数控机床故障分析与维修第7章.ppt

第7章 进给伺服系统的故障分析,7.1 进给伺服系统的类型特点7.2 伺服系统故障分析的一般思路7.3 伺服系统软件报警故障成因与分析处理7.4 伺服系统硬件报警的分析7.5 伺服系统无报警故障的实例分析7.6 刀架与刀库故障的实例分析7.7 与CRT显示相关的故障现象与实例分析,7.1 进给伺服系统的类型特点,用对比的方法，来了解不同类型伺服系统的基本组成、结构特点与工作原理，是“据理析象”分析伺服系统故障的基础。进给伺服分类按照控制特点，伺服系统可以分成(见图7.1.1)闭环伺服系统与开环伺服系统。,图7.1.1 进给伺服系统按控制的闭合性分类,开环伺服系统可以分成：普通型与反馈补偿型。普通型伺服系统又可以分成串行型与平行型。串行型与平行型的工作原理相同，其控制流程图如图7.1.2中上部所示。两个系统(见图7.1.2下部)的主要区别在于控制器不同。串行型采用环行分配器，而平行型采用的是编程器接口。这类伺服系统中，脉冲分配器的失效与驱动器中大功率器件的失效是常见故障成因。,图7.1.2 普通型开环伺服系统组成框图与工作原理,反馈补偿型开环伺服系统，实际上是在普通型开环伺服系统上增加了位置误差反馈补偿功能。从它的系统框图(如图7.1.3所示)上可见，该系统的组成特点是：,主控链路上，以脉冲混合器代换了脉冲分配器；反馈链路由数字正弦/余弦信号发生器、感应同步器、整形电路与电压频率变换器组成。位置误差，是由反馈回路获得并且转换成变频脉冲后，反馈给脉冲混合器的。反馈的变频脉冲与指令脉冲叠加，对控制脉冲数进行了补偿。,虽然系统组成中采用了具有感应同步器的位置反馈回路，但是与全闭环不同，这个位置环的功能是作位置误差的反馈补偿的，而不是作位置反馈控制的。这类伺服系统中，感应同步器的污染与位置的精确与安装的稳固、反馈电路与电缆连接等问题，又是普通型开环伺服系统所不具有的故障成因。(在以后的系统框图中，将省略电源供给，但是分析时仍然不可忘记电源供给问题！),通常，按位置环中位置检测传感器(简称“测位器”)放置位置的不同，闭环伺服系统可以分成半闭环型与全闭环型。按位置环控制信号不同，闭环系统还可以分成幅值型比较式、相位比较式与脉冲比较式三种类型。,图7.1.3 位置误差反馈补偿型开环伺服系统,实际上，闭环涉及的不只是双环，而是“三环”伺服系统。除了数字式控制器外，一般“电流环”是隐含在伺服单元中的“内环”。“双环调速系统”是指电流内环与速度外环。电流内环是不可忽略的环节。,电流内环的反馈补偿调节电流控制驱动单元的整流器的电压输出，从而控制伺服电机的电枢电流大小，使得轴运行速度具有良好的静态与动态特性：当速度指令为阶跃信号时，电流调节器输出其最大饱和值，使电机电枢电流最大而能在加速过程中保持最大转矩和最大速度，从而缩短了启动与制动时间；当运行中电网不稳或欠压时，反馈电流减小而使电流调节器输出立即增大。,半闭环型伺服系统，又分别有三种：反馈补偿型、数字式软件控制型与普通型。反馈补偿型半闭环伺服系统(如图7.1.4所示)的特点：指令信号与反馈信号，都是脉冲信号(所以，是一种脉冲比较型伺服系统)。,图7.1.4 反馈补偿型半闭环伺服系统,从系统组成上看，半闭环型伺服系统与普通型还有三个不同特点：它的速度反馈与位置反馈信号都进入脉冲混合器中，与CNC指令信号进行叠加。叠加后的脉冲信号经误差寄存器内的分配而成为分配脉冲信号。再经数/模转换而成矩形波控制信号。速度环中由于采用了旋转变压器(图中R)作为测速传感器，因此，其组成上与普通型伺服系统的不同：需要正弦/余弦励磁信号输入、并将输出的误差电压信号变换与整形后转换为频率信号。,位置环中，采用了感应同步器或磁尺为位置检测传感器，安装在工作台位置。这种安装方式与全闭环相同。它的位置环反馈，仅作位置误差补偿而不作位置反馈叠加控制。位置误差补偿回路组成及补偿作用，与开环伺服系统中的反馈回路作用相同。,数字式软件控制型伺服系统(如图7.1.5所示)，其特点是：数字控制器接受CNC(主机)的指令信号，同时完成三个环(电流环、速度环与位置环)的反馈控制，输出控制信号。数字控制器具有的I/O接口装置包括了不同类型输入信号的测量与输出控制信号：,来自脉冲编码器(即脉冲发生器)的同一脉冲信号，进入控制器后分别进入I接口的位置反馈电路与速度反馈电路，尔后成为位置反馈信号与速度反馈信号，馈入控制器内各自的控制单元。电流检测元件(这里采用了霍尔元件)检测的电流信号，经滤波放大环节后，经控制器电流测量输入回路，再反馈到控制器的电流控制单元。如果电流控制单元不是数字式，放大后的数字电流信号则还需要进行D/A转换变成模拟电流信号。数字控制器将CNC的指令脉冲与反馈脉冲叠加而成的控制脉冲信号作为控制信号输出。控制信号经调制器变为脉宽调制信号，并进行功率放大后来控制电机。,图7.1.5 数字式半闭环软件控制型伺服系统,在实际应用中，较多见的是普通半闭环伺服系统。普通半闭环伺服系统，又可以按反馈信号接受与处理环节的不同而分成四类：,图7.1.6 伺服单元处理双环的半闭环伺服系统,(例如：三菱的MR-J2伺服放大器、FANUC0D与SINUMERIK810D等系统的伺服放大器)CNC直接处理的双环伺服系统(见图7.1.7)。实际上是一种数字式控制型系统。,图7.1.7 CNC直接处理双环的半闭环伺服系统(例如：FANUC伺服进给系统),伺服单元中转后由CNC处理位置环的伺服系统(见图7.1.8)。,图7.1.8 伺服单元中转位置反馈信号的半闭环伺服系统(例如：三菱MR-J2伺服单元的连接方式),（d）位置环与速度环由CNC与伺服单元分别处理的半闭环伺服系统(见图7.1.9)。,图7.1.9 CNC与伺服单元分别处理的半闭环伺服系统,系统中，具体速度环与位置环的控制信号与反馈信号类型，取决于测速传感器与位置传感器类型。作为辅助装置的制动装置，它们又与伺服系统紧密相关。具体制动装置与保护装置又由设备情况而定。半闭环系统的另外两种型式是：幅值比较式(见图7.1.10)与相位比较式(见图7.1.11)。,图7.1.10 幅值比较式半闭环伺服系统,图7.1.11 相位比较式半闭环伺服系统,全闭环也有三种类型：脉冲比较式、幅值型比较式与相位比较式。脉冲比较式全闭环伺服系统，也可以分成全部由CNC直接处理的双环伺服系统与分别处理的双环伺服系统。它们的系统框图，只要将图7.1.6图7.1.8中的脉冲编码器改为光栅或磁尺，并且安装位置定于工作台旁即可。,对于幅值比较式与相位比较式闭环伺服系统，需要了解：半闭环位置传感器采用的是旋转变压器，而全闭环采用的是感应同步尺。它们的安装位置不同：旋转变压器可在电机内或在电机旁安装，而感应同步尺是安装在工作台旁的。,旋转变压器从转子正弦绕组获得感应电势，而感应同步尺从定尺上获取。于是，可以方便地从半闭环系统框图去获知全闭环系统框图。只要将图7.1.10中的旋转变压器改为感应同步尺，安装位置定于工作台旁，并将转子绕组与定子绕组分别改成动尺与定尺，就可以获得幅值比较式全闭环伺服系统的系统框图。同样方法，可从图7.1.11获得相位比较式全闭环伺服系统的系统框图。,通常人们认为：全闭环与半闭环的主要差别，在于它们的位置检测传感器放置位置的不同。半闭环的位置检测是在伺服电机位置，而全闭环的位置检测是在工作台，所以检查结果的误差中包含了机械传动误差。而且，由于全闭环位置检测的传感器安装在与工作台联动的辅助构架上，在日常生产中容易被污染或碰撞松动或移位，导致位置超差或位置检测的失效。需要指出：这种位检传感器位置差别的比较，仅对普通型半闭环而言是成立的，对于反馈补偿型半闭环中位置传感器安装及其可能存在的问题，却是与全闭环的类同的。所以，分类只是为了搞清控制的差异。,按照伺服电机不同，伺服驱动系统又可以分成两大类：直流电机伺服系统与交流电机伺服系统。其中，交流电机伺服系统较多采用交流同步电动机。这种分类方法，在于区分速度控制方式与驱动方式的不同。在图7.1.12分类图中，加注了由直流电机结构特点而可能出现的故障；用变体字方式突出了不同伺服系统的主要组件它们可能成为伺服系统故障的成因。所以，在诊断分析中采用“先一般后特殊”原则时，应该先予以考虑。,图7.1.12 伺服系统按进给驱动伺服电机分类,图注：*整流桥(SCR)：三相全控桥式反并联整流电路。其中，整流管易被击穿，造成短路。*可控硅(也称为晶闸管)是大功率管。其控制角，也称为触发角。大功率管易被击穿，造成短路。同样，在PWM的开关放大器中大功率晶体管的损坏也往往是故障成因。*由闭环控制原理，速度环也要求负反馈。接线错误(接成正反馈)，会导致飞车。测速器的(元件损坏或污染等)失效或安装不良、反馈回路装置故障或接触不良、电缆断线或屏蔽接地不良而受电磁干扰等，会导致失步、加工误差大、振动与噪声大、延时过长导致的停机、频繁停机等故障。*交流伺服系统中，最多采用的是变频调速。其中，变频器故障又是交流伺服系统的常见故障。永磁体的退磁与脱落又是常见故障。,图7.1.13 晶体管PWM控制直流调速伺服系统,图7.1.14 晶闸管控制直流调速伺服系统,晶闸管(可控硅)控制永磁式直流调速伺服系统的常见故障成因：功率放大器中晶闸管击穿、脉冲编码器故障、测速发电机或直流电机电刷和换向器易磨损、电机内永磁体脱落或退磁。电流环中：开环增益过大(超调产生自激振动)或过小；电流环增益超调、相应电位器的漂移。软件(参数)故障通常可以用调节硬件(电位器)来解决。,触发脉冲发生器中，移相触发器通过脉冲分配器去触发晶闸管。移相触发器故障，脉冲分配器的脉冲变压器副边串联的二极管和并联的滤波电容器失效，往往成为故障点。维修后：重接或替代了不同的生产厂家的电机时，易发生电极极性接反或反馈线接成正反馈的现象，从而出现飞车(runaway)现象。,常见的永磁式交流同步电机伺服系统，可以根据速度调节方式的不同而分成两类：无级调速与变频调速。前面闭环伺服系统框图中速度环的速度指令是模拟电压，就是属于电压无级调速控制型的伺服系统。变频调速，是由变频器为交流电机提供变频电源(电压的幅值与频率可调的电源)，以改变电源频率来控制电机速度的。图7.1.15所示为SPWM变频调速的交流电机伺服系统组成框图。,图7.1.15 SPWM变频调速伺服系统,变频器是变频调速的主要环节。常见的变频器有两种：交交变频器(直接式变频器)与交直交变频器。其中，最多应用的是交-直-交变频器，其工作原理如图7.1.16所示。50 Hz的交流经全桥整流而变为“直流”。整流全桥中可控硅大功率管的击穿与失效是常见故障。整流后的“直流”中仍有脉动电流，会降低电源功率因素，并且会有大量高次谐波馈入电网。再生回路，是应用电容滤波即吸收网络来吸收这些无功功率，并与电机感应再生电能一起反馈给电网而具有再生机能的回路。再生回路中的电容的失效将导致滤波功能的丧失，可能造成伺服轴启停时的过电压。逆变器，多用PWM型逆变器，也常是导致脱扣的故障环节。若采用晶闸管逆变器，其中晶闸管(即可控硅)也可能出现击穿与失效。,图7.1.16 交-直-交变频器原理图(幅值与频率可调的),常见的还有交流式无换向器的交流电机伺服系统(见图7.1.17)与直流式无换向器的交流电机伺服系统(见图7.1.18)。,图7.1.17 无换向器交流同步电机伺服系统,图7.1.18 无换向器直流式交流同步电机伺服系统,7.2 伺服系统故障分析的一般思路,故障分析的正确思路，首先是来自于对系统组成及其工作原理的认识。前述各种类型伺服系统框图示意目的，是突出它们各自系统的组成特点即它们的“个性”。在修前技术准备时，快速查阅技术资料，就应该找出设备的特殊性，以便具体分析时注意这些“个性”即“注重个性”。面对众多的类型，又需要掌握它们的共同特性，即“归纳共性”。因为，在故障大定位阶段，关心的是共同的、大的独立环节共性的东西。下面从典型的全闭环伺服系统框图(图7.2.1)出发，来确立一般伺服系统故障的分析思路。,图7.2.1中的符号“”本质上是一个“加法器”。它完成正控制输入信号与负反馈信号的叠加。对应于每个闭环，都有一个加法器。,图7.2.1 普通全闭环伺服系统的组成框图,可以用 来简化表示闭环控制。它包含了三条链路。闭环分析时，应该记住这个环节的简化图(见图7.2.2)。每见到这个环节，就应该联想到：谁输出指令，哪里来的反馈信号，控制信号由谁输出以及输出给谁。,图7.2.2 闭环的叠加控制环节,由图7.2.1可见，闭环伺服系统是由三条链路构成的：主链，是图中由粗箭头连接的系统。包括了：从面板控制键、主板、伺服控制与驱动单元、伺服电机、传动装置与制动装置，直到工作台或驱动轴等环节。它包括了机械装置与电气装置。如果是数字式伺服单元，电气结构就包括硬件与软件(主要是参数设置)。因此，伺服系统的可能故障，除了机械故障(包括液/气压系统故障)外，其电气结构还可能存在硬件故障与软件故障。,反馈链，三个(闭环的)反馈回路分别具有各自的传感器、反馈信号处理装置以及传感器电源与信号复合电缆。其中，各处理装置，一般都在对应的控制器上。检测传感器的电源供给输入与检测信号的反馈输出，都是经过电缆与控制器上处理器的I/O接口连接的。所以，一般讲反馈回路的硬件包括了检测传感器、连接电缆(包括屏蔽与接地)与控制器反馈接口电路。它们都可能成为伺服系统控制类故障的成因。,/控制器容易受各种电磁干扰。由此可以引起控制类故障现象(详见6.4节)：机床不动作、误动作、失控(伺服电机暴走、超程与各种超差、伺服停止时的轴振动)、程序中断、突然停机(多种报警或者无报警停机、过流/过压/欠压/伺服没有准备好等报警)，以及加工误差大等故障现象。/,供电链，即供电系统。包括了：保险丝/熔断器、断路器、变压器、滤波器、接触器、继电器、开关电源等。关于供电系统的常见故障，可以详见4.1.3节。各伺服系统电源供给系统的配电方式与器件的组成会有所不同。在第3章中，已要求“读懂电气图”，在4.1.3节电源故障与电网干扰节中也介绍了共用型与分立型配电方式。常见的是共用型配电(集中供电)方式，一旦供电回路出现故障，各伺服系统都将瘫痪。,例如，图3.2.1 MNC863T数控车床电源连接框图中：伺服单元的供电系统是：从电网进线总空气开关(含保险丝)交流接触器三相滤波器空气开关(即断路器)伺服变压器伺服电源电源电缆。主控板、面板控制键的供电系统包括了：电网进线总空气开关(含保险丝)交流接触器三相滤波器空气开关(即断路器)配电盘变压器保险丝直流电源(开关电源)主板与I/O板电源电缆。其中配电盘变压器到24 V电源小板的回路，给主控板及其它继电器接口供电。,不同闭环(电流环、速度环与位置环)，都可采用类似方法分析。伺服系统的故障现象，根据独立单元分析法也可以归结为：不同条件下出现的无输出(不能启动、不能回零、中途停止)、输出不正常(即轴运行不稳定、超差、超程、越位、过冲、飞车等“失控”现象，以及振动与噪声)。,正如在2.4节中曾指出的“伺服系统的故障类型，有机械故障：制动与传动部件等的缺陷、磨损、误差过大或间隙过大造成的阻力过大、噪声与振动等，以及液/气压系统故障。也有电气故障：包括了伺服单元本身及其之外的器件及其接线故障。诸如：功率器件、动作开关、继电器、测速发电机、电动机等器件故障，及其器件的连接错误，或连接与接触不良等。如果是数字式伺服单元，除了本身可能存在的硬件故障外，还可能出现软件与参数设置以及操作失误方面的软性故障。”,7.3 伺服系统软件报警故障成因与分析处理,7.3.1 伺服控制系统软件报警的处理与实例分析可将伺服控制系统的软件报警分成两大类。第一类：关于操作出错(例如未初始化)、程序中移位过大、伺服板堆栈溢流/出、内存出错、等待超时等报警。,这些报警，一般是可以用复位法来消除的报警(见4.2节)。但是，有的系统就不能用复位法消除此类报警。例如，FADAL加工中心出现#19轴伺服卡上堆栈溢出是指：存储CPU指令直到执行为止的期间内发生的溢流。所以成因就涉及伺服轴卡或CPU卡等故障。需要运行诊断程序来判断定位。如果此类报警反复出现，则需要根据报警内容查看与修改程序或修改参数设置。出现等待超时，不仅与参数设置范围是否合适(在调试阶段)有关，还可能与造成反馈信号传递的阻塞、信道接触不良、污染、阻抗过大或者电机过载或过热保护电器动作将反馈输入信号短接等硬件故障有关。,例如，FADAL系统的#16循环测试等待超时，是在允许的时间内未检测到分解器的零脉冲故障。与分解器没有响应或伺服电机过热有关。(伺服电机过热或振动，造成由过零脉冲发生器不能产生1 Hz的信号，或该信号不能有效传递到伺服控制器，导致控制器在规定的时间410s内接收不到该信号。)需要查电机是否过热、查分解器板上电机接口的温度保护开关是否动作而使分解器反馈输入对地短接，以及检查分解器的跳码(Jumper)连接是否正确等。若是伺服电机过热，必须查明成因，并等待电机冷却后方可再启动。因此，必须了解系统报警的具体内容与相关成因。如果一概而论、一见软件报警就采用复位法，可能导致扩大故障的后果(见4.2节的注意事项)。,第二类：进给保持、伺服单元没有准备好、伺服放大器故障、转速指令未到达伺服板，或连接故障、过大幅值(表明幅值测量失效)、伺服电机过载(无论是待机时、点动时、手动时、空运行时)、电机故障、飞车组态等软件报警。这些PLC报警，实际涉及的可能是硬件故障。,1.CRT显示“进给保持”CRT显示“进给保持”时，控制面板上进给保持灯必定点亮，“进给保持”键必定压合，所有的进给轴都不可启动。对于CRT上显示“进给保持”的软件报警信息，涉及的故障成因可以是软性也可以是硬性故障。因此，首先应该进行故障类型判别。先检查该键能否释放？如可，释放之，按JOG键，手动将轴移开现位将轴返回，以保证无危险后，才可重新启动轴。如果该键不可释放，可利用调用参数设置画面了解相关参数设置(主链中：急停、进给保持与制动释放等)是否有误。调用自诊断实时状态画面，应该先检查有关信号实时状态是否正常。采用接口信号分析法进行故障大定位。如果实时状态参数不正常，检查相关开关或器件是否良好。如果器件良好，则应该检查信号反馈回路以及接口电路(可以参见图6.4.5的判别流程图)。,2.有关“伺服单元未准备好”报警信息 例7.3.1 FANUC-7M系统某数控机床，CRT显示“07-Velocity Unit Not Ready”，伺服不能启动。修前技术准备 查07号软件报警内容是“速度单元未准备好”。CNC直接处理双环的半闭环伺服系统(如图7.1.7)。机床有三个伺服轴系。修前调查 无其它任何报警。电网、环境与外观都正常。,据理析象 故障特征：软件报警。故障大定位：CNC侧。系统能报警，表明CNC主控装置完好。报警内容未给出伺服轴系。三轴速度环同时都坏而不能报警的可能不大。主控板上三个反馈接口同时故障也不太可能，除非反馈输入板供电问题或线路板问题。最可能的故障类型：参数故障。罗列成因 按照这里CNC软件报警输出与其输入有关：反馈输入板供电问题或线路板问题、参数输入问题。最可能故障成因：参数问题。,确定步骤与方法 先软后硬查参数设置是否正常，以判断故障类型。如否查RAM电池回路。如是，查反馈输入板供电问题查线路板问题。参数检查法：调出参数设置画面，PC参数已全部丢失。参数丢失成因：查知RAM电池接触不良而失电，而造成参数丢失。排除故障 用砂纸与无水酒精重新清洁插座，装好电池。系统上电，重新输入参数。报警消除，故障排除。,例7.3.2 FANUC-6系统老数控机床，CRT显示“07-Velocity Unit Not Ready”，伺服不能启动。修前技术准备 查07号软件报警内容是“速度单元未准备好”。伺服电机为直流电机，测速器为测速发电机。修前调查 还有，Y轴速度板上TGLS红色报警灯点亮：速度反馈信号断线报警。故障特征：软件报警与Y轴伺服硬件报警。故障大定位：Y轴速度环。外观电缆完好。查制动可轻松释放。手动Y轴电机无明显声响与阻力，故排除机械与直流电机故障可能。,据理析象 综合软件与硬件报警内容，并参照分析后面的图7.3.1。故障定位：Y轴速度反馈链。故障类型：硬件故障。罗列成因 测速发动机故障未发信号、反馈断线或接触不良或反馈接口不良。确定步骤 先外后内查连接电缆先一般后特殊查测速发动机磨损故障或污染查反馈接口。故障点测试 检查连线均正常清洁插头与接头，重新连接好电缆，将另一端接到示波器上手转动电机时示波器上无电压输出。故障精定位：测速发电机故障。,排除故障 打开电机，发现严重碳粉污染电机与测速发动机的电枢，是无速度反馈信号输出的成因。用压缩空气吹净碳粉后，以酒精清洗脏的电枢，再开机，故障消除。注意：测速器失修或接触不良会导致无速度反馈信号。应定时清洗电枢，视加工量大小及时更换电刷。上述可见，出现这类软件报警时，需要检查各伺服单元上有无报警显示，以判定是否共同问题。,另外的几种情况：若各伺服单元无报警，先查参数用短路销隔离所有伺服轴，上电后若报警依旧，则为主板控制电路或伺服状态判别电路故障。若隔离伺服轴上电后报警消失，需要判定故障轴分别隔离各轴，上电看报警是否消失。如果分别隔离各轴后上电都报警依旧查共同的供电系统与控制电器。若某伺服单元有报警显示，例如红灯点亮，可用短路销隔离该轴，上电后若软件报警消失交换法，判定指令信号电缆与连接是否良好再用短路销隔离，以确定是否该轴伺服单元故障(一般为伺服保护电路或功率部分故障)。,3.有关“伺服单元异常”或“伺服放大器故障”方面报警信息例7.3.3 一台FANUC-OM系统立式加工中心。出现#414和#410报警。修前技术准备 该系统如图7.1.7所示，速度环也由CNC处理。查知报警内容为：速度控制OFF和X轴伺服驱动异常。修前调查 报警出现后能通过重新启动而消除。但在自动方式下每执行到X轴快速移动时就报警。,据理析象 故障特征：具有重演性并与X轴快移相关。故障类型：硬件故障。快移动作有关，从而故障大定位：X轴移动电缆及其接点。罗列成因 最可能的故障成因：X轴移动电缆的接点。重演故障与观察检查：快移时，X轴伺服电机电源线插头处相线间拉电弧。插头间的拉电弧引起相间短路，导致速度环自保护电器动作并报警。排除故障 清理搭丝并修整插头。故障排除。,例7.3.4 GPM90DB-2型数控曲轴铣床多次程序中断，CRT显示“W轴伺服报警”。修前技术准备 根据技术资料画出与报警相关的系统框图，如图7.3.1所示。,图7.3.1 与W轴伺服报警相关的系统框图,修前调查 成熟的加工程序。故障特征：软件报警，故障频次高。报警时，W轴电机停转，滑板处于制动状态(未释放)。据理析象 故障频次高，与电器的误动作/不动作、失修卡住或接触性故障有关。报警机理：滑板制动未释放或滞后释放动作，PLC在规定时间内检测到的是“制动未释放”信号状态(如“1”)而输出“W轴伺服报警”。故障大定位：W轴伺服系统最上面的链路(图7.3.1三条链路中)。故障类型：硬件故障(滑板制动未释放不动作成因)。,罗列成因 上面链路内的器件与接线、液压与供电系统故障，以及PLC输出接口电路或中间继电器故障。最可能的故障成因：电磁阀(详见5.7节)与滑板锈死等失效故障。确定步骤(程序中断，一般可以采用PLC程序法)这里，先一般后特殊、先简后繁：用信号强制输入法查第一条链中电磁阀输出与滑板动作。信号追踪法向前追查各个环节。信号强制输入法：断开电磁阀原接线，按其电源要求，正常的外接电源输入后，观察其输出动作不动作。故障定位：电磁阀。,故障点测试 万用表测试电磁阀线圈电阻正常。判定电磁阀内机构失效卡住，导致制动不能释放。排除故障 更换电磁阀，故障排除。,例7.3.5 A980MC系统T30加工中心，手动运行Y轴时CRT出现“驱动失败”报警。修前技术准备 了解到系统采用测速发电机与光栅尺测位器、电磁阀与液压抱闸系统。机械传动是Y轴电机通过同步皮带与滚珠丝杠连接的。可以勾画与Y轴运行相关的系统框图(如图7.2.1所示)及报警相关的系统框图(类似图7.3.1，但增加一条位置反馈信号链，并延时T3T2)。据理析象 按报警机理，制动未释放或释放延时、无速度/位置检测反馈或反馈延时、反馈装置接口不良、传动阻力过大等都可以导致停机报警。,现场工作 启动液压后，手动Y轴时液压自动中断而出现报警。常规外观检查与液压保护电器都正常。无硬件报警。可启动液压表明制动可释放。先机后电思路，手动去除液压抱闸并去除同步皮带后，手扳动丝杠感吃力。故障类型：机械故障。故障大定位：机床侧丝杠传动系统。可能成因：丝杠负载阻力过大：轴承故障或松动移位。,故障点测试 检查丝杠前轴承座正常。检查丝杠下轴向推力轴承座时发现轴承座紧固螺母松动并且已压于闸瓦上。这是手摇丝杠费力的原因。该轴向轴承座松动导致滚珠丝杠上下窜动，造成电机转动时丝杠空转而轴未移动。光栅尺未能检测到移动信号，在T3内无位置反馈信号给位控板而发出的报警并停机。故障处理 紧固松动的螺母后丝杠不再窜动，故障排除。,例7.3.6 T-30加工中心，CRT显示19085号报警，伺服不能启动。修前技术准备 查报警内容为伺服驱动故障。未清楚是哪一伺服轴的故障。主控板上的伺服反馈接口有短路销，可用于短接伺服输入。B轴和Z轴为两个完全相同配置的伺服系统，集中供电系统。,修前调查 各伺服驱动器上显示正常，无任何报警。排除了总线控制与电源输入、伺服驱动与电机故障的可能。先公后专查伺服系统集中供电的三相交流电源与DC225V，正常。排除了电源输入故障的可能。机床外观无异常。操作正常。画出与报警相关系统框图(见图7.3.2)与闭环控制系统框图(见图3.4.1)。,图7.3.2 与报警相关的系统框图,据理析象 故障特征：软件报警。表明CNC/PLC主控装置完好。报警机理：启动自诊断检测伺服接口故障状态的PLC报警。(见例7.3.4)首要问题是：故障大定位于NC侧还是机床侧。其次：如是机床侧，定位于哪一伺服轴系故障。再次：伺服不能启动，先查其输入：供电链路故障可能已排除。,主链：正输入：来自CNC主控板的指令信号与参数设置正常？负输入：来自电机与传动/制动的阻力即负载效应？反馈链：负输入正常？故障类型：硬件故障。,罗列成因 主控板侧：PLC输入板上相应伺服反馈口或相应PLC输出板口故障。总线装置、电缆或接插排故障。机床侧：主链中，负输入为制动未释放。反馈链路中，测位器、反馈电缆与插口或伺服单元故障。(可参见例3.4.1中有关信号的逻辑状态),确定步骤与方法 短路销法(隔离所有的伺服轴)进行故障大定位，确定是否机床侧故障。如是，再用短路销法判定(故障定位)故障轴系。先一般后特殊“故障精定位”，查故障轴各移动电缆及其连接。如否，查制动装置与反馈链。(因为如果某伺服驱动单元有硬件故障、电机故障会报警。没有其它报警，先不查。如果参数混乱应该有多个报警、不是调试阶段一般不会有参数设置问题，先不查。),短路销法 将主控板上位置环反馈接口的B与Z轴短路，系统上电，报警消除。表明：主控板反馈接口完好。故障大定位：机床侧。停电，取消Z轴短路销，B轴仍短路，系统上电，仍无报警。表明：Z轴伺服完好。停电，再取消B轴短路销，系统上电后出现报警。故障定位：B轴伺服驱动系统。查B轴制动电缆与反馈电缆，发现：B轴制动电缆外皮已磨破。,故障点测试 万用表测试该制动电缆。故障精定位：制动电磁阀控制线断线故障。为排除其它可能故障，先再将Z轴短路，将Z轴制动电缆与反馈电缆代替B轴的(替代法)。上电后也不报警。确定故障成因：B轴制动电磁阀控制电缆断线而不能释放，导致编码器无动态位置反馈信号输出而报警。排除故障 更换新电缆，故障排除。,/注：(1)本案例突出短路销法的使用。先故障大定位、先一般后特殊、先简后繁等原则，可以提高诊断效率。原实例的诊断步骤为：(备件替代法)替代驱动器控制板和通道测量板后故障依旧短路销法判出B轴系故障(交换法)B轴和Z轴的功率输出板互换后Z轴运行正常，排除功率输出板故障检查B轴电机和编码器时发现B轴制动电磁阀控制线磨断,(2)本例，可以像例3.4.1那样采用接口信号分析法直接定位。/全数字伺服系统关于“伺服放大器故障”的报警是较详细的。例如FADAL加工中心有X/Y/Z三个坐标轴，还有三个转动轴。由短路销/跳码(JUMPER)设置来选择轴系的连接。CRT显示“AMPLIFIER FAULT ON AXIS”(伺服放大器故障)，是检测应该启动的轴伺服放大器处于未启动状态时发出的PLC报警。如果A轴参数已设置而跳码未设置，会出现同样报警。根据TROUBLESHOOTING的指南，再结合诊断的基本原则，诊断思路可归结为如图7.3.3所示的判别流程图。,图7.3.3 伺服放大器故障的判别流程图,从该判别流程图上可以得到一些启示：Y 报警点故障点。报警点给出了检测点呈故障状态。故障成因：既有“未复位”这样的操作错误与参数设置错误构成的软性故障、跳码设置错误的硬性故障，也包括电缆与器件的硬件故障。伺服放大器故障只是其中的一个可能环节(过载继电器在伺服放大器上、报警号与实时状态对比中可能包括伺服放大器故障即这里的伺服板)。显然，报警点不是定位的故障点。,Y“归纳共性”主思路根据工作原理：可以伺服放大器为研究对象(独立单元)，它的反馈输出不正常，先查其输入。(参见图7.2.1)由PLC报警机理可知：(参考图7.3.2)可以涉及从面板、NC/PLC、伺服放大器到PLC输出板报警链路上的每个环节。,因此，应该分析闭环控制三条链路的输入是否正常：,主链：正输入：来自CNC的指令，涉及NC、PLC与总线等。负输入：面板急停，来自电机与传动/制动的阻力即负载效应。反馈链：位置检测传感器接线与屏蔽信号电缆反馈接口电路的反馈位置误差信号得负输入。供电链：供电系统的正输入与保护装置动作的切断输入。,Y“注重个性”例如，急停后伺服放大器与某些继电器是否需要的复位操作、特殊的短路销设置、稳定的供电系统、参数设置与反馈输入信号类型等。充分的修前技术准备是必要的！Y 操作错误或设置错误，会导致这类报警。数字式伺服放大器处理双环(位置环与速度环)，无反馈误差信号或反馈信号小于可接收极限值时也会出现这类报警。,Y 个性与共性结合，罗列可能的故障成因：软件设置与操作失误(软性故障)、主链与反馈链路中组件与电缆连接故障、供电系统内器件与连线故障。输入正常而输出不正常时，才是伺服放大器本身故障。Y充分利用系统的自诊断功能(报警信息、报警号、警灯或指示灯，以及实时信号状态表)，判别故障类型，根据基本原则确定诊断方法。,/FADAL加工中心，具有类似数字式半闭环软件控制型伺服系统(见图7.1.5)。伺服控制器包括了三个闭环控制。(但与图7.1.5不同，测速器与测位器分开。速度控制是模拟控制：速度指令与速度反馈信号都是幅值不超过10 V的模拟信号。位置反馈信号是脉冲信号。)主板CPU板(1400)通过1030板与伺服控制板连接。伺服控制板上有三个槽口，分别安装了三轴的伺服控制器(轴卡)。,CPU卡 轴卡(伺服控制器)伺服放大器(是功率放大驱动器),#14 报警 给轴卡的速度指令不正常。包括了移动指令传递的设置未完成而导致的信号传递故障。手册提示了硬件故障的分析思路：查直流电源电压供给：5 V、12 V和12 V。若正常运行CPU与轴系诊断程序，判别是否某轴故障。若是更换故障轴轴卡，重新再运行诊断程序。若多轴卡故障，更换CPU板或1030板(后面称这一段为功能测试法)。#20 报警 速度指令传递故障或缓冲器未设置。手册也只提示了关于通讯故障功能测试法确定是否将故障定位于轴卡。,#3报警 跳码逻辑错误、反馈信号丢失(上电时反馈检测时伺服轴控制器没有响应NC)或伺服电机接线错误(注：短路销法)短接轴卡上相应跳码，使上电时不进行反馈测试与断开负载(伺服电机)。上电，如无飞车轴卡故障或卡上跳码线路上元件损坏。若飞车查电机电缆或接线错误。#18报警 伺服放大器掉线(line down)轴卡来自放大器的反馈信号或信号电压低于10 V。伺服放大器上LSECB 若点亮查机械约束(注：与制动未释放有关)。若不亮查电缆连接不良？若否伺服放大器故障。,#21报警 信道中断不能工作。查信号电缆的连接与屏蔽接地(有噪声)，若完好更换轴卡。/判别流程图中虚框部分的核心是“状态对比”(这部分内容手册上未提及)。需要注意以下两点。一是故障大定位：机床侧/CNC侧哪个轴系哪个链路。二是判别故障类型：机/电？而具体涉及的方法包括了：NC与PLC间信号交换法、接口分析法、先一般后特殊地使用测量对比法、隔离体法与信号强制输入法(对编码器)，以及信号追踪法等。(一般说明书上只介绍了短路销法、功能测试法与测量对比法等一些简单方法)。,4.有关“转速指令未到达伺服驱动板”的报警信息例7.3.7 SIEMENS 840C系统PTA160O数控磨床，出现#300300故障报警，伺服不能启动。修前技术准备 查技术手册，报警内容为“A2 DRIVE LINK OFF”，并提示应检查NC端口到各伺服驱动器驱动总线的连结。/实际案例现场工作：逐段测量 NC到驱动器及驱动器之间的连接电缆未见异常。为故障大定位，拔下设备总线插头并加电重新初始化(等于断开与伺服的连接隔离体法)，报警依然存在。走了一段弯路！/,罗列成因 报警内容给出了故障大定位：主控板与伺服单元间的信号交换、接口电路与总线。伺服不能启动，先查其输入：有无来自主控板的指令信号与参数设置。(由报警指出为主链路问题。又伺服驱动板与主控板共享电源，所以，就忽略了反馈链与供电链。)故障类型：既可以是参数设置的软件故障，也可以是端口电路与总线的硬件故障。,确定步骤 应该先软后硬查NC参数，再查总线及其接口。调出参数设置画面 发现参数丢失。排除故障 重新输入参数后，机床报警消失。/注：1.报警内容是驱动总线连接的硬件故障，实际为参数丢失。又说明：报警点故障点。2.系统自诊断不能替代维修人员的现场调查与分析。如果，先分析罗列成因后，先软后硬查参数，是上策。然后再按自诊断提示进行，有利于提高诊断效率。3.如果具有短路销设置，可采用隔离体法，可用来故障大定位。4.参数丢失，还应该追查成因，否则故障还会重演。/,5.有关“伺服超差”、“超程”报警这类软件报警，是位置环故障。故障成因，包括软性故障(操作失误与参数设置失匹)与硬性故障(硬件故障与机械故障)。关于超程报警，前面已有案例，它们是：例4.3.1 程序中断，瞬间超程报警显示。PLC程序法与信号强制输入法分析判出是+X行程开关连接电缆或接头故障导致的假超程。,例6.4.5 运行中X超程报警。接口信号分析法，判出是X继电器励磁线圈短路，导致的假超程。例3.8.1 多个超程报警，有编程与操作失误故障史，导致报警软键始终“ON”的假超程报警。参数的临时修改法解除了报警。例6.4.8 调试阶段回零操作时出现正向移动就出现超程报警。为报警软键始终ON导致的假超程报警。,在上述超程报警案例分析中，首先需要判别真/假超程。,超程报警机理，同时包括两类：轴实际坐标超越软限位或超越硬限位行程。,关于各类超差报警，前面已有案例，它们是：例2.3.4 Z轴动差过大报警。接口信号法与信号追踪法判出：编码器与电机间的十字链接块脱落，造成无反馈信号所致。例3.7.3 X轴超差报警。用逐渐增大Kv，减小跟随误差来排除故障。例6.4.9 动态跟随误差过大报警。老机床机械磨损使反向间隙增大而使自动漂移补偿超过最大允差。采用参数修改法与调正伺服系统来排除故障。,分析可见：动差过大的成因包括了电气故障(加工程序或参数设置的软件故障与硬件故障)、机械故障及其环境与电网干扰。,例7.3.8 DYNAPATH 10M系统XB408加工中心，在加工过程中出现工作台(B轴)回转落位超差报警。修前技术准备 查知B轴为工作台旋转轴，脉冲编码器作为测位器。位控板上反馈接口：是以短路销方式来馈入信号(个性)的。据理析象 故障大定位：位置环。(系统框图略)由超差机理(见例2.3.4及其“附注”)，先排除加工程序与参