一种FANUC AC 伺服特殊故障的维修

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1、一种FANUC AC伺服特殊故障的维修（常州工学院龚仲华）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。但是，当工作一段时间后，将出现某一故障。这种故障 有的通过关机后得以清除，有的必须经过关机较长的时间后，机床才能重新工作。此类 故障常常被人们称为“软故障”。由于此类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。下面 是笔者在数控机床维修中一起比较典型的“软故障”维修事例，现将故障现象、维修 过程及分析

2、思路介绍如下，供同行参考。1故障现象台湾GOODWAY公司生产的GCL-15型数控车床，采用FANUC 0T数控 系统。X、Z分别采用FANUC 5、10型AC伺服电动机驱动，主轴采用FANUC 8S AC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。机床本身价格高、精度好，是该公司的主要加工设备之一。该机床发生的故障现象为：机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,Z轴 出现剧烈振荡,CNC报警，机床无法正常工作。这时，即使关机再启动，只要手动 或自动移动Z轴，在所有速度范围内，

3、都发生剧烈振荡。但是，如果关机时间足够 长,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。2故障初步分析根据以上故障现象，分析其原因不外乎与Z轴有关的机械、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。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

4、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铀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：控制Z轴的CNC正常，故障在Z轴伺服驱动或伺服电动机

5、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轴故障依旧。可见,Z轴的PCB板正常。根据以上试验和检查，可以确认故障是由于Z轴伺服主回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。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。3伺服主回路分析经过前面的检查，故障范围己缩小到伺服主回路与伺服电动

6、机上。当时笔者认为 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（图1）。图1伺服驱动主回路原理图图1中，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。VAVF为直流整流电路，TA IF为PWM逆变主回路。C1、C2、C3、 R1组成滤波电路，V1、V2、R2、Tl组成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

7、此，对主回路的实际工作情况进行了以下分析和测量：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 x Ui =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（伺服单元的CN3 的5脚与CN4的1脚间）,此值为正常，可以判定VA-VF无故障。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（伺服单元的CN4的1脚与CN4的5脚间）,此值正常，可以判断此回路无故障。测量PWM逆

8、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,由此判断故障可能在V相。将U相 的逆变晶体管（TA、TB）和 V相的逆变晶体管（TC、TD）进行互换，但故障依旧。因此，可以确认：伺服驱 动正常，故障原因应在伺服电动机上。4伺服电动机检查与维修对伺服电动机进行仔细的检查，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，按以下步骤拆开了伺服电动机（图 2）:（1）松开后盖连接螺钉6,取下后盖11;（2）取出橡胶盖12;（3）取出编码器连接螺 钉10,脱开编码器和电动机轴之间的连接;（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

9、和电动机轴之间是锥度啃合，连接较紧，取编码器时应 使用专门的工具，小心取下）;（5）松开安装座的连接螺钉8,取下安装座7。这时, 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啃合。l-电枢线插座；2一连接轴；3 一转子；4外壳；5一统组6后盖连接螺钉；7安装座；8安装座连接螺钉；9一编剧器固定螺钉；10一编码器连接螺钉；11-后盖；12-橡胶盖；13-编码器轴；14-编码器电缆；15-编码器插座。图2伺服电动机结构示意图5转子位置的调整在完

10、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3a），编码器接入+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，即使电动机工作在图3b所示的n /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）;图 3 转子位置调整示意图（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”,和电 动机实际位置保持一致；（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。6结语数控机床的软故障”是维修过程中最难解决的问题之一。在条件许可时，使 用”互换法”可以较快地判别故障所在，而根据原理进行分析，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。