工作数小时后出现剧烈振动的故障维修

发布日期：2011-11-25    兰生客服中心    浏览：2712

故障现象：某采用FANUC 0T数控系统的数控车床，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(时间不定)，Z轴出现剧烈振荡，CNC报警，机床无法正常工作。这时，即使关机再起动，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(如：第二天开机)，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。 

分析与处理过程：该机床X、Z分别采用FANUC 5、10型AC伺服电动机驱动，主轴采用FANUC 8SAC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。因此，控制线路设计比较复杂，机床功能较强。

        根据以上故障现象，首先从大的方面考虑，分析可能的原因不外乎机械、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，可能是由于某个元器件的参数变化，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、伺服电动机等三大部分，为了进一步分清原因，维修的第二步是将CNC的X轴和Z轴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轴故障现象不变。

        根据以上试验和检查，可以确认故障是由于Z轴伺服主电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，因此不可以再利用“互换法”进行进一步判别。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，具体步骤如下。

         1)伺服主回路分析。经过前面的检查，故障范围已缩小到伺服主回路与伺服电动机上，当时编者主观认为伺服主回路，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(如图6-1所示)(说明：后来的事实证明笔者这一步的判断是不正确的，但为了如实反映当时的维修过程，并便于读者系统参考，现仍将本部分内容列出)。

         图6-1是根据实物测绘的FANUC AC伺服主回路原理图(板号：A06B－6050－H103)。根据原理图可以分析、判断图中各元器件的作用如下：

         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~TF为PWM逆变主回路。C1、C2、C3、R1为滤波电路，V1、V2、R2、T1为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，以上元器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。

         为进一步分析判断，在发生故障时，对主回路的实际工作情况进行了以下分析测量：

         对于直流整流电路，若VA~VF正常，则当输入线电压Ul为200V时，A、B间的直流平均电压应为：UAB=1.35×Ul=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(在实际伺服单元上，为CN3的5脚与CN4的1脚间)，此值为正常，可以判定VA～VF无故障。


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主要元件参数：C1：680µF，  C2：1200µF，  C3：3.3µF，  R1：20kΩ


R2: 16Ω  R3: 0.12Ω，R4/R5: 0.05Ω，R6/R7/R8：0.6n


图6-1  伺服驱动主回路原理图



        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(在实际伺服单元上，为CN4的1脚与CN4的5脚间)，此值正常，可以判断以上元器件无故障。

         但测量TA~TF组成的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，由此判断故障应在V相。

         为了进一步确认，维修时将U相的逆变晶体管(TA、TB)和V相的逆变晶体管(TC、TD)作了互换，但故障现象不变。
        经以上检查，可以确认：故障原因应在伺服电动机上。

        2)伺服电动机检查与维修。在故障范围确认后，对伺服电动机进行了仔细的检查，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，维修时按以下步骤拆开了伺服电动机(参见图6-2)。


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图6-2  伺服电动机结构示意图

1-电枢线插座 2-连接轴 3-转子 4-外壳 5-绕组 6-后盖联接螺钉 7-安装座 8一安装座联接螺钉

9-编码器固定螺钉 10-编码器联接螺钉 11-后盖 12-橡胶盖 13-编码器轴 14-编码器电缆  15-编码器插座

①松开后盖联接螺钉6，取下后盖11。

②取出橡胶盖12。

③取出编码器联接螺钉10，脱开编码器和电动机轴之间的联接。

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啮合，联接较紧，取编码器时应使用专门的工具，小心取下。

⑤松开安装座联接螺钉8，取下安装座7。

        这时，可以露出电动机绕组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6-2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啮合。

        3)转子位置的调整。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6-3a)，编码器加入+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，事实上相当于使电动机工作在图6-3b所示的90º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)。   

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”，使转子位置检测信号和电动机实际位置一致；

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。



图6-3  转子位置调整示意图


        维修体会与维修要点：

        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清除后，机床又可以重新工作；有的必须经过较长的关机时间，让机床“休息”一段时间，机床才能重新工作。此类故障常常被人们称为“软故障”。

       “软故障”的维修通常是数控机床维修中最难解决的问题之一。由于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。

         对于“软故障”的维修，在条件许可时，使用“互换法”可以较快地判别故障所在，而根据原理的分析，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。

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