2017毕业论文-数控机床进给系统的故障诊断与维修

断与维修

2017毕业论文-数控机床进给系统的故障诊断与维修 [摘要]进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，直接影响了加工工件的精度。

对它做好良好的维护与维修，是数控机床的关键。 ——介绍步进驱动系统的原理和主要特性作简单介绍后，列出了步进驱动系统的主要故障及排除，并列出相应维修实例。

——简介了进给伺服驱动系统，列出了进给伺服驱动系统的主要报警及处理、主要故障及排除，并列出了维修实例。 关键词；进给系统、诊断、维修。

数控机床进给系统的故障诊断与维修 前言 进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。

数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。 数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。

它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、

轮廓跟随精度、定位精度等。

一、数控机床对进给驱动系统的要求

（一）调速范围要宽 调速范围rn是指进给电动机提供的最低转速nmin和最高转速nmax之比，即： rn=nmin/nmax。

在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1∶10000）。

尤其在低速（如的H桥电路;对于三相混合式步进电动机则采用三相逆变桥电路,见图2-1 图2-1 步进电动机驱动电路 （三）步进驱动装置常见故障及排除 正如前所述，步进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，步进驱动系统常见如下故障： 1.电动机过热报警，可能原因及故障排除见表2-1。 表2-1：

步进电动机过热的报警综述 故障现象 可能原因 排除措施 有些系统会报警，显示电动机过热。

用手摸电动机，会明显感觉温度不正常，甚至烫手 工作

环境过于恶劣，环境温度过高 重新考虑机床应用条件，改善工作环境 参数选择不当，如电流过大，超过相电流 根据参数说明书，重新设置参数 电压过高 建议稳压电源 2.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。 引起此故障的可能原因见表2-2。

表2-2 工作过程中停车的故障综述 可能原因 检查步骤 排除措施 驱动电源故障 用万用表测量驱动电源的输出 更换驱动器 驱动电路故障 发生脉冲电路故障 电动机故障 绕组烧坏 更换电动机 电动机线圈匝间短路或接地 用万用表测量线圈间是否短路 杂物卡住 可目测 消除外界的干扰因素 3.无力或者是出力降低或称“闷车”，即在工作过程中，某轴有可能突然停止，俗称“闷车”，可能原因见表2-3。 表2-3：

“闷车”的可能原因及排除措施 故障部位 可能原因 排除措施 驱动器端故障 电压没有从驱动器输出来 检查驱动器，确保有输出 驱动器故障 更换驱动器 电动机绕组内部发生错误 电动机端故障 电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落 电动机轴断 更换电动机 电动机定子与转子之间的气隙过大 专业电动机维修人员调整好气隙或更换电动机 外部故障 电压不稳 重新考虑负载和切削条件 会造成“闷车”的原因可能是：

负载过大或切削条件恶劣 重新考虑负载和切削条件 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，配置步进驱动系统的某轴突然停顿，而后，又继续走动。 此故障的可能原因具体综述见表2-4。 表2-4：

步进电动机失步或多步的可能原因及排除措施 可能原因 检查步骤 排除措施 负载过大，超过电动机的承载能力 重新调整加工程序切削参数 负载忽大忽小 是否毛坯余量分配不均匀等 调整加工条件 负载的转动惯量过大，启动时失步、停车时过冲 可在不正式加工的条件下进行试运行，判断是否有此想象发生 重新考虑负载的转动惯量 传动间隙大小不均 进行机械传动精度的检验 进行螺距误差补偿 传动间隙产生的零件有弹性变形 重新考虑这种材料的工件的加工方案 （四）步进电动机常见故障及维修 常见故障见表2-5。 表2-5：

步进电动机常见故障综述 故障现象 可能原因 排除措施 电动机尖叫 CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的 正确设置参数 电动机不能旋转 保险丝是否熔断 更换保险丝 动力线短线 确保动力线连接良好 参数设置不当 依照参数说明书，重新设置相关参数 电动机卡死 主要是机械故障，排除卡死的故障原因，经验证，确保电动机正常后，方可继续使用 生锈或故障 更换步进电动机 电动机

发热异常 动力线R、S、T连线不搭配 正确连接R、S、T线 三、进给伺服驱动系统介绍

（一）进给伺服驱动系统的组成及分类 1.进给伺服驱动系统的组成 数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元，驱动单元，机械传动部件，执行机构和检测反馈环节等组成。 驱动控制单元和驱动单元组成伺服驱动系统。 机械传动部件和执行机构组成机械传动系统。 检测元件和反馈电路组成检测装置，也称检测系统。 进给伺服系统的任务就是要完成各坐标轴的位置控制。 数控系统根据输入的程序指令及数据，经插补运算后得到位置控制指令，同时，位置检测装置将实际位置监测信号反馈于数控系统，构成全闭环或半闭环的位置控制。 经位置比较后，数控系统输出速度控制指令至各坐标轴的驱动装置，经速度控制单元驱动伺服电动机滚珠丝杠传动实现进给运动。

伺服电动机上的反馈装置将转速信号反馈回系统与速度控制指令比较，构成速度反馈控制。

因此，进给伺服系统实际上是外环为位置环、内环为速度环的控制系统。

对进给伺服系统的维护及故障诊断将落实到位置环和速度环上。

组成这两个环的具体装置有：

用于位置检测的有光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅等；用于转速检测的有测速发电动机或光电编码器等。

2.进给伺服驱动系统的分类 按伺服进给系统使用的伺服类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分直流伺服驱动系统和交流伺服驱动系统两大类。

下面将分别按直流伺服驱动系统、交流伺服驱动系统来阐述其维修与维护的相关知识。

（二）直流进给驱动系统的介绍 1.交流伺服系统的组成 交流伺服系统主要由下列几个部分构成，如图3-1所示。 （1）交流伺服电动机。

可分为永磁交流同步伺服电动机，永磁无刷直流伺服电动机、感应伺服电动机及磁阻式伺服电动机； （2）PWM功率逆变器。

可分为功率晶体管逆变器、功率场效应管逆变器、IGBT逆变器（包括智能型IGBT逆变器模块）等。 （3）微处理器控制器及逻辑门阵列。

可分为单片机、DSP数字信号处理器、DSP+CPU、多功能DSP（如TMS320F240）等； （4）位置传感器（含速度）。 可分为旋转变压器、磁性编码器、光电编码器等； （5）电源及能耗制动电路； （6）键盘及显示电路； （7）接口电路。

包括模拟电压、数字I/O及串口通讯电路 （8）故障检测，保护电路。

键盘、显示 RS232 I/o DSP 逻辑门阵列 模拟输入 电源、制动 IGBT 逆变器 交流 伺服 电动机 故障检测、保护 位置传感器 图3-1 交流伺服系统组成 2.交流伺服电动机的简介 交流伺服电动机可依据电动机运行原理的不同，分为感应式（或称异步）交流伺服电动机、永磁式同步电动机、永磁式无刷直流伺服电动机、和磁阻同步交流伺服电动机。 这些电动机具有相同的三相绕组的定子结构。

目前市场上的交流伺服电动机产品主要是永磁同步伺服电动机及无刷直流伺服电动机。

四、进给伺服驱动系统常见故障及排除

（一）进给伺服系统常见的故障及处理 1.机床振动指的是机床在移动式或停止时的振荡、运动时的爬行、正常加工过程中的运动不稳等等。

故障可能是机械传动系统的原因，亦可能是伺服进给系统的调整与设定不当等等。

（1）开停机时振荡的故障原因、检查和处理方法见下表4-1。

表4-1 机床振动的原因与检查、处理方法 项目 故障原因 检查步骤 措施 1 位置控制系统参数设定错误 对照系统参数说明检查原因 设定正确的参数 2 速度控制单元设

定错误 对照速度控制单元说明或根据机床厂提供的设定单检查设定 正确设定速度控制单元 3 反馈装置出错 反馈装置本身是否有故障 更换反馈装置 反馈装置连线是否正确 正确连接反馈线 4 电动机本身有故障 用替换法，检查是否电动机有故障 如有故障，更换电动机 5 振动周期与进给速度成正比 故障原因：

机床、检测器、不良，插不精度差或检测增益设定太高 若插补精度差，振动周期可能为位置检测器信号周期的1或2倍；若为连续振动，可能是检测增益设定太高。

检查与振动周期同步的部分，并找到不良部分 更换或维修不良部分，调整或检测增益 2.机床定位精度或加工精度差 机床定位精度或加工精度差可分为定位超调、单脉冲进给精度差、定位点精度不好、圆弧插补加工的圆度差等情况。 其故障的原因、检查和处理方法见表4-2。

表4-2 机床定位精度和加工精度差的原因与检查、处理方法 项目 故障原因 检查步骤 措施 超调 1 加/减速时间设定过小 检测起、制动电流是否已经饱和 延长加/减速时间设定 2 与机床的连接部分刚性差或连接不牢固 检查故障是否可以通过减小位置环增益改善 减小位置环增益或提高机床的刚性 单脉冲精度差 1 需要根据不同情况进行故障分析 检查定位时位置跟随误差是否正确 若正确，见第2项，否则第3项 2 机械传动系统存在爬行或松动 检查机械部件

的安装精度与定位精度 调整机床机械传动系统 3 伺服系统的增益不足 调整速度控制单元扮傻姑娘的相应旋钮，提高速度环增益 提高位置环、速度环增益 定位精度不良 1 需根据不同情况进行故障分析 检查定位是位置跟随误差是否正确 若正确，见第2项，否则第3项 2 机械传动系统存在爬行或松动 检查机械部件的安装精度与定位精度 调整机床机械传动系统 3 位置控制单元不良 更换位置控制单元板（主板） 更换不良板 4 位置检测器件（编码器、光栅）不良 检测位置检测器件（编码器、光栅） 更换不良位置检测期间（编码器、光栅） 5 速度控制单元控制板不良 维修、更换不良板 圆弧插补加工的圆度差 1 需根据不同情况进行故障分析 测量不圆度，检查周向上是否变形，45°方向上是否成椭圆 若轴向变形，则见第2项，若45°方向上成椭圆，则见第3项 2 机床反向间隙大、定位精度差 测量各轴的定位精度与反向间隙 调整机床，进行定位精度、反向间隙的补偿 3 位置环增益设定不当 调整控制单元，使同样的进给速度下各插补轴的位置跟随误差的差值在±1%以内 调整位置环增益以消除各轴间的增益差 4 各插补轴的检测增益设定不良 在项目3调整后，在45°上成椭圆 调整检测增益 5 感应同步器或旋转变压器的接口板调整不良 检查接口板的调整 重新调整接口板 6 丝杠间隙或传动系统间隙 测量、重新调整间隙 调整间隙或改变间隙补偿值 3.位置跟随误差

超差报警 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。

主要原因及排除见表4-3。 表4-3：

位置跟随误差超差报警的原因及处理 故障原因 检查步骤 措施 伺服过载或有故障 查看伺服驱动器相应的报警指示灯 减轻负载，让机床工作在额定负载以内 动力线或反馈线连接错误 检查连线 正确连接电动机与反馈装置的连接线 伺服变压器过热 查看相应的工作条件和状态 观察散热风扇是否工作正常，作好散热措施 保护熔断器熔断 输入电源电压太低 用万用表测量输入电压 确保输入电压正常 伺服驱动器与CNC间的信号电缆连接不良 检查信号电缆的连接，分别测量电缆信号线各引脚的通断 确保信号电缆传输正常 干扰 检查屏蔽线 处理好地线以及屏蔽层 参数设置不当 检查设置位置跟随误差的参数，如：

伺服系统增益设置不当，位置偏差值设定错误或过小 依参数说明书正确设置参数 速度控制单元故障 都可以用同型号的备用电路板来测试现在的电路板是否有故障 如果确认故障，更换相应电路板或驱动器 系统主板的位置控制部分故障 编码器反馈不良 用手转动电动机，看反馈的数值是否相符 如果确认不良，更换编码器 机械传动系统有故障 如:

进给传动链累计误差过大或机械结构连接不好而造成的传动间隙过大; 排除机械故障，确保工作正常 4.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，解除超程。

具体情况见表4-4 表4-4 超程故障的原因及排除 故障现象 可能原因 排除措施 系统出错，提示某轴硬件超程 零件太大，不适合在此机床上加工 重新考虑加工次零件的条件 伺服的超程回路短路 此次检验超程回路，避免超程信号的误输入 系统报警，提示某轴软超程 程序错误 重新编制程序 刀具起点位置有误 重新对刀 5.超过速度控制范围（一般CRT上有超速的提示）速度控制单元超速的原因及排除见表4-5：

表4-5 超速的报警及处理 故障原因 检查步骤 排除措施 测速反馈连接错误 用万用表测量各端子极性 按相应端子连接好反馈线 检测信号不正确或无速度与位置检测信号 检查联轴器、与工作台的连接是否良好 正确连接工作台与联轴器之间的连接 速度控制单元参数设定不当或设置过低 检查相应参数是否不当，如加减速捷速时间常数设置过小 重新设置参数 位置控制板发生故障 检查来自F/V转速的速度反馈信号为输入到速度控制单元工作是否正常 更换位置控制板或驱动器 （二）交流伺服电动机的故障诊断及维修 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，维修实应对作如下检查： （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？等等。 2.交流伺服电动机常见的故障有： 故障现象 可能原因 排除措施 接线故障如：

插座脱焊或端子接线松开 虚焊，连接不牢固 确保连接正常且稳定 位置检测装置故障 检验其是否有输出信号 更换反馈装置 得电不松开、失点不吸合制动 电磁制动故障 更换电磁阀 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。 3.交流伺服故障判断的方法有：

(1)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。

(2）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，转子又返回现象；如果用手转动转子时能连续转几圈并自由停下，该已损坏；如果用手不动或转动后无返回，机械部分可能有故障。

4.脉冲编码器的更换 如交流伺服的脉冲编码器不良，就应更换脉冲编码器。

更换编码器应按规定步骤进行（请参照相应安装说明书）。 注意，原联接部分无定位标记的，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应注意开关的出线顺序。

平时，不应敲击上安装位置检测装置的部位。

另外，伺服一般在定子中埋设热敏电阻，当出现过热报警时，应检查热敏电阻是否正常。 五、进给驱动系统的维护

（一）直流伺服电动机的维护 1.存放要求 不要将直流伺服电动机长期存放在市外，也要避免存放在适度高，温度有急剧变化和多尘的地方，如需存放一年以上，应将电刷从电动机上取下来，否则容易腐蚀换向器，损坏。

2.当机床长期不运行时的保养 当机床长达几个月不开动的情况下，要对全部电刷进行检查，并要认真检查换向器表面是否生锈。

如有锈，要用特别缓慢的速度，充分、均匀的运转。 经过1～2h后再行检查，直至处于正常状态，方可使用机床。

3.电动机的日常维护 ①每天在机床运行时的维护检查。 在运行过程中要注意观察的旋转速度；是否有异常的振动

和噪声；是否有异常臭味；检查电动机的机壳和轴承的温度；②定期维护。

由于直流伺服电动机带有数对电刷，旋转时，电刷与换向器摩擦而逐渐磨损。

电刷异常或过度磨损，会影响工作性能，所以对直流伺服电动机的日常维护也是相当必要的。 要每月定期对电刷进行清理和检查。

数控车床、铣床和加工中心的直流伺服应每年检查一次，频繁加、减速的机床（如冲床等）中的直流伺服应每两个月检查一次，检查步骤如下：

（1）在数控系统处于断电状态且已经完全冷却的情况下进行检查。

（2）取下橡胶刷帽，用螺钉旋具刀拧下刷盖取出电刷。 （3）测量电刷长度，如FANUC直流伺服电动机的电刷由10mm磨损到小与5mm时，必须更换同型号的新电刷。 （4）仔细检查电刷的弧形接触面是否有深沟或裂痕，以及电刷弹簧上有无打火痕迹。

如有上述现象，则要考虑的工作条件是否过分恶劣或本身是否有问题。

（5）用不含金属粉末及水分的压缩空气倒入装电刷的刷握孔吹净粘在刷握孔壁上的电刷粉末。

如果难以吹净，可用螺钉旋具尖轻轻清理，直至孔壁全部

干净为止，但要注意不要碰到换向器表面。 （6）重新装上电刷，拧紧刷盖。

如果是更换了新电刷，要使空运性跑合一段时间，以使电刷表面与换向器表面温和良好 （二）交流伺服电动机的维护 交流伺服电动机与直流伺服电动机相比，最大的优点是不存在电刷维护的问题。

应用于进给驱动的交流伺服电动机多采用交流永磁同步电动机，其特点是磁极是转子，定子的电枢绕组与三相交流电枢绕组一样，但它有三相逆变器供电，通过转子位置检测其产生的信号去控制定子绕组的开关器件，使其有序轮流导通，实现换流作用，从而使转子连续不断地旋转。 转子位置检测器与转子同轴安装，用于转子的位置检测，检测装置一般为霍尔开关或具有相位检测的光电脉冲编码器。

结论 毕业论文是本学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的进给系统诊断与维修，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。

这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。

虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。

和老师的沟通交流使我对进给系统有了新的认识也对自己提出了新的要求，提高是有限的但提高也是全面的，这必然会让我在未来的工作学习中表现出更高的应变能力，更强的沟通力和理解力。

从不知道毕业论文怎么写，到顺利如期的完成本次毕业论文，这给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心， 只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新问题新技术的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

结束语 本次论文的编写，由于经验和知识的欠缺，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有张一老师的督促指导，以及同学们的帮助，我自己是很难单独完成这个毕业论文的。

在这里首先要感谢我的指导老师张一老师。

张一老师平日工作很多，但在我做毕业论文的每个阶段，从最初的选择题材到论文的完成，张一老师给了我很大的帮助。

不但认真给我讲解在写论文中间遇到的一些难题，还不定时的检查并改正其中的错误。

他的严谨治学和认真负责的精神也是我永远学习的榜样。 然后，还要感谢大学三年来所有的老师，陪伴我走过即将踏上社会的日子，我的论文因为老师的重视和关心，才能顺利完成。

谢谢老师！祝老师工作顺利！祝学院更加美好！ [参考文献] [1]孙汉卿.数控机床维修技术[M].北京:高等教育出版社，2005. [2]曹琰.数控机床应用与维修[M].北京:电子工业出版社，1994. [3]王兆义.电工电子技术基础[M].北京:高等教育出版社，2006. [4]钱平.交直流条数控制系统[M].北京： 高等教育出版社，2005. [5]廖兆荣.数控机床电气控制[M]北京：

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