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数控机床伺服系统的故障诊断与维修实例

时间:2012-02-05 来源:www.dqjsw.com.cn 编辑:电气自动化技术网 点击:次 字体设置:
一、前言
数控机床是技术密集型和知识密集型的机电一体化装备。它以自动化传感检测计算机液压以及光电激光等技术为基础,在机械加工领域实现了高精度高速度和高自动化加工,代表了现代机床的发展方向。与普通机床完全依靠人工控制操作不同,数控机床工作是通过装在机床上的数字式程序控制系统阅读和处理数字指令式机床完成规定动作的,因而机床电子系统与机械液压等系统的交接部位就成为了日常维护和保养的重点,这些部位的故障诊断和维修工作就是数控机床维修故障研究的主要对象。
随着我国制造业装备水平的提高,各类数控机床在企业生产中的作用越来越重要。但是,数控机床的广泛应用也给我们带来了一些新问题。首先,数控机床精度高,生产率高,因此它一旦发生故障停机,所造成的损失会比普通机床大的多。其次数控机床本身价格昂贵,其投资比普通机床高许多。从投入产出的角度讲,高投入应当带来高收益。达到这一目的重要保证是充分发挥数控机床的高效率,保证其开动率,是机床的平均无故障间隔时间增大,故障诊断修复时间减少。
作为机电一体化的典型产品,数控机床本身的技术综合性和复杂性很强,这给数控机床的管理使用和维修等工作提出了新的要求。目前,由于企业中缺乏掌握机电一体化技术的维修人员,并且由于数控机床维修知识和经验不足,造成了数控机床维护和修理能力普遍低的局面,进而直接影响了数控机床的开动率,降低了它的使用效率。随着现代化CNC系统可靠性以及机床自诊断能力的不断提高,特别是人类对数控机床故障诊断与维修方法特点认识的不断加深,这一被动局面将得到改观。
然而数控机床的故障类型是多种多样的,也是复杂多变的。我主要谈论的是数控机床发生故障部件方面的问题,是数控机床伺服系统方面的故障维修与分析以及一些实例。
二、故障分析诊断的方法
数控机床伺服系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程,一旦查明了原因 ,故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。下面把机床故障的常用诊断方法综列于下。
  (1)直观检查法 这是故障分析之初必用的方法,就是利用感官的检查。
  ①询问 向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果,并且在整个分析 判断过程中可能要多次询问。
  ②目视 总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、 刀库、机械手位置等),各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示,局部查看有无保险烧煅,元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落,各操作元件位置正确与否等等 。
  ③触摸 在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、 各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)的联接状况等来发现可能出现故障的原因。
  ④通电 这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电,一旦发现立即断电分析。
  (2)仪器检查法 使用常规电工仪表,对各组交、直流电源电压,对相关直流及脉冲信号等 进行测量,从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况,及对某些电路板上设置的 相关信号状态测量点的测量,用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无,用PLC 编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。
  (3)信号与报警指示分析法
  ①硬件报警指示 这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯,结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。
  ②软件报警指示 如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示,依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。
  (4)接口状态检查法 现代数控系统多将PLC集成于其中,而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的,这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示,有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示,而所有的接口信号都可以用PLC编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本机床的接口信号,又要熟悉PLC编程器的应用。
  (5)参数调整法 数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机床、 不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配,而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此,任何参数的变化(尤其是模拟量参数)甚至丢失都是不允许的;而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障,需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。这种方法对维修人员的要求是很高的,不仅要对具体系统主要参数十分了解,既知晓其地址熟悉其作用,而且要有较丰富的电气调试经验。
  (6)备件置换法 当故障分析结果集中于某一印制电路板上时,由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的,为了缩短停机时间,在有相同备件的条件下可以先将备件换上,然后再去检查修复故障板。备件板的更换要注意以下问题。
  ①更换任何备件都必须在断电情况下进行。
  ②许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要,因此在更换备件板上一 定要记录下原有的开关位置和设定状态,并将新板作好同样的设定,否则会产生报警而不能工作。
  ③某些印制电路板的更换还需在更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数的建立。这 一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。
  ④有些印制电路板是不能轻易拔出的,例如含有工作存储器的板,或者备用电池板,它会丢 失有用的参数或者程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。
  鉴于以上条件,在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料,弄懂要求和操作步骤 之后再动手,以免造成更大的故障。
  (7)交叉换位法 当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下,可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查,例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意,不仅硬件接线的正确交换,还要将一系列相应的参数交换,否则不仅达不到目的,反而会产生新的故障造成思维的混乱,一定要事先考虑周全,设计好软、硬件交换方案,准确无误再行交换检查。
  (8)特殊处理法 当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段,其中软件含量越来越丰富,有系统软件、机床制造者软件、甚至还有使用者自己的软件,由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问题,会使得有些故障状态无从分析,例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理,比如整机断电,稍作停顿后再开机,有时则可能将故障消除。维修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。
在自动控制系统中,把输出量能够以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为伺服系统。伺服系统主要是控制机床的进给运动和主轴转速。伺服系统是以中反馈控制系统,它以指令脉冲为输入给定值,与输出量进行比较,利用比较后产生的偏差值对系统进行自动调节,以消除偏差,使被调量跟踪给定值.
三、主轴伺服系统故障及诊断
数控机床要求主轴在很宽范围内转速连续可调,恒功率范围宽。当要求机床有螺纹加工功能时准停功能和恒线速加工等功能时,就要对主轴提出相应的进给控制和位置控制要求,因此主轴驱动系统也可称为主轴伺服系统。
主轴伺服系统的故障按机床提供的报警形式大致可分为3类:(1)在CRT或操作面板上显示报警内容的故障,它是利用软件的诊断程序来实现;(2)利用进给伺服驱动单元伤的硬件显示报警驱动单元的故障。(3)进给运动不正常,但没有任何报警指示的故障。其中前两类,都可根据生产厂家提供的产品﹤﹤维修说明﹥﹥中有关“各种报警信息产生的可能原因”的提示进行分析判断,并且一般都能确诊故障原因及部位。对于第三类故,则要进行综合分析,这类故障往往是以机床工作不正常的形式出现的,如机床失控·振动及工件质量差等。
1. 主轴波动
主轴波动是指由于电磁干扰屏蔽和接地措施不良等影响,主轴转速指令信号为零时,主轴仍往复运动,调整零速平衡和漂移补偿也不能消除故障。
2. 过载
切削用量过大,频繁正反转等均可引起过载报警。具体表现为主轴电机过热主轴驱动装置显示过电流报警等。
3.主轴定位抖动
主轴准停用于刀具交换精膛退刀及齿轮换挡等场合,有3种实现方式:(1)机械准停控制由带V形槽的定位盘和定位用的液压缸配合动作。(2)磁性传感器的电气准停控制发磁体安装在主轴后端,磁传感器安装在主轴箱上,其安装位置决定了主轴的准停点,发磁体和磁传感器之间的间隙为(1+-0.5)mm。(3)编码器型的准停控制通过主轴电动机内置安装或在机床主轴上直接安装一个光电编码器来实现准停控制,准停角度可任意设置。
上述准停要经过减速的过程,如减速或增益等参数设置不当,均可引起定位抖动。另外,准停方式(1)中定位液压缸活塞移动的限位开关失灵,准停方式(2)中发磁体和磁传感器之间的间隙发生变化或磁传感器失灵均可引起定位抖动。
3.主轴转速与进给不匹配
4.当进行螺纹切削或用没转进给指令切削是,会出现停止进给,主轴仍继续运转的故障。发生这种故障一般是主轴编码器有问题。可用以下方法来确定:(1)CRT画面有报警显示;(2)通过CRT调用机床数据或I/O状态,观察编码器的信号状态;(3)用每分钟进给指令代替每转进给指令来执行程序,观察故障是否消失。
5.转速偏离指令值
当主轴转速超过技术要求所规定的范围时,要考虑:1.电动机过载。2.CNC系统输出的主轴转速模拟器每有达到与转速指令对应的值;3.测速装置有故障或速度反馈信号断线4.主轴驱动装置故障。
6.主轴异常噪声及振动
发生此情况后,首先要区别异常噪声及振动法生在主轴机械部分还是在电气部分。若在减速过程中发生,一般是由驱动装置造成的,如交流驱动中的再生回路故障;若在恒转速时发生,可通过观察主轴电动机自由停车过程中是否有噪声和振动来区别,如存在噪声和我振动,则主轴机械部分有问题。若检查发现振动周期与转速有关,则应检查主轴机械部分是否良好,测速装置是否不良;如无关,一般是主轴驱动装置未调好。
7.主轴电动机不转
CNC系统至主轴驱动装置除了转速模拟量控制信号外,还有使能控制信号,一般为DC+24V继电器线圈电压。发生故障后,要检查:1.CNC系统是否具有速度控制信号输出。
2.信号是否接通。通过CRT观察I/O状态,分析机床PLC梯形图,确定主轴的启动条件,如润滑、冷却、等是否满足。
3.主轴驱动装置和主轴电动机是否有问题。
四、进给伺服系统的故障与诊断
数控机床进给伺服系统的作用是:根据CNC发出的动作指令,迅速、准确地完成在各坐标轴方向的进给,与主轴驱动相配合,实现对工件的高精度加工。因此,进给伺服系统的维护保养,及时发现故障、排除故障是十分必要的。机床进给伺服系统的常见故障有进给运动超程;伺服运动定位精度超差;进给运动过载、爬行,窜动;机床振动;伺服电机不转;坐标轴漂移等。各类报警中的典型故障如下:
CRT上显示报警内容的故障
这类故障在CRT上显示的报警内容及原因是:
1.超程报警
一般是由进给运动超过了软件设定的限位或由限位开关决定的硬限位引起的,根据数控系统说明书进行调整,即可排除故障。
2.停机时误差过大和运行是误差过大报警
引起误差过大的原因有:1.位置偏差设置错误。因此要认真检查参数的设定值。2.超调。在数控系统加减速时间里,如果电动机没有流过加减速时必要的电流,则法会使位置控制回路的误差增加。为了消除本报警,可加大数控系统的加减速时间和速度控制单元的增益。3.输入电源电压太低。交流输入电源电压应在额定值的-15%~+10%的范围内4.连接不良。如测速电机信号线、电动机动力线等的连接不良均会引起误差过大。5.数控系统的位置控制部分和速度控制的部分的故障。6.如果是直流伺服电机,则电机的碳刷接触不良也会误差过大。
3.漂移补偿量过大报警
出现这种故障的原因有:1连接不良。表现在两个方面。一是电动机动力线连接不良,二是电动机和检测元件之间的连接不良。2.CNC系统中有关漂移量补偿的参数设定错误。3.速度控制单元CNC装置主板的位置控制部分有故障。
4.过热报警故障
过热报警故障指伺服单元、变压器及伺服电机等的过热。引起过热报警的原因有:1.机床切削条件差,机床摩擦力矩过大,使主回路中的热继电器动作。2.切削时,伺服电机电流太大或变压器本身故障,引起伺服变压器热控开关动作。3.伺服电机电枢内部短路或绝缘不良,电机永久磁铁去磁或脱落及电机制动器不良,引起电动机的热控开关动作。
5.电动机再生放电的电流过大报警
引起报警的原因有:1.再生放电用晶体管不良或印制线路板不良。2.印制线路板设定不对。3.加减速频率过高。
6.电动机过载
引起过载的原因有:1.机床负载异常,引起电动机电流超过额定值。这可以用检查电动机电流来判断。此时,需要变更切削条件,减轻机床负载。2.印制电路板设定错误。检查确定电动机过载的设定是否正确。3. 印制线路板不良。4.对于交流伺服来说,没有脉冲编码反馈信号也会引起电动机过载报警。
7.设定单元的断路器断开报警
引起报警的原因有:1.干扰。有时速度单元受外界的干扰影响,断路器自动断开。此时只要断开电源后,复位一次自动断路器,再合闸后,单元又可自动运行。2.机床负载异常。可用示波器检查机床再快速进给时的电动机电流是否超过额定值来判断机床负载是否有异常。3.速度控制单元内整流用二极管模块不好。4. 印制电路板不好或印制电路板速度控制单元之间的连接不好。
8.伺服单元过电流报警
引起该报警的主要原因有:1.晶体管模块不好。。这时可用万用表检查晶体管模块电极和发射极之间的阻值。如果只有数欧姆,则表示该模块已被极坏。2.电动机动力线连接错误。3.电动机线圈内部短路。4. 印制线路板有故障。
9.伺服系统过压报警
引起该报警的主要原因有:1.交流输入电源电压过高。2.伺服电机线圈有故障。3. 印制线路板有故障。4.负载惯量过大。


五、维修实例
1.机床主轴伺服系统的故障及维修实例
故障一
故障现象:1.8m数控卧车在停车时发出巨大响声,同时车间总电源跳闸。
检查:(1)车间电工对供电系统进行检查,跳闸的自动空气断路器所在处,因环境潮湿开关盒内自动跳闸的连杆机构已腐蚀,另外三相触点中有一相触点只有一小部分能接触。(2)车间供电变压器容量小,超负荷运行。其正常的相电压只有340V。(3)一只晶闸管已被烧坏,查看驱动电路,B相触发脉冲短小,只有正常触发脉冲幅值的四分之一,进一步查实为B相触发电路中的放大管T3性能不好所致。
可控硅触发脉冲电路图,由于该图原理简单,在此不予说明。
分析:晶闸管在整流状态下缺相和在逆变状态下缺相结果是不同的。在整流状态下总是触发电位较高的晶闸管如SCR1,同时使前一相晶闸管SCR3承受反相电压而关断。在SCR3的关断期间以反相阻断状态为主。即使后一个晶闸管不触发,而SCR3到一定时刻也会因过零而自动关断。但如果是在停车降速时,即在逆变的情况下(同样也是触发电位较高的晶闸管导通,并使前一个晶闸管承受反压而关断),这时的晶闸管在关断时有很长一段时间处于正向阻断状态。这样,若后一个晶闸管不导通,由于电感L的放电作用,使该晶闸管再延续导通一个周期而进入正半周,晶闸管将继续导通下去,同时阻碍后面的晶闸管导通。于是,晶闸管输出的正向电压与电动机电势迭加产生很大的电流,这时即产生逆变颠覆,轻则烧坏保险丝,重则烧坏晶闸管。如果车间的电压供电系统正常,没有大的波动,也许不会烧坏晶闸管。交流电网电压波动大,车间变压器容量小,超负荷运行,再加之B相正组触发脉冲幅值小,及车间供电系统的总开关盒的损坏等综合原因造成了这次故障的发生。
处理:(1)更换自动空气断路器。(2)更换新的晶闸管。
故障二
故障现象:1.8m卧车在点动时,花盘来回摆动。
检查:测量驱动控制系统中的±20V直流稳压电源的纹波为4V峰峰值,大大超过了规定的范围。
分析:在控制系统的放大电路中,高、低通滤波器可以滤掉,如:测速机反馈,电流反馈,电压反馈中的各次谐波干扰信号,但无法滤除系统本身直流电源电路中的谐波分量,因它存在于整个系统中,这些谐波进入放大器就会使放大器阻塞,使系统产生各种不正常的现象。在点动状态下,因电机的转速较低,这些谐波已超过了点动时的电压值,造成了系统的振荡,使主轴花盘来回摆动,而且一旦去除谐波信号,故障马上消失。

  处理:将电压板中的100MF和1000MF滤波电容换下焊上新电容,并测量纹波只有几个毫伏后将电源板安装好,开机试运行,故障消除。
故障三
故障现象:5m立车在运行加工中发出哐哐声后,烧保险。
 检查:发现5FC5FG、5RG5RQ正反组全无脉冲输出(线路见图2),测量结果,IC7反相器损坏,又发现1FG1FC输出波形较其他波形幅值低得多。
分析:5m立车主驱动直流电机的驱动电压由晶闸管全控桥反并联整流电路提供。12路触发脉冲中,有两路消失,另一路触发脉冲的幅值较其它正常触发脉冲要短三分之一,当出现哐哐的齿轮撞击声时,误以为液压马达联轴节处出现了问题,但过了一会儿两路保险丝烧坏,实际上,在这次故障的前一段时间里已烧过两次保险,当时只认为是偶然的电网不稳造成,因换上保险丝后,故障就消除了。
机床进给伺服系统的故障及维修实例
一、 超程当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时 ,就会发生超程报警。一般会在 CRT上显示报警内容 ,根据数控系统说明书,即可排除故障解除报警。
故障诊断实例 :一台日立精机生产的加工中心机床 ,配置有 F- 6M系统。故障现象:X轴方向发生软件超程。:通过对系统进行检查 ,没有发现什么问题。经详细询问操作者 ,得知该故障是在突然停电之后引起的。因此 ,可以认为 ,这是一起由于外界干扰引起的偶发性故障。故障处理 :按 " RESET(复位 ) "按钮 ,让机床完成返回参考点动作 ,机床即可恢复正常运行。  
二、过载当进给运动的负载过大 ,频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时 ,均会引起过载报警。一般会在 CRT上显示伺服电机过载、过热或过电流等报警信息。同时 ,在强电柜中的进给驱动单元上 ,用指示灯或数码管提示驱动单元过载、过电流等信息。
故障诊断实例 :一台日本三井精机生产的数控铣床 ,配置 FANU C公司的 6M系统。
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