FANUC伺服系统的故障诊断与维修.docx
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FANUC伺服系统的故障诊断与维修
FANUC伺服系统的故障诊断与维修
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伺服系统的故障诊断，虽然由于伺服驱动系统生产厂家的不同，在具体做法上可能有所区别，但其基本检查方法与诊断原理却是一致的。
诊断伺服系统的故障，一般可利用状态指示灯诊断法、数控系统报警显示的诊断法、系统诊断信号的检查法、原理分析法等等。
FANUC伺服驱动系统与FANUC数控系统一样，是数控机床中使用最广泛的伺服驱动系统之一。
从总体上说，FANUC伺服驱动系统可以分为直流驱动与交流驱动两大类。
如前所述，直流驱动又有SCR速度控制单元与PWM速度控制单元两种形式；交流驱动分模拟式交流速度控制单元与数字式交流速度控制单元两种形式。
在1985年以前生产的数控机床上，一般都采用直流伺服驱动，其配套的控制系统有FANUC的FS5、FS6、FS7系统等。
随后生产的数控机床上，一般都采用交流伺服驱动，其配套的控制系统有FANUC的FS0、FSll、FSl5/16系统等。
5.2.1 FANUC直流伺服系统的故障诊断与维修
直流伺服系统一般用于20世纪80年代中期以前生产的数控机床上，这些数控机床虽然距今已经有二十多年，但由于当时数控系统的价格十分昂贵，通常只有在高、精、尖设备中才采用数控，因此，其机床的刚性、可靠性等各方面性能通常都较好，即使在今天，很多设备还是作为企业的关键设备在使用中，故直流伺服系统的维修仍然是今天数控机床维修的重要内容。
1．SCR速度控制单元的常见故障与维修
SCR速度控制单元的主要故障与可能的原因，常见的有以下几种。
（1）速度控制单元熔断器熔断 造成速度控制单元熔断器烧断的原因有下述几种：
1）机械故障造成负载过大。
如：
滑动面摩擦系数太大；齿轮啮合不良；工件干涉、碰撞；机械锁紧等。
以上故障可通过测量电动机电流来判断确认。
2）切削条件不合适。
如：
机床切削量过大，连续重切削等。
3）控制单元故障。
如：
控制单元的元器件损坏，控制板上设定端设定错误，电位器调整不当等。
4）速度控制单元与电动机间的联接错误。
如：
速度负反馈被接成正反馈，使电动机飞车或使系统振荡。
5）电动机选用不合适或电动机不良。
如：
因为直流电动机的退磁，造成需要过大的励磁电流，从而引起速度控制单元熔断器烧断。
直流电动机去磁的检查方法如图5-9所示。
通过测量图5-9上的电压表和电流表指示值，并按下式计算，可以判别电动机反电势常数足Ke是否正常，从而确定电动机是否退磁。
式中 V——测量的电压值（V）：
I——测量的电流值（A）：
Rm——电枢电阻（Ω）；
n——电动机转速（r/min）
Ke——电动机反电动势系数（V/1000r/min）。
若上式成立，则证明电动未退磁。
不同型号的电动机，其电枢电阻和反电动势系数的值也是不相同的，对于常用的FANUC直流伺服电动机，它们的值可参考表5-1。
表5-1达式 电动机参数表
型号
电枢电阻Rm/Ω
反电动势系数Ke（V/1000r/min）
型号
电枢电阻Rm/Ω
反电动势系数Ke（V/1000r/min）
0
0.5
21
20
0.25
79
5
0.81
42
30
0.32
120
10
0.28
56
6）相序不正确。
SCR速度控制单元由于存在晶闸管触发脉冲与主电路的同步问题，因此对电源的输入有相序的要求。
若相序不正确，则接通电源后将造成速度控制单元的输入熔断器的熔断。
相序检查可以通过用相序表或示波器进行，如图5-10所示。
用相序表测量时，在主回路与同步电源R、S、T连接一一对应的前提下，测量R、S、T的相序，当相序正确时，相序表应按顺时针方向旋转（如图5-10a）。
用示波器测量时，在主回路与同步电源R、S、T连接一一对应的前提下，双线示波器按照图5-10b连接，当UAB、UCB的波形为图5-10b所示时（两个波形在相位上相差120°），则表明相序正确。
注意：
在直流伺服驱动系统中，相序必须一一对应，因此不可以用观察交流电动机转向的方式，来检查相序。
（2）状态指示灯显示的报警 FANUC公司生产的SCR速度控制单元，在控制线路板上带有3个状态指示灯，它们分别为PRDY、TGLS和OVC指示灯，其含义如下：
PRDY：
绿色指示灯，指示灯亮则表示速度控制单元工作正常。
TGLS：
红色指示灯，指示灯亮则表示与速度控制单元连接的测速发电机报警。
OVC：
红色指示灯，指示灯亮则表示速度控制单元发生过电流报警。
常见的故障现象与原因有：
1）PRDY指示灯不亮。
当系统通电后，如果表示速度控制单元的PRDY指示灯不亮，则造成故障的可能原因有：
①数控系统或伺服驱动器（速度控制单元）存在报警。
故障诊断可以通过数控系统的报警显示、数控系统印制电路板上的报警指示以及机床的故障提示进行，并根据以上提示的内容与有关说明进行处理。
②速度控制单元熔断器熔断。
速度控制单元的功率部分和触发电路板上，均安装有熔断器，当熔断器熔断时，PRDY指示灯不亮。
③伺服变压器过热、变压器温度检测开关动作。
变压器的温度可以这样进行检查：
在刚切断电源时，马上用手触摸变压器的铁心或线圈，若用手能承受得住变压器的温度（≤60℃），则说明变压器未过热，故障原因可能是温度检测开关不良，应更换温度检测开关；若用手只能承受几秒钟，则说明变压器过热，需要断电半小时以上，待变压器冷却后再进行试验。
如通电后仍过热，原因可能是负载过大或变压器不良（如变压器线圈局部短路，绝缘损坏等）。
④来自机床侧的原因。
如操作、设定不当，系统处于急停状态等。
⑤系统的位置控制或驱动器速度控制的印制电路板不良。
可以通过互换法或更换备件进行确认。
⑥辅助电源电压异常。
即：
+5V，+24V，+15V，-15V电源故障。
⑦安装、接触不良。
如：
速度控制单元与系统位置控制板之间的连接不良等。
⑧驱动器发生TGLS或OVC报警。
按检查TGLS或OVC报警的方法处理。
2）TGLS灯亮。
TGLS灯亮表示速度控制单元发生了测速发电机断线报警，其可能的原因是：
①作为速度反馈的部件（如：
测速发电机或脉冲编码器）的测量信号线断线或连接不良。
②电动机的电枢线断线或连接不良。
3） OVC灯亮。
OVC灯亮表示速度控制单元发生了过电流报警，其可能的原因是：
①过电流设定不当。
应检查速度控制单元上的过电流设定电位器RV3的设定是否正确。
②电动机负载过重。
应改变切削条件或机械负荷，检查机械传动系统与进给系统的安装与连接。
③电动机运动有振动。
应检查机械传动系统、进给系统的安装与连接是否可靠，测速机是否存在不良。
④负载惯量过大。
⑤位置环增益过高。
应检查伺服系统的参数设定与调整是否正确、合理。
⑥交流输入电压过低。
应检查电源电压是否满足规定的要求。
有关速度控制单元的设定与调节可以参见本章5.2.5节所述。
（3）超过速度控制范围 速度控制单元超速的原因有下述几种：
1）测速反馈连接错误，如：
被接成正反馈或断线。
2）在全闭环系统中，联轴器、电动机与工作台的连接不良，造成速度检测信号不正确或无速度检测信号。
3）位置控制板发生故障，使来自F/V转速的速度反馈信号未输入到速度控制单元；
4）速度控制单元设定不当。
（4）机床振动 若坐标轴在数控机床停止时或移动过程中出现振动、爬行,除系统本身设定、调整不当外，在驱动器上引起机床振动的原因主要有下述几种：
1）机械系统连接不良，如：
联轴器损坏等。
2）脉冲编码器或测速发电机不良。
对于脉冲编码器或测速发电机不良的情况，可按下述方法进行测量检查。
首先，将位置环、速度环断开，手动电动机旋转，观察速度控制单元印制电路板上F/V变换器的电压（检测端子CHl2），如果出现图5-11所示的电压突然下跌的波形，则说明反馈部件不良。
3）电动机电枢线圈不良（如：
内部短路）。
这种情况可以通过测量电动机的空载电流进行确认，若空载电流随转速成正比增加，则说明电动机内部有短路现象。
出现本故障一般应首先清理换向器、检查电刷等环节，再进行测量确认。
如果故障现象依然存在，则可能是线圈匝间有短路现象，应对电动机进行维修处理。
4）速度控制单元不良。
应首先检查速度控制单元的调整与设定，若调整与设定正确，可通过更换速度控制单元的印制电路板或进行维修处理。
5）外部干扰。
对于固定不变的干扰，可检查F/V变换器（CH2检测端子），电流检测（CHll）端子，以及同步端（CHl3A~C）的波形，检查是否存在干扰，并采取相应的措施。
对于偶然性干扰，只有通过有效的屏蔽、可靠的接地等措施，尽可能予以避免。
6）系统振荡。
应观察电动机电流的波形是否有振荡，引起振荡的可能原因是RVl调整不当，测速机不良，或是丝杠的间隙太大等原因。
（5）超调 当速度控制单元本身无故障时，造成系统超调的原因有下述几种：
1）伺服系统速度环增益太低或位置环增益太高。
可以通过调整速度控制单元电位器RVl，提高速度环增益；或通过改变系统的机床参数，降低位置环增益进行优化。
此外，还可以通过改变速度控制单元的S6、S7、S9设定等措施解决。
2）提高伺服进给系统和机械进给系统的刚性。
（6）单脉冲进给精度差 产生这种现象的原因有以下几种：
1）机械传动系统的间隙、死区或精度不足。
应重新调整机械传动系统消除间隙，减小摩擦阻力，提高机械传动系统的灵敏度。
2）伺服系统速度环或位置环增益太低。
这时可以通过调整速度控制单元的电位器RVl解决。
（7）低速爬行 在伺服进给系统元器件本身无故障时，造成低速爬行的原因有以下几种：
1.）系统不稳定，产生低速振荡。
2）机械传动系统惯量过大。
对于这种情况，有时可以通过改变印制电路板上速度控制单元的S8设定（使其断开），以及重新调整RVl解决。
（8）圆弧切削时切削面出现条纹 造成这一现象的原因有以下几种：
1）伺服系统增益设定不当。
可以通过降低位置增益、提高速度环增益解决。
2）检查、确认速度控制单元的CHll端子上的电流波形，确认电流是否连续。
3）检查机械传动系统是否有连接松动、间隙等。
2．PWM速度控制单元的常见故障与维修
（1）CRT无报警显示的故障维修 FANUCPWM速度控制单元发生故障时，通常情况下系统显示器上可以显示出报警号，维修时可以根据报警提示进行。
但是，除CRT可以显示报警号的故障外，还有部分故障在CRT上不一定能予以显示或不能予以指明具体的故障原因，这些故障主要有以下几类：
1）机床失控。
2）移动和停止时机床振动。
3）定位精度和加工精度差。
4）速度控制单元和位置控制单元动作不正确。
对于以上故障的产生原因、检查和处理方法可以归纳如下：
1）机床失控。
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：
伺服起动时突然冲击，工作台停止时的突然向某一方向快速运动，正常加工过程中的突然加速等等。
其故障的原因、检查和处理方法见表5-2。
当圆弧插补出现45°方向上的椭圆时，可以通过调整伺服进给轴的位置增益进行调整。
坐标轴的位置增益由下式计算：
式中 V——进给速度（mm/min）；
ess——位置跟随误差（0.001mm）
KV——位置增益（1/S）。
位置跟随误差可以通过数控系统的诊断参数检查，诊断参数号在不同的系统上有不同的定义，在FANUC0C上为DGN800~804；对于其余系统，详见本书第2章第2.3.3节。
调整速度控制单元上的电位器RV4（F/V转换器电压补偿），可以改变同一进给速度下的位置跟随误差。
调整RV4，使DGN800~804的值在上式计算所得的理论值的+10％以内，且参与圆弧插补的两轴的位置跟随误差的差值必须控制在1％以内。
（2）速度控制单元上的指示灯报警 在FANUCPWM速度控制单元的控制板上，右下部有7个报警指示灯，它们分别是BRK、HVAL、HCAL、OVC、LVAL、TGLS以及DCAL；在它们的下方还有PRDY（位置控制已准备好信号）和VRDY（速度控制单元已准备好信号）2个状态指示灯，其含义见表5-5。
表5-5 速度控制单元状态指示灯一览表
代 号
含 义
备 注
代 号
含 义
备 注
PRDY
位置控制准备好
绿色
OVC
驱动器过载报警
红色
VRDY
速度控制单元准备好
绿色
TGLS
电动机转速太高
红色
BRK
驱动器主回路熔断器跳闸
红色
DCAL
直流母线过电压报警
红色
HCAL
驱动器过电流报警
红色
LVAL
驱动器欠电压报警
红色
HVAL
驱动器过电压报警
红色
在正常的情况下，一旦电源接通，首先PRDY灯亮，然后是VRDY灯亮，如果不是这种情况，则说明速度控制单元存在故障。
出现故障时，根据指示灯的提示，可按以下方法进行故障诊断。
1）BRK报警。
BRK为主回路熔断器跳闸指示，当指示灯亮时代表速度控制单元的主回路熔断器（参见图5-12）NFBl、NFB2跳闸，故障原因主要有以下几种：
①主回路受到瞬时电压冲击或干扰。
这时，可以通过重新合上熔断器NFBl、NFB2，再进行开机试验，若故障不再出现，可以继续工作：
否则，根据下面的步骤，进行检查。
②速度控制单元主回路的三相整流桥DS（Diodemodule）的整流二极管有损坏（可以参照图5-12主回路原理图，用万用表检测）。
③速度控制单元交流主回路的浪涌吸收器ZNR（Surgeabsorber）有短路现象（可以参照图5-12主回路原理图，用万用表检测）。
④速度控制单元直流母线上的滤波电容器C1~C3有短路现象（可以参照图5-12主回路原理图，用万用表检测）。
⑤速度控制单元逆变晶体管模块TMl~TM4有短路现象（可以参照图5-12主回路原理图，用万用表检测）。
⑥速度控制单元不良。
⑦熔断器NBFl、NBF2不良。
图5-12为FANUCDCl0M、20M、30M直流伺服主回路原理图，其余型号的原理与此相似。
2）HVAL报警。
HVAL为速度控制单元过电压报警，当指示灯亮时代表输入交流电压过高或直流母线过电压。
故障可能的原因如下：
①输入交流电压过高。
应检查伺服变压器的输入、输出电压，必要时调节变压器变比，使输入电压在相应的允许范围。
②直流母线的直流电压过高。
应检查直流母线上的斩波管Q1、制动电阻DCR以及外部制动电阻是否损坏。
③加减速时间设定不合理。
若故障在加减速时发生，应检查系统机床参数中的加减速时间设定是否合理。
④机械传动系统负载过重。
应检查机械传动系统的负载、惯量是否太高：
机械摩擦阻力是否正常。
3）HCAL报警。
HCAL为速度控制单元过电流报警，指示灯亮表示速度控制单元存在过电流。
可能的原因如下：
①主回路逆变晶体管TMI~TM4模块不良。
②电动机不良，如：
电枢线间短路或电枢对地短路。
③逆变晶体管的直流输出端存在短路或对地短路。
④速度控制单元不良。
为了判别过电流原因，维修时可以先取下伺服电动机的电源线，将速度控制单元的设定端子S23短接，取消TGLS报警，然后开机试验。
若故障消失，则证明过电流是由于外部原因（电动机或电动机电源线的连接）引起的，应重点检查电动机与电动机电源线。
若故障保持，则证明过电流故障在速度控制单元内部，应重点检查逆变晶体管TMI~TM4模块。
4）OVC报警。
OVC为速度控制单元过载报警，指示灯亮表示速度控制单元发生了过载。
其可能的原因与SCR速度控制单元相同，参见前述。
5）LVAL报警。
LVAL为速度控制单元电压过低报警，指示灯亮表示速度控制单元的各种控制电压过低。
其可能的原因如下：
①速度控制单元的辅助控制电压输入ACl8V过低或无输入。
②速度控制单元的辅助电源控制回路故障。
③速度控制单元的保险电阻熔断。
④瞬间电压下降或电路干扰引起的偶然故障。
⑤速度控制单元不良。
6）TGLS报警。
TGLS为速度控制单元测速发电机断线报警，指示灯亮表示速度控制单元发生了测速发电机断线，其可能的原因与SCR速度控制单元相同，参见前述。
7）DCAL报警。
DCAL为直流母线过电压报警，与其相关的原因主要是直流母线的斩波管Q1、制动电阻DCR以及外部制动电阻不良。
维修时应注意：
如果在电源接通的瞬间就发生DCAL报警，这时不可以频繁进行电源的通、断，否则易引起制动电阻的损坏。
8）VRDY不亮。
VRDY为速度控制单元准备好指示灯，如果该灯不亮，则表示速度控制单元未准备好；CNC在未接收“VRDY信号”时，不能正常工作。
VRDY灯不亮的原因主要有：
①速度控制单元有报警，即：
其余报警灯有亮。
②速度控制单元辅助控制电压不正常，参见LVAL报警原因。
⑧速度控制单元ACl00V输入电压不正确。
④速度控制单元的主接触器MCC故障。
⑤速度控制单元与主板间的连接不良。
⑥系统未准备好。
系统的“急停”信号生效，系统处于急停状态。
9）VRDY开机时就亮。
在正常情况下，当接通系统电源，首先CNC向速度控制单元发出“位置环准备好”信号，速度控制单元上的PRDY灯亮。
这时若速度控制单元正常，主接触器MCC合上，速度控制单元向CNC发出“速度控制单元准备好”信号，同时VRDY灯亮。
若数控系统一通电，速度控制单元的VRDY灯立即就亮，则表明速度控制单元动作不正常，其可能的原因有：
①当系统“急停”按钮断开时，若速度控制单元的PRDY指示灯亮，则表明系统“PRDY”信号故障，原因是主板不良或PRDY信号连接错误。
②当系统“急停”按钮断开时，若速度控制单元的PRDY指示灯不亮，表明系统“PRDY”信号正常，故障在速度控制单元的VRDY信号上，这时可以进行下一步检查。
③取下速度控制单元的CN2插头，接通电源，若故障不变，则表明速度控制单元不良。
④取下速度控制单元的CN2插头，接通电源，若故障消失，则表明其原因是速度控制单元与主板间的VRDY信号连接不正确、主板不良、速度控制单元不良或MCC接触器触点不良。
（3）系统CRT上有报警的故障 由于FANUC直流伺服驱动一般与FANUC3、5、7、6等系列数控系统配套使用，其中维修过程中遇到最多的为FANUC6。
当伺服驱动器故障时，CNC上亦将显示相应的报警号，这些报警在FS6上为400-500号报警。
常见的报警号及含义如下：
1）过载报警（ALM400、402）。
FANUC6ALMM400报警的含义是“基本轴驱动器（X、Y、Z轴）过载”，ALM402报警的含义是“附加轴（第4、5轴）驱动器过载”。
CRT显示的过载报警有以下原因：
①速度控制单元上热继电器动作。
其原因可能是热继电器的设定值不正确、切削条件不合适或摩擦阻力太大。
②伺服变压器过热。
可以通过测量伺服变压器的接点51和52的电阻值来确认。
正常值应小于或等于10Ω；如电阻值大于100kΩ，则说明伺服变压器过热。
这时，变压器表面温度应达到80~90℃，应进一步检查电动机电流，确认切削条件。
如表面温度小于60℃，则说明伺服变压器未过热，而是热敏电阻不良，应更换热敏电阻。
③再生放电单元过热。
可以通过测量速度控制单元上的T3端的3和4号线间的电阻确认。
正常时其值应小于10Ω；如电阻值大于100kΩ，则说明再生放电单元过热。
这时，再生放电单元的表面金属板的温度应达到80~90℃，可能是电动机的起/制动或加/减速太频繁引起的故障。
如金属底板表面的温度只有50~60℃，则说明再生放电单元未过热，而是热敏电阻不良，应更换熟敏电阻。
2）速度控制单元的VRDY断开报警（ALM401、403）。
参见速度控制单元硬件报警“VRDY灯不亮”的故障说明。
3）速度控制单元的VRDY错误接通报警（ALM404）。
参见速度控制单元硬件报警“VRDY灯开机就亮”的故障说明。
除以上报警显示外，通过CNC的诊断参数DGN707、709、713、714、715、719等，还可以对伺服驱动器的故障信号进行进一步维修显示，详见本章第5.2.3节。
3．直流伺服电动机的故障诊断与维修
（1）直流伺服电动机的故障诊断
1）伺服电动机不转。
当机床开机后，CNC工作正常，“机床锁住”等信号已释放方向键后系统显示动，但实际伺服电动机不转，可能有以下原因：
①动力线断线或接触不良。
这一故障，通常在驱动器上显示TGLS报警。
②“速度控制使能信号”（ENABLE）没有送到速度控制单元。
这时，通常驱动器上的PRDY指示灯不亮。
③速度指令电压（VCMD）为零。
④电动机永磁体脱落。
⑤对于带制动器的电动机来说，可能是制动器不良或制动器未通电造成的制动器未松开。
⑥松开制动器用的直流未加入或整流桥损坏、制动器断线等。
2）电动机过热。
伺服电动机过热可能的原因如下：
①电动机负载过大。
②由于切削液和电刷灰引起换向器绝缘不正常或内部短路。
③由于电枢电流大于磁钢去磁最大允许电流，造成磁钢发生去磁。
④对于带有制动器的电动机，可能是制动线圈断线、制动器未松开、制动摩擦片间隙调整不当而造成制动器不释放。
⑤电动机温度检测开关不良。
3）电动机旋转时有大的冲击。
若机床一开机，伺服电动机即有冲击，通常是由于电枢或测速发电机极性相反引起的。
若冲击在运动过程中出现，则可能的原因如下：
①测速发电机输出电压突变。
②测速发电机输出电压的纹波太大。
③电枢绕组不良或内部短路、对地短路等。
④脉冲编码器不良。
4）低速加工时工件表面有大的振纹。
造成低速加工时工件表面有大的振纹，其原因较多，有刀具、切削参数、机床等方面的原因，应予以综合分析，从电动机方面看有以下原因：
①速度环增益设定不当。
②电动机的永磁体被局部去磁。
③测速发电机性能下降，纹波过大。
5）电动机噪声大。
造成直流伺服电动机噪声的原因主要有以下几种
①换向器接触面的粗糙或换向器损坏。
②电动机轴向间隙太大。
③切削液等进入电刷槽中，引起了换向器的局部短路。
6）在运转、停车或变速时有振动现象。
造成直流伺服电动机转动不稳、振动的原因主要有以下几种：
①脉冲编码器不良。
②电枢绕组不良，绕组内部短路或对地短路。
③若在工作台快速移动时产生机床振动，甚至有较大的冲击或伺服单元的熔断器熔断时，故障的主要原因是测速发电机电刷接触不良。
（2）直流伺服电动机的维修
1）直流伺服电动机的基本检查。
由于结构决定了直流伺服电动机的维修工作量要比交流伺服电动机大得多，当直流伺服电动机发生故障时，应进行如下检查：
①伺服电动机是否有机械损伤?
②电动机旋转部分是否可以手动正常转动?
③带制动器的伺服电动机，制动器是否可以正常松开?
④电动机是否有松动的螺钉或轴向间隙?
⑤电动机是否安装在潮湿、温度变化剧烈或有灰尘的地方?
⑥电动机是否长时间未开机?
若如此，应将电刷从DC电动机上取出，重新清理换向器表面，因电刷长期停留在换向器的同一个位置，将引起换向器的生锈和腐蚀，从而使电动机换向不良和产生噪声。
⑦电刷是否需要更换?
若电刷剩下长度短于10mm，则电刷不能再使用，必须进行更换。
若电刷接触面有任何深槽或伤痕，或在电刷弹簧上见到
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