《数控机床故障诊断与维修》伺服系统的故障诊断与维修

数控机床故障诊断与维修（第2版）伺服系统的故障诊断与维修

【学习目标】通过实践操作能够掌握FANUC0iD/FANUC0iMateD伺服系统的故障报警类型。了解伺服进给装置和伺服位置反馈装置故障诊断与维修的方法。能够正确对FANUC0iD/FANUC0iMateD数控系统的常见伺服故障进行诊断与排除。数控机床的伺服系统是由伺服轴卡、伺服驱动器和伺服电动机组成的。伺服系统接受CNC所发出的位置指令来驱动电动机进行定位控制，它是由伺服控制理论、变流技术、电动机控制技术来组成位置、速度、电流的三环控制，如图8-1所示。一、任务导入图8-1进给伺服系统简图 对进给伺服系统的要求是伺服刚性好、响应速度快、稳定性好、分辨率高，这样才能高速、高精度地加工出高质量的工件。 当进给伺服系统出现故障时，通常有3种表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；

二是进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；

三是运动不正常，但无任何报警。 根据以上3种形式和工作原理进行伺服系统的放大和驱动硬件、参数、反馈等方面的故障诊断与排除。二、相关知识数控机床的伺服电动机与滚珠丝杠通过联轴器直接相连，如图8-1所示。这样由于传动链短，运动损失小，且反应迅速，因此可获得高精度。CNC插补器在每个插补周期内串行输出的位置脉冲数表示位置的移动量（一个脉冲所移动的直线位移为一个脉冲当量）；脉冲的频率（即在单位时间内输出的脉冲数的多少）表示进给的速度；脉冲的符号表示轴的进给方向。（一）伺服系统的常见报警与处理方法1．伺服系统的常见报警（1）进给伺服系统出错报警故障。（2）检测元件或检测信号方面引起的故障。（3）参数被破坏。（4）主电路检测部分异常。（5）超速。（6）限位动作。（7）过热报警故障。（8）电动机过载。（7）过热报警故障。（8）电动机过载。（9）伺服单元过电流报警。（10）伺服单元过电压报警。（11）伺服单元欠电压报警。（12）位置偏差过大。（13）再生故障。（14）编码器出错。（15）漂移补偿量过大报警。2．常用伺服报警号通过LCD显示的伺服报警号，借助系统维修说明书一般都可以查找到故障原因，伺服系统常见报警详见附录C。3．伺服诊断画面的使用伺服驱动系统所配套的位置检测编码器状态、驱动器工作状态等信息可以通过CNC的FSSB总线从驱动器传送到CNC中，在CNC上可以通过诊断数据检查驱动系统的工作状态，这些状态大部分以二进制位信号的形式在CNC诊断页面显示，它们是CNC发生伺服驱动报警时的故障判别依据。（二）伺服位置反馈装置故障诊断方法（1）硬件断线报警。（2）软件断线报警。图8-2CNC闭环连接系统（三）伺服进给装置故障诊断方法进给伺服的常见故障如下。（1）超程。（2）过载。（3）窜动。（4）爬行。（5）振动。（6）伺服电动机不转。（7）位置误差。（8）漂移。1．模块交换法数控机床有些进给轴的驱动单元具有相同的当量，如立式加工中心的X轴和Y轴的驱动单元往往是一致的，当其中的某一轴发生故障时，可以用另一轴来替代，观察故障的转移情况，快速确定故障的部位。图8-3所示为采用模块交换法诊断故障。其中，X和Y针形插座为CNC系统位置控制模块至X轴和Y轴驱动模块的控制信号，包括速度控制信号和伺服使能信号等；XM和YM为伺服电动机动力线端子；XF和YF针形插座为伺服电动机上检测装置反馈信号。图8-3采用模块交换法诊断故障2．外接参考电压法当某轴进给发生故障时，为确定是否是驱动单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。由干电池和电位器组成直流回路（外接参考电压法），如图8-4所示。首先断开闭环控制模块上的X331-56速度给定输入正端和X331-14速度给定输入负端两接点，外加9V干电池和电位器组成的直流回路，再短接该模块上的X331-9使能电压+24V和X331-65使能信号两接点。接通机床电源，启动数控系统，然后短接电源和监控模块上的X141-63驱动使能和X141-9使能电压

+

24V两接点。使能信号时序如图8-5所示。图8-4采用外接参考电压法诊断故障图8-5使能信号时序图

（一）伺服轴跟踪误差过大报警及排除410#报警是伺服轴停止时，误差计数器读出的实际误差值大于参数1829中的限定值，如图8-6（a）所示；411#报警是伺服轴在运动过程中，误差计数器读出的实际误差值大于参数1828中的极限值，如图8-6（b）所示。三、任务实施图8-61829和1828的参数限定值图8-7误差计数器的读数过程伺服环的工作过程是一个“动态平衡”过程。（1）当系统没有移动指令时。（2）当系统有移动指令时。图8-8伺服运转画面（二）伺服轴进给抖动、爬行故障诊断与排除伺服轴工作过程中有振动或爬行现象。引起此故障的原因及常规处理如表8-16所示。可能原因排除方法措施负载过重重新考虑此机床所能承受的负载减轻负载，让机床工作在额定负载以内机械传动系统不良依次察看机械传动链保持良好的机械润滑，并排除传动故障位置环增益过高查看相关参数重新调整伺服参数伺服不良通过交换法，一般可快速排除更换伺服驱动器表8-16 工作过程中振动或爬行故障的原因及排除综述可能原因检查步骤排除措施进给传动链的润滑状态不良听工作时的声音，观察工作状态做好机床的润滑，确保润滑的电动机工作正常并且润滑油足够伺服系统增益过低检查伺服的增益参数依参数说明书正确设置相应参数外加负载过大校核工作负载是否过大改善切削条件，重新考虑切削负载联轴器的机械传动有故障可目测联轴器的外形更换联轴器表8-17 启动加速段或低速进给时爬行现象的可能原因及排除综述（三）光栅尺的拆装与调试实训1．光栅尺的基本结构光栅有长光栅和圆光栅两种，长光栅用于检测直线位移量，圆光栅用于检测转角位移量。光栅位置检测装置由光源、标尺光栅（长光栅）、指示光栅（短光栅）和光电元件等组成，如图8-9所示。图8-9光栅尺的结构简图2．莫尔条纹及其作用如果将指示光栅在其自身的平面内转过一个很小的角度

，以便它的刻线与标尺光栅的刻线间能保持一个很小的夹角

，如图8-10所示。节距的大小与两光栅尺刻线间夹角

有关，即图8-10莫尔条纹莫尔条纹的作用如下。（1）放大作用。（2）条纹移动与光栅移动成比例。（3）均化误差的作用。3．光栅尺的拆装

用于数控机床的直线光栅尺采用封闭式结构，铝制外壳保护光栅尺、扫描单元和轨道免受灰尘、切削和切削液的影响，自动向下的弹性密封条保持外壳的密封。图8-11所示为光栅尺的安装图。图8-11光栅尺的安装图安装光栅尺时，密封条朝下或远离溅水的方向，如图8-12所示。安装封闭式光栅尺非常简单，只需在多点位置处将光栅尺与机床导轨对正，也可以用限位面或者限位销对正光栅尺，如图8-13所示。安装辅助件以将光栅尺和扫描单元间的间隙以及横向公差调整正确。如安装空间有限，必须在安装光栅尺前先安装辅助件，精确地调定光栅尺和扫描单元的间隙，还必须确保符合横向公差要求，如图8-14所示。图8-12密封条的安装图8-13采用限位销对正光栅尺图8-14安装辅助件除了采用两个M8的螺栓将直线光栅尺固定在平面上的标准安装方法外，还可以采用安装板安装（如果测量长度超过1

240mm，必须使用安装板安装）。用安装板安装时，安装板可以作为机床的一部分安装在机床上，最后安装时只需将光栅尺夹紧即可，因此，可以很容易地更换光栅尺，便于维修，如图8-15所示。图8-15使用安装板安装光栅尺4．光栅尺的维护防污：避免受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度。防振：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。

（一）伺服电动机过载或过热报警故障诊断与排除1．检测原理

伺服放大器具有过热检测信号，该信号由放大器内的智能逆变模块发出。

当放大器的逆变模块温度超过规定值时，通过PWM指令传递到CNC系统，CNC系统发出400#过热报警，如图8-16所示。四、技能拓展图8-16CNC系统伺服过热报警检测原理2．诊断方法当发生伺服过热报警时，若DGN200的#7位为“1”，则为电动机过热；若该位为“0”，则为放大器过热。其诊断流程图如图8-17所示。3．故障产生的可能原因

（1）过载。（2）电动机线圈绝缘不良。（3）电动机线圈内部短路。（4）电动机磁铁退磁。（5）制动器失灵。（6）CNC装置的有关印制线路板不良。（7）系统伺服参数整定不良。图8-17伺服过热报警诊断流程图（二）伺服轴进给失控故障诊断与排除机床失控指的是机床在开机时或工作过程中突然改变速度、改变位置的情况，如伺服启动时突然冲击、工作台停止时突然向某一方向快速运动、正常加工过程中突然加速等。机床在加工过程中突然失控，坐标轴快速运动，此类故障通常破坏性较大，属于严重故障，维修时