加工中心直线电机故障诊断与维修
2026-6-1 来源：- 作者：张永富 徐冲 赵鹏宁 王 伟
［摘 要］针对加工中心直线电机故障问题，首先采用故障树分析法进行故障原因分析 ；其次按照由简单到复杂、由外部到内部的原则对可能的故障源进行排查，在排查出故障源后对故障源进行处理，同时分析故障源产生的根本原因，采取针对性改进措施 ；最后，故障排除和改进后对加工中心的各项精度进行检测，确认设备满足使用要求。
［关键词］故障诊断 ；故障树分析 ；直线电机 ；加工中心
传统数控机床的进给伺服系统大多采用伺服电机 + 滚珠丝杠的形式 [1]，为追求更高的进给速度、更快的伺服响应速度，部分精密数控机床的进给伺服系统采用直线电机驱动 [2]。由于取消了伺服电机到工作台之间的中间环节，采用直线电机驱动的精密数控机床机械结构相对简单，但电气控制相对复杂 [3]。
一台精密加工中心（以下简称“设备”），采用大理石床身和液体静压导轨，Y 轴采用直线电机驱动和光栅尺闭环控制，定位精度可达1μm。随着服役时间增长，设备偶发 Y 轴异响和振动。近期，设备频繁出现“Y 轴使能断开”“紧急停止”等报警，最终导致设备无法运行。首先采用故障树分析法分析可能导致 Y 轴故障的原因 ；其次按照由简单到复杂、由外部到内部的原则排查可能的故障源，排查出故障源后对可能造成故障的原因进行分析和针对性改进 ；最后对重新安装后的 Y 轴各项精度进行检测。
1、故障分析
设备同时出现了多条报警信息，首先需要判断出哪些信息是因为故障而触发，哪些信息是被连带触发。其次再针对提示信息进行故障分析。
通过多次重现故障发现，报警出现在所有轴使能加载完成后，同时每当 Y 轴移动时都会出现报警。根据出现报警的规律判断，由于 Y 轴出现故障导致其使能断开，从而使设备触发急停，随后断开其他轴使能。
通过故障树分析法，对可能导致 Y 轴使能断开的原因进行梳理。根据数控设备故障诊断维修先简单后复杂、先外部后内部、先机械后电气、先高概率后低概率等原则，对故障树中低层事件进行分级，再逐一进行排查。Y 轴使能断开故障树如图1所示。
图1 Y轴使能断开故障树
2、故障排查
2.1 Y轴负载排查
判断 Y 轴是否存在负载过大的情况。设备通电后，先启动液压装置，不进行使能加载。这时 Y 轴由于刹车未松开无法移动，因此手动导通刹车释放电磁阀释放刹车，然后手推 Y 轴，发现阻力较大，存在明显异常情况，但该阻力又不足以导致 Y 轴使能断开。
2.2 刹车系统排查
根据气动原理图，找到控制刹车气源的减压阀，检查气源压力满足要求。观察刹车回路管路状态，未发现管路挤压、折弯、堵塞等情况。
由于设备处于故障状态，无法通过系统对电磁阀进行控制。因此对 Y 轴刹车电磁阀进行外接电源，人为控制其导通与断开，经检查其功能正常。通过人为控制刹车电磁阀，对刹车气缸进行通气、断气。从触感上可以感觉到轻微动作变化，人眼无法观察到其动作过程，无法确认其是否完全松开。因此将刹车气缸从 Y 轴运动部件上拆除，然后再进行 Y 轴负载判断，发现无明显变化，仍存在阻力大的情况。Y 轴刹车原理如图2所示
图2 Y轴刹车原理
2.3 静压导轨排查
分析 Y 轴静压导轨液压原理，液压装置启动后 Y 轴上部的工作台被液压油托举浮起。检查过程中，在不启动液压装置时，将千分表表座吸附在不随液压装置启动而移动的部位，表针压在工作台上表面，然后启动液压装置对工作台4个角的浮起量进行检测。经过检测，4个角浮起量均为0.2mm，通过与使用说明书浮起量对比，Y 轴工作台浮起正常。Y 轴液压原理如图3所示。
图3 Y轴液压原理
2.4 电气参数排查
在设备断电情况下，使用数字式万用表检测 Y 轴直线电机三相绕组阻值，阻值均匀，无开路情况，检测绕组与PE 线之间阻值无穷大，无直接短路情况。脱开驱动器与电机之间的电缆，使用数字式绝缘表对电缆的绝缘进行检测，电缆相线之间及每相对 PE 线均为无穷大，电缆正常。检测 Y 轴直线电机绕组对 PE 线之间的绝缘电阻时发现，绝缘阻值存在异常波动，波动范围在 5~200MΩ，且多次测量数值相差较大。
通过故障现象及机械原理综合分析，Y 轴电机动子与Y 轴上部工作台连接在一起，Y 轴电机定子安装在 Y 轴下部的床身上。当液压装置启动时，Y 轴电机动子会随着工作台浮起而向上移动。因此 Y 轴电机动子与定子之间会在垂直方向上产生相对位移，进行电机绝缘电阻检测时液压装置处于停止状态。设备出现故障时液压装置处于启动状态，检测结果可能存在误差，因此进一步对电机绝缘进行检测。将设备通电，启动液压装置，松开 Y 轴刹车，模拟Y 轴正常上电后的状态，单独断开 Y 轴电源线，对电机绕组与 PE 线之间进行绝缘检测。检测过程中，推动 Y 轴发现，当 Y 轴运动到某个点时，绝缘阻值为 0MΩ。因此判断 Y 轴电机绕组对地短路。Y 轴直线电机电气参数检查结果见表1。
表1 Y 轴直线电机电气参数检查结果
3、故障维修
3.1 维修过程
确认 Y 轴电机绕组对地短路后，拆除设备防护，断开Y 轴相关电气线路、气动管路及液压管路，将 Y 轴机械部件从设备本体脱开。拆卸下 Y 轴电机动子部分后发现，电机动子绕组绝缘防护已失效，部分绕组已经变形翘起，电机绝缘防护破损如图4所示。
图4 电机绝缘防护破损
通过电机绕组的状态分析，当液压装置未启动时，绝缘层及绕组与定子之间存在间隙，检测绝缘时绕组与定子接触不充分，导致绝缘阻值不稳定 ；当液压装置启动时，绕组与定子接触充分，检测绝缘时阻值为0MΩ，同时由于动子与定子之间的摩擦，使工作台负载偏大。拆除 Y 轴电机动子，并对机械部件进行检查，导轨面干净、无划伤，经过测试油路通畅，无堵塞情况，静压导轨方面未见异常问题。
更换 Y 轴直线电机，恢复 Y 轴机械部件及电气线路、气动管路及液压管路后，启动液压装置，松开 Y 轴刹车，检查机械阻力正常，加载使能后设备无报警可正常运行。
3.2 维修效果
重新安装 Y 轴电机后，按出厂要求对 Y 轴相关精度进行调整、检测，Y 轴精度检测结果见表2。经检验，Y 轴维修后精度满足允差要求。
表2 Y轴精度检测结果
4、故障源辨识与改进
4.1 出厂质量
Y 轴电机绕组对 PE 线短路可能为电机出厂质量问题，如出厂时存在闸间绝缘不足等瑕疵，经过长期使用后质量问题暴露。但该设备服役时长已超过5a，出厂情况无法追溯。
4.2 绝缘破损
电机动子与定子之间存在间隙，若有大颗粒物进入其中，轴运动时会将动子表面绝缘材料损坏，使绕组裸露。观察动子表面未发现明显划痕，周围也未发现较大颗粒物，基本可排除该原因。
4.3 异常发热
经过对刹车传动机构的检查，未发现阻塞情况，更换电机后已确认机械阻力正常。基本可排除电机负载过大导致异常发热的可能。直线电机存在散热不良导致绝缘材料老化进而导致故障的可能。通过检查发现该电机安装位置空间狭小，且电机为横向安装方式，不利于热量排出。经过现场排查，电机及安装板无冷却回路，该原因的可能性较大。
综上所述，导致电机现状的根本原因无法确认，但结合电机动子情况判断，因散热不良导致动子发热严重的可能性相对较大。因此更换电机后，需改善电机动子散热情况。
同时鉴于该电机已出现发热导致绝缘层失效的情况，对其温度检测回路进行检查、测试，该功能正常。
4.4 散热改进
更换新电机后，在现有条件下，对电机动子安装板上加装风冷却回路，使用压缩空气对动子安装板进行冷却。该方法可起到一定冷却效果，且冷却回路控制相对容易。
5、结束语
针对精密加工中心 Y 轴直线电机故障问题，首先，采用故障树分析法对可能导致 Y 轴故障的原因进行分析。其次，分别对 Y 轴负载情况、刹车系统、静压导轨、电气参数进行排查，在排查出故障源后对可能造成故障的原因进行分析和针对性改进。最后，故障排除和改进后对重新安装后的 Y 轴各项精度进行检测，Y 轴定位 / 重复定位精度恢复为1μm/0.5μm，满足允差要求。
来源：
1.中国工程物理研究院机械制造工艺研究所
2.中国工程物理研究院电子工程研究所
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