郭 課

(1.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2.河南工學(xué)院 機(jī)電工程系，河南 新鄉(xiāng) 453003)

0 引言

數(shù)控機(jī)床由于其控制系統(tǒng)特別是伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致在實(shí)際生產(chǎn)過程中會(huì)發(fā)生各種故障。在數(shù)控機(jī)床所發(fā)生的故障中，由于伺服系統(tǒng)故障所引起的機(jī)床故障所占的比例最大。但是長(zhǎng)期以來伺服驅(qū)動(dòng)故障排除和維修存在盲目性強(qiáng)和效率低的缺點(diǎn)，維修效率低下不僅影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率，還浪費(fèi)了大量的人力、物力和財(cái)力。故此，當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，如何快速有效的找尋到故障產(chǎn)生的原因，及時(shí)的排除故障，是保證數(shù)控機(jī)床安全運(yùn)行，提高企業(yè)生產(chǎn)率的當(dāng)務(wù)之急。

基于此，本文首先根據(jù)故障問題的表現(xiàn)形式將伺服驅(qū)動(dòng)器故障分為內(nèi)部問題和外部問題兩大類，如常見的超行程、超軟件限位等屬于外部問題，伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服放大器、伺服電機(jī)等屬于內(nèi)部問題，然后根據(jù)故障代碼按照由外到內(nèi)、內(nèi)外結(jié)合的原則對(duì)故障進(jìn)行診斷，最后結(jié)合教學(xué)生產(chǎn)實(shí)踐中XK713出現(xiàn)的伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)所構(gòu)成的伺服系統(tǒng)的故障代碼和現(xiàn)象加以說明和分析。結(jié)果表明，這種故障診斷的應(yīng)用很好的提高了故障診斷的時(shí)效性，提升了數(shù)控機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)故障的維修效率。

1 伺服系統(tǒng)的故障排除原則

XK713的伺服系統(tǒng)的組成原理圖如圖1所示。主要是由PLC控制單元、CNC數(shù)控系統(tǒng)、測(cè)量模塊、伺服驅(qū)動(dòng)器、電動(dòng)機(jī)、速度反饋裝置、電流反饋裝置和位置控制裝置等組成。其工作流程如下：首先伺服單元接受來自于數(shù)控系統(tǒng)通過測(cè)量模塊發(fā)出的運(yùn)動(dòng)控制指令，當(dāng)運(yùn)動(dòng)控制指令到達(dá)伺服控制單元后，經(jīng)過電流控制環(huán)和速度控制環(huán)構(gòu)成的閉環(huán)控制器，然后再經(jīng)過伺服放大器將信號(hào)放大后，將控制信號(hào)傳遞給伺服電機(jī)，伺服電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，位置反饋控制單元將已經(jīng)接收到的位置信號(hào)發(fā)送給CNC中的測(cè)量模塊，構(gòu)成整個(gè)數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的半閉環(huán)位置控制環(huán)節(jié)或者是全閉環(huán)位置控制環(huán)節(jié)。PLC在整個(gè)伺服系統(tǒng)控制中起到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的作用，一方面對(duì)運(yùn)行中的伺服電機(jī)進(jìn)行過熱保護(hù)，另一方面監(jiān)控XK713的工作臺(tái)是否有超程現(xiàn)象，如果機(jī)床工作臺(tái)超出了設(shè)定的運(yùn)動(dòng)范圍，則立即開啟報(bào)警信號(hào)，同時(shí)停止機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)軸的運(yùn)行[2]。

圖1 伺服系統(tǒng)控制框圖

XK713伺服驅(qū)動(dòng)故障排除的一般原則如下：如果伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警信息出現(xiàn)在開機(jī)通電后，那么驅(qū)動(dòng)器被燒壞的可能性就非常大。如果報(bào)警信息出現(xiàn)在機(jī)床加工過程中或是在待機(jī)通電過程中，則外部問題導(dǎo)致的幾率就很大。在XK713的顯示面板上所出現(xiàn)的伺服驅(qū)動(dòng)器故障代碼不一定完全正確，但是卻為機(jī)床維修人員提供了一個(gè)重要的依據(jù)，在故障排除的過程中要以故障代碼為依據(jù)，按照由外到內(nèi)，內(nèi)外結(jié)合的原則進(jìn)行。在檢修的同時(shí)需要對(duì)以下具體內(nèi)容做出詳盡的排查：CNC數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)設(shè)定是否正確；機(jī)床的供電電壓是否符合要求；在機(jī)床的電氣線路中是否存在短路、斷路和開路的現(xiàn)象；伺服電機(jī)由于絕緣度不好存在靜電干擾問題；伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)由于損壞導(dǎo)致的故障。

2 XK713數(shù)控銑床伺服系統(tǒng)故障診斷過程

伺服系統(tǒng)主要是由伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)兩部分組成的，故此整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的故障伺服驅(qū)動(dòng)器的故障、伺服電機(jī)的故障、位置反饋環(huán)節(jié)的故障和其它原因引起的故障。XK713伺服故障的診斷過程的整體流程圖如圖2所示[3]。

圖2 伺服故障診斷詳細(xì)流程

在上述的故障診斷流程圖中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的判斷是是否進(jìn)行下一步操作的關(guān)鍵所在。比如第一步判斷是否有伺服使能信號(hào)，如果沒有使能信號(hào)的話就要檢查PLC梯形圖看是否開啟了使能功能。接下來的每一步以此類推，明確每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的Y和N后在按相應(yīng)的流程進(jìn)行遞推判斷。

但是上述流程圖存在冗余性和復(fù)雜性強(qiáng)，診斷效率低等問題。在實(shí)際生產(chǎn)中影響了企業(yè)的生產(chǎn)效率，為此，在依據(jù)上述診斷流程進(jìn)行診斷之前，應(yīng)首先按照本文提出的采用故障問題分類法結(jié)合報(bào)警代碼遵循由外到內(nèi)的順序?qū)收显蜻M(jìn)行分類和排除，隨后再結(jié)合具體問題參照上述伺服故障診斷流程進(jìn)行故障排查，直至故障被完全消除為止。這樣就避免了故障診斷的盲目性和效率低等問題。本文提出的故障排查流程圖如圖3所示。

圖3 伺服故障診斷初始流程

3 XK713數(shù)控銑床伺服系統(tǒng)故障實(shí)例

3.1 實(shí)例1

故障現(xiàn)象：一臺(tái)XK713數(shù)控銑床在加工過程中報(bào)警指示燈紅燈不停的閃爍，顯示觸摸屏故障診斷欄中提示Z軸驅(qū)動(dòng)器發(fā)生了故障，手動(dòng)操作HMI機(jī)床操作面板機(jī)床無任何反應(yīng)。

故障判斷：首先按照XK713伺服驅(qū)動(dòng)故障排除的一般原則，此報(bào)警信息出現(xiàn)在機(jī)床加工過程中，排除了伺服驅(qū)動(dòng)器被燒壞的可能。其次結(jié)合報(bào)警信息按照由外到內(nèi)、內(nèi)外結(jié)合的順序進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)機(jī)床并沒有出現(xiàn)超行程、超軟件限位等外部問題，據(jù)此判斷屬于Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器本身的問題，屬于內(nèi)部問題。根據(jù)機(jī)床伺服系統(tǒng)原理組成來看，Z軸驅(qū)動(dòng)器報(bào)警很有可能是伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)定出現(xiàn)了問題，導(dǎo)致伺服電機(jī)也出現(xiàn)了問題，在整個(gè)控制電路中存在短路或斷路的故障點(diǎn)，屬于伺服驅(qū)動(dòng)器本身的故障導(dǎo)致的[4]。

故障消除：首先查看Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器顯示操作面板查詢Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器的報(bào)警代碼的含義，如果報(bào)警代碼沒有顯示出來，則基本上判斷不是伺服驅(qū)動(dòng)器硬件故障導(dǎo)致的問題。其次檢查伺服驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)，仔細(xì)觀察發(fā)現(xiàn)機(jī)床Z軸的實(shí)際進(jìn)給速度參數(shù)值為零。最后按已有的工藝基準(zhǔn)把Z軸伺服驅(qū)動(dòng)器參數(shù)設(shè)置為規(guī)定的數(shù)值，按數(shù)控機(jī)床面板上的RESERT復(fù)位按鈕，報(bào)警故障消除。

3.2 實(shí)例2

故障現(xiàn)象：一臺(tái)正在進(jìn)行零件加工的XK713數(shù)控銑床在X軸移動(dòng)時(shí)，機(jī)床的紅色報(bào)警指示燈不停的閃爍，LCD顯示屏上故障診斷欄提示機(jī)床的X軸實(shí)際位移量超出了機(jī)床所允許的最大跟蹤誤差值，用肉眼仔細(xì)觀察X軸，發(fā)現(xiàn)X軸根本就沒有移動(dòng)量。

故障判斷：首先按照XK713伺服驅(qū)動(dòng)故障排除的一般原則，此報(bào)警信息出現(xiàn)在機(jī)床加工過程中，排除了伺服驅(qū)動(dòng)器被燒壞的可能。其次結(jié)合報(bào)警信息按照由外到內(nèi)、內(nèi)外結(jié)合的順序進(jìn)行故障排查，發(fā)現(xiàn)機(jī)床并沒有出現(xiàn)超行程、超軟件限位等外部問題，據(jù)此判斷屬于X軸伺服驅(qū)動(dòng)器本身的問題，屬于內(nèi)部問題。由于XK713的Y軸和Z軸移動(dòng)沒有出現(xiàn)問題，表面其CNC系統(tǒng)沒有出現(xiàn)問題，隨后采集數(shù)控伺服系統(tǒng)的輸出指令，當(dāng)在機(jī)床的HIM操控面板上按下X軸正向移動(dòng)按鈕時(shí)，顯示存在電壓輸出指令信號(hào)量，據(jù)此表明故障很有可能出現(xiàn)在伺服系統(tǒng)上。因?yàn)閄K713的Y軸和Z軸移動(dòng)沒有出現(xiàn)問題，判斷問題很有可能是X軸的伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服放大器或是X軸的伺服電動(dòng)機(jī)上[5]。

故障消除：首先我們采用了互換故障排除法的診斷方法，將X軸的伺服驅(qū)動(dòng)器(伺服放大器)與機(jī)床Z軸或者Y軸的伺服驅(qū)動(dòng)器(伺服放大器)互相對(duì)換，將故障問題轉(zhuǎn)移到Z軸或者Y軸上來，據(jù)此說明X軸的伺服驅(qū)動(dòng)器(伺服放大器)損壞。及時(shí)對(duì)X軸的伺服放大器模塊進(jìn)行整體更換，XK713的機(jī)床故障被排除。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)XK713數(shù)控銑床伺服驅(qū)動(dòng)的常見故障進(jìn)行了深入的探討和具體的研究，驗(yàn)證了采用故障問題分類法結(jié)合報(bào)警代碼遵循由外到內(nèi)的順序?qū)收显蜻M(jìn)行分類和排除的可行性。本文上述所提到的排除XK713設(shè)備故障的基本過程，可以大幅度縮短故障排除的時(shí)間，縮小故障排除的范圍，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)成本，對(duì)同類機(jī)床的故障排除提供了良好的經(jīng)驗(yàn)和基礎(chǔ)。