数控机床伺服系统中常见故障形式及诊断
摘要: 针对数控机床中伺服系统的故障形式、诊断及维护的简单阐述。
关键词: 数控机床；伺服系统；故障；诊断
Abstract：The article will indicates the opinions of form of failure 、diagnose and maintenance about servo system in numerical control machine。
Keywords: Numerical control machine ； Servo system ； Failure ； Diagnose
1．伺服系统的组成及工作原理
1.1伺服系统的概念
在自动控制系统中输出量以一定规律跟随输入量的变化而变化的系统称之为随动系统，
亦称伺服系统（伺服是英文“SERVO”的谐音）。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的
位移和速度作为控制量的自动控制系统。它主要是控制机床的进给运动，一般有X、Y、Z三
个坐标方向和主轴转速。
1.2伺服系统的作用
接受来自数控装置（CNC）的速度和位置指令信号，经过伺服驱动电路作一定的转换和
放大后，通过伺服驱动装置和机械传动机构驱动机床执行元件跟随指令脉冲运动，实现预期
的快速﹑准确的运动和进给。
1.3伺服系统的组成
数控机床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行元件和检测
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，机械传动部件和执行元件组
成机械传动系统，检测元件和反馈电路组成检测系统。
1.4伺服系统的工作原理
伺服系统是一种反馈控制系统。按照反馈控制理论，伺服系统需不断检测在各种扰动作
用下被控对象输出量的变化，并用其与指令值之间的偏差值对系统进行自动调节，以消除偏差，使被控对象输出量始终跟踪输入的指令值。因此，伺服系统的运动来源于偏差信号，其
工作过程是一个偏差不断产生又不断消除的动态过渡过程。
伺服系统的性能，在很大程度上决定了数控机床的性能和加工精度。数控机床的最大移
动速度、跟踪精度、定位精度及重复定位精度等重要技术指标均直接取决于伺服系统的动、
静态性能。因而，保障伺服系统的正常运行是数控机床维护中的关键。
2．主轴伺服系统的故障形式及诊断方法
数控机床对主轴要求在很宽的范围内转速连续可调，恒功率范围宽。如日立公司的
H.MARK-20D数控钻床，要求主轴转速的调节范围为20KRPM~120KRPM，以满足加工不同孔
径的PCB的需求。
主轴伺服系统发生故障的表现形式有：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LED或数码管显示驱动装置的故障代码；三是主轴工作不正常，但无任何报警信息。主轴伺服系统常见故障及诊断：
2.1环境干扰
当屏蔽或接地不良，主轴转速指令信号或反馈信号受外部环境的电磁干扰，使主轴驱动
出现无规律性的波动。判别方法：设定主轴转速指令为零，若主轴仍有转速，而调零速平衡
和飘移补偿无效。
2.2过载
切削用量过大，负载转矩超过最大值都可能引起主轴伺服过载报警。一般表现为主轴电
动机过热﹑变频器（对交流主轴驱动而言）显示过流报警﹑保险丝熔断等。如一台日立
H.MARK-10D数控钻床，由于一支钻头其柄直径偏差较大，在工作过程中，钻头下落，直至
刀柄切入PCB中无切削刃切削，导致主轴负载陡然上升，继而CRT显示主轴伺服过载信息，
检查发现该轴保险丝已熔断。
2.3主轴转速与进给不匹配
主轴转速与进给不匹配时，在切削过程中很容易折断刀具。判定故障点的方法：
1)参考CRT显示的报警信息。2)查看机床数据参数或I/O状态。
2.4转速偏离指令值
主轴转速不在正常范围时，可能的因素有：1)电机故障。2)CNC系统输出的转速模拟信号（一般为0~10V）与指令值不符。3)测速装置有故障或速度反馈信号断线。4)主轴驱动装置故障。例：一台MARK-7数控钻、铣两用机床开机自检，CRT显示转速没有归零。查看测速装
置LED指示与CRT显示报警信息一致，经检测为测速装置有故障，更换后故障解除。
2.5主轴异常噪声及振动
1)在减速过程中发生，一般由于驱动装置造成的。如交流驱动中的再生回路故障。
2)在恒转速时产生，观察主轴电机自由停车过程中有否异常，如仍存在，则主轴机械部
分有问题。
3)查看振动频率与转速是否有关。有，一般是机械部分或测速装置不良；无，应检查主
轴驱动装置是否调整好。例：一台日立H.MARK-10D数控钻床有一个主轴在钻孔过程中频繁
断钻头。检修时发现此轴在加上转速后有异常噪声，实测转速较给定值小，自由停车时间比
较其它主轴明显的要短。此主轴电机轴承为气浮结构，考虑到使用时间已较长，可能气浮部
分有问题。拆开主轴查看，果然是气浮轴承有些气孔被堵塞，气浮作用力不均匀，转子运转
失衡导致电机产生故障。
2.6主轴电机不转
CNC系统主轴驱动装置除了转速模拟控制信号外还有使能控制信号（一般为直流24V电
压控制使能继电器线圈）。
1)确定CNC系统是否有速度控制信号输出。
2)检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态以确定主轴的启动条件如气压﹑冷却
﹑主轴选择等是否满足。
3)主轴驱动装置﹑变频器故障。
4)主轴电动机故障。一般为轴承损坏。
3．进给伺服系统的故障形式及诊断方法
3.1进给伺服系统常见的故障有：
3.1.1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。此时上显示报警内容或报警信息，参考操作说明即可排除故障。
3.1.2过载
当进给运动的负载过大，频繁正反的运动以及进给传动链润滑状态不良时均会引起过载
报警。一般会在CRT上显示过载或过流等报警信息，在进给驱动单元上也会通过LED给出相
应提示。例：一台日立H.MARK-10D数控钻床在做检测钻头参数的动作时死机，片刻后CRT
显示Z轴伺服驱动器过载。经仔细观察发现，在机器做检测钻头参数的动作时，主轴压力脚
碰到了工作台上新换的托板（尺寸有偏差），致使检测动作不到位，伺服电动机驱动受阻，
相持一段时间后，伺服驱动器过载报警。
3.1.3窜动
在进给时窜动：
1)测速信号不稳定。如测速装置故障。
2)速度控制信号不稳定或受到干扰。
3)接线端子接触不良。如螺钉松动﹑接线折断等。发生在正反向换向瞬间，则可能是由
于传动链有间隙或伺服系统增益过大导致。
3.1.4爬行
发生在加减速进给时，一般是由于传动链润滑状态不良，伺服增益过低及外加负载过大
等因素所致。
3.1.5振动
观测振动周期是否与进给速度有关。
1)有关，与该轴的速度增益太高或速度反馈故障有关。
2)无关，与位置环增益太高或位置反馈故障有关。
3)只在加减速中产生，往往是加速度过大造成的。
3.1.6伺服电机不转
