进给伺服系统故障形式及诊断方法详解

1.常见的进给伺服系统

（1）直流进给伺服系统

1）FANUC直流伺服系统 早期的FANUC直流进给系统有直流可控硅伺服单元和直流PWM伺服单元两类，而前者早已被淘汰。直流PWM伺服单元有单轴或双轴两种，型号为A06B-6047-H×××，主回路有整流桥，可将三相185V交流电变成300V直流，再由四路大功率晶体管的导通和截止宽度来调整输出到直流伺服电动机的电压，以达到调节电动机的速度。有两个无熔丝断路器、接触器、放电二极管，放电电阻等。其控制电路板的作用是接受系统的速度指令（0～+10V模拟电压）和速度反馈信号，给主回路提供六路触发脉冲。直流PWM伺服单元被较早期的系统如FS3、6、0A等采用。

2）SIEMENS直流伺服系统SIEMENS的直流驱动一般都是采用SCR速度控制单元，常用于20世纪80年代中期以前进口的数控机床上，配套的CNC系统有SIEMENS 3、6、8、PRIMOS系统等。常用的规格有6RA26××-6MV30与6RA26××-6DV30两种，其中6MV30用于电枢电压为DC200V的直流伺服电动机驱动，6DV30用于电枢电压为DC400V的直流伺服电动机驱动，最大输出电流均可以达到175A。驱动器一般与1HU系列永磁式直流伺服电动机与1GS系列他励直流伺服电动机配套，组成数控机床的伺服进给驱动系统。驱动系统与CNC的位置控制系统配合，位置增益可以达到30s^-1以上，适用于大部分数控机床的位置控制。

（2）交流进给系统

1）FANUC交流进给系统

①早期的FANUC交流进给系统采用交流模拟伺服单元，有单轴、双轴或三轴结构三种类型，型号为A06B-6050-H×××。主回路比直流PWM伺服多一组大功率晶体管模块，其他与直流PWM结构相似，控制板的作用原理与其基本相同。被较早期系统，如FS3、6、0A、10/11/12、15E、15A、0E、0B等常采用。

②交流S系列伺服单元同样也有单轴、双轴或三轴结构，型号为A06B-6057-H×××。主回路与交流模拟伺服单元的相似，控制板有较大改变，它只接受系统的六路脉冲，并将其放大，送到主回路的晶体管的基级。主回路将电动机的U、V两相电流转换为电压信号，并经控制板送给系统。被FS0、16/18A、16/18E、15E、10/11/12等系统采用。

③交流C系列伺服单元有单轴、双轴结构，型号为A06B-6066-H×××，主回路体积明显减小，将原来的金属框架式该改为黄色塑料外壳的封闭式，从外面看不到电路板，维修时需打开外壳。主回路有一个整流桥、一个IPM或晶体管模块、一个驱动板、一个报警检测板、一个接口板、一个焊接到主板上的电源板，需要外接100V交流电源提供接触器电源。

④交流α系列伺服单元SVU和SVUC有单轴、双轴或三轴三种结构，SVU的型号为A06B-6089-H×××，SVUC的型号为A06B-6090-H×××，可替代SVUC系列伺服，结构与外形和SVUC系列相似。电路板有接口板和主控制板，电源、驱动和报警检测电路都集成在主控制板上，无100V交流输入。常用于不配备FANUC交流主轴电动机系统的机床上，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。被FS0C、0D、16/18C、15B、i系列数控系统采用。

⑤交流α系列伺服单元SVM有单轴、双轴或三轴三种结构，型号为A06B-6079-H×××。将伺服系统分成三个模块：PSMi（电源模块）、SPMi（主轴模块）和SVM（伺服模块）。SVM不能单独工作，必须与PSMi一起使用。其结构为：一块接口板、一块主控制板、一个IPM模块（智能晶体管模块），无接触器和整流桥。被FS0C、0D、16/18C、15B、i系列数控系统采用。

⑥交流β系列伺服单元，型号为A06B-6093-H×××。有两种结构形式：一种是I/O LINK控制形式控制刀库、刀塔或机械手，用LED显示报警号；另一种为伺服轴形式，由轴控制板控制，只有报警灯指示，无报警号，可在CNC系统的伺服诊断画面中查到具体的报警号。外部电源需要接三相交流200V和直流+24V电源，具有外部急停、外接放电电阻及其过热线接口。被FS0C、0D、16/18C、15B、i系列数控系统采用。多用于小型数控机床或刀库、机械手等的定位控制上。

2）SIEMENS交流进给伺服系统

①早期SIEMENS公司常用的交流模拟式伺服系统主要有6SC610系列、6SC611A系列两种规格。

6SC610系列产品为SIEMENS公司早期的模拟型交流伺服驱动产品，它主要与该公司的1FT5系列交流伺服电动机配套，作为数控机床的进给驱动系统使用。系统以±10V模拟量作为速度给定指令，内部采用速度、电流双闭环控制，PWM调制。该系列产品的伺服驱动共用整流电源，其轴调节器模块与功率驱动模块可根据机床需要选择。最大可以安装6个轴的调节器模块与功率驱动模块，输入电压为三相交流165V，直流母线电压为DC210V，6轴最大总功率可以达到40kW。

6SC611A系列产品是SIEMENS公司在6SC610基础上改进的模拟型交流伺服驱动产品。它与6SC610的主要区别是：主轴驱动器与伺服驱动器共用电源模块与控制总线，是一种进给轴、主轴一体化的结构形式，整体体积比6SC610系列缩小很多；其伺服驱动器主要与该公司的1FT4、1FT5、1FT6系列交流伺服电动机配套，系统仍然以±10V模拟量作为速度给定指令，其余性能与6SC610相似。

②SIEMENS公司常用的交流数字式伺服主要有6SC611D系列、6SC611U系列等规格。其中，SIEMENS 611U/Ue是目前SIEMENS常用的数字式伺服驱动系统，其基本结构与611A、611D相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。

SIEMENS 611U/Ue用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构形式，带有PROFIBUS DP总线接口，控制电动机的最高频率可以达到1400Hz。伺服驱动模块带有SIN/COS lV_pp增量编码器信号接口，编码器检测信号可以达到65535脉冲/转、350kHz，内部还可以进行128倍频；另外，也可以采用绝对编码器。SIEMENS 611U/Ue驱动器可以与SIEMENS公司的1FT6系列、1FK6系列伺服电动机或IFN系列直线电动机配套，对伺服驱动系统的速度与电流环进行闭环控制。该驱动器与数控系统配套后，通过CNC的位置环控制，构成全数字式伺服驱动系统。

③SINAMICS S120是西门子新一代的驱动控制系统，它是集V/F、矢量和伺服控制于一体的驱动系统，拥有多轴资源共享的理念和模块化的设计，能实现高效而又复杂的运动控制，其性能远远超过同类系统。

SINAMICS S120的产品包括：用于单轴控制的AC/AC驱动器和用于多轴控制共母线的DC/AC驱动器。SINAMICS S120的功率范围为0.12～4500kW，几乎适用于所有的生产机械。其特点如下：

多功能性：集多种控制模式于一体，适合于单轴或多轴驱动。一个多轴控制单元CU320能控制多个驱动轴，其轴数与控制模式有关。

伺服控制：6个驱动轴。

矢量控制：4个驱动轴、V/F控制、8个驱动轴。

进线电压：单向200～240VAC、三相380～480VAC和三相660～690VAC控制电动机类型：既能控制感应电动机，又能控制同步、力矩及直线电动机。

控制功能：既有高精度的速度控制功能，又具有简单定位功能，实现轴的相对和绝对定位。如果和上位的SIMOTION控制系统结合在一起，还能实现同步、凸轮等复杂的运动控制功能。

硬件的自动识别：各驱动组件之间是通过高速通信接口DRIVE-CLiQ来连接，因此主控单元CU320能自动识别各组件。

数据的快速交换：各组件借助DRIVE-CLiQ的通信连接，能够实现组件间的快速数据交换，任一组件都可以很方便地获取其他组件的数据，即一台驱动器能够获取另一台驱动器的数据（如速度和位置的实际值等）。(www.xing528.com)

灵活性：模块化设计，升级性强。可以根据实际需要来增加或减少相应的模块，或者来选择单轴或双轴功率模块。

友好的参数界面：图形化的参数界面易懂易学，可根据功能图的实时显示，来实现参数的动态调试和监控。

选型和配置：SIZER工具软件通过向导，方便快捷地来实现SINAMICS S120的硬件配置，并可以导出配置和订货清单。集成的PROFIBUS-DP接口，易于和其他控制系统连接，“电子铭牌”自动识别它们。可以说，这种系统是真正的“即插即用”，因为预先装配好的连接电缆只要插入插座即可，电动机的铭牌数据无需手工输入。

2.进给伺服系统的故障形式及诊断方法

（1）常见故障

在数控设备中，进给轴速度不稳定、振动等是比较常见的故障之一。进给故障一般可以从进给系统结构上进行分析。此类故障常伴有伺服单元过流、失速报警及数控系统的跟踪误差、轮廓监控或位置反馈失掉信号报警，并随着操作速度的改变而显示不同的报警结果，但有时故障较轻时可不发生任何报警，处理比较棘手。引起此故障的原因有多种，而较常见的原因是由伺服单元和位置反馈元件故障或机械故障所引起。对这类故障的解决，首先能否排除电气上的问题是很重要的，因为机械上的动手往往需要较大的工作量。而从另外一个角度来考虑，由于数控系统位置反馈元件是高精密器件，不可随便拆卸，弄不好会使机床精度下降，甚至损坏反馈元件本身。因此，对故障的判断最好能做到心中有数，如必须拆卸，拆卸时应十分小心。一旦出现故障时，不要急于下结论，要认真细致地分析，避免出现反复拆卸。在实际中，同样的故障现象有些很容易解决，而有些却较难处理。

进给伺服系统的常见故障如下：

1）超程 进给运动超过软限位或硬限位，CRT（LCD）报警。

2）过载 进给运动的负载过大、频繁正反转以及传动链润滑不良等引起，CRT（LCD）及伺服驱动单元都会有报警信息。

3）窜动 测速信号或速度控制信号不稳定、接线接触不良等引起。

4）爬行 发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑不良、伺服系统增益过低及负载过大、联轴器松动等引起。

5）振动 与进给速度有关，速度环增益太高或速度反馈有故障；与进给速度无关，位置环增益太高或位置反馈有故障；在加速过程中产生，减速时间设定过小。

6）伺服电动机不转 数控系统速度信号是否输出、使能信号是否接通、冷却润滑条件是否满足、电磁制动是否释放、驱动单元故障、伺服电动机故障。

7）位置误差 系统设置的公差过小、伺服增益设置不当、位置检测装置有污染、进给传动链累积误差过大、主轴箱垂直运动时平衡装置不稳。

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 有找不到和找不准参考点两种故障。前者主要是回参考点减速开关产生的信号或零标志脉冲信号失效所致，可用示波器检测信号；后者是参考点开关挡块位置设置不当引起，只要重新调整即可。

（2）故障诊断中几种常用的检测方法与手段

1）重复定位精度和定位精度检测 使用百分表打重复定位精度是很容易做到的。维修时，可采用下面的方法进行：操作数控机床在自动方式下往返较远距离，并在进给轴运动过程中调节进给倍率，使速度快速变化，并采用不同的往返速度（如有伺服过流报警或感觉有较大的机械阻力时，不易采用快速运动操作）。这样做的目的是为了检测数控机床位置环是否存在问题。当位置环性能不良时，速度快使位置反馈元件频率增高，特性变坏的位置反馈元件，往往高频率段特性更差。采用远距离和往返不同的速度，会使误差积累加大，这样有利于判断误差精度。好的位置环不会因此而产生精度变化。可以多做几次这样的测量，以便进行比较。定位精度检查有时也是必要的，维修中可使用百分表，以百分表最大行程内打定位精度，足以能够检查机械间隙和机械松动情况，对排除故障很有帮助。

2）利用NC系统内部诊断显示功能观察跟踪误差 除早期的某些数控系统外，后来的数控系统都配有NC维修诊断页面，供专业维修人员诊断故障用。通过NC伺服跟踪误差显示界面来显示跟踪误差的大小及稳定性，可进一步判断进给轴的性能。在某些情况下，这个界面也可进行位置反馈元件的实际运动位置计数性能测试，如在关断伺服轴的条件下，以变化的速度转动编码器若干圈，在CNC诊断界面下观察计数值是否符合设定要求，可判断编码器等的反馈是否存在、是否正确等。

3）利用机床设置的伺服维修诊断开关 可脱开CNC的位置环进行手动运动进给轴，这是快速脱开CNC位置环制约、检查伺服的最好办法。若机床设计有这种功能，当伺服维修开关打到诊断位置时，进给伺服维修诊断。

4）利用数控机床数据调整伺服控制的方式 改变位置监控跟踪误差大小、改变伺服增益、改变位置环增益参数等，观察伺服轴的响应。某些数控机床NC参数中可设定PARKING轴、FOLLO-UP轴等位信号，如CINCINNATI的ACRA-MATIC950（某些数控机床这些数据是包含在PLC与NC接口中，如SINUMER-IK 810、880、840C等，只能由PLC程序来控制），这样脱开位置环更容易些。然后由外部命令给定进给轴，观察进给轴的响应情况。

5）脱开驱动电动机检查伺服单元 可在NC手动方式下，小增量正向或负向点动进给命令，观察电动机运行情况。进给率不要太大，否则会引起NC超差报警，若适当放大NC跟踪误差参数值，可以放宽NC报警条件。在NC没有发生报警之前，NC的位置控制和伺服控制仍然起作用。当点动进给命令时，NC便向伺服单元发出进给命令。由于驱动电动机与机械部分脱开，位置反馈元件不能随动，故这时也相当于脱开了位置反馈。随着进给命令的加大，NC的跟踪误差也在加大。当超过了NC参数允许值时，NC将发出跟踪误差超差报警，并关断伺服控制和位置控制。适当加大NC跟踪误差参数的作用是可使NC进给命令值加大，从而可提高电动机转速，增加调速宽度，有利于检查分析故障。

6）脱开位置环（位置反馈元件不与机械一起运动）在没有配备伺服维修诊断开关的设备中，如故障较难确定其部位时，可脱开位置环。在NC手动方式下，小增量正向或负向点动进给轴，必要时可适当放大NC跟踪误差参数值。实际上，这种方法与上述的第5）项具有相似作用，只是电动机仍然拖动机械在运动。这种方法能检查脱开位置环时进给轴的运动情况，但应注意位置保护极限。如果反馈元件能够手动移动或转动时，可用手轻轻移动或转动反馈元件的可动部分，使NC产生位置偏差，再观察进给轴运行情况，可帮助判断故障。

7）断开NC伺服给定命令线 这相当于脱开NC位置反馈命令信号输出，可检查伺服单元的自身稳定性，很小的漂移属于正常现象。

8）使用示波器，观察反馈元件的输出电压波形 用示波器观察直流伺服单元的测速电动机的输出电压瞬间是否跌落；位置反馈元件如感应同步尺、旋转变压器的输出信号、激励信号幅值与相位关系，编码器、光栅尺等的A、B信号脉冲幅度及相位关系是否正确；设备的工作环境、使用状态和年限、某些反馈元件的安装位置、速度不稳的机械振动噪声大小等。总之，可根据具体设备结构、数控系统、伺服系统的类型寻求有效简单的方法。

上面介绍的方法不是唯一的，因为有些方法在某些数控系统中可能无法做到。如参数的修改与设定、无伺服维修开关、位置环实际能否脱开甚至有些数控设备上的数控系统和伺服系统之间很难找到测试点等，这就要求维修人员在设备现场灵活处理。