1.前言

　　隨著科學技術和社會生產的不斷發(fā)展，機械制造技術有了深刻的變化。隨著數(shù)控技術越來越廣泛的應用，人們對數(shù)控機床故障與診斷技術的要求也越來越高。在數(shù)控機床的諸多故障中，伺服系統(tǒng)的故障由于其結構和控制上的復雜性以及在數(shù)控機床中所占地位的重要性而顯得尤為特殊，同時對維修人員維修水平的要求也相對要高。在下面文章中，就先從伺服系統(tǒng)的控制原理出發(fā)，分析FAUNC 0i-mate伺服系統(tǒng)典型故障的分析及排故的過程。

2.數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

　　2.1 數(shù)控機床的組成

　　數(shù)控機床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電機拖動、自動控制、檢測等技術為一體的自動化設備。

　　數(shù)控機床的基本組成包括加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制系統(tǒng)、反饋系統(tǒng)及機床本體。

　　2.2 數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)

　　2.2.1 概述

　　數(shù)控機床伺服系統(tǒng)（Servo System）通常是指進給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機床機械傳動部件間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成部分。進給伺服系統(tǒng)是以機床移動部件位置為控制量的自動控制系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)插補運算生成的位置指令，精確地變換為機床移動部件的位移，直接反映了機床坐標軸跟蹤運動指令和實際定位的性能。

　　從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)控制需要有位置檢測與反饋環(huán)節(jié)，它們是基于反饋控制原理工作的。

　　2.2.2 伺服系統(tǒng)的組成

　　位置閉環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)由位置檢測裝置、位置控制、伺服驅動裝置、伺服電動機及機床進給傳動鏈組成，如圖2.1所示。

　　閉環(huán)伺服系統(tǒng)的一般結構通常由位置環(huán)和速度環(huán)組成。速度環(huán)由伺服電動機、伺服驅動裝置、測速裝置及速度反饋組成；位置環(huán)由數(shù)控系統(tǒng)中的位置控制、位置檢測裝置及位置反饋組成。

　　2.2.3 伺服系統(tǒng)的工作原理

　　2.2.3.1 位置控制

　　位置控制是伺服系統(tǒng)的重要組成部分，是保證位置控制精度的重要環(huán)節(jié)。位置控制的實質是位置隨動控制，其控制原理如圖2.2所示。

　　2.2.3.2 伺服系統(tǒng)的工作原理

　　在位置控制中，根據(jù)插補運算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋來的機床坐標軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經變換得到速度給定電壓。在速度控制中，伺服驅動裝置

　　根據(jù)速度給定電壓和速度檢測裝置反饋的實際轉速對伺服電動機進行控制，以驅動機床傳動部件。

　　2.2.3.3 速度控制信號的實現(xiàn)方式

　　經位置控制的比較獲得的位置偏差均以脈沖的形式存在，該位置偏差經一定的轉換后，形成速度控制信號，該信號通過伺服驅動裝置驅動伺服電動機。從位置偏差到速度控制信號的形成如圖2.3所示。

　　速度指令Vc=位置偏差Pe×位置增益KV

　　位置增益KV決定了速度對位置偏差的響應程度，它反映了伺服系統(tǒng)的靈敏度。

3.FAUNC 0i-mate-TC伺服系統(tǒng)

　　3.1 FAUNC 0i-mate-TC伺服系統(tǒng)的特點

　　在FAUNC 0i-mate-TC伺服系統(tǒng)中，位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的電路都被設計在數(shù)控系統(tǒng)內部，作為系統(tǒng)控制的一部分，通常叫做軸卡（AXES CARD）。該部分實現(xiàn)了位置、速度和電流的控制，最終將被三角波調制后的PWM信號輸出到伺服功率放大器。圖3.1為FAUNC 0i-mate伺服系統(tǒng)結構示意圖。

　　3.2 FAUNC 0i-mate的伺服參數(shù)

　　FAUNC 0i-mate的系統(tǒng)參數(shù)有幾千個之多，其中與伺服有關的參數(shù)分別是：

　　1）參數(shù)1010：CNC控制軸數(shù)。

　　2）參數(shù)1020：各軸的編程名稱

　　3）參數(shù)1022：基本座標系中各軸的順序

　　4）參數(shù)1023：各軸的伺服軸號。

　　5）參數(shù)1825：各軸的伺服環(huán)增益。

　　6）參數(shù)1826：各軸的到位寬度。

　　7）參數(shù)1827：設定各軸切削進給的到位寬度。

　　8）參數(shù)1828：各軸移動中的最大允許位置偏差量。

　　9）參數(shù)1829：各軸停止中的最大允許位置偏差量。

　　10）參數(shù)1420：各軸快移速度的最大值。

　　11）參數(shù)1422：各軸切削進給速度的最大值。

　　12）參數(shù)1423：各軸手動連續(xù)進給速度的最大值。

　　其中，決定伺服軸能否正常運動的參數(shù)有1825#、1828#、1829#、1420#、1422#及1423#參數(shù)。

　　總之，上述參數(shù)若出現(xiàn)沒有設置或設置不正確的問題，則勢必會影響到伺服軸的正常運行，由此將引發(fā)伺服故障。我們將由于參數(shù)問題引發(fā)的數(shù)控機床故障稱之為“軟件故障”。

4.伺服系統(tǒng)的典型故障及診斷

　　4.1 進給伺服的故障形式

　　進給伺服系統(tǒng)的任務是完成各坐標軸的位置控制，在整個系統(tǒng)中它又分為：位置環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)。在這些環(huán)節(jié)中，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)異?；蚬收隙紩λ欧到y(tǒng)的正常工作造成影響。下面就以出現(xiàn)頻率較高又最有代表性的故障：“隨動誤差大”的報警作為典型伺服故障進行詳細的分析。

　　4.2 CK0625數(shù)控車床X軸“隨動誤差大”報警的分析與修復

　　故障機床：南京日上公司的數(shù)控車床

　　控制系統(tǒng)類型：FANUC 0i-mate-TC

　　故障現(xiàn)象：機床上電后，點動方式下手動移動X軸，X軸不動，接著CRT上出現(xiàn)“411.隨動誤差大X軸”報警，同時設備二次電掉電，每次都如此。

　　故障分析：對于“隨動誤差大”的故障，其實質是運動軸的實際位置與理論位置（即位置給定）之間的累計誤差值超過了該軸參數(shù)中規(guī)定的允許值，故障有可能出現(xiàn)在硬件或軟件兩個方面。

　　4.2.1 軟件原因

　　就是伺服參數(shù)設定的問題。這時可以檢查1825#參數(shù)，看看該軸的伺服環(huán)增益是否設置得過小，可相應地提高伺服增益；或者看1828#參數(shù)，該軸移動中的最大允許位置偏差量是否太小，若太小則增大這個值；其次，檢查1423#參數(shù)及1424#參數(shù)，看軸手動連續(xù)進給（JOG進給）時的進給速度或手動快速進給是否過大，可適當減小設置。

　　但我們的故障現(xiàn)象是X軸根本沒動，因此與速度設定無關；1825#參數(shù)和1828#參數(shù)的設定內容與正常時一樣，因此，也不是位置增益或最大允許位置偏差量太小的問題。

　　4.2.2 硬件原因

　　本著由外及內、先易后難的排故原則，做如下操作：

　　1）是否為機械方面的問題，如電機與絲杠的連接問題、電機軸承問題、潤滑問題等。

　　排除方法：手動移動該軸的同時，在CRT上監(jiān)測電機的負載變化情況，若負載超過額定負載的100%，則說明確實存在機械卡死；若負載正常，則可以推翻這個懷疑。運用該方法，我們發(fā)現(xiàn)手動移動X軸時，直到報警出現(xiàn)，負載都非常正常且最大不超過額定負載的8%，說明X軸隨動誤差大并不是由于機械原因造成的。

　　2）位置檢測元件、控制模塊或電氣連接等方面的問題。

　　排除方法：通過交換法進行判斷。首先交換X軸與Z軸的功率放大器，結果依然出現(xiàn)X軸隨動誤差大的報警，說明X軸的功率放大器沒有問題。

　　其次，把兩軸電機動力線進行對換，為了保證每個軸閉環(huán)的完整性，此時還得將兩軸的脈沖編碼器的反饋線進行對換。其實，這種操作就等同于兩個電機的交換，只不過挪動電機不方便而已。結果，X軸可以手動運行了，也沒有報警出現(xiàn)，而在手動運行Z軸時，則出現(xiàn)了與先前X軸一樣的故障情況，即不但Z軸不動反而出現(xiàn)了“411隨動誤差大Z軸的報警。這足以說明問題出在電機側。在對X軸電機進行靜態(tài)測量時，發(fā)現(xiàn)電機上連接動力線的插座中，有一根插針彎了，使得三相動力電源中有一相沒能接到電機上，造成X軸電機缺相，電機無法運動進而產生上述故障。將彎曲的插針弄直，電機連接恢復正常后上電，再次運行X軸及Z軸，則一切正常。到此為止，故障修復。

5.結束語

　　數(shù)控機床伺服系統(tǒng)故障的診斷，要求維修人員必須明白伺服控制的原理，熟悉數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的連接情況，還要具有清晰的思維和正確的分析方法，只有這樣才能取得事半功倍的維修效果。以上內容是筆者多年維修工作的一點經驗之談，無論在理論論述上還是排故的具體方法上都還存在不足之處，敬請同行批評指教。