2023年数控机床伺服系统故障分析与维修.doc

数控机床伺服系统故障分析与维修 兰州电机  王跟回 数控机床随加工要求的不同，其形式多种多样，这种多样性一般都是通过机械结构和控制软件的不同而体现出来的。就控制局部而言根本上都是相似的。即都是由数控系统PLC控制系统和伺服系统三大局部组成。这三局部任何一个环节出了问题都会影响整台设备甚至整条生产线的正常工作。     伺服系统是NC功能的具体执行机构，一般都是由驱动器、伺服电机、测速机、编码器构成。如果采用交流伺服电机，还要加装转子位置判断装置，SIEMENS交流伺服电机用三个霍尔元件组成的码盘来实现，FANUC交流伺服电机采用在编码器中产生的8421编码来实现。伺服系统通过伺服电机与运动部件直接相连，是强弱电的结合部位，也是故障的高发区。这一局部相互关系错综复杂，系统所给出的故障判断信息一般都是故障对系统所产生的影响，并不能完全给出故障部位，这就需要提高维修人员的理论水平和故障综合判断能力以及日常工作经验的积累和总结。下面就本人在数控机床维修工作中所遇到的有关伺服系统方面的故障说明如下，供同行借鉴。     1 伺服电机引起的故障     交流伺服电机虽然结构简单，根本不需维护，但使用时间久了，也会出现故障，且引起的故障很难判断。     故障1：一台从德国SHULER公司引进的N25N高速单槽冲床，冲出的冲片定位槽在约4mm之内反复变化，槽距也有微小变化。     该冲床所用的系统是SIEMENS PROCAM GMBH产品，主要由DPI、GEO/P、E220、E230、E207/l、E207／2、E213/l、E213／2、E213/3等模块构成，采用SINUMERIK S5 115U PLC，X轴和C轴以及主轴都采用SIEMENS直流调速系统。     冲床冲片的分度是由C轴控制的，定位槽尺寸变化，是C轴四零不准引起的。在C轴电机轴伸端打记号，反复回零，发现每一次都不同，估计编码器或其接口板有问题。把X轴和Z轴接口板E36011和E36012互换，故障依旧。拆下电机，在取编码器的过程中，发现电机轴与编码器相连的弹性连轴器断裂，换一新的，几天之后故障重现。疑心是由于连轴器的强度不够引起的，把连轴器由多连杆柔性连轴器换成镍波纹管连轴器、再换成销装型的高强度连轴器，都不成功。把电机拆下来拿到我厂的SIEMENS伺服电机试验台上试验，一切正常。实在无法，只好拆开电机检查，最后发现电机轴伸端端盖的轴承档由于轴承外圈的转动已磨偏，说明故障是由于这个原因使电机在高速起停过程中引起电机轴摆动，从而扭断了连轴器。找到原因问题就好解决了。根据原样重新做一端盖换上，解决了这一困扰我们很长时间的问题。     故障2：MJ－50CNC数控车床急停后刀架自动滑落。     该车床的X轴与水平呈45度夹角，为防止刀架滑落，交流伺服电机带有制动器。在正常通电的情况下可加工工件，说明车床其它功能正常，问题只出在制动局部。拆开电机检查，发现由于电机轴伸端端盖由于轴承外留转动在轴的轴向有磨损，从而使制动器的滑动摩擦片的滑动间隙加大，断电时磨出阻力变小，弹力缺乏无法制动。给轴承档与轴承外田间加套固定轴承外圈，在轴承档轴向端加铜皮，把制动器间隙调整到0.5mm之内，故障排除。     故障3：TH5632加工中心Z轴过流报警     该加工中心用的是SIEMENS 6SC6101系列驱动器和1FT5交流伺服电机。在加工过程中经常出现过流报警，并伴随有超温报警。在变频器上检查这两个报警的指示灯变亮。手摸电机，感觉温度很高。据操作工说，在切削量小时，一切正常，加工同样的工件，不产生报警的最大切削量越来越小。这说明变频器及判断转子位置的霍尔元件码盘没有问题，有可能电机性能变差了。把电机拿到我厂SIEMENS伺服电机试验台上检查，发现电机三相电流波形很差。可能是电机转子上的永久磁铁磁性能变差引起的。给电机转子重新充磁后，该问题解决。 故障4：TH5632加工中心X轴在变频器一有使能，该轴就剧烈抖动。 由于变频器一有使能X轴即剧烈抖动，为防止扩大故障和影响机床精度，先进行外围检查。用搬手撵动丝杠，很费力而且有死点。拆下电机，发现电机轴撵不动。说明电机出了问题。拆开电机看见电机转子上固定永久磁铁块的带子已脱落，卡在了定转子的间隙内，使电机无法转动。再用摇表测量，发现三相线四两相绝缘已破坏。重新下线后，故障排除。     2 伺服驱动器故障     故障1：S1200数控车床一送电，Z轴即向卡盘高速运动。     重现该故障，没有发现与故障有关的报警，由于运动速度太快，通电时间太短，故无法进行在线检测。由于该机床使用多时，编码器反响线接反的情况不可能，系统没有断线报答，先不考虑编码器。断开VCMD信号，故障依旧，可进一步检查伺服驱动局部。     互换X、Z驱动模块，故障依旧。去掉控制模块，Z轴不再快速移动。控制模块主要由比例积分环节、转速控制器、电流控制器、三角波发生器及各种保护电路组成，无报警说明该控制模块很多功能已丧失。购置一块新板后，问题解决。     故障2：ZXS－50钻铣床C轴在手动或自动方式下移动时，产生抖动，达不到预定位置。     产生这种故障现象的原因，一是输出大功率模块有一相损坏。二是判断转子位置的霍尔元件或其驱动器的接线有问题，使驱动器无法得到正确的电子换相信号。三是测速机的整流子有断线或击穿现象，或测速机与驱动器的连线有问题，从而使测速信号缺相引起C轴抖动。     互换X轴与C轴输出模块故障依旧。检查霍尔元件与驱动器的接线良好，而测速机与驱动器的连线的S相断线，正好有一根备用线，换接后，C轴恢复正常。     故障 3：Primus数控车床出现伺服系统没准备好故障。     该车床的配置是：NC系统是SIEMENS 8l0T、伺服系统采用的是SIEMENS 6SC6101驱动器和1FT5交流伺服电机。检查急停开关、压力开关、限位开关等与之有关的开关量都没有问题。翻开电气柜，发现判断驱动器脉冲使能信号的绿灯没有点亮，用万用表检查，驱动器三相电源正常，但测 r，Is，It，与M之间没有5V电压，进一步量电源板，发现+5V等直流电压都没有，拆下检查，发现电路板严重烧坏，恢复已不可能，买一同型号的电源在更换后，正常。     3 测速机故障     故障1：一火焰切割机的X轴在加工时走走停停。     该机床配置的是FANUC直流伺服系统。根据故障现象，说明位置反响局部正常，问题只出在伺服系统。用示波器检测测速机反响直流电压，发现有许多尖峰电压。拆开直流电机检查，发现测速机有两处断线，修复很困难，买一新的测速机更换后，故障排除。     故障2：N25N高速单槽冲床有锋利啸叫声。     观察发现叫声是从C分度轴发出，并伴随有冲头回不到上死点的报警。根据这种现象，疑心是由于C轴在高速分度起停旋转过程中，在一个冲次周期中转动不到位引起的。检查速度反响线没问题，直流调速器也无明显故障。拆下电机通以70V的直流电压，电机转动正常，随电压的变化转速调整也很平稳，说明电机没问题。再用示波器测测速机电压，同样发现有尖峰电压，拆下测速机检查，发现在整流子与绕组接线的部位击穿了一个黑洞，由于修复非常困难，机床24小时不能停，于是用我厂在引进SIEMENS交流伺服电机生产线时闲置的一套SIEMENS 6SC6101驱动器和1FT5交流伺服电机改造后，一直使用至今，解决了直流电机在工作中发热严重，维护工作量大的困难。     4 编码器故障     故障 1：S3000／Q转塔冲床大转塔上的小转塔C轴不回零。 该转塔冲床配置的是FANUC 0P系统，用的是a系列交流伺服电机，C轴在大转塔T上，有十二个小冲模，通电后每次都要回零。故障出现后，回零时C轴一直以回零高速速度不停旋转，随后出现零点找不到报警。根据故障现象，有两种情况：一是回零限位开关信号失效，二是编码器上的一转栅格信号找不到。 在PLC的诊断画面诊断位上检查回零开关信号，在C轴旋转时，该信号在0与1之间不停变化，说明该信号是正常的。翻开安装电机的护板，发现机械框架内有积水，这是厂房二楼有一次跑水漏进去的，拆开电机后盖，里面也有积水，虽然编码器密封很好，但还是疑心有水气进去。翻开编码器，果然发现了问题：编码器的码盘是用胶沾在旋转轴上，由于水气进入码盘与轴之间的边缘空隙产生铁锈，铁锈顶起码盘，磨坏了一转栅格信号发光二极管前和码盘上的这光涂层，从而无法产生正确的回零到位信号，买一新的换上， 故障排除。     故障2：DHG-5000火焰切割机开机动一下发生死机。 该机床配置的是哈工大研制的工控机NC系统，伺服系统用的是SIEMENS 6SC6101驱动器和1FT5交流伺服电机。按照正常思路，驱动开机有使能，在没有发出位移指令时，轴是不会移动的，除非位置编码器的位置反响不稳定。编码器的反锁线接触良好，也没有断线。拆开电机的编码器发现码盘已碎，该编码器是国产的，买一新的更换后，故障排除。 浅析伺服电机在使用中的常见问题 一．前言： 伺服系统是机电产品中的重要环节，它能提供最高水平的动态响应和扭矩密度，所以拖动系统的开展趋势是用交流伺服驱动取替传统的液压、直流、步进和AC变频调速驱动，以便使系统性能到达一个全新的水平，包括更短的周期、更高的生产率、更好的可靠性和更长的寿命。为了实现伺服电机的更好性能，就必须对伺服电机的一些使用特点有所了解。本文将浅析伺服电机在使用中的常见问题。     二．问题一：噪声，不稳定    客户在一些机械上使用伺服电机时，经常会发生噪声过大，电机带动负载运转不稳定等现象，出现此问题时，许多使用者的第一反响就是伺服电机质量不好，因为有时换成步进电机或是变频电机来拖动负载，噪声和不稳定现象却反而小很多。外表上看，确实是伺服电机的原故，但我们仔细分析伺服电机的工作原理后，会发现这种结论是完全错误的。    交流伺服系统包括：伺服驱动、伺服电机和一个反响传感器〔一般伺服电机自带光学偏码器〕。所有这些部件都在一个控制闭环系统中运行：驱动器从外部接收参数信息，然后将一定电流输送给电机，通过电机转换成扭矩带动负载，负载根据它自己的特性进行动作或加减速，传感器测量负载的位置，使驱动装置对设定信息值和实际位置值进行比拟，然后通过改变电机电流使实际位置值和设定信息值保持一致，当负载突然变化引起速度变化时，偏码器获知这种速度变化后会马上反响给伺服驱动器，驱动器又通过改变提供应伺服电机的电流值来满足负载的变化，并重新返回到设定的速度。交流伺服系统是一个响应非常高的全闭环系统，负载波动和速度较正之间的时间滞后响应是非常快的，此时，真正限制了系统响应效果的是机械连接装置的传递时间。         控制框图     举一个简单例子：有一台机械，是用伺服电机通过V形带传动一个恒定速度、大惯性的负载。整个系统需要获得恒定的速度和较快的响应特性，分析其动作过程：    当驱动器将电流送到电机时，电机立即产生扭矩；一开始，由于V形带会有弹性，负载不会加速到象电机那样快；伺服电时机比负载提前到达设定的速度，此时装在电机上的偏码器会削弱电流，继而削弱扭矩； 随着V型带张力的不断增加会使电机速度变慢，此时驱动器又会去增加电流，周而复始。 在此例中，系统是振荡的，电机扭矩是波动的，负载速度也随之波动。其结果当然会是噪音、磨损、不稳定了。不过，这都不是由伺服电机引起的，这种噪声和不稳定性，是来源于机械传动装置，是由于伺服系统反响速度(高)与机械传递或者反响时间〔较长〕不相匹配而引起的，即伺服电机响应快于系统调整新的扭矩所需的时间。 找到了问题根源所在，再来解决当然就容易多了，针对以上例子，您可以：〔1〕增加机械刚性和降低系统的惯性，减少机械传动部位的响应时间，如把V形带更换成直接丝