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学位论文数控机床伺服系统的故障诊断
数控机床伺服系统的故障诊断
摘要
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。
数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。
位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。
（半）闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统定位不准确、不稳定或失效。
诊断定位故障环节就成为维修的关键。
根据伺服系统的控制原理和系统接口的特性，对系统进行分解判断，已成为行之有效的方法。
本文结合维修实例介绍了位置环和速度环诊断方法。
NCmachinetoolservosystemfaultdiagnosis
Abstract
NCmachinetoolservofaultofthemachinehighpercentageoftotalfailure.Aspartoftheservosystemmore,plusawiderangeoftechnicalprinciplewiththeirowncharacteristics,themaintenanceanddiagnosisdifficult,summedupsomefaultdiagnosismethodisnecessary.
CNCmachinetoolscoordinateaxisofmobilelocationbylocationtocompletetheservosystem.Thegenerallocationoftheclosed-loopservosystemsorsemi-closed-loopcontrol.（Semi-）closed-loopcontrolisoneofthecharacteristicsoflinkfailuremayleadtoinaccuratepositioningsystem,instabilityorfailure.Failureonthepartofpositioningasakeymaintenance.Servocontrolsysteminaccordancewiththeprinciplesandcharacteristicsofthesysteminterface,thesystemdecompositionjudgement,hasbecomeaprovenmethod.Basedonthelocationofmaintenanceexample,Central,Centralandspeeddiagnosismethod.
目录
摘要···········································1
Abstract·····································1
1．数控机床伺服系统环故障诊断·······················3
2．SIEMENS伺服系统的故障诊断与维修···················5
3.6RA26系列直流伺服系统的故障诊断与维修················7
3．16RA26**系列直流伺服驱动器简介···············7
3.2该系列直流伺服驱动器控制板的组成··············7
3.3该直流伺服驱动器的状态指示·····················8
3.4该系列直流伺服驱动器的常见故障····················9
3．3.5该系列直流伺服驱动器的检测与调整··················10
4.FANUC伺服系统的故障诊断与维修··························17
4.1FANUC直流伺服系统的故障诊断与维修················17
4.2SCR速度控制单元的常见故障与维修····················17
5．PWM速度控制单元的常见故障与维修···················23
5.1CRT无报警显示的故障维修 ························23
5.2速度控制单元上的指示灯报警···················25
6．直流伺服电动机的故障诊断与维修·················31
6.1直流伺服电动机的故障诊断··················31
6.2直流伺服电动机的维修·························33
7.结论··································36
8.参考文献·····························37
9.致谢·······························38
1．数控机床伺服系统环故障诊断
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。
数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。
位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。
（半）闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统定位不准确、不稳定或失效。
诊断定位故障环节就成为维修的关键。
根据伺服系统的控制原理和系统接口的特性，对系统进行分解判断，已成为行之有效的方法。
本文结合维修实例介绍了位置环和速度环诊断方法。
1．位置环故障诊断
如果位置伺服系统的位置反馈和速度反馈各自采用一个反馈器件，可以断开位置环的控制作用，让速度环单独运行，以便判断故障出自位置环还是速度环。
断开位置环的控制作用，可以采用两种方法：
1）机械断开，即断开位置反馈编码器与伺服电动机之间的传动连接。
2）电气断开，即断开位置反馈编码器与系统的连接。
如果需要屏蔽位置反馈断线报警，应按下图连接位置反馈输入信号线。
在位置开环状态下进行维修测试时，不允许给被测试轴任何方式的移动指令，否则将引起伺服电动机失控。
例1CK6140A数控车床出现镗孔表面有振纹，在排除机械和工装因素后，对X轴伺服系统进行检查。
机床数控系统为FANUC3T，伺服放大器为FANUCH系列直流伺服。
观察X轴在停止和慢速移动时有不规则振动，初步判断X轴位置编码器与丝杠连结有间隙或速度环不稳定。
检查编码器连轴节正常。
由于X轴伺服系统有两个编码器，分别用于位置反馈和速度反馈，可以将位置反馈编码器与伺服电机之间的机械连接断开，以便作进一步的判断。
首先用支撑物支撑X轴滑台，将X轴电动机和丝杠的传动皮带拿掉。
启动机床，X轴在位置开环状态下运行，在伺服放大器零漂的作用下电动机慢速转动（如果电动机几乎不转动，可适当调整控制板上偏置电位器RV2），此时电动机转到某一固定角度，总有打顿现象。
由此可以认为速度环基本稳定，这可能是由于整流子在某一角度存在短路引起转速瞬间跌落，从而造成电机打顿现象。
仔细清扫电动机整流子和电刷后，电动机运转平稳。
恢复系统连接，X轴恢复正常。
例2[ST5BZ]CH-102数控车床Z轴移动出现一冲一冲的现象，速度越快，过冲越严重。
停止时观察伺服诊断画面，Z轴跟踪误差稳定，接近于零。
机床数控系统为SIMENS810GA2，伺服系统为SIMENS610。
系统位置反馈和速度反馈各采用一只编码器。
初步判断为伺服放大器超调或系统参数设定不良。
首先调整系统参数MD2501（伺服增益）和MD2601（多种增益）无效。
为进一步判断，断电拿掉Z轴位置反馈插头。
由于该机床CNC报警不影响伺服上电，故可以不屏蔽反馈断线报警。
先用导线短接Z轴伺服驱动使能控制端，再用一只1.5V电池经电位器分压给Z轴伺服放大器速度指令端，加上大约0.5V电压。
机床上电，Z轴移动平稳，因此可以认为故障发生在位置反馈环节。
用手拨动位置反馈编码器，联结无松动、损坏的感觉。
交换X轴，Z轴位置反馈插头及速度指令控制线，试机故障仍在Z轴。
此时可以认为故障仍在Z轴位置反馈，拆下Z轴位置反馈编码器，发现联轴节簧片上的一个螺钉已脱落。
修复后，试机故障消除。
如果位置反馈和速度反馈由一只反馈元件完成，位置反馈信号经转换电路变为速度控制信号，则要根据系统硬件具体特性和故障信息作出灵活判断。
例3CK6150AZ轴时有突然快速移动失控的现象，此时H系列直流伺服板上有TGLS报警。
故障现象不稳定，关机再上电可能又恢复正常。
TGLS报警的原因有：
动力线未接或接反；无速度反馈或正反馈；机械锁死。
由于Z轴伺服电动机速度反馈信号是由电动机尾部位置反馈编码器信号送入CNC主板，经混合IC模块F/V转换后获得，而且系统始终无位置反馈报警，所以初步判断是CNC至伺服放大器电缆和控制板的接触有问题。
检查电缆和速度控制板正常。
由于从故障发生到伺服保护关断只有一两秒钟，使用示波器或万用表难以观察到速度反馈信号的有无。
进一步分析，位置反馈编码器的信号电平正常，而A、B两相信号不产生移动变化，则会产生上述故障。
于是就更换Z轴位置编码器，机床恢复正常。
这可能是原来的编码器光栅盘松动，与轴之间有相对位移或编码器内光源二极管接近失效，造成A、B信号不变化。
2．速度环故障诊断
在速度开环的方式下，对速度控制单元进行测试。
该方法需要对系统硬件较熟悉，以避免误操作损坏部件。
例1一台维修过的FB15B-2直流伺服电动机安装到机床后失控。
现象表明速度反馈不正常，检查尾部测速电动机电刷及引线正常。
为测试测速电动机的性能，应做以下操作：
将电动机固定可靠，连接动力线，不连反馈线；
拿掉FANUCH系列伺服板上的S20短路跳线，取消TGLS报警使能；
接通电源，伺服放大器在速度开环下运行，电动机处于2000r/min的高速运转中。
此时测量测速电动机输出电压只有6V，正常的数据是14V，可以判定伺服电动机的测速电动机不正常。
更换测速电动机，机床恢复正常。
例2DM3600数控车床出现主轴转速上不去，最高只有50r/min，且负载转矩显示很大。
机床数控系统为三菱M3/L3，主轴伺服放大器的型号为FR-SF-2-11K-T。
故障原因可能是：
负载过大；主轴驱动功率模块或控制模块有故障；速度反馈不正常。
检查机械传动良好，测量控制模块各测试点电压及功率模块正常，再检查主轴电动机至驱动单元之间反馈电缆和驱动运行参数也正常。
设定驱动单元运行参数P00为1，给主轴运转指令，电动机在速度开环下低速运行，观察负载转矩几乎为零，由此可以判断速度反馈不正常。
用示波器观察速度反馈波形，没有A相波形，打开电动机上方盖子，可以看到PLC输出电路板，重新拔插电路板上的小插头，再检测A相波形正常。
恢复系统闭环运行，主轴运行正常
2．SIEMENS伺服系统的故障诊断与维修
在数控机床上，常用的伺服驱动系统除FANUC公司的产品外，另一主要的产品是SIEMENS的伺服驱动系统。
从总体上说，SIEMENS伺服驱动系统亦可以分为直流驱动与交流驱动两大类，SIEMENS的直流驱动一般都是采用SCR速度控制单元；交流驱动可以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。
SIEMENS直流伺服系统一般用于20世纪80年代中期以前进口的数控机床上，配套的CNC有SIEMENS的3、6、8、PRIMOS系统等。
常用的规格有6RA26**-6MV30与6RA26**-6DV30两种规格，前者（6MV30）用于电枢电压为DC200V的直流伺服电动机驱动，后者（6DV30）用于电枢电压为DC400V的直流伺服电动机驱动，最大输出电流均可以达到175A。
驱动器一般与1HU系列永磁式直流伺服电动机（常用）与1GS系列他励直流伺服电动机配套，组成数控机床的伺服进给驱动系统。
驱动系统与CNC的位置控制系统配合，位置增益可以达到301/s以上，适用于大部分数控机床的位置控制。
SIEMENS公司常用的交流模拟式伺服主要有6SC610系列、6SC61lA系列两种规格。
其中，6SC610系列产品为SIEMENS公司早期的模拟型交流伺服驱动产品，它主要与该公司的1FT5系列交流伺服电动机配套，作为数控机床的进给驱动系统使用。
系统以±10V模拟量作为速度给定指令，内部采用速度、电流双闭环控制，PWM调制。
该系列产品的伺服驱动独立组成装置（不与主轴驱动一体），全部进给轴共用整流电源，轴调节器模块与功率驱动模块可根据机床需要选择。
驱动装置最大可以安装6个轴的调节器模块与功率驱动模块，输入电压为三相交流165V，直流母线电压为DC210V，6轴最大总功率可以达到40kW。
6SC611A系列产品为SIEMENS公司在6SC610基础上改进的模拟型交流伺服驱动产品。
它与6SC610的主要区别是：
主轴驱动器与伺服驱动器共用电源模块与控制总线，是一种进给轴、主轴一体化的结构形式，整体体积比6SC610系列大大缩小。
6SC61lA系列产品中的伺服驱动器主要与该公司的1FT4、1FT5、1FT6系列交流伺服电动机配套，系统仍然以±10V模拟量作为速度给定指令，其余性能与6SC610相似。
SIEMENS公司常用的交流数字式伺服主要有6SC611D系列、6SC611U系列等规格。
其中，SIEMENS611U/Ue是目前SIEMENS常用的数字式伺服驱动系统，其基本结构与61lA、611D相似，采用模块化安装方式，主轴与各伺服驱动单元共用电源。
611U/Ue用于进给驱动的伺服驱动模块有单轴与双轴两种结构型式，带有PROFIBUSDP总线接口，控制电动机的最高频率可以达到1400Hz。
伺服驱动模块带有SIN/COSlVpp增量编码器信号接口，编码器检测信号可以达到65535脉冲/转、350kHz，内部还可以进行128倍频；也可以采用绝对编码器。
611U/Ue驱动器可以与SIEMENS公司的1FT6系列、1FK6系列伺服电动机或IFN系列直线电动机配套，对伺服驱动系统的速度与电流环进行闭环控制。
与数控系统配套后，通过CNC的位置环控制，构成全数字式伺服驱动系统。
伺服电动机的最大输出转矩可达140N?
m。
3.6RA26系列直流伺服系统的故障诊断与维修
3．16RA26**系列直流伺服驱动器简介
6RA26**系列直流伺服驱动器主回路采用晶闸管三相全控反并联桥式整流电路，逻辑无环流双闭环调速，电流环为内环，速度环为外环。
系统速度环与电流环均采用P、I独立可调的比例一积分（P1）调节器，改变比例系数P不会影响积分常数I，反之亦然，为系统调整提供了方便。
3．1．1该系列驱动器主要采取的措施
1）晶闸管采用了填充式双脉冲触发信号电路，可以有效防止“逆变颠覆”；2）驱动器除常规的保护外，还设置了相序保护与欠压保护两种保护措施，提高了可靠性；3）通过电流给定的静态“颤动偏置”，以及采用比例系数较大（P>5）的电流调节器，提高了系统的快速性；4）电流调节器引入了电流自适应控制，且比例系数与积分常数独立调节，使系统在轻载情况下仍然能运行平稳，增加了系统的调速范围；5）系统的速度调节器引入了加速度调节环节，可以有效防止超调。
3.2该系列直流伺服驱动器控制板的组成
1）调节器板A2，它包括了速度调节器、电流调节器、触发脉冲控制、速度/电流反馈信号的输入回路等；2）电源与触发控制板A3，它包括了驱动器的直流控制电源、触发同步信号、锯齿波与触发脉冲控制、调节器封锁等部分的控制线路；3）触发脉冲变压器板A4，它安装有12只触发脉冲变压器以及相应的阻容吸收元器件；4）功率板，主要安装有12只晶闸管（6对）与相应的阻容吸收元器件；5）在与1GS系列他励直流伺服电动机配套时，驱动器还可以增加励磁控制与调节板A01、A02；6）在大功率的伺服驱动器上还安装有带有加速度调节器的速度给定积分控制板A1，通过加速度调节器的调节，可以改变速度给定信号的斜坡上升时间。
以上各控制板被分别安装在可以180°翻转的机架上，控制板上安装有带刻度的可调电位器与状态指示灯，为维修带来了方便。
3.3该直流伺服驱动器的状态指示
SIEMENS6RA26**系列直流伺服驱动器设有不同的状态指示灯，其含义如下：
（1）故障指示灯V79 故障指示灯V79安装于电源与触发控制板A3上，当指示灯亮时代表驱动器存在故障，其可能的原因有：
1）电源相序接反；2）电源缺相或相位不正确；3）电源电压低于额定值的80％。
（2）200ms延时封锁指示灯V78 200ms延时封锁指示灯V78安装干电源与触发控制板A3上，当指示灯亮时代表驱动器处于“停止”状态，可能的原因有：
1）电枢回路或励磁（1GS系列他励直流伺服电动机）回路断线；2）速度反馈信号断线；3）测速发电机不良；4）励磁电流太小（1GS系列他励直流伺服电动机）；5）驱动器的控制端63未加入使能信号；6）驱动器的控制端64未加入使能信号。
（3）调节器释放状态指示灯V103 调节器释放状态指示灯V103安装于电源与触发控制板A3上，当指示灯亮时代表驱动器处于“封锁”状态，可能的原因是驱动器的控制端64未加入使能信号。
（4）正组工作状态指示灯V56 调节器正组工作状态指示灯V56安装于调节器板A2上，当指示灯亮时代表驱动器主回路SCR的正组处在工作状态。
坐标轴静止时，由于闭环调节作用，正组工作状态指示灯V56与下述的反组工作状态指示灯V55交替闪烁。
（5）反组工作状态指示灯V55 调节器反组工作状态指示灯V55安装于调节器板A2上，当指示灯亮时代表驱动器主回路SCR的反组处在工作状态。
与上述正组工作状态指示灯V56一样，坐标轴静止时，与正组工作状态指示灯V56交替闪烁。
当伺服驱动器使用A1速度给定积分控制板时，该板上还安装有以下状态指示灯。
（6）速度达到指示灯V6 当实际伺服电动机转速与给定转速相等时，指示灯亮；同时，伺服驱动器内部速度到达继电器动作，驱动器输出速度到达触点信号。
在加减速过程中，由于实际转速与给定速度不同，指示灯不亮，速度到达信号为“0”。
（7）驱动器过电流指示灯V7 此指示灯指示驱动器过电流，当驱动器在加减速时，即使驱动器输出电流大于给定电流，指示灯亦不亮。
但当加减速过程结束，并经200ms延时后，若实际输出电流仍然大于给定电流，则指示灯亮，驱动器内部继电器动作，并输出过电流触点信号。
（8）实际速度低于给定速度指示灯（欠速）V8 指示灯V8指示驱动器处在欠速状态，当驱动器在运行过程中，由于某种原因，使电动机实际转速低于给定速度时，指示灯亮，且驱动器内部继电器动作，并输出驱动器“欠速”触点信号。
3.4该系列直流伺服驱动器的常见故障
6RA26**系列直流伺服驱动器出现故障时，如故障指示灯亮，可以根据上述的指示灯V79、V78、V103状态，判别故障原因。
对于指示灯未指示的故障，常见的故障及产生故障可能的原因如下。
（1）电动机转速过高 产生电动机转速过高的原因主要有以下几种：
1）电动机电枢极性接反，使速度环变成了正反馈；2）测速发电机极性接反，使速度环变成了正反馈；3）他励伺服电动机的励磁回路的输入电压过低，如：
励磁控制回路的电压调节过低或励磁回路断线；4）速度给定输入电压过高。
（2）电动机运转不稳，速度时快时慢
1）伺服单元参数调整不当，调节器未达到最佳工作状态。
；2）由于干扰、连接不良引起的速度反馈信号不稳定；3）测速发电机安装不良，或测速发电机与电动机轴的联结不良；4）伺服电动机的碳刷磨损；5）电枢绕组局部短路或对地短路；6）速度给定输入电压受到干扰或连接不良。
（3）电动机起动时间太长或达不到额定转速。
1）伺服单元的给定滤波器参数调整不当；2）伺服单元的励磁回路参数调整不当，励磁电流过低；3）电流极限调节过低。
（4）输出转矩达不到额定值
1）伺服单元的电流极限调节过低；2）速度调节器的输出限幅值调整不当；3）伺服单元的励磁回路参数调整不当；4）伺服电动机制动器未完全松开；5）电枢线连接不良，接触电阻太大。
（5）伺服电动机发热
1）伺服单元的电流极限调节过高；2）伺服单元的励磁回路参数调整不当，励磁电流过高；3）伺服电动机制动器未完全松开；4）绕组局部短路或对地短路。
3．3.5该系列直流伺服驱动器的检测与调整
6RA26**系列直流伺服驱动器设计有较多的调整电位器，用于调节伺服驱动器参数与动、静态性能，这些电位器的作用与通常情况下的调整值见5-23。
除以上调整电位器外，为了维修方便，6RA26**系列直流伺服驱动器还设有调整、设定与检测端，其含义见表5-24。
6RA26**系列直流伺服驱动器电位器调整表
代 号
作 用
安装位置
通常调整值
R149
电流显示增益
A2
5刻度
R85
最大电流给定值
A2
9刻度
R218
电流限幅值调节1
A2
9刻度
R225
电流限幅值调节2
A2
0刻度
R41
速度调节器积分时间
A2
5刻度
R27
速度调节器比例增益
A2
5刻度
R28
速度反馈增益
A2
6刻度
R31
速度调节器零点漂移调节
A2
5刻度
R126
电流调节器积分时间
A2
4刻度
R110
电流调节器比例增益
A2
4刻度
R179
最低转速调节
A2
0刻度
R231
加速度调节器零点漂移调节
A1
5刻度
R8
加速度调节器加速时间调节
A1
0刻度
R192
最大显示电流调节
A1
8.5刻度
R62
速度显示增益调节
A1
5刻度
R279
实际速度显示值调节
A1
0费度
R4
弱磁调速转换点调节
A01
6刻度
R10
励磁调节器比例增益
A01
2刻度
R13
最小励磁电流调节
A01
9刻度
R77
最大励磁电流调节
A01
2刻度
6RA26**系列直流伺服驱动器的调整与设定
代 号
升级会员 