afnuc15mb数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断与维修大学论文.docx
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afnuc15mb数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断与维修大学论文
河北工业职业技术学院
专业技术报告
报告题目：
FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断与维修
系别机电工程系
专业年级10数控技术1班
学生姓名学号42
指导教师职称
日期2013年5月
河北工业职业技术学院
学生顶岗实习专项任务书
（专业技术报告任务书）
专项任务名称FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断与维修
姓名专业10数控技术班级1班学号42
一、任务情况描述
FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断分析。
数控机床伺服系统故障占机床总故障的比率较高。
由于伺服系统涉及的环节较多，加之种类繁多、技术原理各具特色，给维修诊断带来困难，因此归纳一些故障诊断方法很有必要
二、任务完成计划
通过对数控机床研究来深入的了解下常见的故障，主要去深入FANUC机床的故障的诊断和维修。
13年2月查阅了学习的相关资料；
13年3月在石家庄图书馆查阅了数控机床的相关资料；
13年4月在学校查阅了相关资料，与中旬写完初稿，下旬完成终稿。
三、计划答辩时间
2013年5月
实习指导教师（签字）：
系学生顶岗实习领导小组组长（签字）：
年月日年月日
目录
目录2
一、引言4
二、数控机床4
（一）数控机床的简介4
（二）数控技术的发展趋势4
三、数控伺服系统4
（一）伺服系统的发展4
（二）数控系统的结构与特点4
四、数控机床中伺服系统的现状5
（一）伺服系统的结构及分类5
（二）伺服系统的现状与展望5
五、数控机床的伺服系统性能6
（一）加工精度6
（二）开环放大倍数6
（三）宽范围调速7
六FANUC-15MB数控伺服系统的故障诊断7
（一）FANUC-15MB数控进给轴的伺服控制原理及故障7
（二）伺服同步轴组的控制原理及维修10
（三）利用FANUC-15MB自诊断功能维修机床11
七、结语12
八、参考文献13
FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断
数控技术专业1班姓名李欣学号42
摘要：
简要介绍了当今世界数控伺服系统发展的趋势，我国数控机床中伺服系统的现状及数控机床的伺服性能。
在此基础上讨论了FANUC-15MB数控龙门式镗铣床伺服系统的故障诊断。
世界上各工业发达国家还将数控维修列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术应用与维护，而且在“高精尖”数控技术关键技术应用与维护方面对我国实行封锁和限制政策。
通过在设备维修、技术开发、生产等多部门多方面的接触和工作，并在几个月的设备维修和设备管理工作中不断地学习与积累大量的工作经验，现就普遍存在数控机床电气设备维修的方法与实践上做一剖析阐述。
关键词：
数控设备,维护保养,故障分析,故障维修
一、引言
数控机床是机电一体化的产物，技术先进、结构复杂。
数控机床的故障也是多种多样、各不相同，故障原因一般都比较复杂，这给数控机床的故障诊断和维修带来不少困难。
本文主要讨论数控机床伺服系统的故障诊断分析
二、数控机床
（一）数控机床的简介
数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。
该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件
图2
。
（二）数控技术的发展趋势
数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。
在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上，CAD/CAM与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加工
三、数控伺服系统
（一）伺服系统的发展
伺服系统是以驱动装置—电机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统，它包括伺服驱动器和伺服电机。
数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。
数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
（二）数控系统的结构与特点
数控装置是数控系统的控制核心，简称数控系统。
它是由计算机通过执行其存储器内的程序实现部分或全部控制功能。
数控装置有两种类型：
一是完全由硬件逻辑电路构成的专用硬件数控装置即NC装置；二是由计算机硬件和软件组成的计算机数控装置即CNC装置。
数控装置常由专用软件和硬件在逻辑上是等价的，所以在CNC装置中由硬件完成的工作原则上也可以由软件来完成，丹软件、硬件各有其不同的特点。
四、数控机床中伺服系统的现状
（一）伺服系统的结构及分类
伺服系统的结构
伺服系统主要有三部分组成：
控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。
伺服系统的分类
1.开环控制数控系:
这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。
CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电／断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。
这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。
2.半闭环控制数控系统：
位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。
3.全闭环控制数控系统：
位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制。
这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态调试比较麻烦。
（二）伺服系统的现状与展望
进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。
为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。
具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。
根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。
主轴伺服提供加工各类工件所需的切削功率，因此，只需完成主轴调速及正反转功能。
但当要求机床有螺纹加工、准停和恒线速加工等功能时，对主轴也提出了相应的位置控制要求，因此，要求其输出功率大，具有恒转矩段及恒功率段，有准停控制，主轴与进给联动。
与进给伺服一样，主轴伺服经历了从普通三相异步电动机传动到直流主轴传动。
随着微处理器技术和大功率晶体管技术的进展，现在又进入了交流主轴伺服系统的时代。
五、数控机床的伺服系统性能
（一）加工精度
精度是机床必须保证的一项性能指标。
位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。
因此位置精度是一个极为重要的指标。
为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。
因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。
可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。
位移检测系统能够测量的最小位移量称做分辨率。
分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。
在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。
所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。
总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。
例如，数控机床中常用的直线感应同步器的精度已可达±0.0001mm，即0.1µm，灵敏度为0.05µm，重复精度0.2µm；而圆型感应同步器的精度可达0.5N，灵敏度0.05N，重复精度0.1N。
（二）开环放大倍数
在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差e（∞）＝1/K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。
显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。
一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为20～30（1/S）。
通常把K<20范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。
而把K>20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。
假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些；若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数～增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。
因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。
换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。
当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。
这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。
低放大倍数系统也有一定的优点，例如系统调整比较容易，结构简单，对扰动不敏感，加工的表面粗糙度好。
（三）宽范围调速
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。
单步点动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。
伺服系统在低速情况下实现平稳进给，则要求速度必须大于“死区”范围。
所谓“死区”指的是由于静摩擦力的存在使系统在很小的输入下，电机克服不了这摩擦力而不能转动。
此外，还由于存在机械间隙，电机虽然转动，但拖板并不移动，这些现象也可用“死区”来表达。
设死区范围为a，则最低速度Vmin，应满足Vmin≥a，由于a≤dK，d为脉冲当量（mm/脉冲）；K为开环放大倍数，则
Vmin≥dK
若取d=0.01mm/脉冲，K=30×1/S，则最低速度
Vmin≥a=30×0.01mm/min=18mm/min
伺服系统最高速度的选择要考虑到机床的机械允许界限和实际加工要求，高速度固然能提高生产率，但对驱动要求也就更高。
此外，从系统控制角度看也有一个检测与反馈的问题，尤其是在计算机控制系统中，必须考虑软件处理的时间是否足够。
由于fmax=fmax/d
式中：
fmax为最高速度的脉冲频率，kHz；vmax为最高进给速度，mm/min；d为脉冲当量，mm。
又设D为调速范围，D=vmax/vmin，得
fmax=Dvmin/d=DKd/d=DK
由于频率的倒数就是两个脉冲的间隔时间，对应于最高频率fmax的倒数则为最小的间隔时间tmin，即tmin=1/DK。
显然，系统必须在tmin内通过硬件或软件完成位置检测与控制的操作。
对最高速度而言，vmax的取值是受到tmin的约束。
一个较好的伺服系统，调速范围D往往可达到800～1000。
当今最先进的水平是在脉冲当量d=1µm的条件下，进给速度从0～240m/min范围内连续可调。
六、FANUC-15MB数控伺服系统的故障诊断
（一）FANUC-15MB数控进给轴的伺服控制原理及故障
（1）控制原理
FANUC-15MB数控系统是高品质、高性价比的CNC系统，具有丰富的控制功能，进给伺服轴采用数字量控制，能够实现多轴联动。
机床的FANUC-15MB数控系统，控制机床的8根进给伺服控制轴，采用数字式全闭环伺服控制方式，其控制核心是进给伺服轴控制系统的位置环、速度环和电流环，机床的全闭环进给轴伺服控制系统的结构框图如图1所示。
图1全闭环进给轴伺服控制系统结构图
全闭环进给轴伺服控制系统是一个双闭环伺服控制系统，内环是速度环，外环是位置环。
速度环中用于速度反馈的检测装置装在伺服电机末端，与伺服电机同轴安装的光电式脉冲编码器直接进行数字测速，反馈至CNC系统的控制单元。
位置控制环的位置检测传感器为高分辨率的金属反射光栅尺或玻璃盘圆光栅编码器，位置控制环主要对机床的运动坐标轴进行高精度的位置控制，不仅对单个轴的运动速度和位置精度的控制有严格的要求，而且在多轴联动时，要求各运动轴之间有很好的动态配合，位置控制模块除了完成理论位置（插补指令）与反馈的实际位置相比较的处理外，还要完成位置回路的增益调整，同时将位置偏差作为指令速度控制命令（VCMD）发往速度控制单元，由速度控制单元按VCMD数值大小，控制伺服电机的速度。
进给轴伺服控制系统采用计算机数字处理，输出也是数字量控制，机床的进给轴伺服控制，能够进行轴控制跟踪波形的屏幕显示，便于现场进行进给轴伺服控制的动态调试。
（2）工作台振动和爬行的维修
数控龙门式镗铣床工作台（X轴）的驱动系统采用双蜗杆、双齿轮和齿条驱动，工作台导轨的润滑采用有压力和温度补偿控制组成的液压轴承，液压轴承的油膜厚度为0.02～0.04mm，工作台（X轴）的进给伺服控制系统，选用海德汉（HEIDENHAIN）LB301增量式直线金属反射光栅尺作为X轴的全闭环伺服控制系统的位置反馈器件，此直线光栅尺的输出信号为A、B两相的正弦波电流信号，相位差为90°，用于产生计数脉冲，A、B两相的相位次序用以辨别X轴的移动方向，并且增量式直线光栅尺全程有1个参考零点脉冲信号。
当机床在加工50t重（机床工作台最大载重量为70t）的6缸柴油机箱体过程中，每当工作台进给启动时（有时在工件的加工切削过程中），工作台的运行会出现振动和爬行，直接影响了加工件的表面加工精度。
造成工作台启动时的振动和爬行，是与工作台负载的变化、工作台机械传动间隙、导轨润滑的液压轴承油膜厚度、轴伺服控制系统的控制参数等诸多因素有关。
工作台重载时，会引起伺服电机轴上的转矩、导轨动静摩擦的变化，因此，要消除这些扰动力矩对启动时的影响和抑制工作台运行时的共振，必须对数控系统的伺服控制参数进行适当的调整，对进给轴伺服控制系统的前馈扰动力矩进行补偿。
首先增加数控系统的轴伺服控制动静摩擦的补偿功能（FANUC-15MB数控系统的轴伺服控制动静摩擦补偿功能参数是No1883、1964、1965、1966等）；其次是增加伺服控制传动间隙补偿功能，即轴伺服控制250μs加速反馈功能，数控系统的伺服控制参数是No1894，以尽可能地消除前馈各种扰动力矩。
调整数控系统的轴伺服控制参数No1825位置增益数值（此值可影响数控机床的轴控制精度，特别在多轴联动时），只有使每根联动轴伺服控制参数的位置增益数值保持一致，才能保证工件轮廓的加工精度。
对轴伺服控制参数No1855积分增益的数值和No1875速度增益（负载惯量比）的数值进行适当调整，特别是负载惯量比的数值，对于工作台重载启动时，设定较小值可以避免出现工作台启动时的共振现象。
经过以上数控系统轴控制参数的调整，工作台启动时振动和爬行状况明显减少。
当对工作台导轨的直线度和平行度等重新进行了机械调整后，使机床工作台全程的平面度达0.04mm/8000mm、直线度达0.03mm/8000mm；同时调整导轨润滑的流量控制开关，使机床工作台液压轴承的油膜厚度达0.03mm，这时，机床工作台在70t工件重载启动和运行时，X轴的伺服控制动态实时跟踪曲线较好，没有出现振动和爬行的现象，机床工作台的运行满足了机加工的切削要求。
（3）万能附件头B轴"回零"的调整
数控龙门式镗铣床万能附件头B轴选用海德汉（HEIDENHAIN）ROD250-18000增量式角度圆光栅编码器作为B轴全闭环伺服控制系统的旋转位置反馈器件，此增量式角度编码器的输出信号为A、B两相的正弦波电流信号，相位差为90°，用于产生计数脉冲，A、B两相的相位次序用以辩别B轴的旋转方向，Z相是一转脉冲信号，作为B轴机械参考零点的位置信号，位置角度编码器与万能附件头的旋转头同轴安装。
万能附件头主轴齿轮拆卸更换后，对B轴的旋转位置角度编码器进行了重新安装，当机床开机后，B轴"回零"找不到机械参考零点，并且系统屏幕上出现了B轴脉冲编码器没有连接（SV015BPULSCODERDISCONNECT）、B轴脉编码器零点返回无效（PS200BPULSCODERINVALIDZERORETURN）等报警信息。
经检查，数控机床内的相关伺服控制参数设置无误；在手动方式下，万能附件头B轴能够进行旋转，并显示B轴角度的坐标值。
而产生报警的原因，一是由于位置角度编码器的反馈信号控制线中，Z相1根信号控制线虚焊；二是在设定的低速旋转位置角度（30°左右）检测范围内，没有出现Z相一转零点脉冲信号。
在重新调整B轴位置角度编码器的Z相一转脉冲信号位置后，使其出现在设定的低速旋转位置角度的检测范围内，并将通过测试样棒和百分表测量出的B轴机械参考零点与机械垂直位置的角度误差数值，输入数控系统的B轴伺服控制参数No1850内，作为栅格偏移量（GRIDSHIFT）。
于是机床开机后附件头B轴重新回零，其机械参考零点位置出现在机械垂直位置处，旋转角度也满足±100°的旋转行程范围，万能附件头B轴恢复正常使用。
（二）伺服同步轴组的控制原理及维修
（1）控制原理
FANUC-15MB数控系统伺服同步轴组的控制轴一般由2根伺服控制轴（主动轴和从动轴）组成，2根伺服控制轴有同步激活、同步驱动的功能，一直处于激活的状态，有同步运动的模式，所有发送到主动轴的运动指令，在JOG手轮、增量运动、MDI和启动等各种方式下，都将使从动轴同步移动，在系统屏幕上，有伺服同步轴组的轴位置数值和轴伺服动态跟踪数值显示等；在同步驱动控制中，数控系统一直检查2根伺服轴的位置偏差（或坐标位置的偏差），如偏差超过伺服控制参数设定的允许值时，数控系统会停止同步轴的运行，并发出系统报警信息；机床数控系统的同步轴组能进行机械参考?
quot;回零"操作，主动轴和从动轴在开机后能够建立各自的坐标位置，与机床坐标对准，以消除各种原因引起的同步轴位置偏差（如停机后的外力使同步位置失调等）；可以对同步轴组中的主动轴和从动轴分别进行功能补偿（如间隙补偿、螺距补偿和位置交叉补偿等），并持续有效保证机床伺服控制轴的运动精度。
在零件加工时，只有数控系统的主动轴可以被编程；在特定情况下，同步运行可以人工干预（同步撤消），如坐标位置之间偏差过大，可由手动方式去除这一偏差，但取消轴同步运动时，主动轴和从动轴的位置偏差检测报警应继续存在，以防错误操作损坏机床。
（2）横梁伺服同步控制轴组的维修
数控龙门式镗铣床的横梁伺服控制轴（A、U轴）为一组同步轴组的伺服控制轴，2根伺服控制轴采用全闭环进给轴伺服控制系统的控制方式进行控制，横梁伺服控制轴同步运行时，A轴为主动轴，U轴为从动轴，全闭环进给轴伺服控制系统选用海德汉（HEIDENHAIN）LS106增量式直线金属反射光栅尺作为横梁进给轴伺服控制系统的位置反馈器件。
当机床开机后，机床数控系统对横梁伺服控制轴进行机械参考点的"回零"操作时，系统屏幕上经常出现A轴同步驱动超差（SV028ASYNCHRONOUSDRIVEERROR）的报警信息。
发现A轴和U轴的伺服电机在横梁运行时，伺服电机实际工作电流数值较大、机械传动噪声较大、机床横梁导轨接触面上的润滑油较少。
根据机床的电气控制原理图，调用FANUC-15MB数控系统的可编程机床控制器（PMC-NA）梯形图，对横梁导轨的供油时间和供油间隔进行了重新设定调整，使机床横梁进行"回零"操作时，系统无报警，并且在横梁运行过程中，机械传动噪音明显减轻。
（三）利用FANUC-15MB自诊断功能维修机床
FANUC数控系统的机床动作逻辑顺序控制，通过数控系统内置的PLC（又称为可编程机床控制器PMC）来完成，数控龙门式镗铣床配置的FANUC-15MB数控系统，内置PLC为FANUCPMC-NA控制器，数控系统的可编程机床控制器（PMC-NA）最大梯形图的步数为16000步，最大DI/DO点数为1024/1024点，数控机床ATC装置的控制、AAC站附件头更换和主轴变速齿轮更换等，均通过CNC控制PMC完成。
在日常的机床运行维护中，由于相关的机床动作逻辑顺序控制不能完成，系统屏幕上会出现数控系统的可编程机床控制器（PMC）的各种EX报警信息。
根据机床的电气控制原理图，通过现场数控机床的显示屏幕，调用可编程机床控制器（PMC）的梯形图（LADDER），查找机床相关的输入（X）和输出（Y）的信号状态，调用FANUC计算机数字控制器（CNC）输入（G）和输出（F）的信号状态，通过仔细的分析，找到数控机床的机械、电气、液压、气动等器件的故障点，熟练地使用数控系统强大的自诊断监控功能进行现场故障排除，使数控机床及时地恢复生产，减少机床加工时的停机时间。
七、结语
经过对技术资料的消化吸收，较详细地了解了数控龙门式镗铣床系统的数控监控技术，在熟悉数控龙门式镗铣床的系统控制功能和FANUC数控系统的相关维修说明书后，使我们能准确快速地找到数控龙门式镗铣床出现的故障，并进行有序的分析及排除，为日常的机床维护工作提供了有效的技术储备和保证。
参考文献
1、华承恩，《现代数控机床》，北京机械工业出版社，1991年
2、王贵明，《数控实用技术》，北京机械工业出版社，2000年
3、王侃夫，《数控机床故障诊断与维修》，北京机械工业想出版社，2000年
4、李国华，《机械故障诊断》，北京化学工业出版社，1999年
5、王兆元，《数控龙门铣的故障诊断与处理》，北京机械工业出版社，2000年
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