伺服系统(Servo system)是数控机床的主要组成部分，由于它和机械部分有联接，所以出现故障的机会相对多一些。在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、调整与放大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过多轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。因此伺服系统故障是整个数控机床故障的一个重要部分。下面将结合实际工作中数控机床的故障现象，对伺服系统常见故障形式及诊断方法进行探讨。
1 参数设定错误故障
1)故障现象：1台配备有FANUC 16M数控系统的加工中心，在启动完成进入可操作状态后，X轴只要一运动就出现高频振荡，产生尖叫，系统无任何报警。
2)分析与处理过程：在故障出现后，观察X轴拖板，发现实际上拖板振动位移很小；但触摸输出轴可感觉到转子在以很小的幅度、极高的频率振动，且振动的噪声就来自X轴伺服单元模块。
考虑到振动无论是在运动中还是在静止时均发生，与运动速度无关，因而基本上可以排除测速发电机、位置反馈编码器等硬件损坏的可能性。
分析该振动可能是CNC系统中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的，且由于机床振动频率很高和电流环时间常数小导致。
由于FANUC 16M采用的是数字伺服，其参数的调整可以直接通过系统进行。维修时调出伺服调整参数界面，并与机床随机资料中提供的参数表对照，发现参数PARNl852、PARMl825与提供值不符，设定值见表1。将上述参数重新修改后，振动现象消失，机床恢复正常工作。
2 编码器故障
1)故障现象：某采用FANUC 0T数控系统的数控车床，开机后只要Z轴一移动，就出现剧烈振荡，CNC无报警，机床无法正常工作。
2)分析与处理过程：经仔细观察、检查，发现该机床的Z轴在小范围(2.5 mm以内)移动时，工作正常，运动平稳无振动；但一旦超过以上范围，机床即发生激烈振动。
根据这一现象分析，系统的位置控制部分以及伺服驱动器本身应无故障，初步判定故障在位置检测器件，即脉冲编码器上。
考虑到机床为半闭环结构，维修时通过更换电动机进行了确认，判定故障原因是由于脉冲编码器的不良引起的。
为了深入了解引起故障的根本原因，维修时作了以下分析与试验。
a．在伺服驱动器主回路断电的情况下，手动转动电动机轴，检查系统显示，发现无论电动机正转、反转，系统显示器上都能够正确显示实际位置值，表明位置编码器的A、B、*A、*B信号输出正确。
b．由于本机床Z轴丝杠螺距为5 mm，只要Z轴移动2 mm左右即发生振动，因此，故障原因可能与电动机转子的实际位置有关，即脉冲编码器的转子位置检测信号C1、C2、C4、C8信号存在不良。根据以上分析，考虑到Z轴可以正常移动2．5mm左右，相当于电动机实际转动180。，因此，进一步判定故障的部位是转子位置检测信号中的C8存在不良。
按照上例同样的方法，取下脉冲编码器后，根据编码器的连接要求(见表2)，在引脚N／T、J／K上加载DC5 V后，旋转编码器轴，利用万用表测量C1、C2、C4、C8，发现C8的状态无变化，确认了编码器的转子位置检测信号C8存在故障。
进一步检查发现，编码器内部的C8输出驱动集成电路已经损坏；更换集成电路后，重新安装编码器，并按上例同样的方法调整转子角度后，机床恢复正常。
3 伺服电动机故障
1)故障现象：1台配有FANUC FS-11M系统的加工中心，产生SV023和SV009报警。
2)分析与处理过程：SV023报警表示伺服电动机过载，产生的原因是电动机负载太大；速度控制单元的热继电器设定错误；伺服变压器热敏开关不良；再生反馈能量过大；速度控制单元印制线路板上设定错误。
SV009报警表示移动时误差过大，产生的原因是：数控系统位置偏差量设定错误；伺服系统超调；电源电压太低；位置控制部分或速度控制单元不良；电动机输出功率太小或负载太大等。
综合上述2种报警产生的原因，电动机负载过大的可能性最大。测定机床空运行时的电动机电流，结果显示超过电动机的额定电流。将该伺服电动机拆下，在电动机不通电的情况下，用手转动电动机输出轴，结果转动很费劲，这表明电动机的磁钢有部分脱落，造成了电动机超载。
4 伺服驱动器故障
1)故障现象：采用FANUC 0M数控系统的立式／jn-r中心，在加工过程中，出现ALM414报警，a伺服驱动器显示报警“8”。
2)分析与处理过程：该机床采用的是FANUCa系列数字伺服驱动系统，系统ALM414报警的含义为“X轴的数字伺服系统错误。a驱动器显示“8”，表示L轴(在机床上为X轴)过电流。
根据报警显示内容，通过机床自诊断功能，检查诊断参数DGN720，发现其第4位为“1”，即X轴出现过电流(HCAL)报警。FANUC数字伺服X轴产生HCAL报警的原因主要有：X轴伺服电动机的电枢线产生错误；伺服驱动器内部的晶体管模块损坏；X轴伺服电动机绕组内部短路；伺服驱动器的主板PCB损坏。
根据故障情况，由于发生故障前机床可以正常工作，故基本可以排除X轴伺服电动机联接错误的可能性。
测量X轴伺服电动机的电枢绕组，发现三相绕组电阻相同，阻值在正常的范围，故可以排除电动机绕组内部短路的原因。
检查伺服驱动器内部的晶体管模块，用万用表测得电源输入端的相间电阻只有6 Q，低于正常值。因此，可以初步判定驱动器内部晶体管模块损坏。经仔细检查确认晶体管模块已经损坏；更换一晶体管模块后，故障排除。
5 速度控制单元故障
1)故障现象：1台配有FANUC 7M系统的立式加工中心，开机时，系统出现ALM05、07和37号报警。
2)分析与处理过程：FANUC 7M系统ALM05报警的含义是“系统处于‘急停’状态”；ALM07报警的含义是“伺服驱动系统未准备好”；ALM37是y轴位置误差过大报警。分析以上报警，ALM05报警是由于系统“急停”信号引起的，通过检查可以排除；ALM07报警是系统中的速度控制单元未准备好，可能的原因有：电动机过载；伺服变压器过热；伺服变压器保护熔断器熔断；输入单元的EMG(INl)和EMG(IN2)之间的触点开路；输入单元的交流100 V熔断器熔断(F5)；伺服驱动器与CNC间的信号电缆连接不良；伺服驱动器的主接触器(MCC)断开。
ALM37报警的含义是“位置跟随误差超差”。综合分析以上故障，当速度控制单元出现报警时，一般均会出现ALM37报警，因此故障维修应针对ALM07报警进行。
在确认速度控制单元与CNC、伺服电动机的连接无误后，考虑到机床中使用的X、y、Z伺服驱动系统的结构和参数完全一致，为了迅速判断故障部位，加快维修进度，维修时首先将X、Z 2个轴的CNC位置控制器输出连线XC(Z轴)和XF(y)轴以及测速反馈线XE(Z轴)与XH(y轴)进行了对调。这样，相当于用CNC的y轴信号控制Z轴，用CNC的Z轴信号控制Y轴，以判断故障部位是在CNC侧还是在驱动侧。经过以上调换后开机，发现故障现象不变，说明本故障与CNC无关。
在此基础上，为了进一步判别故障部位，区分故障是由伺服电动机还是驱动器引起的，维修时再次将Y、Z轴速度控制单元进行了整体对调。经试验，故障仍然不变，从而进一步排除了速度控制单元的原因，将故障范围缩小到y轴直流伺服电动机上。为此，拆开了直流伺服电动机，经检查发现，该电动机的内装测速发电机与伺服电动机间的联接齿轮存在松动，其余部分均正常。将其联接紧固后，故障排除。
通过以上5个实例可以发现，伺服系统的故障诊断，虽然由于伺服驱动系统生产厂家的不同，在具体做法上可能有所区别，但其基本检查方法与诊断原理却是一致的。
6 结语
根据我们的维修经验，检查伺服系统的故障首先应该分析数控系统报警信息以及伺服系统的报警指示，仔细观察故障现象，根据伺服系统的工作原理和机床的电气原理图，对可疑的故障点逐一检查排除，在有条件的情况下采取互换法，最终确认故障原因，从而排除机床故障，提高数控机床的使用效率。
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本文标题：数控机床伺服系统故障诊断
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