使相位错位；对采用霍尔元件换向的注意开关的出线顺序。平时不应敲击电动机上安装位置检测元件的部位。因为伺服电机在定子中埋设热敏电阻，作为过热报警检测，出现报警时，应检查热敏电阻是否正常。
5)进给系统的故障诊断
不同厂家、不同系统系列的伺服系统的结构及信号连接有很大差别。前面章节介绍FUNUC及SIEMENS两种伺服系统的结构和连接以及故障诊断，总的来说对于伺服系统的故障诊断，应以区分内因和外因为前提。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，存在满足正常供电及驱动条件下伺服系统能不能正常驱动伺服电机的运动。
对于外因，我们必须明白系统正常工作所应满足的条件、控制信号的时序关系等，如FUNUC系统的PRDY(位置准备信号)、VRDY(速度控制信号)、ENBL(使能控制信号)，SIMDROVE611A驱动器使能、脉冲使能、驱动使能、控制指令信号，这是我们应该掌握的。随着数字化、集成化的进一步提高，用户对元件级维修将越来越难，我们应把学习的重点放存调整和诊断技术上。
由于伺服系统大都具有模块化结构，所以可采用模块更换法进行故障诊断。当我们怀疑到某一个轴的进给模块准备进行更换时，必须明白相互更换的模块型号是否一致。这可在模块上或机床配置上查到；相互交换的模块的设定是否一致，检查设定开关，做好记录；在拆下连接模块的插头、电缆时，确认标记是否清晰，否则重做标记，以防出现接线错误。
三、总结
此论文只是针对数控伺服系统中常见的故障作一些简要阐述，并没有更进一步的深入研究。
我们在应用数控车床时应该掌握一些常见的故障及维修方法，在实习中不断的学习和积累，才能使数控机床达到最优状态，提高其精度及效率。
参考文献
1、《数控机床故障诊断与维修》主编：吴国经电子工业出版社（2005年6月）
2、《数控机床伺服系统故障诊断》［J］作者：陈勇
3、《伺服系统的维修》［J］作者：郭可祥
数控机床位置伺服系统故障怎么诊断排除
数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。（半）闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统定位不准确、不稳定或失效。诊断定位故障环节就成为维修的关键。根据伺服系统的控制原理和系统接口的特性，对系统进行分解判断，已成为行之有效的方法。本文结合维修实例介绍了位置环和速度环诊断方法。
1、位置环故障诊断如果位置伺服系统的位置反馈和速度反馈各自采用一个反馈器件，可以断开位置环的控制作用，让速度环单独运行，以便判断故障出自位置环还是速度环。断开位置环的控制作用，可以采用两种方法：机械断开，即断开位置反馈编码器与伺服电动机之间的传动连接。
电气断开，即断开位置反馈编码器与系统的连接。如果需要屏蔽位置反馈断线报警，应按连接位置反馈输入信号线。在位置开环状态下进行维修测试时，不允许给被测试轴任何方式的移动指令，否则将引起伺服电动机失控免烧砖机。
例：CK6140A数控车床出现镗孔表面有振纹，在排除机械和工装因素后，对X轴伺服系统进行检查。机床数控系统为FANUC3T，伺服放大器为FANUCH系列直流伺服。观察X轴在停止和慢速移动时有不规则振动，初步判断X轴位置编码器与丝杠连结有间隙或速度环不稳定。检查编码器连轴节正常。由于X轴伺服系统有两个编码器，分别用于位置反馈和速度反馈，可以将位置反馈编码器与伺服电机之间的机械连接断开，以便作进一步的判断。
首先用支撑物支撑X轴滑台，将X轴电动机和丝杠的传动皮带拿掉。启动磨粉机机床，X轴在位置开环状态下运行，在伺服放大器零漂的作用下电动机慢速转动（如果电动机几乎不转动，可适当调整控制板上偏置电位器RV2），此时电动机转到某一固定角度，总有打顿现象。由此可以认为速度环基本稳定，这可能是由于整流子在某一角度存在短路引起转速瞬间跌落，从而造成电机打顿现象。仔细清扫电动机整流子和电刷后，电动机运转平稳。恢复系统连接，X轴恢复正常。
例：CH-102数控车床Z轴移动出现一冲一冲的现象，速度越快，过冲越严重。停止时观察伺服诊断画面，Z轴跟踪误差稳定，接近于零。机床数控系统为SIMENS810GA2，伺服系统为SIMENS610。系统位置反馈和速度反馈各采用一只编码器。初步判断为伺服放大器超调或系统参数设定不良。首先调整系统参数MD2501（伺服增益）和MD2601（多种增益）无效。为进一步判断，断电拿掉Z轴位置反馈插头。由于该机床CNC报警不影响伺服上电，故可以不屏蔽反馈断线报警。先用导线短接Z轴伺服驱动使能控制端，再用一只1.5V电池经电位器分压给Z轴伺服放大器速度指令端，加上大约0.5V电压。机床上电，Z轴移动平稳，因此可以认为故障发生在位置反馈环节。用手拨动位置反馈编码器，联结无松动、损坏的感觉。交换X轴，Z轴位置反馈插头及速度指令控制线，试机故障仍在Z轴。此时可以认为故障仍在Z轴位置反馈，拆下Z轴位置反馈编码器，发现联轴节簧片上的一个螺钉已脱落。修复后，试机故障消除。如果位置反馈和速度反馈由一只反馈元件完成，位置反馈信号经转换电路变为速度控制信号，则要根据系统硬件具体特性和故障信息作出灵活判断。
例：CK6150AZ轴时有突然快速移动失控的现象，此时H系列直流伺服板上有TGLS报警。故障现象不稳定，关机再上电可能又恢复正常。TGLS报警的原因有：动力线未接或接反；无速度反馈或正反馈；机械锁死。由于Z轴伺服电动机速度反馈信号是由电动机尾部位置反馈编码器信号送入CNC主板，经混合IC模块F/V转换后获得，而且系统始终无位置反馈报警，所以初步判断是CNC至伺服放大器电缆和控制板的接触有问题。检查电缆和速度控制板正常。由于从故障发生到伺服保护关断只有一两秒钟，使用示波器或万用表难以观察到速度反馈信号的有无。进一步分析，位置反馈编码器的信号电平正常，而A、B两相信号不产生移动变化，则会产生上述故障。于是就更换Z轴位置编码器，机床恢复正常。这可能是原来的编码器光栅盘松动，与轴之间有相对位移或编码器内光源二极管接近失效，造成A、B信号不变化双色球。
2、速度环故障诊断在速度开环的方式下，对速度控制单元进行测试。该方法需要对系统硬件较熟悉，以避免误操作损坏部件。
例：一台维修过的FB15B-2直流伺服电动机安装到机床后失控。现象表明速度反馈不正常，检查尾部测速电动机电刷及引线正常。为测试测速电动机的性能，应做以下操作：将电动机固定可靠，连接动力线，不连反馈线；拿掉FANUCH系列伺服板上的S20短路跳线，取消TGLS报警使能；接通电源，伺服放大器在速度开环下运行，电动机处于2000r/min的高速运转中。此时测量测速电动机输出电压只有6V，正常的数据是14V，可以判定伺服电动机的测速电动机不正常。更换测速电动机，机床恢复正常。
例：DM3600数控车床出现主轴转速上不去，最高只有50r/min，且负载转矩显示很大。机床数控系统为三菱M3/L3，主轴伺服放大器的型号为FR-SF-2-11K-T。故障原因可能是：负载过大；主轴驱动功率模块或控制模块有故障；速度反馈不正常。检查机械传动良好，测量控制模块各测试点电压及功率模块正常，再检查主轴电动机至驱动单元之间反馈电缆和驱动运行参数也正常。设定驱动单元运行参数P00为1，给主轴运转指令，电动机在速度开环下低速运行，观察负载转矩几乎为零，由此可以判断速度反馈不正常。用示波器观察速度反馈波形，没有A相波形，打开电动机上方盖子，可以看到PLC输出电路板，重新拔插电路板上的小插头，再检测A相波形正常。恢复系统闭环运行，主轴运行正常。
如何判断和解决西门子伺服电机编码器故障
西门子伺服编码器如果是用 海德汉编码器，可以用海德汉PWM9或者PWM20仪器离线检测编码器输出信号是否有正常，如果是绝对式编码器PWM20还可以读取到什么报警。有这个需要可以寄给我帮你检测。可以私信联系
如何判断伺服电机与伺服驱动器的故障区别
看驱动器上的错误、报警号，然后查手册。如果连报警都没有了，那自然就是驱动器故障，当然，还有可能是根本伺服就没有故障，而是控制信号错误导致伺服没有动作。
除了看驱动器上的错误、报警号，然后查手册外，有时最直接判断方法是更换，如X与Z轴伺服换（型号相同才可以）。或修改参数，如把X轴锁住，不让系统检测X轴。
但应注意：X轴与Z轴互换，即使型号相同，进口设备也可能因为负载不同、参数不同而产生问题。当然，如果是国产设备，通常不会针对使用情况调整伺服参数，一般不会有问题。但应注意X轴与Z轴电机功率转矩是否相同、电机丝杆是否直联以及电子齿轮减速比方面事宜。
主轴伺服系统的故障诊断方法哪些
主轴伺服的主要作用是控制伺服电机伺服驱动器（servodrives）又称为“伺服放大器”、“伺服控制器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和力矩三种方式对伺服马达进行控制，实现高精度的传动系统定位，如今是传动技术的高端产品。伺服驱动器广泛应用于注塑机领域、纺织机械等领域。
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