1.前言

　　隨著科學技術和社會生產的不斷發展，機械制造技術有了深刻的變化。隨著數控技術越來越廣泛的應用，人們對數控機床故障與診斷技術的要求也越來越高。在數控機床的諸多故障中，伺服系統的故障由于其結構和控制上的復雜性以及在數控機床中所占地位的重要性而顯得尤為特殊，同時對維修人員維修水平的要求也相對要高。在下面文章中，就先從伺服系統的控制原理出發，分析FAUNC 0i-mate伺服系統典型故障的分析及排故的過程。

2.數控機床的伺服系統

　　2.1 數控機床的組成

　　數控機床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電機拖動、自動控制、檢測等技術為一體的自動化設備。

　　數控機床的基本組成包括加工程序、輸入裝置、數控系統、伺服系統、輔助控制系統、反饋系統及機床本體。

　　2.2 數控機床的伺服系統

　　2.2.1 概述

　　數控機床伺服系統（Servo System）通常是指進給伺服系統，它是數控系統和機床機械傳動部件間的聯接環節，是數控機床的重要組成部分。進給伺服系統是以機床移動部件位置為控制量的自動控制系統，它根據數控系統插補運算生成的位置指令，精確地變換為機床移動部件的位移，直接反映了機床坐標軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。

　　從位置控制的角度看，伺服系統有開環、閉環和半閉環之分。開環控制不需要位置檢測與反饋；閉環和半閉環控制需要有位置檢測與反饋環節，它們是基于反饋控制原理工作的。

　　2.2.2 伺服系統的組成

　　位置閉環或半閉環伺服系統由位置檢測裝置、位置控制、伺服驅動裝置、伺服電動機及機床進給傳動鏈組成，如圖2.1所示。

　　閉環伺服系統的一般結構通常由位置環和速度環組成。速度環由伺服電動機、伺服驅動裝置、測速裝置及速度反饋組成；位置環由數控系統中的位置控制、位置檢測裝置及位置反饋組成。

　　2.2.3 伺服系統的工作原理

　　2.2.3.1 位置控制

　　位置控制是伺服系統的重要組成部分，是保證位置控制精度的重要環節。位置控制的實質是位置隨動控制，其控制原理如圖2.2所示。

　　2.2.3.2 伺服系統的工作原理

　　在位置控制中，根據插補運算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋來的機床坐標軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經變換得到速度給定電壓。在速度控制中，伺服驅動裝置

　　根據速度給定電壓和速度檢測裝置反饋的實際轉速對伺服電動機進行控制，以驅動機床傳動部件。

　　2.2.3.3 速度控制信號的實現方式

　　經位置控制的比較獲得的位置偏差均以脈沖的形式存在，該位置偏差經一定的轉換后，形成速度控制信號，該信號通過伺服驅動裝置驅動伺服電動機。從位置偏差到速度控制信號的形成如圖2.3所示。

　　速度指令Vc=位置偏差Pe×位置增益KV

　　位置增益KV決定了速度對位置偏差的響應程度，它反映了伺服系統的靈敏度。

3.FAUNC 0i-mate-TC伺服系統

　　3.1 FAUNC 0i-mate-TC伺服系統的特點

　　在FAUNC 0i-mate-TC伺服系統中，位置環、速度環和電流環的電路都被設計在數控系統內部，作為系統控制的一部分，通常叫做軸卡（AXES CARD）。該部分實現了位置、速度和電流的控制，最終將被三角波調制后的PWM信號輸出到伺服功率放大器。圖3.1為FAUNC 0i-mate伺服系統結構示意圖。

　　3.2 FAUNC 0i-mate的伺服參數

　　FAUNC 0i-mate的系統參數有幾千個之多，其中與伺服有關的參數分別是：

　　1）參數1010：CNC控制軸數。

　　2）參數1020：各軸的編程名稱

　　3）參數1022：基本座標系中各軸的順序

　　4）參數1023：各軸的伺服軸號。

　　5）參數1825：各軸的伺服環增益。

　　6）參數1826：各軸的到位寬度。

　　7）參數1827：設定各軸切削進給的到位寬度。

　　8）參數1828：各軸移動中的最大允許位置偏差量。

　　9）參數1829：各軸停止中的最大允許位置偏差量。

　　10）參數1420：各軸快移速度的最大值。

　　11）參數1422：各軸切削進給速度的最大值。

　　12）參數1423：各軸手動連續進給速度的最大值。

　　其中，決定伺服軸能否正常運動的參數有1825#、1828#、1829#、1420#、1422#及1423#參數。

　　總之，上述參數若出現沒有設置或設置不正確的問題，則勢必會影響到伺服軸的正常運行，由此將引發伺服故障。我們將由于參數問題引發的數控機床故障稱之為“軟件故障”。

4.伺服系統的典型故障及診斷

　　4.1 進給伺服的故障形式

　　進給伺服系統的任務是完成各坐標軸的位置控制，在整個系統中它又分為：位置環、速度環、電流環。在這些環節中，任何一個環節出現異常或故障都會對伺服系統的正常工作造成影響。下面就以出現頻率較高又最有代表性的故障：“隨動誤差大”的報警作為典型伺服故障進行詳細的分析。

　　4.2 CK0625數控車床X軸“隨動誤差大”報警的分析與修復

　　故障機床：南京日上公司的數控車床

　　控制系統類型：FANUC 0i-mate-TC

　　故障現象：機床上電后，點動方式下手動移動X軸，X軸不動，接著CRT上出現“411.隨動誤差大X軸”報警，同時設備二次電掉電，每次都如此。

　　故障分析：對于“隨動誤差大”的故障，其實質是運動軸的實際位置與理論位置（即位置給定）之間的累計誤差值超過了該軸參數中規定的允許值，故障有可能出現在硬件或軟件兩個方面。

　　4.2.1 軟件原因

　　就是伺服參數設定的問題。這時可以檢查1825#參數，看看該軸的伺服環增益是否設置得過小，可相應地提高伺服增益；或者看1828#參數，該軸移動中的最大允許位置偏差量是否太小，若太小則增大這個值；其次，檢查1423#參數及1424#參數，看軸手動連續進給（JOG進給）時的進給速度或手動快速進給是否過大，可適當減小設置。

　　但我們的故障現象是X軸根本沒動，因此與速度設定無關；1825#參數和1828#參數的設定內容與正常時一樣，因此，也不是位置增益或最大允許位置偏差量太小的問題。

　　4.2.2 硬件原因

　　本著由外及內、先易后難的排故原則，做如下操作：

　　1）是否為機械方面的問題，如電機與絲杠的連接問題、電機軸承問題、潤滑問題等。

　　排除方法：手動移動該軸的同時，在CRT上監測電機的負載變化情況，若負載超過額定負載的100%，則說明確實存在機械卡死；若負載正常，則可以推翻這個懷疑。運用該方法，我們發現手動移動X軸時，直到報警出現，負載都非常正常且最大不超過額定負載的8%，說明X軸隨動誤差大并不是由于機械原因造成的。

　　2）位置檢測元件、控制模塊或電氣連接等方面的問題。

　　排除方法：通過交換法進行判斷。首先交換X軸與Z軸的功率放大器，結果依然出現X軸隨動誤差大的報警，說明X軸的功率放大器沒有問題。

　　其次，把兩軸電機動力線進行對換，為了保證每個軸閉環的完整性，此時還得將兩軸的脈沖編碼器的反饋線進行對換。其實，這種操作就等同于兩個電機的交換，只不過挪動電機不方便而已。結果，X軸可以手動運行了，也沒有報警出現，而在手動運行Z軸時，則出現了與先前X軸一樣的故障情況，即不但Z軸不動反而出現了“411隨動誤差大Z軸的報警。這足以說明問題出在電機側。在對X軸電機進行靜態測量時，發現電機上連接動力線的插座中，有一根插針彎了，使得三相動力電源中有一相沒能接到電機上，造成X軸電機缺相，電機無法運動進而產生上述故障。將彎曲的插針弄直，電機連接恢復正常后上電，再次運行X軸及Z軸，則一切正常。到此為止，故障修復。

5.結束語

　　數控機床伺服系統故障的診斷，要求維修人員必須明白伺服控制的原理，熟悉數控機床伺服系統的連接情況，還要具有清晰的思維和正確的分析方法，只有這樣才能取得事半功倍的維修效果。以上內容是筆者多年維修工作的一點經驗之談，無論在理論論述上還是排故的具體方法上都還存在不足之處，敬請同行批評指教。