黃雪東

（河源市高級(jí)技工學(xué)校，廣東河源 517000）

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行控制單元，它在數(shù)控系統(tǒng)的控制下完成機(jī)床的工作要求，并將執(zhí)行結(jié)果通過(guò)反饋環(huán)節(jié)反饋給數(shù)控系統(tǒng)［1］。由于在數(shù)控機(jī)床的加工運(yùn)行中伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要頻繁地工作，因此，關(guān)注伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)保證數(shù)控機(jī)床的正常運(yùn)行和維修都具有非常重要的意義。本文通過(guò)數(shù)控200鏜床伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)典型的故障診斷和維修實(shí)例，說(shuō)明了故障的查找、判斷以及處理的過(guò)程。

1 故障現(xiàn)象

該數(shù)控機(jī)床為捷克SKODA公司生產(chǎn)的數(shù)控200鏜床：數(shù)控部分經(jīng)過(guò)改造后采用SIEMENS 840C系統(tǒng)、外置PLC控制方式；主軸和進(jìn)給軸采用原SKODA公司配置的直流伺服系統(tǒng)。機(jī)床自1998年安裝、改造以來(lái)一直存在各種故障，處于半使用半停機(jī)的狀態(tài)，后來(lái)經(jīng)過(guò)對(duì)機(jī)床控制原理的熟悉，隨著在維護(hù)過(guò)程中經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，該機(jī)床運(yùn)行也比較正常。偶爾出現(xiàn)故障，在維修中也有章可循，較快地解決故障問(wèn)題。但在這段時(shí)間里機(jī)床正常使用時(shí)，X軸出現(xiàn)了1160#ORDl2 Contour monitoring報(bào)警。按復(fù)位鍵可以將報(bào)警消除，重新運(yùn)行X軸，反復(fù)出現(xiàn)同樣的報(bào)警，造成機(jī)床不能正常運(yùn)行。

2 故障檢查

（1）從參數(shù)上對(duì)機(jī)床數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)試

該報(bào)警為NC內(nèi)部報(bào)警，是由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)進(jìn)給軸運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控所產(chǎn)生的報(bào)警。其主要原因有兩點(diǎn)：1）以大于MD3360參數(shù)中設(shè)定的運(yùn)行速度，超過(guò)了MD 3320參數(shù)中設(shè)定的允許公差帶；2）在升速或者制動(dòng)階段，在由伺服增益系數(shù)指定的時(shí)間內(nèi)，軸沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的速度［1］。考慮到機(jī)床運(yùn)行一段時(shí)間，某些參數(shù)或者伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特性會(huì)改變，影響機(jī)床正常的速度控制。為了分清數(shù)據(jù)問(wèn)題還是機(jī)床外部的問(wèn)題，對(duì)X軸參數(shù)NC—MD＼axis：monitoring＼目錄下的機(jī)床數(shù)據(jù)中MD3320設(shè)定的允許公差帶進(jìn)行調(diào)整，把原來(lái)的3 mm調(diào)整為5 mm，開(kāi)動(dòng)X軸時(shí)把進(jìn)給比率調(diào)到50%運(yùn)行，又出現(xiàn)同樣的報(bào)警。說(shuō)明故障仍然存在，恢復(fù)原來(lái)的數(shù)據(jù)，排除了機(jī)床數(shù)據(jù)所引起的問(wèn)題。

（2）針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的故障，逐步對(duì)控制部分進(jìn)行檢查

對(duì)于機(jī)床的數(shù)控硬件部分，集成度高，相對(duì)其他控制部分出現(xiàn)的故障機(jī)會(huì)不大。從進(jìn)給過(guò)程中來(lái)分析，速度控制是由數(shù)控中的位置偏差計(jì)數(shù)器輸出經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后，輸出0～10 V的模擬給定信號(hào)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，再由驅(qū)動(dòng)單元對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，控制電機(jī)向消除偏差的方向旋轉(zhuǎn)，直到偏差為零時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)，到達(dá)指定位置。如果驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)存在問(wèn)題時(shí)，也同樣會(huì)產(chǎn)生該報(bào)警。于是對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中U、V相已經(jīng)燒斷主回路的熔斷器。從進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析，該直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用兩組代號(hào)為Y1、Y2共12個(gè)晶閘管、L1～L4電抗器和各個(gè)控制模塊組成，實(shí)現(xiàn)反并聯(lián)可逆有環(huán)流調(diào)速。各個(gè)控制環(huán)節(jié)都是以模塊的形式分開(kāi)布置，板后通過(guò)軟線(xiàn)連接。根據(jù)原理圖，由代號(hào)為Y6組成的總控制環(huán)節(jié)主要包括：V-25B模塊為速度給定和比較環(huán)節(jié)、控制調(diào)節(jié)由Z-17控制、電流環(huán)是由V-26A控制、脈沖分配和脈沖輸出分別由G-15、G-16模塊實(shí)現(xiàn)；由代號(hào)為Y7模塊提供各個(gè)控制模塊所需要的電源和同步信號(hào)。其中K-08檢測(cè)模塊發(fā)光二極管亮?xí)r，為系統(tǒng)正常狀態(tài)指示。

出現(xiàn)熔斷器熔斷(熔斷器為250 A，說(shuō)明系統(tǒng)主回路中瞬時(shí)電流大，而造成主回路電流大的原因主要有：1）驅(qū)動(dòng)器電源短路；2）直流伺服電機(jī)換向器出現(xiàn)短路；3）可控硅擊穿形成短路；4）驅(qū)動(dòng)器存在故障［1］。逐項(xiàng)進(jìn)行檢查：電源進(jìn)線(xiàn)正常，電機(jī)換向器表面也光滑，各個(gè)碳刷也接觸良好，沒(méi)有短路的痕跡；在可控硅輸出端不接電機(jī)并且把各個(gè)可控硅的阻容吸收器拆開(kāi)的情況下，用500 V搖表逐個(gè)對(duì)可控硅進(jìn)行測(cè)量，電阻值為40～100 MΩ之間。說(shuō)明電機(jī)、可控硅都沒(méi)有問(wèn)題；對(duì)于驅(qū)動(dòng)控制模塊則采用交換的方法，把Y軸驅(qū)動(dòng)控制模塊按順序逐塊地更換到X軸。于是重新?lián)Q上相同安培的熔斷器，Y軸試運(yùn)行正常，說(shuō)明原來(lái)X軸的各個(gè)模塊沒(méi)有問(wèn)題。X軸手動(dòng)、加工都沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，可是沒(méi)過(guò)多久，又出現(xiàn)了相同報(bào)警、熔斷器熔斷的現(xiàn)象（這就給我們查找故障和測(cè)試帶來(lái)了一定的困難），而且還發(fā)現(xiàn)K—08檢測(cè)模塊指示燈不亮了。

（3）根據(jù)控制模塊的故障現(xiàn)象，采用相應(yīng)的措施對(duì)各個(gè)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)

為了避免熔斷器再次熔斷，取得在正常運(yùn)行時(shí)，速度比率為30%時(shí)的電流為12 A的情況下，考慮用斷路器來(lái)暫時(shí)替代熔斷器。因?yàn)閿嗦菲魉矔r(shí)脫扣電流為額定電流的5～10倍，選20 A的斷路器，其最大瞬時(shí)脫扣電流200 A小于晶閘管的額定電流，可以起到短路保護(hù)作用［2］。經(jīng)過(guò)反復(fù)的試車(chē)觀察，故障出現(xiàn)了隨機(jī)性，而且還有個(gè)特點(diǎn)：在運(yùn)行或起動(dòng)時(shí)會(huì)隨機(jī)產(chǎn)生1160報(bào)警，但斷路器沒(méi)有斷開(kāi)；有時(shí)在停止進(jìn)給時(shí)，不但產(chǎn)生1160報(bào)警，而且斷路器斷開(kāi)了。針對(duì)K-08檢測(cè)模塊的各個(gè)信號(hào)，從板后進(jìn)行檢測(cè)如圖1。

圖1 K-08檢測(cè)模塊簡(jiǎn)圖

在系統(tǒng)正常時(shí)所測(cè)量的各輸入端點(diǎn)信號(hào)如下：21、25都為15 V；9、17、13都是7.5 V。根據(jù)所測(cè)量的電壓，再與Z軸K-08檢測(cè)模塊各個(gè)信號(hào)進(jìn)行相比較，電壓值完全相同，這就帶來(lái)一個(gè)疑問(wèn)：驅(qū)動(dòng)模塊都交換試過(guò)了，難道在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)檢測(cè)到某個(gè)信號(hào)在變化。帶著這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)反復(fù)的觀察，發(fā)現(xiàn)在開(kāi)機(jī)啟動(dòng)的過(guò)程中，K-08檢測(cè)模塊單元的發(fā)光二極管突然滅了，也就是說(shuō)控制邏輯電路輸出高電平使T2導(dǎo)通，B1繼電器動(dòng)作，短接了發(fā)光二極管。馬上對(duì)其各個(gè)輸入端進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)得9、13端的電壓值分別為7.5 V，而17端的電壓值僅為1 V，約幾十秒后又為7.5 V。根據(jù)原理圖，17、13端的信號(hào)為同步輸入檢測(cè)信號(hào)，為了驗(yàn)證該信號(hào)的變化特點(diǎn)，利用示波器再對(duì)17端的波形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，波形如圖2；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)其波形突變?yōu)橐恢本€(xiàn)，如圖3所示，也就是說(shuō)17端電壓值僅為1V。

圖2 正常時(shí)U相波形圖

圖3 不正常時(shí)U相波形圖

3 故障分析

根據(jù)以上檢查結(jié)果，17端的信號(hào)來(lái)自Y7模塊板，該模塊板固定在同步變壓器上，安裝在整個(gè)驅(qū)動(dòng)器后面，所以X軸與Y軸驅(qū)動(dòng)模塊交換試車(chē)時(shí)沒(méi)有把Y7模塊板調(diào)換。Y7模塊板主要功能為系統(tǒng)提供穩(wěn)壓電源和各相同步電源的信號(hào)，由此看來(lái)驅(qū)動(dòng)器主回路的電流大原因：是由于Y7模塊中同步控制信號(hào)17端電壓值過(guò)低，造成同步脈沖信號(hào)丟失引起的。為了使到晶閘管在每個(gè)周期都在相同的控制角α觸發(fā)導(dǎo)通，觸發(fā)脈沖必須與晶閘管的陽(yáng)極電壓也就是電源同步，并與電源波形保持固定的相位關(guān)系。因?yàn)橹骰芈凡捎梅床⒙?lián)可逆有環(huán)流調(diào)速，由于兩組晶閘管都參于工作，為了防止在兩組晶閘管之間出現(xiàn)直流環(huán)流，當(dāng)一組晶閘管工作在整流狀態(tài)時(shí)，另一組工作在待逆變狀態(tài)。

在調(diào)速過(guò)程中，同步信號(hào)丟失引起觸發(fā)脈沖控制邏輯出錯(cuò)，造成觸發(fā)脈沖丟失。那么，在起動(dòng)或進(jìn)給時(shí)，晶閘管工作在整流狀態(tài)，由于觸發(fā)脈沖丟失，使已導(dǎo)通晶閘管會(huì)在經(jīng)過(guò)自然換向點(diǎn)自行關(guān)斷后，晶閘管輸出斷續(xù)，形成直流電壓、電流減小，電機(jī)速度降低，引起在升速或者運(yùn)行階段，在由伺服增益系數(shù)指定的時(shí)間內(nèi)，X軸在進(jìn)給過(guò)程中沒(méi)有達(dá)到規(guī)定的速度，從而產(chǎn)生1160報(bào)警；而在停機(jī)時(shí)，晶閘管工作在逆變狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，導(dǎo)通的晶閘管始終承受著正向反壓，這時(shí)晶閘管觸發(fā)控制電路必須在適當(dāng)時(shí)刻使導(dǎo)通的晶閘管受到反壓而被迫關(guān)斷。由于觸發(fā)脈沖的丟失，使已導(dǎo)通的晶閘管就會(huì)因得不到反壓而繼續(xù)導(dǎo)通，并逐漸進(jìn)入整流狀態(tài)，其輸出電壓與電動(dòng)勢(shì)成順極性串聯(lián)，形成短路，所以總是把交流側(cè)熔斷器燒斷。而對(duì)于1160報(bào)警，正因?yàn)槿蹟嗥魅蹟?，屬于缺相運(yùn)行，所以產(chǎn)生該報(bào)警。

4 故障解決

Y7模塊的輸入信號(hào)是由同步變壓器檢測(cè)到的三相電源信號(hào)，各相分別獨(dú)立控制，同步信號(hào)經(jīng)阻容濾波后由MAA741進(jìn)行放大，MZHl45邏輯反相輸出。U相的電路簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 u相同步信號(hào)電路簡(jiǎn)圖

把Y7模塊板拆下后，初步測(cè)量各個(gè)元件并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)什么問(wèn)題，該板在使用過(guò)程中出現(xiàn)波形不正常，通電時(shí)會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)故障。為了進(jìn)一步判斷該模塊的故障所在，采用外供電源獨(dú)立測(cè)試Y7模塊的辦法：在Y7模塊加上±15 V電源，利用信號(hào)發(fā)生器在Ui端輸入正弦波信號(hào)，再用示波器檢測(cè)

各個(gè)點(diǎn)的波形。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的觀察，其中MAA741運(yùn)算放大器輸出端6的波形為正負(fù)方波，但是時(shí)間略長(zhǎng)一些則變?yōu)闊o(wú)方波輸出，而且呈高電平狀態(tài)。6端輸出高電平，U相輸出則為低電平。排除了電路中C7電容有可能存在故障后，在此，可以確定MAA741運(yùn)算放大器有問(wèn)題：由于放大器特性發(fā)生了變化或者受到溫度的影響，在輸入信號(hào)不變的情況下，其輸出電壓會(huì)突變［2］。最終確定故障所在，根據(jù)原理圖中MAA741運(yùn)算放大器的各個(gè)外引線(xiàn)，通過(guò)詳細(xì)地查《常用電子元件手冊(cè)》對(duì)應(yīng)把該放大器集成更換為L(zhǎng)M741后，重新對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，輸出波形正常，沒(méi)有出現(xiàn)突變的現(xiàn)象，說(shuō)明故障已經(jīng)排除。于是裝上Y7模塊板通電試運(yùn)行，再也沒(méi)有出現(xiàn)1160 ORDl2 Contour monitoring輪廓監(jiān)控報(bào)警，系統(tǒng)恢復(fù)了正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)這次對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)典型故障的處理，給了維護(hù)數(shù)控設(shè)備工作方面一個(gè)啟示：對(duì)故障的處理重點(diǎn)在于診斷。以理論指導(dǎo)實(shí)踐，根據(jù)不同的故障原因，利用手中的器件采取相應(yīng)的措施和辦法進(jìn)行分析和排除，從而去確定故障所發(fā)生的部分，這樣才能進(jìn)一步解決問(wèn)題。而在尋找故障過(guò)程中的應(yīng)變和分析能力一方面靠經(jīng)驗(yàn)的積累，更重要的是決定于對(duì)系統(tǒng)的了解和掌握程度，這也要求維修人員要不斷地進(jìn)行學(xué)習(xí)與探索，從而提高自身的知識(shí)和專(zhuān)業(yè)水平。

［1］王佩夫.數(shù)控機(jī)床故障診斷及維護(hù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［2］莫正康.電力電子應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.