工作數(shù)小時(shí)后出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的故障維修

發(fā)布日期：2011-11-25    蘭生客服中心    瀏覽：2023

故障現(xiàn)象：某采用FANUC 0T數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控車床，開(kāi)機(jī)時(shí)全部動(dòng)作正常，伺服進(jìn)給系統(tǒng)高速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、低速無(wú)爬行，加工的零件精度全部達(dá)到要求。當(dāng)機(jī)床正常工作5～7h后(時(shí)間不定)，Z軸出現(xiàn)劇烈振蕩，CNC報(bào)警，機(jī)床無(wú)法正常工作。這時(shí)，即使關(guān)機(jī)再起動(dòng)，只要手動(dòng)或自動(dòng)移動(dòng)Z軸，在所有速度范圍內(nèi)，都發(fā)生劇烈振蕩。但是，如果關(guān)機(jī)時(shí)間足夠長(zhǎng)(如：第二天開(kāi)機(jī))，機(jī)床又可以正常工作5～7h，并再次出現(xiàn)以上故障，如此周期性重復(fù)。 

分析與處理過(guò)程：該機(jī)床X、Z分別采用FANUC 5、10型AC伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸采用FANUC 8SAC主軸驅(qū)動(dòng)，機(jī)床帶液壓夾具、液壓尾架和15把刀的自動(dòng)換刀裝置，全封閉防護(hù)，自動(dòng)排屑。因此，控制線路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，機(jī)床功能較強(qiáng)。

         根據(jù)以上故障現(xiàn)象，首先從大的方面考慮，分析可能的原因不外乎機(jī)械、電氣兩個(gè)方面。在機(jī)械方面，可能是由于貼塑導(dǎo)軌的熱變形、脫膠，滾珠絲杠、絲杠軸承的局部損壞或調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蛞鸬姆蔷鶆蛐载?fù)載變化，導(dǎo)致進(jìn)給系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在電氣方面，可能是由于某個(gè)元器件的參數(shù)變化，引起系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性改變，導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定等等。

        鑒于本機(jī)床采用的是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，為了分清原因，維修的第一步是松開(kāi)Z軸伺服電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠之間的機(jī)械聯(lián)接，在Z軸無(wú)負(fù)載的情況下，運(yùn)行加工程序，以區(qū)分機(jī)械、電氣故障。經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：故障仍然存在，但發(fā)生故障的時(shí)間有所延長(zhǎng)。因此，可以確認(rèn)故障為電氣原因，并且和負(fù)載大小或溫升有關(guān)。

        由于數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)包含了CNC、伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電動(dòng)機(jī)等三大部分，為了進(jìn)一步分清原因，維修的第二步是將CNC的X軸和Z軸的速度給定和位置反饋互換(CNC的M6與M8、M7與M9互換)，即：利用CNC的X軸指令控制機(jī)床的Z軸伺服和電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，CNC的Z軸指令控制機(jī)床的X軸伺服和電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)，以判別故障發(fā)生在CNC或伺服。經(jīng)更換發(fā)現(xiàn)，此時(shí)CNC的Z軸(帶X軸伺服及電動(dòng)機(jī))運(yùn)動(dòng)正常，但X軸(帶Z軸伺服及電動(dòng)機(jī))運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)振蕩。據(jù)此，可以確認(rèn)故障在Z軸伺服驅(qū)動(dòng)或伺服電動(dòng)機(jī)上。

       考慮到該機(jī)床X、Z軸采用的是同系列的AC伺服驅(qū)動(dòng)，其伺服PCB板型號(hào)和規(guī)格相同，為了進(jìn)一步縮小檢查范圍，維修的第三步是在恢復(fù)第二步CNC和X、Z伺服間的正常連接后，將X、Z的PCB板經(jīng)過(guò)調(diào)整設(shè)定后互換。經(jīng)互換發(fā)現(xiàn)，這時(shí)X軸工作仍然正常，Z軸故障現(xiàn)象不變。

        根據(jù)以上試驗(yàn)和檢查，可以確認(rèn)故障是由于Z軸伺服主電路或伺服電動(dòng)機(jī)的不良而引起的。但由于X、Z電動(dòng)機(jī)的規(guī)格相差較大，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)相同型號(hào)的伺服驅(qū)動(dòng)和電動(dòng)機(jī)可供交換，因此不可以再利用“互換法”進(jìn)行進(jìn)一步判別�？紤]到伺服主電路和伺服電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，故采用了原理分析法再進(jìn)行了以下檢查，具體步驟如下。

1)伺服主回路分析。經(jīng)過(guò)前面的檢查，故障范圍已縮小到伺服主回路與伺服電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)時(shí)編者主觀認(rèn)為伺服主回路，特別是逆變功率管由于長(zhǎng)時(shí)間在高壓、大電流情況下工作，參數(shù)隨著溫度變化而變值的可能性較大。為此測(cè)繪了實(shí)際AC驅(qū)動(dòng)主回路原理圖(如圖6-1所示)(說(shuō)明：后來(lái)的事實(shí)證明筆者這一步的判斷是不正確的，但為了如實(shí)反映當(dāng)時(shí)的維修過(guò)程，并便于讀者系統(tǒng)參考，現(xiàn)仍將本部分內(nèi)容列出)。

        圖6-1是根據(jù)實(shí)物測(cè)繪的FANUC AC伺服主回路原理圖(板號(hào)：A06B－6050－H103)。根據(jù)原理圖可以分析、判斷圖中各元器件的作用如下：

        NFBl為進(jìn)線斷路器，MCC為伺服主接觸器，ZNR為進(jìn)線過(guò)電壓抑制器。VA～VF為直流整流電路，TA~TF為PWM逆變主回路。C1、C2、C3、R1為濾波電路，V1、V2、R2、T1為直流母線電壓控制回路。R3為直流母線電流檢測(cè)電阻，R4、R5為伺服電動(dòng)機(jī)相電流檢測(cè)電阻，R6~R8為伺服電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)電阻。

        經(jīng)靜態(tài)測(cè)量，以上元器件在開(kāi)機(jī)時(shí)及發(fā)生故障停機(jī)后其參數(shù)均無(wú)明顯變化，且在正常范圍。

        為進(jìn)一步分析判斷，在發(fā)生故障時(shí)，對(duì)主回路的實(shí)際工作情況進(jìn)行了以下分析測(cè)量：

        對(duì)于直流整流電路，若VA~VF正常，則當(dāng)輸入線電壓Ul為200V時(shí)，A、B間的直流平均電壓應(yīng)為：UAB=1.35×Ul=270V
        考慮到電容器C1的作用，直流母線的實(shí)際平均電壓應(yīng)為整流電壓的1.1～1.2倍左右，即300~325V左右。實(shí)際測(cè)量(在實(shí)際伺服單元上，為CN3的5腳與CN4的1腳間)，此值為正常，可以判定VA～VF無(wú)故障。

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主要元件參數(shù)：C1：680µF，  C2：1200µF，  C3：3.3µF，  R1：20kΩ

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

圖6-1  伺服驅(qū)動(dòng)主回路原理圖


         對(duì)于直流母線控制回路，若V1、V2、T1、R2、R3工作正常，則C、D間的直流電壓應(yīng)略低于A、B間的電壓，實(shí)際測(cè)量(在實(shí)際伺服單元上，為CN4的1腳與CN4的5腳間)，此值正常，可以判斷以上元器件無(wú)故障。

         但測(cè)量TA~TF組成的PWM逆變主回路輸出(T1的5、6、7端子)，發(fā)現(xiàn)V相電壓有時(shí)通時(shí)斷的現(xiàn)象，由此判斷故障應(yīng)在V相。

         為了進(jìn)一步確認(rèn)，維修時(shí)將U相的逆變晶體管(TA、TB)和V相的逆變晶體管(TC、TD)作了互換，但故障現(xiàn)象不變。經(jīng)以上檢查，可以確認(rèn)：故障原因應(yīng)在伺服電動(dòng)機(jī)上。

2)伺服電動(dòng)機(jī)檢查與維修。在故障范圍確認(rèn)后，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了仔細(xì)的檢查，最終發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的V相絕緣電阻在故障時(shí)變小，當(dāng)放置較長(zhǎng)時(shí)間后，又恢復(fù)正常。為此，維修時(shí)按以下步驟拆開(kāi)了伺服電動(dòng)機(jī)(參見(jiàn)圖6-2)。

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圖6-2  伺服電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖


1-電樞線插座 2-連接軸 3-轉(zhuǎn)子 4-外殼 5-繞組 6-后蓋聯(lián)接螺釘 7-安裝座 8一安裝座聯(lián)接螺釘

9-編碼器固定螺釘 10-編碼器聯(lián)接螺釘 11-后蓋 12-橡膠蓋 13-編碼器軸 14-編碼器電纜  15-編碼器插座


①松開(kāi)后蓋聯(lián)接螺釘6，取下后蓋11。


②取出橡膠蓋12。

③取出編碼器聯(lián)接螺釘10，脫開(kāi)編碼器和電動(dòng)機(jī)軸之間的聯(lián)接。

④松開(kāi)編碼器固定螺釘9，取下編碼器。注意：由于實(shí)際編碼器和電動(dòng)機(jī)軸之間是錐度嚙合，聯(lián)接較緊，取編碼器時(shí)應(yīng)使用專門(mén)的工具，小心取下。

⑤松開(kāi)安裝座聯(lián)接螺釘8，取下安裝座7。

         這時(shí)，可以露出電動(dòng)機(jī)繞組5，經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)該電動(dòng)機(jī)繞組和引出線中間的連接部分由于長(zhǎng)時(shí)間的冷卻水滲漏，絕緣已經(jīng)老化；經(jīng)過(guò)重新連接、處理，再根據(jù)圖6-2重新安裝上安裝座7，并固定編碼器連接螺釘10，使編碼器和電動(dòng)機(jī)軸嚙合。

3)轉(zhuǎn)子位置的調(diào)整。在完成伺服電動(dòng)機(jī)的維修后，為了保證編碼器的安裝正確，又進(jìn)行了轉(zhuǎn)子位置的檢查和調(diào)整，方法如下：

①將電動(dòng)機(jī)電樞線的V、W相(電樞插頭的B、C腳)相連。     

②將U相(電樞插頭的A腳)和直流調(diào)壓器的“+”端相聯(lián)，V、W和直流調(diào)壓器的“－”端相聯(lián)(見(jiàn)圖6-3a)，編碼器加入+5V電源(編碼器插頭的J、N腳間)。

③通過(guò)調(diào)壓器對(duì)電動(dòng)機(jī)電樞加入勵(lì)磁電流。這時(shí)，因?yàn)?em>Iu=Iv+Iw，且Iv=Iw，事實(shí)上相當(dāng)于使電動(dòng)機(jī)工作在圖6-3b所示的90º位置，因此伺服電動(dòng)機(jī)(永磁式)將自動(dòng)轉(zhuǎn)到U相的位置進(jìn)行定位。注意：加入的勵(lì)磁電流不可以太大，只要保證電動(dòng)機(jī)能進(jìn)行定位即可（實(shí)際維修時(shí)調(diào)整在3~5A)。   

④在電動(dòng)機(jī)完成U相定位后，旋轉(zhuǎn)編碼器，使編碼器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)C1、C2、C4、C8(編碼器插頭的C、P、L、M腳)同時(shí)為“1”，使轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)信號(hào)和電動(dòng)機(jī)實(shí)際位置一致；

⑤安裝編碼器固定螺釘，裝上后蓋，完成電動(dòng)機(jī)維修。


經(jīng)以上維修，機(jī)床恢復(fù)了正常。




圖6-3  轉(zhuǎn)子位置調(diào)整示意圖


維修體會(huì)與維修要點(diǎn)：

        在數(shù)控機(jī)床維修過(guò)程中，有時(shí)會(huì)遇到一些比較特殊的故障，例如：有的機(jī)床在剛開(kāi)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)和機(jī)床工作正常，但當(dāng)工作一段時(shí)間后，將出現(xiàn)某一故障。這種故障有的通過(guò)關(guān)機(jī)清除后，機(jī)床又可以重新工作；有的必須經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的關(guān)機(jī)時(shí)間，讓機(jī)床“休息”一段時(shí)間，機(jī)床才能重新工作。此類故障常常被人們稱為“軟故障”。

       “軟故障”的維修通常是數(shù)控機(jī)床維修中最難解決的問(wèn)題之一。由于故障的不確定性和發(fā)生故障的隨機(jī)性，使得機(jī)床時(shí)好時(shí)壞，這給檢查、測(cè)量帶來(lái)了相當(dāng)?shù)睦щy。維修人員必須具備較高的業(yè)務(wù)水平和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，仔細(xì)分析故障現(xiàn)象，才能判定故障原因，并加以解決。

        對(duì)于“軟故障”的維修，在條件許可時(shí)，使用“互換法”可以較快地判別故障所在，而根據(jù)原理的分析，是解決問(wèn)題的根本辦法。維修人員應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，仔細(xì)分析故障現(xiàn)象，才能判定故障原因，并加以解決。

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