加工中心故障檢修

梁 毅 廖正菊 王志鵬

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽(yáng)621900)

一臺(tái)加工中心采用SIEMENS802D 的數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)采用數(shù)字化的SIMODRIVE 611UE 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及SIEMENS1FK6 系列交流伺服電動(dòng)機(jī)。主軸采用北京麥斯科自動(dòng)化技術(shù)有限公司的主軸伺服控制器驅(qū)動(dòng)交流變頻電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸的無(wú)級(jí)調(diào)速。該主軸伺服控制器可對(duì)普通鼠籠式電動(dòng)機(jī)和變頻電動(dòng)機(jī)的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩通過(guò)編程進(jìn)行控制。數(shù)控CNC、伺服驅(qū)動(dòng)及I/O 接口之間通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS 連接，實(shí)現(xiàn)輸入輸出信號(hào)的傳送和位置調(diào)節(jié)(速度給定和位置反饋信號(hào))。該機(jī)床一年之內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)主軸變頻器故障、主軸電動(dòng)機(jī)故障、電動(dòng)機(jī)線纜故障和參數(shù)故障。下面對(duì)這4 例故障進(jìn)行故障原因分析并提出相應(yīng)的解決措施。

1 主軸變頻器故障

1.1 故障現(xiàn)象描述

機(jī)床數(shù)控啟動(dòng)完成后，按伺服上電按鈕，變頻器顯示Er-03 故障代碼，10 s 后電源模塊、變頻器和進(jìn)給伺服模塊掉電，顯示屏上出現(xiàn)主軸和進(jìn)給軸通訊故障。

1.2 故障診斷

電源模塊、變頻器和伺服驅(qū)動(dòng)模塊上電的原理如圖1、圖2。下面通過(guò)伺服上電的過(guò)程來(lái)分析、查找故障。

該伺服電源模塊為IR 可控電源模塊，其主要功能是產(chǎn)生直流母線電壓，供給伺服驅(qū)動(dòng)模塊，同時(shí)產(chǎn)生數(shù)控模塊和驅(qū)動(dòng)模塊內(nèi)部使用的+ 15 V、+ 24 V 和+5 V電壓。由圖1、圖2 可知，按伺服上電按鈕后，Q8.3 輸出為“1”，伺服上電的中間繼電器KA10、接觸器KM5 和KM6 得電，即交流380 V 同時(shí)輸入電源模塊和主軸變頻器。電源模塊得電后，直流母線開(kāi)始預(yù)充電，預(yù)充電完成后脈沖使能信號(hào)、驅(qū)動(dòng)使能信號(hào)相繼輸出為“1”，電源模塊的整流電路工作，產(chǎn)生600 V 直流電壓，直到電源模塊的黃色燈亮后，電源模塊才正常工作。變頻器得電10 s 內(nèi)輸出就緒信號(hào)M01 到PLC，表明變頻器工作正常。出故障后發(fā)現(xiàn):按伺服上電按鈕后變頻器先出現(xiàn)Er-03 故障代碼，10 s 后電源模塊、進(jìn)給伺服模塊和變頻器掉電，顯示器上出現(xiàn)主軸和進(jìn)給軸通訊故障。此時(shí)診斷Q7.0、Q7.1、Q7.2、Q8.0為0，Q8.2 為“1”，即主軸掉電。根據(jù)故障現(xiàn)象及I/O診斷初步判定變頻器有故障。為了判斷電源模塊是否有故障，斷開(kāi)變頻器故障輸出信號(hào)MA(I9.6)，重新開(kāi)機(jī)，機(jī)床無(wú)報(bào)警，電源模塊工作正常，因此排除電源模塊故障，故障定位在變頻器。此時(shí)檢查主軸變頻器參數(shù)，發(fā)現(xiàn)有部分參數(shù)與備份參數(shù)不符，修改相關(guān)參數(shù)，但關(guān)機(jī)后再開(kāi)機(jī)參數(shù)又變了，即參數(shù)不能被保存。測(cè)量變頻器功率模塊沒(méi)發(fā)現(xiàn)功率管擊穿和斷路的跡象，而故障代碼Er-03 在變頻器說(shuō)明書(shū)上無(wú)解釋?zhuān)虼瞬荒苌钊霗z查變頻器，只能更換變頻器。

1.3 故障原因分析

根據(jù)電源模塊和主軸變頻器的上電原理可知，按伺服上電按鈕后，PLCQ8.0 輸出邏輯“1”信號(hào)，中間繼電器KA10 得電，控制變頻器和驅(qū)動(dòng)電源的接觸器KM5 和KM6 同時(shí)得電。如果變頻器正常，變頻器得電10 s 內(nèi)輸出就緒信號(hào)M01 到PLC，變頻器和電源模塊正常工作。如果變頻器有故障，變頻器得電后輸出故障信息號(hào)MA 到PLC，PLC 輸出主軸掉電信號(hào)，變頻器得電10 s 后斷開(kāi)接觸器KM5 和KM6 的線圈電壓，斷開(kāi)電源模塊和變頻器的輸入電壓，主軸和各軸進(jìn)給的驅(qū)動(dòng)模塊因沒(méi)電而產(chǎn)生主軸和進(jìn)給軸通訊故障。

1.4故障處理

變頻器型號(hào)為BKS-CA0075G，該變頻器已停產(chǎn)，用變頻器BKS -4T7P5 替代。原變頻器伺服就緒信號(hào)、準(zhǔn)停到位信號(hào)和主軸掉電信號(hào)為繼電器輸出的24 V 電壓信號(hào)，而新的變頻器為集電極開(kāi)路輸出的0 ～5 V 電壓信號(hào)，不能直接輸入到PLC，需要外加繼電器，利用其觸點(diǎn)把該信號(hào)接入PLC，如圖3 所示。

更換新的變頻器并接好線，伺服上電10 s 后仍然出現(xiàn)各軸通訊報(bào)警。通過(guò)對(duì)PLC 程序多次診斷發(fā)現(xiàn):新變頻器的伺服就緒信號(hào)送出時(shí)間大于10 s，PLC 還沒(méi)有收到該信號(hào)時(shí)PLC 就輸出主軸掉電信號(hào)Q8.2，從而斷開(kāi)控制變頻器和驅(qū)動(dòng)電源的中間繼電器KA10、接觸器KM5 和KM6 的線圈電壓，變頻器和電源模塊不工作。因此，修改PLC 內(nèi)部時(shí)間繼電器T16 的時(shí)間，由10 s 改為20 s 后，主軸變頻器和電源模塊的掉電故障解除，機(jī)床工作正常。

2 主軸電動(dòng)機(jī)故障

2.1 故障現(xiàn)象描述

機(jī)床啟動(dòng)后，只要轉(zhuǎn)動(dòng)主軸，變頻器就會(huì)出現(xiàn)Er-0報(bào)警。經(jīng)診斷是電動(dòng)機(jī)故障，但更換電動(dòng)機(jī)后，電動(dòng)機(jī)始終以很低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，且不能停止。

2.2 故障診斷與處理

根據(jù)變頻器故障信息，Er-0 的含義為:變頻器過(guò)流保護(hù)熱報(bào)警。出現(xiàn)變頻器過(guò)流保護(hù)熱報(bào)警的原因有:主軸機(jī)械故障，電動(dòng)機(jī)線路故障，變頻器故障或電動(dòng)機(jī)故障。斷電后手動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)自由，沒(méi)發(fā)現(xiàn)機(jī)械異常。檢測(cè)電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線無(wú)線間短路或?qū)Φ囟搪非闆r發(fā)生。變頻器是新更換的，查看沒(méi)發(fā)現(xiàn)異常。測(cè)量電動(dòng)機(jī)的三相繞組每?jī)上嚅g的電阻分別為1.507 Ω、0.844 Ω 和0.923 Ω，阻值差別較大，三相電阻不平衡度超過(guò)了+5%的允差要求，據(jù)此判斷電動(dòng)機(jī)出故障的可能性較大。詳查電動(dòng)機(jī)時(shí)聞到電動(dòng)機(jī)有被燒焦的糊味，且電動(dòng)機(jī)動(dòng)力接線盒內(nèi)有積水存在(至今沒(méi)查明積水的來(lái)源)，拆卸電動(dòng)機(jī)后發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)被嚴(yán)重?zé)龤АＳ捎谠撾妱?dòng)機(jī)停產(chǎn)，只能根據(jù)電動(dòng)機(jī)技術(shù)指標(biāo)要求廠家定做。新電動(dòng)機(jī)到后，電動(dòng)機(jī)銘牌上標(biāo)明該電動(dòng)機(jī)尾部裝有2 500 個(gè)脈沖/r 的編碼器(用于主軸調(diào)速、定位)，而原電動(dòng)機(jī)編碼器為1 024 個(gè)脈沖/r。主軸裝好后，需要修改主軸位置編碼器脈沖數(shù)。修改方法:編碼器的脈沖數(shù)為每轉(zhuǎn)2 500，則變頻器參數(shù)C18 改為800;編碼器的脈沖數(shù)為1 024 個(gè)脈沖/r，則C18 改為1953。改C18 后，主軸始終以一個(gè)很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，且主軸不能停止。咨詢廠家電動(dòng)機(jī)編碼器脈沖數(shù)，廠家也模棱兩可。憑經(jīng)驗(yàn)，每轉(zhuǎn)1 024 個(gè)脈沖的編碼器用得比較普遍，于是試著修改C18 為1953。修改C18 后主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)，能正常停機(jī)。

2.3 故障原因分析

電動(dòng)機(jī)因?yàn)榉e水的存在引起電動(dòng)機(jī)得電時(shí)繞組間短路而被燒毀。電動(dòng)機(jī)燒毀后，繞組間和繞組內(nèi)部短路，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)必然產(chǎn)生過(guò)流保護(hù)熱報(bào)警。換新電動(dòng)機(jī)后主軸速度不可調(diào)的原因是新電動(dòng)機(jī)編碼器脈沖數(shù)設(shè)置不正確，變頻器不能識(shí)別電動(dòng)機(jī)的正確動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。該變頻器為矢量變頻器，控制對(duì)象是電動(dòng)機(jī)，矢量控制變頻器需要建立電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，因此電動(dòng)機(jī)模型參數(shù)必需準(zhǔn)確提供給變頻器，變頻器才能識(shí)別電動(dòng)機(jī)模型，從而對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行正確的控制。通過(guò)修改電動(dòng)機(jī)編碼器脈沖數(shù)所對(duì)應(yīng)變頻器參數(shù)C18可知，廠家告訴的編碼器的每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)有誤，矢量控制變頻器不能識(shí)別電動(dòng)機(jī)，從而保護(hù)變頻控制器，使主軸以很低的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 Y 軸驅(qū)動(dòng)故障

3.1 故障現(xiàn)象描述

機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)Y 軸有效編碼器硬件故障(報(bào)警號(hào)25000)和各軸通訊故障(報(bào)警號(hào)26101、26102)。該故障出現(xiàn)沒(méi)有規(guī)律，而且每次都是25000號(hào)報(bào)警最先出現(xiàn)。

3.2 故障診斷與處理

25000 報(bào)警是實(shí)際位置編碼器的當(dāng)前信號(hào)丟失，不相同或接地短路，坐標(biāo)軸不再與機(jī)床實(shí)際值同步。該報(bào)警要求檢查測(cè)量回路連接和編碼器。26101 是各軸驅(qū)動(dòng)不能通訊，要求檢查驅(qū)動(dòng)連接;26102 是各軸驅(qū)動(dòng)不工作。出現(xiàn)這些報(bào)警后，電源模塊和各軸都沒(méi)有電，必然會(huì)產(chǎn)生各軸不工作和通訊故障。根據(jù)故障現(xiàn)象分析26101 和26102 報(bào)警都是因?yàn)?5000 報(bào)警產(chǎn)生的，因此重點(diǎn)查找Y 軸驅(qū)動(dòng)回路。Y 軸只有電動(dòng)機(jī)內(nèi)部一個(gè)編碼器，分析產(chǎn)生編碼器硬件故障的原因有:驅(qū)動(dòng)器故障;編碼器線纜故障;編碼器故障;電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜故障。交換X、Y 軸的驅(qū)動(dòng)，故障不變，因此排除驅(qū)動(dòng)器故障。電動(dòng)機(jī)內(nèi)的編碼器和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子間有嚴(yán)格的位置安裝要求，拆卸后如果不能恢復(fù)原位就會(huì)引起電動(dòng)機(jī)振動(dòng)，因此暫不檢查編碼器。又由于編碼器部分電纜和電動(dòng)機(jī)在機(jī)床護(hù)罩下面，機(jī)械拆卸工作量大，而重啟機(jī)床后故障又消除，因此暫時(shí)讓機(jī)床工作，等待觀察。直到有一天，機(jī)床再次報(bào)警，而且重啟機(jī)床后故障也不消除，伺服不能上電。此時(shí)檢查電動(dòng)機(jī)、編碼器和電動(dòng)機(jī)電纜發(fā)現(xiàn)保護(hù)該電動(dòng)機(jī)電纜的拖鏈老化破碎，電動(dòng)機(jī)動(dòng)力電纜露于拖鏈之外，Y 軸電動(dòng)機(jī)三相動(dòng)力電纜已破損，其中一相斷線。更換該動(dòng)力電纜并修復(fù)塑料拖鏈后，故障消除。

3.3 故障原因分析

塑料拖鏈老化破碎，電動(dòng)機(jī)電纜露于拖鏈之外，機(jī)床運(yùn)動(dòng)過(guò)程中電纜與床身長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械摩擦、擠壓，導(dǎo)致電纜破損。機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果動(dòng)力電纜破損處突然與機(jī)床短路，那么就要產(chǎn)生過(guò)流報(bào)警而突然停機(jī)，必然造成Y 軸編碼器反饋與運(yùn)動(dòng)指令不符，從而產(chǎn)生編碼器硬件故障的報(bào)警信息;電源模塊因負(fù)載過(guò)大而產(chǎn)生斷電保護(hù)，各軸因無(wú)電不工作，產(chǎn)生軸通訊故障。隨著電纜磨損加劇和短路造成的瞬間大電流對(duì)電纜的燒蝕，故障出現(xiàn)頻率越來(lái)越高，最終導(dǎo)致動(dòng)力電纜斷線缺相，系統(tǒng)因Y 軸電動(dòng)機(jī)缺相而產(chǎn)生保護(hù)，禁止伺服上電。

4 參數(shù)故障

4.1 故障現(xiàn)象描述

操作者加刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償時(shí)出現(xiàn)14710#報(bào)警。重新開(kāi)機(jī)報(bào)警不能清除，機(jī)床不能回零，刀補(bǔ)也不能取消，不能編輯加工程序。

4.2 故障診斷與處理

14710#報(bào)警含義:系統(tǒng)在啟動(dòng)和復(fù)位之后產(chǎn)生初始化程序，在此過(guò)程中可能會(huì)因?yàn)闄C(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)定有誤而出錯(cuò)。系統(tǒng)在啟動(dòng)和復(fù)位之后產(chǎn)生的初始化程序錯(cuò)誤共分為5 段，其中段1 就是選擇刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償出錯(cuò)。出現(xiàn)段0 ～段3 的錯(cuò)誤時(shí)都需要重新加載機(jī)床備份數(shù)據(jù)。

802D 的數(shù)據(jù)保護(hù)原理:802D 配備了16 M 高速閃存FLASH ROM 和32 M 靜態(tài)存儲(chǔ)器。靜態(tài)存儲(chǔ)器區(qū)存放工作數(shù)據(jù)(可修改)，它是支持系統(tǒng)工作必不可少的數(shù)據(jù)。高速閃存區(qū)存放固定數(shù)據(jù)，通常作為數(shù)據(jù)備份區(qū)、出廠數(shù)據(jù)區(qū)、PLC 程序和文本區(qū)等，以及存放系統(tǒng)程序，如圖4 所示。備份數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)內(nèi)容是系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)操作后將工作數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的全部?jī)?nèi)容復(fù)制到備份數(shù)據(jù)區(qū)，是對(duì)工作數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的一種保護(hù)。出廠數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容是數(shù)控系統(tǒng)在出廠時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(機(jī)床數(shù)據(jù)的缺省值)，僅有此數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無(wú)法正常支持一臺(tái)數(shù)控機(jī)床工作。當(dāng)工作數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)做過(guò)修改時(shí)必須把該數(shù)據(jù)全部?jī)?nèi)容復(fù)制到備份數(shù)據(jù)區(qū)，以便下次機(jī)床數(shù)據(jù)丟失或不正確時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)恢復(fù)。

故障處理:把高速閃存中的備份數(shù)據(jù)加載到靜態(tài)存儲(chǔ)器后故障排除。數(shù)據(jù)加載方法參照802D 系統(tǒng)手冊(cè)執(zhí)行。

5 結(jié)語(yǔ)

(1)數(shù)控機(jī)床對(duì)位置環(huán)境的溫度、濕度均有一定的使用要求，如果溫度變化較大、濕度較高、灰塵較大，將使控制系統(tǒng)元件使用壽命降低，并導(dǎo)致故障增多。該機(jī)床的使用環(huán)境的濕度、灰塵較大是出現(xiàn)上述多硬件故障的原因之一。

(2)數(shù)控機(jī)床中使用替換元件時(shí)，一定要搞清楚兩元件之間區(qū)別與聯(lián)系，以便更好地用好替換元件，使機(jī)床的應(yīng)有功能有效。比如上述兩個(gè)變頻器伺服就緒信號(hào)、準(zhǔn)停到位信號(hào)就不完全相同，因此使用時(shí)控制就要發(fā)生相應(yīng)的變化才能滿足系統(tǒng)功能的需要。

(3)機(jī)床元器件制造商或供應(yīng)商的水平參差不齊，有時(shí)提供的技術(shù)數(shù)據(jù)不正確，需要根據(jù)實(shí)際情況分析，大膽地進(jìn)行有依據(jù)的判斷，否則會(huì)延誤維修進(jìn)程。如上述制作的新電動(dòng)機(jī)其軸伸出長(zhǎng)度與實(shí)際不符，編碼器的實(shí)際接線、一轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)與標(biāo)簽完全不符，我們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)找出編碼器的實(shí)際一轉(zhuǎn)脈沖數(shù)，并調(diào)試好機(jī)床，避免了機(jī)床的調(diào)試和維修時(shí)間的拖延。

(4)必須做機(jī)床數(shù)據(jù)備份。802D 系統(tǒng)是按靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM 區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行工作的，我們通常修改的機(jī)床數(shù)據(jù)和工件加工程序等都在SRAM 區(qū)。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)一旦檢測(cè)到靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM 掉電，如果事先做過(guò)內(nèi)部數(shù)據(jù)備份，系統(tǒng)自動(dòng)將備份數(shù)據(jù)裝入工作數(shù)據(jù)區(qū)后啟動(dòng)，使機(jī)床正常工作。如果沒(méi)做數(shù)據(jù)備份(機(jī)內(nèi)備份或機(jī)外備份)，那么機(jī)床以西門(mén)子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床數(shù)據(jù)啟動(dòng)，機(jī)床是不能正常工作的。因此，SRAM 區(qū)中的數(shù)據(jù)不進(jìn)行備份(數(shù)據(jù)保護(hù))是不安全的。

［1］劉美俊. 變頻器應(yīng)用與維修問(wèn)答［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［2］BKSC-47P5GA 伺服控制說(shuō)明書(shū)［S］. 北京:北科麥思科自動(dòng)化工程技術(shù)有限公司.