1.前言

　　隨著科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)有了深刻的變化。隨著數(shù)控技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，人們對數(shù)控機(jī)床故障與診斷技術(shù)的要求也越來越高。在數(shù)控機(jī)床的諸多故障中，伺服系統(tǒng)的故障由于其結(jié)構(gòu)和控制上的復(fù)雜性以及在數(shù)控機(jī)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(jī)床的伺服系統(tǒng)

　　2.1 數(shù)控機(jī)床的組成

　　數(shù)控機(jī)床是機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是集機(jī)床、計算機(jī)、電機(jī)拖動、自動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。

　　數(shù)控機(jī)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(jī)床本體。

　　2.2 數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)

　　2.2.1 概述

　　數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)（Servo System）通常是指進(jìn)給伺服系統(tǒng)，它是數(shù)控系統(tǒng)和機(jī)床機(jī)械傳動部件間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。進(jìn)給伺服系統(tǒng)是以機(jī)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(bǔ)運算生成的位置指令，精確地變換為機(jī)床移動部件的位移，直接反映了機(jī)床坐標(biāo)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(qū)動裝置、伺服電動機(jī)及機(jī)床進(jìn)給傳動鏈組成，如圖2.1所示。

　　閉環(huán)伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)通常由位置環(huán)和速度環(huán)組成。速度環(huán)由伺服電動機(jī)、伺服驅(qū)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(zhì)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(bǔ)運算得到的位置指令，與位置檢測裝置反饋來的機(jī)床坐標(biāo)軸的實際位置相比較，形成位置偏差，經(jīng)變換得到速度給定電壓。在速度控制中，伺服驅(qū)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(zhuǎn)速對伺服電動機(jī)進(jìn)行控制，以驅(qū)動機(jī)床傳動部件。

　　2.2.3.3 速度控制信號的實現(xiàn)方式

　　經(jīng)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(jīng)一定的轉(zhuǎn)換后，形成速度控制信號，該信號通過伺服驅(qū)動裝置驅(qū)動伺服電動機(jī)。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(yīng)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(shè)計在數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)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(diào)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(jié)構(gòu)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(guān)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(biāo)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(shè)定各軸切削進(jìn)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(jìn)給速度的最大值。

　　12）參數(shù)1423：各軸手動連續(xù)進(jìn)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(shè)置或設(shè)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(jī)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(jìn)給伺服的故障形式

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)的任務(wù)是完成各坐標(biāo)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)異常或故障都會對伺服系統(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(jìn)行詳細(xì)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(fù)

　　故障機(jī)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(jī)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(shè)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(zhì)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(shè)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(shè)置得過小，可相應(yīng)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(jìn)給（JOG進(jìn)給）時的進(jìn)給速度或手動快速進(jìn)給是否過大，可適當(dāng)減小設(shè)置。

　　但我們的故障現(xiàn)象是X軸根本沒動，因此與速度設(shè)定無關(guān)；1825#參數(shù)和1828#參數(shù)的設(shè)定內(nèi)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(nèi)、先易后難的排故原則，做如下操作：

　　1）是否為機(jī)械方面的問題，如電機(jī)與絲杠的連接問題、電機(jī)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(jī)的負(fù)載變化情況，若負(fù)載超過額定負(fù)載的100%，則說明確實存在機(jī)械卡死；若負(fù)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(fù)載都非常正常且最大不超過額定負(fù)載的8%，說明X軸隨動誤差大并不是由于機(jī)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(jìn)行判斷。首先交換X軸與Z軸的功率放大器，結(jié)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(jī)動力線進(jìn)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(jìn)行對換。其實，這種操作就等同于兩個電機(jī)的交換，只不過挪動電機(jī)不方便而已。結(jié)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(jī)側(cè)。在對X軸電機(jī)進(jìn)行靜態(tài)測量時，發(fā)現(xiàn)電機(jī)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(jī)上，造成X軸電機(jī)缺相，電機(jī)無法運動進(jìn)而產(chǎn)生上述故障。將彎曲的插針弄直，電機(jī)連接恢復(fù)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(fù)。

5.結(jié)束語

　　數(shù)控機(jī)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(jī)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(nèi)容是筆者多年維修工作的一點經(jīng)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。