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数控机床伺服系统的故障诊断
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数控机床伺服系统故障占机床总故障的比率较高。由于伺服系统涉及 的环节较多,加之种类繁多、技术原理各具特色,给维修诊断带来困难,因此归纳一些故障 诊断方法很有必要。
数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。位置伺服系 统一般采用闭环或半闭环控制。(半)闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统 定位不准确、不稳定或失效。诊断定位故障环节就成为维修的关键。根据伺服系统的控制原 理和系统接口的特性,对系统进行分解判断,已成为行之有效的方法。本文结合维修实例介 绍了位置环和速度环诊断方法。

1 位置环故障诊断

如果位置伺服系统的位置反馈和速度反馈各自采用一个反馈器件 ,可以断开位置环的控制作用,让速度环单独运行,以便判断故障出自位置环还是速度环。
断开位置环的控制作用,可以采用两种方法:
  1. 机械断开,即断开位置反馈编码器与伺 服电动机之间的传动连接。
  2. 电气断开,即断开位置反馈编码器与系统的连接。如果需要 屏蔽位置反馈断线报警,应按下图连接位置反馈输入信号线。
在位置开环状态下 进行维修测试时,不允许给被测试轴任何方式的移动指令,否则将引起伺服电动机失控。
  • 例1 CK6140A数控车床出现镗孔表面有振纹,在排 除机械和工装因素后,对X轴伺服系统进行检查。机床数控系统为FANUC3T,伺服放大器 为FANUC H系列直流伺服。
    观察X轴在停止和慢速移动时有不规则振动,初步判断X轴位 置编码器与丝杠连结有间隙或速度环不稳定。检查编码器连轴节正常。由于X轴伺服系统有 两个编码器,分别用于位置反馈和速度反馈,可以将位置反馈编码器与伺服电机之间的机械 连接断开,以便作进一步的判断。
    首先用支撑物支撑X轴滑台,将X轴电动机和丝杠的传动 皮带拿掉。启动机床,X轴在位置开环状态下运行,在伺服放大器零漂的作用下电动机慢速 转动(如果电动机几乎不转动,可适当调整控制板上偏置电位器RV2),此时电动机转到某 一固定角度,总有打顿现象。由此可以认为速度环基本稳定,这可能是由于整流子在某一角 度存在短路引起转速瞬间跌落,从而造成电机打顿现象。仔细清扫电动机整流子和电刷后, 电动机运转平稳。恢复系统连接,X轴恢复正常。
  • 例2 [ST5BZ]CH-102数控车床Z轴移动出现一冲一冲的现象,速度越快,过冲越严重。停止时 观察伺服诊断画面,Z轴跟踪误差稳定,接近于零。机床数控系统为SIMENS 810GA2,伺服 系统为SIMENS 610。系统位置反馈和速度反馈各采用一只编码器。
    初步判断为伺服放大器 超调或系统参数设定不良。首先调整系统参数MD2501(伺服增益)和MD2601(多种增益)无效。 为进一步判断,断电拿掉Z轴位置反馈插头。由于该机床CNC报警不影响伺服上电,故可 以不屏蔽反馈断线报警。先用导线短接Z轴伺服驱动使能控制端,再用一只1.5V电池经 电位器分压给Z轴伺服放大器速度指令端,加上大约0.5V电压。机床上电,Z轴移动 平稳,因此可以认为故障发生在位置反馈环节。用手拨动位置反馈编码器,联结无松动、损 坏的感觉。交换X轴,Z轴位置反馈插头及速度指令控制线,试机故障仍在Z轴。此时可以认 为故障仍在Z轴位置反馈,拆下Z轴位置反馈编码器,发现联轴节簧片上的一个螺钉已脱落。 修复后,试机故障消除。
    如果位置反馈和速度反馈由一只反馈元件完成,位置反馈信号经 转换电路变为速度控制信号,则要根据系统硬件具体特性和故障信息作出灵活判断。
  • 例3 CK6150A Z轴时有突然快速移动失控的现象, 此时H系列直流伺服板上有TGLS报警。故障现象不稳定,关机再上电可能又恢复正常。
    T GLS报警的原因有:动力线未接或接反;无速度反馈或正反馈;机械锁死。
    由于Z轴伺服电动机速度反馈信号是由电动机尾部位置反馈编码器信号送入CNC主板,经混合IC模块F/V 转换后获得,而且系统始终无位置反馈报警,所以初步判断是CNC至伺服放大器电缆和控制 板的接触有问题。
    检查电缆和速度控制板正常。由于从故障发生到伺服保护关断只有一两 秒钟,使用示波器或万用表难以观察到速度反馈信号的有无。进一步分析,位置反馈编码器 的信号电平正常,而A、B两相信号不产生移动变化,则会产生上述故障。于是就更换Z轴 位置编码器,机床恢复正常。这可能是原来的编码器光栅盘松动,与轴之间有相对位移或编 码器内光源二极管接近失效,造成A、B信号不变化。

2 速度环故障诊断

在速度开环的方式下,对速度控制单元进 行测试。该方法需要对系统硬件较熟悉,以避免误操作损坏部件。
  • 例1 一台维修过的FB15B-2直流伺服电动机安装到机床后失控。
    现象表 明速度反馈不正常,检查尾部测速电动机电刷及引线正常。为测试测速电动机的性能,应做 以下操作:
    1. 将电动机固定可靠,连接动力线,不连反馈线;
    2. 拿掉FANUC H系列伺服 板上的S20短路跳线,取消TGLS报警使能;
    3. 接通电源,伺服放大器在速度开环下运行, 电动机处于2000r/min的高速运转中。此时测量测速电动机输出电压只有6V,正常的数据是1 4V,可以判定伺服电动机的测速电动机不正常。更换测速电动机,机床恢复正常。
  • 例2 DM3600数控车床出现主轴转速上不去,最高只有50r/ min,且负载转矩显示很大。机床数控系统为三菱M3/L3,主轴伺服放大器的型号为FR-SF- 2-11K-T。故障原因可能是:负载过大;主轴驱动功率模块或控制模块有故障;速度反馈 不正常。
    检查机械传动良好,测量控制模块各测试点电压及功率模块正常,再检查主轴电 动机至驱动单元之间反馈电缆和驱动运行参数也正常。设定驱动单元运行参数P00为1,给主 轴运转指令,电动机在速度开环下低速运行,观察负载转矩几乎为零,由此可以判断速度反 馈不正常。用示波器观察速度反馈波形,没有A相波形,打开电动机上方盖子,可以看到PLC 输出电路板,重新拔插电路板上的小插头,再检测A相波形正常。恢复系统闭环运行,主轴 运行正常。

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