王莉剛

（中國航發(fā)哈爾濱東安發(fā)動機有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

0 引言

數(shù)控機床中采用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)備比較多，該系統(tǒng)界面明了、操作簡單且穩(wěn)定性高，因此應(yīng)用廣泛。在實際應(yīng)用中，設(shè)備也會出現(xiàn)各種故障：一種是有詳細(xì)、準(zhǔn)確的報警提示，如PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）報警，這種情況應(yīng)根據(jù)報警提示按部就班進(jìn)行排查，就會找到故障點；另一種是會給出一些通用的報警提示，但沒有具體的故障點，如伺服報警。這樣的問題查找起來就會比較困難，要求維修人員對系統(tǒng)和硬件組成比較熟悉，憑借積累的維修經(jīng)驗深入分析，仔細(xì)排查，最終也會解決故障，保證設(shè)備正常運轉(zhuǎn)。將分析系統(tǒng)伺服報警特點，結(jié)合一臺使用FANUC 21 系統(tǒng)的辛辛那提數(shù)控車床，研究在日常排故中比較常見的401 號伺服報警的診斷方法。

1 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)又稱隨動系統(tǒng)，是用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。其主要任務(wù)是按控制命令的要求、對功率進(jìn)行放大、變換與調(diào)控等處理，使驅(qū)動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。伺服系統(tǒng)分為直流伺服系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)。直流伺服系統(tǒng)采用直流伺服電機，這種電機具有較高的響應(yīng)速度、精度和頻率，但由于使用電刷和換向器，所以壽命低、需要定期維修。交流伺服系統(tǒng)采用交流伺服電機，克服了直流電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，交流伺服電機的過負(fù)荷特性和低慣性體現(xiàn)出交流伺服系統(tǒng)的優(yōu)越性，所以交流伺服系統(tǒng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。FANUC 交流速度控制單元有多種規(guī)格，早期的交流伺服以模擬量式為主，速度控制單元采用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）控制，大功率晶體管驅(qū)動?，F(xiàn)在大多應(yīng)用數(shù)字式伺服，驅(qū)動器采用PWM 控制，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）驅(qū)動，各項指標(biāo)均有大幅提高。

在數(shù)控機床中，進(jìn)給伺服系統(tǒng)主要由伺服驅(qū)動電路、伺服驅(qū)動裝置、位置檢測裝置、機械傳動機構(gòu)和執(zhí)行部件組成。其中，伺服系統(tǒng)位于數(shù)控系統(tǒng)和執(zhí)行器之間，扮演著承上啟下的角色，在數(shù)控系統(tǒng)和執(zhí)行元件之間傳遞信號，完成控制各數(shù)控軸精確運動。因此，伺服單元會一直參與數(shù)控設(shè)備各軸的運動控制，其功能的完好，是設(shè)備正常運轉(zhuǎn)的必要條件。

2 硬件結(jié)構(gòu)

在數(shù)控機床實際應(yīng)用中，數(shù)控系統(tǒng)作為整個設(shè)備的大腦，會控制伺服系統(tǒng)以及相關(guān)外圍附件，如液壓單元、冷卻單元等共同完成程序指令，保證工件加工精度?？刂聘鬏S運動的伺服系統(tǒng)主要由電源模塊、主軸放大器模塊、伺服放大器模塊3 種模塊構(gòu)成。

（1）電源模塊。這是用機床側(cè)提供的交流電源向主軸驅(qū)動模塊和伺服放大器模塊供電的模塊。向直流母排輸送直流300 V電壓，供主軸和伺服放大器使用，同時提供直流24 V 控制電源。電源模塊具有輸入保護(hù)功能，可以利用設(shè)備急停信號控制模塊主接觸器的通斷。根據(jù)所要驅(qū)動的主軸電動機和伺服電動機的連續(xù)運轉(zhuǎn)額定值和最大輸出的總?cè)萘繘Q定電源容量。

（2）主軸放大器模塊。這是控制和驅(qū)動主軸電動機的交流電源模塊，通過數(shù)控系統(tǒng)的指令，來完成設(shè)備主軸電機的啟、停及方向等功能的控制?？筛鶕?jù)用途和使用的檢測器種類進(jìn)行選擇。

（3）伺服放大模塊。這是驅(qū)動伺服電動機的交流電源模塊，有FSSB（FANUC Serial Servo Bus，F(xiàn)ANUC 串行伺服總線）接口和PWM 接口2 種。用1 臺放大器可驅(qū)動的軸數(shù)有1 軸、2 軸、3 軸3 種。根據(jù)使用的伺服電動機種類和軸數(shù)進(jìn)行選擇。i 系列數(shù)控系統(tǒng)用FSSB 接口，i 系列以前的數(shù)控系統(tǒng)用PWM 接口?？赏ㄟ^伺服電機編碼器反饋信號，與數(shù)控系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高設(shè)備整體控制精度。

3 伺服報警401 診斷方法

應(yīng)用FANUC 系統(tǒng)數(shù)控設(shè)備的正常開機流程為：當(dāng)檢測到系統(tǒng)無故障且沒有外部急停、超程的時候，數(shù)控系統(tǒng)向伺服放大器發(fā)出請求伺服準(zhǔn)備信號，伺服通信正常后，發(fā)出請求電源單元準(zhǔn)備信號，電源單元準(zhǔn)備好后，主繼電器觸點吸合，電源模塊向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出準(zhǔn)備完成信號，系統(tǒng)向PMC（Programmable Machine Controller，可編程機床控制器）發(fā)出伺服就緒信號。

在實際應(yīng)用中，經(jīng)常會出現(xiàn)401 號伺服報警，其含義為“伺服準(zhǔn)備就緒信號斷開”。產(chǎn)生的主要原因是：伺服放大器伺服準(zhǔn)備就緒信號尚未被置于開時，或在運行過程中被置于關(guān)，也可能因發(fā)生了其他報警而引發(fā)此報警。因此，出現(xiàn)401 號報警時，首先應(yīng)對最初發(fā)生的報警進(jìn)行處理，確認(rèn)放大器周圍的強電回路，檢查伺服硬件。

引起此報警原因很多，排查工作十分困難。在FANUC21i 系統(tǒng)可以通過診斷參數(shù)的提示來尋找思路：出現(xiàn)報警后，在診斷界面里找到診斷參數(shù)358，該參數(shù)里會有一個十進(jìn)制數(shù)，將其轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)，檢查第5～14 位，正常情況都應(yīng)該為1。否則可根據(jù)表1 參數(shù)含義對照、重點排查，提高診斷效率。

表1 參數(shù)含義

其中，#5 表示系統(tǒng)監(jiān)控程序啟動；#6（*ESP）表示急停信號；#7、#8、#9 表示MCON 信號；#10CRDY 表示轉(zhuǎn)換器準(zhǔn)備就緒信號；#11RLY 表示繼電器信號（DB 繼電器驅(qū)動）；#12INTL 表示連鎖信號（DB 繼電器解除狀態(tài)）；#13DRDY 表示放大器準(zhǔn)備就緒信號；#14SRDY 表示放大器準(zhǔn)備結(jié)束。

4 辛辛那提數(shù)控車啟動流程及故障分析

某型號辛辛那提數(shù)控車數(shù)控系統(tǒng)為FANUC21，驅(qū)動模塊為雙軸模塊，同時控制X 軸和Z 軸，該設(shè)備已運行十余年。開機后啟動流程為：首先開機送強電，這時電源模塊的三相進(jìn)電還沒給上，按下面板處的啟動按鈕，安全繼電器ESR1 回路會檢測外部電機強電回路信號，正常后復(fù)位ESR1 使其工作，接著檢測急停信號，正常后其常開觸點會閉合，M7 線圈得電，進(jìn)而電源模塊處的急停信號檢測正常，電源模塊、伺服模塊和系統(tǒng)之間通信正常后線圈M6 得電，電源模塊的三相進(jìn)電給上，正常啟動。

（1）案例1：該數(shù)控車開機后X、Z 軸回零正常，在執(zhí)行刀盤回零時出以下4 個報警：1024 TURRET SYSTEM ERROR；1063 TURRET ALIGN FAILURE；401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。此故障為401 報警伴隨其他報警一起出，判斷主要原因為前2 個報警引起，檢查刀盤控制回路，未發(fā)現(xiàn)異常。多次關(guān)機重啟試驗，有時正常，有時出此報警，在電氣柜側(cè)觀察啟動及回零過程時各部件狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)給刀盤驅(qū)動器供電的繼電器在開門后沒有馬上斷開，判斷是繼電器內(nèi)部卡滯或接觸不好導(dǎo)致，更換新繼電器后正常，運行至今未再出現(xiàn)此報警。

圖1 開機后啟動流程

（2）案例2：該數(shù)控車開機后正常加工，不定期出現(xiàn)急停報警，然后出2 個伺服報警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。觀察后發(fā)現(xiàn)報警沒有規(guī)律。在報警時檢查診斷參數(shù)358，值為417，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)后是110100001。根據(jù)該參數(shù)含義判斷為急停有問題，在正常狀態(tài)下和報警狀態(tài)下檢查各急?；芈罚瑳]發(fā)現(xiàn)異常，懷疑安全繼電器ESR1 性能不穩(wěn)定，更換新件后沒有變化。檢查伺服單元各連線，重新緊固后沒有變化，與其他設(shè)備對調(diào)伺服模塊，故障也沒變化，又重新分析急?；芈?。最后發(fā)現(xiàn)是電氣柜門上的門機連鎖開關(guān)處于臨界狀態(tài)，導(dǎo)致出現(xiàn)急停、引起報警，處理后設(shè)備運轉(zhuǎn)正常。

（3）案例3：數(shù)控車開機后正常加工，不定期出2 個伺服報警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。設(shè)備停機，導(dǎo)致精加工程序運轉(zhuǎn)中途停止，造成工件報廢。首先排查外圍電路，未發(fā)現(xiàn)異常，空運行此段精加工程序一段時間，未出現(xiàn)報警，但在開機狀態(tài)下，沒有任何動作情況時又出現(xiàn)此報警，確認(rèn)該故障為偶發(fā)不確定性故障，懷疑是伺服模塊性能不穩(wěn)定導(dǎo)致。為準(zhǔn)確判斷出故障，決定與另一臺同型號數(shù)控車床對換伺服模塊。試驗一段時間后，另一臺正常的數(shù)控車出現(xiàn)401 號報警，確定為伺服模塊故障導(dǎo)致，更換新模塊后設(shè)備恢復(fù)正常。這種對調(diào)模塊的方法簡單明了，易于判斷故障部位，但也存在弊端，例如模塊的損壞是因為外圍電路存在問題導(dǎo)致，但維修人員沒有發(fā)現(xiàn)外圍電路的問題，這時和其他設(shè)備對調(diào)模塊，就會導(dǎo)致2 個模塊都損壞，引起2 臺設(shè)備停機，不但沒有判斷出故障點，反而擴(kuò)大了故障范圍，因此要慎重應(yīng)用這種方法。最好在有備件的情況下采用這種判斷方法。

5 總結(jié)

數(shù)控設(shè)備故障種類繁多，引起每種故障原因很多，很難查找故障點，尤其是401 號伺服報警。因此在處理這種報警時，一定要清楚原理，掌握方法，善于觀察、仔細(xì)分析，最終會找到故障根本原因。