伺服系统故障诊断与维修

第4章

伺服系统的故障诊断及维修4.1伺服系统

数控机床的伺服系统是以直线运动或旋转运动作为控制对象的自动控制系统，习惯上又称为驱动系统。它接受来自数控装置的位移、速度指令，经变换、调节和放大后驱动执行元件，转化为各进给轴及主轴的直线或旋转运动，是联系数控装置(CNC)和机床的中间环节，是数控机床的重要组成部分。

4.1.1伺服系统工作原理半闭环伺服系统机械执行部件电机实际位置反馈位置/速度检测与反馈+位置调节位置控制单元-CNC插补指令速度控制单元速度调节+-实际速度反馈电流调节转换驱动电流反馈+-

如图所示是数控机床的半闭环伺服系统，反馈信号取自伺服电机，通过采样其旋转角度进行检测，而不是直接检测最终运动部件的实际位置

全闭环伺服系统+位置调节位置控制单元-CNC插补指令速度控制单元速度调节+-实际速度反馈电流调节转换驱动电流反馈+-速度检测与反馈位置检测与反馈实际位置反馈机械执行部件电机4.1.1伺服系统工作原理如图所示是数控机床的全闭环伺服系统，位置反馈信号取自最终运动部件，直接采样其直线位移信号进行检测。

1.检测信号的反馈形式（1）.转速、位置信号检测、处理分离（2）.转速、位置信号处理均由CNC完成（3）.

转速、位置信号处理分离(4).数字式伺服系统2.数控机床对伺服系统的要求（1）精度高（2）调速范围宽（3）快速响应（4）低速大转矩4.1.2常用检测反馈元件检测装置是数控机床闭环伺服系统的重要组成部分。它的主要作用是检测位移和速度，并发出反馈信号。检测系统的精度和数控机床的加工精度紧密相关，高精度的数控机床必须有高精度的检测元件作为保证。1.旋转变压器旋转变压器是一种常用的角位移检测元件，由于它结构简单，工作可靠，且其精度能满足一般的检测要求，因此曾被广泛应用在数控机床上。

壳体旋转变压器本体定子附加变压器定子附加变压器原边线圈附加变压器转子线圈附加变压器次边线圈旋转变压器本体转子转子轴无刷式旋转变压器旋转变压器的输出为模拟量信号，精度不如数字量输出的检测元件，但结构简单、坚固、耐热、耐冲击、抗干扰、信号输出幅度大、成本低，适用于恶劣环境。

2.旋转编码器旋转编码器是一种旋转式脉冲发生器，用于角位移的测量，同时也作为速度检测装置旋转编码器光电式旋转编码器的结构示意图增量式旋转编码器的结构如图所示。在一个圆盘的圆周上刻有相等间距的线纹，称为圆光栅。圆光栅和工作轴一起旋转。与圆光栅相对的，平行放置一个固定的扇形薄片，称为指示光栅。上面制有相差1/4节距的两个狭缝，称为辨向狭缝。此外，还有一个零位狭缝（一转发出一个脉冲）。光电式旋转编码器的输出波形如图所示，A和B信号的相位相差90°，经放大整形后成为方波形信号。通过判断A、B两相信号的相位，可以确定电机的旋转方向，通过对脉冲计数，可以知道电机转过的角度。格雷码盘二进制编码盘绝对式旋转编码器是一种直接编码、直接测量的检测装置，它能指示绝对位置，没有累积误差。二进制码盘的计数图案的改变按二进制规律变化。格雷码的计数图案的切换每次只改变一位，误差可以控制在一个单位内。

型号分辨率(ppr)绝对/增量型号分辨率(ppr)绝对/增量αiA16000

16000000绝对βiA6465536(216)绝对αiA10001000000绝对αiM4096主轴用编码器（不带一转信号）αiI10001000000增量αiMZ4096主轴用编码器（带一转信号）βiA128131072(217)绝对αiBZ360000内装主轴用编码器（带一转信号）αiCZ3600000高精度轮廓控制用编码器（带一转信号）FANUC控制用编码器

型号中字母“A”表示绝对值编码器，字母“I”的为增量式编码器。FANUC编码器并没有输出常见的A、B、Z、

并行六脉冲信号，只有两根信号线RD、*RD，这是串行输出，编码器和伺服驱动装置之间有专门的通讯协议，为串行编码器。由于编码器是光电元件，在使用过程中要注意以下几点：编码器安装后的径向跳动要小于0.1mm；编码器安装环境不能有强烈的振动，避免敲击；编码器不能承受过大的径向力；编码器安装环境不能有严重的粉尘、油雾污染。

3.光栅尺海德汉公司的封闭式直线光栅尺

光栅尺是高精度的直线位移测量元件，在高精度的数控机床上，常使用光栅尺作为位置检测装置。海德汉封闭式直线光栅尺结构示意图光栅尺由标尺光栅和扫描单元两部分组成，铝制外壳可以保护光栅尺、扫描单元和轨道免受灰尘、切屑和切削液的影响。标尺光栅一般安装在机床的活动部件上，如工作台。扫描单元安装在机床固定部件上。扫描光栅安装在扫描单元中。扫描单元的工作原理扫描单元的工作原理LED光源聚光镜扫描光栅光电池光栅尺I0º

I180ºI1=I0º－I180º未显示I90º和I270º扫描单元由光源、聚光镜、扫描光栅、光敏元件和驱动电路等组成光栅在使用过程中要注意以下几点：光栅尺在使用过程中，要避免受到灰尘、油液、冷却液的污染，造成信号丢失，影响位置控制精度。光栅尺拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏。4.磁栅尺磁栅又叫磁尺，是一种直线位移检测装置，它由磁性标尺、拾磁磁头和检测电路组成。磁栅测量精度较高、安装调整方便，对使用环境要求低，如对周围的电磁场的抗干扰能力较强，在油污和粉尘较多的场合使用有较好的稳定性，长度在2米以上性价比优势愈加明显。

5.激光尺利用激光干涉的原理，但是比激光干涉仪更适合于工业应用而不是标定。适用于半导体、量规及机床等精度要求高的场合。4.2FANUC伺服驱动系统故障诊断及维修目前，在机床进给伺服中采用的主要是永磁同步交流伺服系统，有模拟形式、数字形式和软件形式三种类型。常用的交流主轴驱动系统有变频驱动和伺服驱动，习惯上又称为变频主轴和伺服主轴。

4.2.1FANUC伺服驱动系统1.分类

FANUC伺服驱动系统包括伺服放大器和伺服电机，不同系列的伺服放大器产品有一体式和模块式两种形式。

2FANUC伺服驱动系统的连接FANUCαi系列伺服放大器各模块之间的连接FANUCαi系列伺服放大器各模块之间的连接示意图电源模块PSM主轴放大器模块SPM伺服放大器模块SVM2轴型伺服放大器模块SVM1轴型绝对式编码器电池绝对式编码器电池至CNCCOP10A至光栅接口板伺服电机伺服电机编码器主轴电机风扇电机至CNCJA7A电抗器接触器MCC断路器1断路器2电源断路器3MCC电源急停至CNC控制电源1）.FANUCαi系列伺服放大器电源模块（PSM）端子及接口STATUS（1位7段LED）：电源模块状态显示。“—”：电源模块未起动就绪。“O”：电源模块起动就绪。“#”：电源模块报警代码。CX1A：交流200V电压输入/输出端子。CXA2A：模块信息信号、+24V-OV及系统急停信号。与伺服模块CXA2B连接。CX3：主电源MCC控制信号的连接器。CX4：ESP急停信号连接器。L1、L2、L3：电源模块电源输入端子（有标准型AC200V和高压型AC400V）。2）.FANUCαi系列伺服放大器主轴模块(SPM)端子及接口TBl：直流电源输入端。该接口与电源模块直流电源输出端、伺服模块的直流输入端连接。STATUS：用于表示主轴模块所处的状态，出现异常时，显示相关的报警代码。CXA2B：直流24V输入接口。一般该接口与电源模块的CXA2A连接，接收急停信号。CXA2A：直流24V输出接口。一般该接口与下一伺服模块地CXA2B连接，输出急停信号。直流回路连接充电状态LED：在该指示灯完全熄灭后，方可对模块电缆进行各种操作，否则有触电危险。JX1A：模块连接接口。该接口一般与电源的JX1B连接，作通信用。JA7B：通信串行输入连接接口。该接口与控制单元的JA7A(SPDL—1)接口相连。JA7A：通信串行输出连接接口。该接口与下一主轴(如果有的话)的JA7B接口连接。JYA2：脉冲发生器，内置探头和电机CS轴探头连接接口。JYA3：主轴位置编码器接口。3）.FANUCαi系列伺服放大器伺服模块(SVM)端子及接口BATTERY：伺服电动机绝对编码器的电池盒（DC6V）。STATUS：伺服模块状态指示窗口。CX5X：绝对式编码器电池接口。C0P10A：伺服高速串行总线（HSSB）输出接口。与下一个伺服单元的C0P10B连接（光缆）。C0P10B：伺服高速串行总线（HSSB）输入接口。与CNC系统的C0P10A连接（光缆）。JX5：伺服检测板信号接口。JF1、JF2：伺服电动机编码器信号接口。CZ2L、CZ2M：伺服电动机动力线连接插口。适用与FANUC0iMate系统的βi伺服单元(a)βis系列单轴型伺服单元(b)βiSVSP一体型伺服单元(SVSP)FANUCβi系列伺服单元端子及接口βis系列单轴型伺服单元的连接βiSVSP一体型伺服单元的连接3主轴准停功能主轴准停又称为主轴定向，是指主轴周向的准确定位功能。主轴准停功能的作用主要有:自动换刀的数控铣镗类机床,为保证自动换刀时主轴停止在某一固定的位置上（刀柄上的键槽必须与主轴的凸键对准）；在精镗时为不使刀尖划伤已加工的表面,退刀时要让刀尖在固定位置退出加工表面一个微小量。通过主轴外接编码器实现主轴准停控制。主轴电机与主轴之间可以采用任意传动比，主轴具有刚性攻丝功能。主轴定向是对主轴位置的简单控制,可以选用以下几种元件作为位置信号:SPMJYA2JYA3主轴电机主轴电机内装Mi或Mzi编码器主轴直连或采用1：1传动的齿轮、齿形带连接任意传动比α位置编码器用主轴外接编码器实现准停2）通过主轴电机内装编码器实现主轴准停控制，主轴电动机与主轴必须直连或采用1：1传动比的齿轮、齿形带连接。主轴电机内装Mzi编码器主轴主轴电机JYA2SPM直连或采用1：1传动的齿轮、齿形带连接用主轴电机内装编码器实现准停3）通过外装主轴一转信号（接近开关）和电机内装传感器实现主轴准停控制,主轴电机与主轴之间可以采用任意传动比。JYA3SPMJYA2外部一转信号（接近开关）任意传动比主轴主轴电机主轴电机内装Mi或MZi编码器用外部一转信号和主轴电机内装编码器实现准停准停指令M19经CNC译码后，经PLC的DECB指令分配到R0002.3，如图所示。F45.1是主轴停止的检测信号，当主轴实际速度小于参数4024的设定值时，该位为“1”，G70.6为“1”，向CNC发出定向指令信号。如果主轴手动控制准停有效，而自动(M19)无效时，可以通过系统梯形图，查看主轴准停信号G70.6为1及M19执行的条件是否满足。

4FANUC伺服有关参数的设置1).伺服初始化的准备

首先确认以下基本数据，以便进行初始化工作。数控系统的型号。伺服电动机的型号、规格、电机代码。电动机内装的脉冲编码器的型号、规格。伺服系统是否使用外部位置检测器件，如使用，需要确认其规格型号。电动机每转对应的工作台移动距离。机床的检测单位及数控系统的指令单位。2).伺服初始化的步骤

选择MDI方式，按下功能键。按下软键[SETING]显示设置数据画面，用光标键移动光标到PARAMETERWRITE。按软键[OPRT]和[1:ON]使参数写入开关置1，于是参数可以写入。此时，CNC出现报警P/S[No.100]。OFFSETSETTING确认PRM31111的＃0（SVS）=1,才可以显示伺服设定画面。按功能键，再按扩展键，找到软键

[SV-PRM]。按

[SV-PRM]软键，显示伺服设定画面。SYSTEM初始设定位电机代码AMR功能CMR指令倍乘比进给齿轮比N/M

电机型号α2/5000iα4/3000iα8/3000iα12/3000iα22/3000iα30/3000iα40/3000i电机代号155(255)173(273)177(377)193(293)197(297)203(303)207(307)例3.1

机床直线轴的分辨率为1μm，电机和丝杆的传动比为1，计算进给齿轮比N/M。例3.2

对于机床的旋转轴，电机和旋转工作台之间的减速比为1/10，工作台的分辨率为1/1000度,计算进给齿轮比N/M。

电机每转一圈工作台旋转360/10度，工作台每旋转1度所需脉冲数为1000，则电机一转所需脉冲数为36000。所以，进给齿轮比N/M=36000/1000000=36/1000移动方向速度脉冲数、位置脉冲数速度脉冲数、位置脉冲数的设定参考计数器3）.伺服FSSB设定按功能键system。可以打开放大器设定画面和轴设定设定画面。FANUC伺服系统通过FANUC串行伺服总线FSSB光缆（或高速串行伺服总线HSSB）与CNC控制单元连接，需要设定参数PRM1023、1905、1910～1919、1936、1937。

伺服FSSB的设定方法有手动设定和自动设定之分，由PRM1902的＃0（FMD）的值决定。FMD=1：手动设定方式,上述参数需要手工设定；FMD=0：自动设定方式。

伺服放大器设定画面

轴设定画面在FSSB自动设定时，伺服放大器必须通电，否则不能正确设定，如果设置不正确，则会引起报警。

4）.伺服调整

按功能键system，再按扩展键，按软键[SV-PRM],找到软键

[SV-TUN]。按

[SV-TUN]软键，显示伺服调整画面。该画面中参数，对机床的性能有重要影响，必需仔细调整。4.2.2FANUC伺服系统故障诊断及维修伺服驱动系统的故障表现形式有三种：在LCD或操作面板上显示报警内容或报警信息；在驱动装置上用报警灯或数码管显示故障内容；伺服驱动系统工作不正常但无任何报警信息。1.FANUC主轴伺服系统的故障诊断及维修主轴伺服系统常见故障有：外界干扰过载主轴定位抖动主轴转速与进给不匹配转速偏离指令值主轴异常噪声及振动主轴电动机不转例3.3

某台数控车床通电起动后出现750报警，经多次断电通电起动都出现该报警。故障分析：

CNC开机时，如果串行主轴放大器（SPM）没有达到正常的起动状态，发生此报警。此报警不是在CNC系统（带有主轴放大器）正常起动后发生的。是在电源接通过程中发生故障时引发的。可能的原因包括：接触不良、接线不良、或电缆的连接错误；CNC开机时主轴放大器处于报警状态；参数设定错误；CNC的印刷电路板故障；主轴放大器故障。处理方法：根据维修手册说明，首先检查光缆的连接和走向，尽量避免外部电磁干扰。经过重新插接后，再通电起动，未出现750报警。例3.4某台数控车床主轴有转速，但LCD速度无显示。故障分析：LCD上的速度显示是根据主轴编码器的反馈信号计算并显示的。可能的原因包括：主轴编码器损坏；主轴编码器电缆脱落或断线；系统参数设置不正确；编码器反馈接口不对或者没有选择主轴控制的有关功能。处理方法：由于该机床已正常使用一段时间，故重点针对前两项可能的原因进行检查。经检查，是主轴编码器的接头松脱所致。例3.6

某台数控机床，使用主轴准停功能时（M19）停止的位置每次都不同。故障原因分析：

如果准停过程中出现随机偏差，可能的原因有：主轴机械出现故障、主轴检测装置与机械连接不良、定向装置与系统参数设定不一致、检测装置一转信号不良和主轴模块故障。处理方法：参照前面讲过的三种主轴准停方式，该机床采用输出为正弦波信号的主轴编码器作为反馈元件，即方式1。检查主轴编码器的电源线和信号线都没有断线的情况，检查机械及连接正常，当用示波器检查编码器的输出信号波形时，发现A通道波形不正常，有时周期相差很大，有时输出无波形。经更换编码器后机床工作正常。例3.7

数控车床在进行负荷试验的“重切削试验”时，发生负载过大，主轴停车现象。分析与处理过程：

实际上并非切削负载过大，而是主轴转速设定过低，主电机的相应转速远低于额定转速，电机运行在恒转矩区，但电机的输出功率远低于额定功率，当此输出功率远低于切削所需功率时就会发生上述现象，在负载试验时必须使主轴电机的转速尽可能接近额定转速，此时电机的输出转矩和输出功率都会接近其额定转矩和额定功率。例3.8

主轴电机发热，特别是主轴电机的轴端明显温度过高，主轴高速时出现过载报警，且主轴运动时主轴电机内有机械摩擦声音。分析与处理过程：

通常主轴电机与主轴之间通过齿型带连接，特别是为了伺服主轴能够进行弹性攻丝或刚性攻丝，经常将齿型带的张紧力调得很大，因而施加在轴端的径向力也大。伺服主轴电机对于施加在其轴端的径向力是有严格要求的，下图是某主轴电机允许的轴端悬臂力。径向力越大，允许的电机轴承的使用寿命越短。由此可以看出，对于数控机床的使用范围一定不要超出机床允许的技术指标。比如一台高主轴转速的数控机床可应用于模具加工，但是利用这台机床进行强力切削，则会影响电机的使用寿命。同样一台低主轴转速的机床，长期使用极限速度进行高速加工，同样会影响电机的使用寿命。

某主轴电机允许的轴端径向力

2.FANUC进给伺服系统的故障诊断及维修进给伺服系统常见故障有：超程过载窜动爬行振动伺服电动机不转位置误差漂移回参考点故障例3.9

一台XK755数控铣床，采用FANUC0i-MC数控系统。在加工过程中，突然出现“X+、X-、Y+、Y-硬限位”报警，而实际上机床在正常的加工范围内。分析与处理过程：根据上述现象，估计线路接触不良或断路可能性最大，测量电器柜中接线排上供给限位电路的24V电压，压值正常。按照线路走向逐一查找，在用手旋动床体右侧的一个线路插头时，发现屏幕上报警瞬间消失，在松手间报警复现。于是，拆下该插接头，仔细检查发现里面焊接的两根导线已经脱落，在用手向里面旋动的过程中可以让导线断路的两端碰触，所以有上述变化现象。重新焊接好接头后，机床恢复正常。例3.10某台数控车床在运行过程中突然出现Z轴414号报警。分析与处理过程：

按照维修说明书上的说明，利用NC系统的诊断功能查看诊断号200的状态显示200.4（HCA）为“1”，表示Z轴伺服放大器电流异常，关断机床电源检查Z轴电机的绝缘及相之间的阻抗，结果对地绝缘少于500Ω.将电机动力接头取下发现电机插座已烧坏，进一步检查分析烧坏的原因是插头进水。此后将插座拆下，进一步检查电机内部相之间的阻抗及绝缘都在正常范围内，将插座更换后机床恢复正常。例3.11某台卧式加工中心，当NC系统电源起动后接通伺服电源后显示器显示410号报警，同时显示Y轴出现故障。分析与处理过程：

经断电后再起动报警不再出现，但是后来问题越来越严重，有时几次断电再起动仍出现该报警，直到后来只要送电起动总是出现该报警，此报警具体内容为位置误差过大，超过1829参数设定的值，将伺服参数重新设定仍不能排除故障。该机床为四个NC轴，配置两个相同的双轴驱动模块，将两个模块调换后，原先Y轴410号报警变成第四轴410号报警，此现象说明这个模块出现故障，将该模块更换后再未出现410号报警。例3.12某台卧式加工中心三个几何坐标配有直线光栅，当Z轴快速移到某段位置时偶然出现445报警，低速移动时不报警。分析与处理过程：

该报警具体内容为伺服软件检测到位置反馈断线，后来50%快速时也开始出现报警，到后来该报警出现越来越频繁，经过光栅重新调整仍不能解决问题，交换信号电缆也未能排除故障，而且出现报警时的位置也不在某一段，再后来X轴也偶然出现445号报警，更换驱动器模块仍无效，打开导轨防护罩检查导轨的工作状态，发现导轨润滑不良，几乎没有润滑油，检查润滑装置，油箱中已经没有润滑油了（经检查，液位检测器出现故障，未产生润滑油不足报警），油箱加满油，给导轨面上打上足够的润滑油，先低速来回移动各坐标轴，此后再快速移动就不再出现445报警了。例3.13故障现象：外观表现为伺服电机发热，即使不加工伺服电机的温度也很高，电机表面温度高于60°C，甚至烫手。有时在切削、坐标轴减速制动、坐标换向时出现伺服电机过流报警。

分析与处理过程：

上述各种迹象表明，伺服驱动器长时间提供给伺服电机高于额定值的电流。要区分出故障的原因是机械的问题，还是伺服电机的问题，最准确的方法是将伺服电机与丝杠的机械连接断开。连轴节断开后可能出现两种情况：

1)如果断开后伺服电机仍然发热或出现过载报警，则说明伺服电机内部机械部件故障，比如轴承损坏。这时需要维修或更换新的伺服电机。但是这种情况往往说明了数控机床的设计或者装配存在问题。因为伺服电机轴承损坏的原因是伺服电机安装造成的径向力超过了伺服电机运行允许的指标。假如只是更换了伺服电机，但是没有采取措施解决径向力超标的问题。同样的故障仍有可能发生。2)如果伺服电机与丝杠的连接断开后，伺服电机的温度下降至正常，且过载报警消失，则说明是传动系统的机械故障，这时应检查传动系统。

3)如果这样的故障发生在数控机床的设计调试阶段，还有一种可能的原因，就是伺服电机选择错误，伺服电机的输出转矩不能满足传动系统的需要。例3.14

加工后发现坐标实际位置偏移，加工出的工件尺寸有明显问题，但是数控系统上没有任何报警，且数控系统记录的实际位置与零件程序中的指令位置相等分析与处理过程：对于采用电机测量系统（半闭环）的数控机床，数控系统是根据伺服电机内置的编码器来测量电机的角位置，计算出直线位移。假如由于装配的原因造成伺服电机与丝杠的连接不牢，伺服电机与丝杠之间就可能出现相对位移。所以加工的位置出现了偏差，且导致零件损坏

判断此类故障的方法是首先做空切削试验，并在特殊位置上设置位置测量仪表，观察位置的重复性，然后再进行切削试验，如果空运行位置正确，但实际切削出现位置误差，且误差大小无规律。则说明伺服电机与丝杠出现了位移，需要检修联轴节。例3.15故障现象：配套FANUC0i系统的数控磨床，开机后出现401号报警。分析与处理过程：

FANUC0i数控系统的401号报警属于数字伺服报警，该报警的含义为“X、Z轴伺服放大器未准备好”。如果一个伺服放大器的伺服准备信号（VRDY）没有接通，或者在运行中信号关断，发生此报警。遇到此报警通常作如下检查：首先查看伺服放大器的LED有无显示，若有显示，则故障原因有以下3种可能：伺服放大器至电源模块之间的电缆断线。伺服放大器出故障。基板出故障。

若伺服放大器的LED无显示，则应检查伺服放大器的电源电压是否正常，电压正常则说明伺服放大器有故障，电压不正常就基本排除了伺服放大器有故障的可能，应继续检查强电电路。

根据上述排查故障的思路进行诊断，经检查发现伺服放大器的LED无显示，检查伺服放大器的输入电源电压，发现+24V的输入连接线已脱落。重新连接后开机，机床恢复正常。4.3西门子伺服系统故障诊断及维修4.3.1西门子伺服系统1西门子伺服系统分类611U/UE数字式伺服驱动器611U/UE是目前常用的数字式伺服驱动系统。611U是通用型伺服驱动器，是一种功能可以灵活配置的伺服驱动系统。611UE是611U伺服驱动系统的另一种形式，其与611U的区别就在于使用了不同的控制板模块。611UE中的控制板模块带有Profibusdp接口，数控系统与伺服驱动的数据通讯均通过Profibus总线完成，另外，611UE伺服驱动可以连接直接测量系统。2西门子伺服系统的连接1）.611UE电源模块的端子及接口U1V1W1主控制回路三相电输入端口X181工作电源的输入端口P600M600600V直流电压输出端子。X111模块就绪信号X121模块的过热信号。64控制使能输入63脉冲使能输入48主回路继电器，该信号断开时，主控制回路电源主继电器断开NS1/NS2主继电器闭合使能AS1/AS2主继电器状态9/19/R9是24V输出电压，19是24V的地，R为模块的报警复位信号X151设备总线，连接后面的模块。电源模块指示灯的状态绿红红黄红红15V电平故障外部使能信号丢失进线电源故障5V电平故障模块就绪，直流母线已充电直流母线过电压图4-31电源模块指示灯的状态2）611UE伺服驱动器的连接7473.273.17253525163996419911248NS1NS224VDC0V连接到PLC输入端连接到PLC输出端0V电源模块端子64/63/48的连接电源模块端子64/63/48的上、下电时序

电源模块的端子48、63、64分别连接主电路继电器、脉冲使能、控制使能，这些信号的连接正确与否、上下电时序是否满足要求，直接关系到伺服驱动器能否正常、安全地工作，611UE伺服驱动器对使能信号的时序要求如图所示。制动时，必须先断T48，后断总电源开关，否则将损坏电源模块。

611UE主要接口信号的连接Profibus总线的连接611UE和CNC之间通过Profibus总线连接，CNC是总线的主设备，611UE和802D系统的I/O接口模块PP72/48是从设备，总线上的每一个设备都有自己的总线地址，因此对各个部件在总线上的连接顺序没有要求，总线始端和末端的两个设备的终端电阻应拨到ON，如图所示。611UE的总线地址可以通过伺服调整软件SimoComU设定。

3611UE伺服驱动系统相关参数设置及优化1）.总线地址配置

802D具有一个系统数据块，该数据块允许使用参数MD11240选择611UE驱动和PP72/48I/O模块的配置，如表所示。该参数正确设置后，611UE控制模块的X423总线接口插件上，总线状态指示灯由红色变成绿色，如果仍然是红色则需要检查总线的连接。

611UE伺服驱动器的总线地址数控系统与驱动器之间通过总线连接，挂接在总线上的每一个设备都有唯一的总线地址，因此，需要正确设置611UE伺服驱动器的地址，系统才能与驱动器建立物理联系

2）.使用SimocomU进行611UE的参数设定

SimocomU是西门子公司开发的用于调试611U/611UE的一个软件工具。利用SimoComU可设定驱动器的基本参数：设定与电机和功率模块匹配的基本参数。利用SimoComU可实现对驱动器参数的优化：根据伺服电机实际拖动的机械部件，对611UE速度控制器的参数进行自动优化。利用SimoComU还可以监控驱动器的运行状态：电机实际电流和实际扭矩。操作步骤步骤一在断电的情况下，用RS232电缆连接PC的COM口与611UE上的X471端口步骤二驱动器上电，在611UE的液晶窗口显示：“A1106”,表示驱动器没有数据；R/F红灯亮；总线接口模块上的红灯亮。步骤三从WINDOWS的“开始”中找到驱动器调试工具SimoComU，并启动。步骤四软件启动后，选择连机方式步骤五进入连接画面，自动进入参数设定画面，在软件的提示下进行参数设定设定驱动器的名称输入PROFIBUS地址选择驱动器所配电机的型号选择编码器型号选择运行模式4.3.2西门子伺服驱动系统故障诊断及维修

和FANUC伺服驱动系统一样，西门子伺服驱动系统的故障表现形式也有三种：在LCD或操作面板上显示报警内容或报警信息；在驱动装置上用报警灯或数码管显示故障内容；伺服驱动系统工作不正常但无任何报警信息。发生伺服驱动系统相关的故障时，可以根据数控系统的报警信息、驱动器电源模块的状态指示灯、控制板模块的R/F指示灯、控制板模块的6只数码管所显示的信息来判断故障原因。611UE控制板模块上的6只数码管显示如图所示。用SIMCOMU和611U/UE联机后在界面的右下角可以显示电机电流和负载率，驱动器有报警时也可以在SIMCOMU上看到报警号及报警内容。左边两位显示“E”和1个连字号“—”：驱动器有1个故障，如图(a)。左边两位显示“E”和3个连字号“三”：驱动器有多个故障，按“＋”键可以显示其他故障号，如图(b)。左边第一位显示“E”，第二位无显示：驱动器有报警，如图(c)。第三位显示“A”：故障或报警发生在A轴模块。显示“B”：故障或报警发生在B轴模块。右边三位为故障、报警号显示，对应的报警内容可以参考611UE相关说明书。数控机床的伺服驱动系统是关键部件，也是故障率较高的部件，一旦模块损坏，维修成本较高，因此，使用中要重视伺服驱动系统的日常维护和保养，避免故障发生。例如：伺服驱动器的安装环境要注意防尘、避免振动；导电的粉尘、切屑会引起驱动模块内部短路，严重时烧毁模块；直流母线的连接螺钉一定要拧紧，不能产生松动；空气中的油雾、水汽都会对伺服驱动器产生影响，因此，伺服驱动器应该安装在密闭、防尘的电气柜中。编码器的更换如果伺服电机编码器故障，需要更换时参照以下方法：(1)卸开电机后盖及编码器的后盖；(2)松开编码器的安装螺丝；(3)

旋转电机转子轴,使编码器转子上的标志和编码器壳上的标志重合；(4)卸下编码器,注意在装卸的时候尽量使用特制螺丝顶出来,以免损坏编码器；(5)安装新的编码器，使编码器的两个标志重合。在此过程中,要保证电机的转子不动；按以上相反的顺序安装编码器。例3.16配备802D数控系统和611UE伺服驱动的数控铣床，通电后显示用户报警700012：“驱动电源模块未就绪”，各轴不能动作。分析与处理过程：该报警为用户报警，由机床生产厂家编制的PLC程序控制，根据报警内容，检查611UE电源模块的端子72和73.1，端子73.1有24V电压，端子72没有电压，说明电源模块的内部触点没有接通。经进一步检查该模块内部状态，发现有两个大功率器件已经烧坏，所以电源模块不能正常工作，功率模块也就不能正常工作。经再仔细检查，故障是由于机床电器柜内进水导致电源模块短路造成的。例3.17一台配置802D系统的数控立车，出现Z轴25050轮廓监控报警，X轴正常。具体故障现象是，只要按下操作面板上的+Z、－Z键，就立即发生25050Z轴轮廓监控报警。分析与处理过程：

该报警是由于Z轴的指令位置与编码器反馈回的实际位置偏差过大，超过了MD36400中存储的值，系统终止程序运行，发出报警。如果是新投入运行的机床，首先检查参数MD36400设置是否太小，检查速度环、位置环的增益设置是否合理；对于已经正常运行一段时间的机床，则首先检查机械传动部件是否能够平滑运行，有无卡死或阻力过大的现象，编码器的电缆是否出现了松动；而对于带抱闸的垂直轴，则首先检查抱闸是否打开。

由于滚珠丝杠不具有自锁功能，所以，为了平衡垂直轴的重力，防止电机断电时，垂直轴在重力作用下滑落，造成事故，机床的垂直轴电机带有抱闸和平衡装置，当打开电源，伺服电机使能就绪后，抱闸线圈通电，抱闸打开；否则，抱闸线圈断电，抱闸把电机轴抱住，防止下滑。该机床的Z轴电机带抱闸，抱闸线圈由24V直流电压控制。经检查，该故障是由于抱闸线圈的24V进线在电柜的接线端子上松动造成的。例3.18配套802D系统的数控车床，机床起动后，手动方式下按点动键＋X和-X，X轴原地抖动，工作台无法移动。出现25030、25040、25050，电机温度升高。分析与处理过程：

将电机和机械部分脱开，故障依旧，排除机械部分故障的可能。由于该机床在故障前X轴运行正常，排除参数设置错误可能。由于故障前该机床刚经过搬迁，考虑接线故障，经检查，电机动力电缆和伺服驱动器功率模块U/V/W端子的连接顺序错误。正常连接时，U/V/W应该一一对应，不能调换相序。例3.19配套802D系统的数控车床，在工作过程中，发现加工工件的X向尺寸出现无规律的变化。分析与处理过程：数控机床的加工尺寸不稳定通常与机械传动系统的安装、连接、精度以及伺服进给系统的设定与调整有关。首先检查系统的电子齿轮比、编码器脉冲数等参数的设置，经检查以上参数的设定无误，排除了参数设定不当引起故障的原因。检查X轴电机和刀架之间的机械连接，也没有发现问题。在机床上利用百分表测量X轴的定位精度，发现丝杠每移动一个螺距，X向的实际位置总是增加几十微米，而且此误差不断累积。为了进一步判定故障部位，拆下X轴伺服电机，并在轴端划线做上标记，利用手动增量进给方式移动X轴，检查发现X轴每次增量移动一个螺距时，轴转动均大于360°。同时，在以上检测过程中发现伺服每次转动到某一固定的角度上时，均出现“突跳”现象，考虑到“突跳”仅在某一固定的角度产生，且在无“突跳”区域，运动距离与轴转过的角度相符。因此，可以进一步确认故障与测量系统的电缆连接、系统的接口电路无关。根据以上实验可以判定故障是由于X轴的位置编码器不良引起的。更换编码器后，机床恢复正常。例3.20配备611U伺服系统的数控机床加工过程中，驱动显示A613报警，电机发烫。关机重起后报警依然。分析与处理过程：电机中的温度传感器通过编码器信号线把电机的温度传给611U控制板模块，当实际温度高于驱动器参数P607设定的温度时，产生A613报警。引起该报警的原因有：电机频繁起动、制动；电机过载；温度传感器故障；电机参数设置不正确；电机散热风扇故障等，设置驱动器参数P1601的bit3=1，可以屏蔽电机温度监控功能。对于该机床的驱动过流报警，首先关闭机床电源，手动转动电机轴，电机轴无法旋转；脱开电机和丝杠之间的联接，手动盘整，用力旋转时电机轴一步一步稍有转动。把电机上的动力电缆插头旋下，电机轴旋转自如。由此判断动力电缆有问题。经检查，加工过程中，该轴电机随工作台移动，动力电缆在移动过程中长期受到拉力，有时会被其他机械部件卡住，绝缘层发热后受积压，造成相间短路，使得电机过流。更换动力电缆后，报警消除。4.4主轴变频调速系统故障诊断及维修4.4.1主轴变频调速系统概述

变频器的基本构成框图运行指令～M3～控制电路整流器逆变器变频主轴驱动系统主要包括CNC或伺服驱动器的主轴控制部分、变频器、三相异步电机。和交流伺服系统相比，变频系统只有速度环和电流环，没有位置环。因此变频系统只能实现调速而不能进行位置控制。

电源进线状态指示灯操作面板插座控制信号端子电机动力线端子变频器外形图市场上的通用变频器产品很多，西门子的MicroMaster4（MM4）系列、日立L100系列、三菱的FR-S5OO系列等。变频主轴驱动系统低速时输出转矩低，易出现爬行现象，因此采用变频主轴的机床，常采用变速箱机械调速和变频器电气调速相结合的方法，扩大主轴的调速范围、提高主轴低速时的输出转矩，充分发挥主轴电机的切削功率。1数控机床主轴的机械换档主轴换档的控制过程当加工程序中出现换档指令M41、M42或M43时，经指令译码，传输给PMC，经PMC程序处理后，主轴以换档速度运行，通过PMC输出信号控制外部执行元件，可以采用液压拨叉拨动齿轮换档，也可以通过控制电磁离合器实现自动换档，换档到位后，传感器把相应的到位信号输入PMC，PMC根据输入的不同档位信号，对G28.1和G28.2编码,并传输给CNC，CNC根据指令速度、档位信息、以及参数PRM3741/3742/3743/3744中设置的各档最高速度，计算控制电压的大小，并输出给变频器，实现主轴速度的控制。

程序执行换挡指令M代码（如M41、M42、M43）PMC执行M代码，输出控制离合器或电磁阀线圈。（如Y0.1、Y0.2、Y0.3）主轴电动机以换挡速度进行换挡PMC检测到挡位信号(如X1.1、X1.2、X1.3)通过PMC把挡位到达信号G28.2、G28.1输出到CNC系统CNC根据参数PRM3741/3742/3743/3744控制主轴模块实现主轴速度控制主轴换档的控制过程主轴档位信号编码G28.2G28.1档位主轴各档最高速度参数001#3741012#3742103#3743114#37442主轴变频调速系统的连接和控制系统的连接2).变频器主电路的连接电机的Y型和△型接线3).控制信号的连接FR-S52O变频器控制主轴电机原理图在数控机床主轴驱动系统中，变频器接收CNC或伺服放大器主轴模块的指令信号（模拟电压），另外，数控系统或PLC发出控制主轴正反转的信号给变频器。

3主轴变频调速系统的参数设置MM4变频器的参数访问级别在完成正确的连接之后，需对数控系统及变频器作正确的配置。首先在数控系统中设置主轴有关参数，然后设置变频器参数。变频器在使用中能否满足传动系统的要求，变频器的参数设置非常重要，如果参数设置不正确，会导致变频器不能正常工作。

P1300控制方式的选择常见的负载类别有三种速度变化，但转矩基本不变的恒转矩负载，如传送带、起重机、挤压机、压缩机等。随着转速的降低，转矩按转速的平方减小的负载。如风机、各种液体泵等。转速越高，转矩越小的恒功率负载。如轧机、机床主轴等。参数值线性v/f控制抛物线特性v/f控制矢量控制矢量转矩控制P1300022022快速调试

在使用变频器驱动电机前，必须进行快速调试。快速调试前，确认电机参数和加减速时间。变频器在参数中需要设定电机的功率、电流、电压、转速、最大频率，这些参数可以从电机铭牌中直接得到，如图所示。

P0010=1快速调试P0100选择工作地区，以确定功率的单位及频率0功率KW，频率50HZ1功率hp，频率60HZ2功率KW，频率60HZP0304电机额定电压P0305电机额定电流P0307电机额定功率P0310电机额定频率P0311电机额定速度P0700选择命令源1操作面板2模拟量输入端子、数字量输入端子P1000选择频率设定值1用操作面板控制频率2模拟设定值P1080电机最小频率P1082电机最大频率P1120斜坡上升时间P1121斜坡下降时间P3900结束快速调试0不进行电机计算1进行电机计算，并把其他参数复位为默认值（推荐）2进行电机计算和I/O复位3进行电机计算，不进行I/O复位快速调试流程图转动惯量设置转动惯量设置不当会使得系统振荡，调速精度也会受到影响。转动惯量公式：

J=T/（dω/dt）计算得出电机与负载转动惯量。设置参数P0341(电动机的惯量)与参数P0342(驱动装置总惯量/电动机惯量的比值)，这样可以提高变频器的调速性能。

4.4.2主轴变频调速系统故障诊断及维修如果变频器出现故障，断电以后不能马上进行检修，因为电源开关刚断开时，变频器的电源输入线、直流回路端子和电机端子上仍然可能带有危险电压，因此，断开电源开关以后还必须等待5分钟，保证电路放电完毕后，再进行操作。变频器面板上的指示灯和显示器，可以指示变频器的工作状态、故障代码和报警信息，帮助用户判断故障原因。

例3.21某配套FANUC0i-C的数控车床，执行主轴换档指令M41/42时，