一种FANUC AC 伺服特殊故障的维修

HEATS

在数控机床维修过程中, 有时会遇到一些比较特殊的故障, 例如: 有的机床在刚开机时, 系统和机床工作正常。但是, 当工作一段时间后, 将出现某一故障。这种故障有的通过关机后得以清除, 有的必须经过关机较长的时间后, 机床才能重新工作。此类故障常常被人们称为“软故障”。由于此类故障的不确定性和发生故障的随机性 , 使得机床时好时坏 , 这给检查、测量带来了相当的困难。维修人员必须具备较高的业务水平和丰富的实践经 验 , 仔细分析故障现象 , 才能判定故障原因 , 并加以解决。下面是笔者在数控机床维修中一起比较典型的“ 软故障”维修事例 , 现将故障现象、维修过程及分析思路介绍如下 , 供同行参考。 ! i/ U9 f/ u$ F( w7 {

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1 故障现象 # K% q) q2 Y8 i

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　　台湾 GOODWAY 公司生产的 GCL-15 型数控车床 , 采用 FANUC ０T 数控系统。 X 、 Z 分别采用 FANUC 5、10 型 AC 伺服电动机驱动 , 主轴采用 FANUC 8S AC 主轴驱动。机床带液压夹具、液压尾架和 15 把刀的自动换刀装置, 全封闭防护, 自动排屑。机床本身价格高、精度好 , 是该公司的主要加工设备之一。 4 F0 @$ W, J3 u: a* D/ I/ q; @

　　该机床发生的故障现象为 : 机床开机时全部动作正常 , 伺服进给系统高速运动平稳、低速无爬行 , 加工的零件 精度全部达到要求。当机床正常工作 5-7h 后 ,Z 轴出现剧烈振荡 ,CNC 报警 , 机床无法正常工作。这时 , 即使关机再启动 , 只要手动或自动移动 Z 轴 , 在所有速度范围内 , 都发生剧烈振荡。但是 , 如果关机时间足够长 , 机床 又可以正常工作 5-7h, 并再次出现以上故障 , 如此周期性重复。

2 故障初步分析

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　　根据以上故障现象 , 分析其原因不外乎与 Z 轴有关的机械、电气两个方面。在机械方面 , 可能是由于贴塑导轨的热变形、脱胶 , 滚珠丝杠、丝杠轴承的局部损坏或调整不当等原因引起的非均匀性负载变化 , 导致进给系统的不稳定。在电气方面, 可能是由于某个元件的参数变化 , 引起系统的动态特性改变, 导致系统的不稳定等。

　　鉴于本机床采用的是半闭环伺服系统, 为了分清原因, 维修的第一步是松开 Z 轴伺服电动机和滚珠丝杠之间的机械联接。在 Z 轴无负载的情况下, 运行加工程序 , 以区分机械、电气故障。经试验发现 : 故障仍然存在, 但发生故障的时间有所延长。因此, 可以确认故障为电气原因 , 并且和负载大小或温升有关。

　　由于数控机床伺服进给系统包含了 CNC 、伺服驱动器、伺服电动机三大部分, 为了进一步分清原因, 维修的第二步是将 CNC 的 X 轴和 Z 铀的速度给定和位置反馈互换 (CNC 的 M6 与 M8,M7 与 M9 互换 ),即：利用 CNC 的 X 轴指令控制机床的 Z 轴伺服和电动机运动 ,CNC 的 Z 轴指令控制机床的 X 轴伺服和电动机运动 , 以判别故障发 生在 CNC 或伺服。经更换发现 , 此时 CNC 的 Z 轴 ( 带 X 轴伺服及电动机 ) 运动正常 , 但 X 轴 (带 Z 轴伺服及电动机)运动时出现振荡。据此,可以确认: 控制 Z 轴的 CNC 正常, 故障在 Z 轴伺服驱动或伺服电动机上。

　　考虑到该机床 X 、 Z 轴采用的是同系列的 AC 伺服驱动 , 其伺服 PCB 板型号和规格相同 , 为了进一步缩小检查范围 , 维修的第三步是在恢复第二步 CNC 和 X 、 Z 伺服间的正常连接后 , 将 X 、 Z 的 PCB 板经过调整设定后互换。经互换发现 , 这时 X 轴工作仍然正常 ,Z 轴故障依旧。可见 ,Z 轴的 PCB 板正常。 1 H3 Z& e, S4 w6 v( N+ R

　　根据以上试验和检查 , 可以确认故障是由于 Z 轴伺服主回路或伺服电动机的不良而引起的。但由于 X 、 Z 电动机的规格相差较大 , 现场无相同型号的伺服驱动和电动机可供交换。考虑到伺服主电路和伺服电动机的结构相对比较简单 , 故采用了原理分析法再进行了以下检查。 , X$ O: P8 O6 G; K1 z+ f- O" T$ j+ d

3 伺服主回路分析 " Q& z# F. V4 K2 J+ | T

　　经过前面的检查 , 故障范围己缩小到伺服主回路与伺服电动机上。当时笔者认为伺服主回路 , 特别是逆变功率管由于长时间在高压、大电流情况下工作 , 参数随着温度变化而变值的可能性较大。为此 , 测绘了实际 AC 驱 动主回路原理图 ( 图 1)。

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图 1 伺服驱动主回路原理图

　　图1 中 ,NFBl 为进线断路器 ,MCC 为伺服主接触器 ,ZNR 为进线过电压抑制器。 VA－VF 为直流整流电路 , TA － IF 为 PWM 逆变主回路。 C1 、 C2 、 C3 、 R1 组成滤波电路 ,V1 、V2、 R2 、 Tl 组成直流母线电压控制回路。 R3 为直流母线电流检测电阻 ，R4 、 R5 为伺服电动机相电流检测电阻 ,R6-R8 为伺服电动机能耗制动电阻。

　　经静态测量 , 以上元件在开机时及发生故障停机后其参数均无明显变化 , 且在正常范围。

　　为此 , 对主回路的实际工作情况进行了以下分析和测量 : 对于直流整流电路 , 若 VA-VF 正常 , 则当输入线电压 U_l 为 200V 时 ,A 、 B 间的直流平均电压应为 :U_AB =1.35 × U_l =270V。 考虑到电容器 C1 的作用 , 直流母线的实际平均电压应为整流电压的 1.1-1.2 倍左右 , 即 :300 - 325V 左右。实际测量 ( 伺服单元的 CN3 的 5 脚与 CN4 的 1 脚间 ), 此值为正常 , 可以判定 VA-VF 无故障。

　　对于直流母线控制回路 , 若 V1 、 V2 、 T1 、 R2 、 R3 工作正常 , 则 C 、 D 间的直流电压应略低于 A 、 B 间的电压 , 实际测量 ( 伺服单元的 CN4 的 1 脚与 CN4 的 5 脚间 ), 此值正常 , 可以判断此回路无故障。 % j/ a: m# Z, e

　　测量 PWM 逆变主回路输出 (T1 的 5 、 6、７ 端子 ), 发现 V 相 电压有时通时断的现象 , 由此判断故障可能在 V 相。将 U 相 的逆变晶体管 (TA 、 TB) 和 V 相的逆变晶体管 (TC 、TD) 进行互 换 , 但故障依旧。因此 , 可以确认 : 伺服驱动正常 , 故障原因应在伺服电动机上。 6 w! G3 @7 a; }, @$ |4 i }

4 伺服电动机检查与维修

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　　对伺服电动机进行仔细的检查 , 最终发现电动机的 V 相 绝缘电阻在故障时变小 , 当放置较长时间后 , 又恢复正常。为此 , 按以下步骤拆开了伺服电动机 ( 图 2):(1) 松开后盖连接螺钉 6, 取下后盖 11;(2) 取出橡胶盖 12;(3) 取出编码器连接螺钉 10, 脱开编码器和电动机轴之间的连接 ;(4) 松开编码器固定螺钉 9, 取下编码器 ( 注意 : 由于实际编码器和电动机轴之 间是锥度啃合 , 连接较紧 , 取编码器时应使用专门的工具 , 小心取下 );(5) 松开安装座的连接螺钉 8, 取下安装座 7 。这时 , 露出电动机绕组 5 。经检查 , 发现该电动机绕组和引出线中间的连接部分由于长时间的冷却水渗漏 , 绝缘已经老化。经过重新连接、处理 , 再根据图 2 重新安装上安装座 7, 并固定编码器连接螺钉 10, 使编码器和电动机轴啃合。

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l-电枢线插座 ；2－连接轴 ；3－转子；4－外壳；5－统组

6－后盖连接螺钉；7－安装座；8－安装座连接螺钉； 6 s4 L8 ?5 W" u' p/ ~( F' z

9－编剧器固定螺钉；10－编码器连接螺钉；11-后盖；

12-橡胶盖；13-编码器轴；14-编码器电缆；15-编码器插座。 . H. v$ D2 T4 \0 v8 ^! `8 C

图 2 伺服电动机结构示意图 9 t( E. ~* b, a

5 转子位置的调整 $ r T- ?# C9 Y& k) T

　　在完成伺服电动机的维修后 , 为了保证编码器的安装正确 , 又进行了转子位置的检查和调整 , 方法如下 :(1) 将电动机电枢线的 V 、 W 相 ( 电枢插头的 B 、 C 脚 ) 相连 ;(2) 将 U 相 ( 电枢插头的 A 脚 ) 和直流调压器的 "+" 端相 联 ,V 、 W 和直流调压器的 "-" 端相联 ( 见图 3a),编码器接入+5V 电源 ( 编码器插头的 J 、 N 脚间 );(3) 通过调压器对电动机电枢加入励磁电流。这时 , 因为 Iu=Iv+Iw, 且 Iv= Iw, 即使电动 机工作在图 3b 所示的π /2 位置 , 因此伺服电动机 (永磁式 ) 将自动转到 U 相的位置进行定位 ( 注意 : 加入的励磁电流不可以太大 , 只要保证电动机能进行定位即可。实际维修时调整在 3－5A);

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图 3 转子位置调整示意图 ; v- `* z) x7 Z8 M! I% _+ {

　　(4) 在电动机完成 U 相定位后 , 旋转编码器使编码器的转子位置检测信号 C1 、 C2 、 C4 、 C8( 编码器插头的 C 、 P 、 L 、 M 脚 ) 同时为 "1", 和电动机实际位置保持一 致 ;(5) 安装编码器固定螺钉 , 装上后盖 , 完成电动机维修。

　　经以上维修 , 机床恢复了正常。

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6 结语

　　数控机床的 " 软故障 " 是维修过程中最难解决的问题之一。在条件许可时 , 使用 " 互换法 " 可以较快地判别故障所在 , 而根据原理进行分析 , 是解决问题的根本办法。维修人员应根据实际情况 , 仔细分析故障现象 , 才能判定 故障原因 , 并加以解决。