數控機床伺服驅動系統典型故障的維修

黃雪東

（河源市高級技工學校，廣東河源 517000）

伺服驅動系統是數控機床的執行控制單元，它在數控系統的控制下完成機床的工作要求，并將執行結果通過反饋環節反饋給數控系統［1］。由于在數控機床的加工運行中伺服驅動系統需要頻繁地工作，因此，關注伺服驅動系統，對保證數控機床的正常運行和維修都具有非常重要的意義。本文通過數控200鏜床伺服驅動系統一個典型的故障診斷和維修實例，說明了故障的查找、判斷以及處理的過程。

1 故障現象

該數控機床為捷克SKODA公司生產的數控200鏜床：數控部分經過改造后采用SIEMENS 840C系統、外置PLC控制方式；主軸和進給軸采用原SKODA公司配置的直流伺服系統。機床自1998年安裝、改造以來一直存在各種故障，處于半使用半停機的狀態，后來經過對機床控制原理的熟悉，隨著在維護過程中經驗的不斷積累，該機床運行也比較正常。偶爾出現故障，在維修中也有章可循，較快地解決故障問題。但在這段時間里機床正常使用時，X軸出現了1160#ORDl2 Contour monitoring報警。按復位鍵可以將報警消除，重新運行X軸，反復出現同樣的報警，造成機床不能正常運行。

2 故障檢查

（1）從參數上對機床數據進行調試

該報警為NC內部報警，是由數控系統對進給軸運行過程進行監控所產生的報警。其主要原因有兩點：1）以大于MD3360參數中設定的運行速度，超過了MD 3320參數中設定的允許公差帶；2）在升速或者制動階段，在由伺服增益系數指定的時間內，軸沒有達到規定的速度［1］。考慮到機床運行一段時間，某些參數或者伺服驅動系統特性會改變，影響機床正常的速度控制。為了分清數據問題還是機床外部的問題，對X軸參數NC—MD＼axis：monitoring＼目錄下的機床數據中MD3320設定的允許公差帶進行調整，把原來的3 mm調整為5 mm，開動X軸時把進給比率調到50%運行，又出現同樣的報警。說明故障仍然存在，恢復原來的數據，排除了機床數據所引起的問題。

（2）針對伺服驅動系統的故障，逐步對控制部分進行檢查

對于機床的數控硬件部分，集成度高，相對其他控制部分出現的故障機會不大。從進給過程中來分析，速度控制是由數控中的位置偏差計數器輸出經D／A轉換后，輸出0～10 V的模擬給定信號給驅動系統，再由驅動單元對伺服電機進行驅動，控制電機向消除偏差的方向旋轉，直到偏差為零時，電機停止運動，到達指定位置。如果驅動系統存在問題時，也同樣會產生該報警。于是對驅動系統進行了檢查，發現驅動系統中U、V相已經燒斷主回路的熔斷器。從進給驅動系統分析，該直流伺服驅動系統采用兩組代號為Y1、Y2共12個晶閘管、L1～L4電抗器和各個控制模塊組成，實現反并聯可逆有環流調速。各個控制環節都是以模塊的形式分開布置，板后通過軟線連接。根據原理圖，由代號為Y6組成的總控制環節主要包括：V-25B模塊為速度給定和比較環節、控制調節由Z-17控制、電流環是由V-26A控制、脈沖分配和脈沖輸出分別由G-15、G-16模塊實現；由代號為Y7模塊提供各個控制模塊所需要的電源和同步信號。其中K-08檢測模塊發光二極管亮時，為系統正常狀態指示。

出現熔斷器熔斷(熔斷器為250 A，說明系統主回路中瞬時電流大，而造成主回路電流大的原因主要有：1）驅動器電源短路；2）直流伺服電機換向器出現短路；3）可控硅擊穿形成短路；4）驅動器存在故障［1］。逐項進行檢查：電源進線正常，電機換向器表面也光滑，各個碳刷也接觸良好，沒有短路的痕跡；在可控硅輸出端不接電機并且把各個可控硅的阻容吸收器拆開的情況下，用500 V搖表逐個對可控硅進行測量，電阻值為40～100 MΩ之間。說明電機、可控硅都沒有問題；對于驅動控制模塊則采用交換的方法，把Y軸驅動控制模塊按順序逐塊地更換到X軸。于是重新換上相同安培的熔斷器，Y軸試運行正常，說明原來X軸的各個模塊沒有問題。X軸手動、加工都沒有出現問題，可是沒過多久，又出現了相同報警、熔斷器熔斷的現象（這就給我們查找故障和測試帶來了一定的困難），而且還發現K—08檢測模塊指示燈不亮了。

（3）根據控制模塊的故障現象，采用相應的措施對各個信號進行檢測

為了避免熔斷器再次熔斷，取得在正常運行時，速度比率為30%時的電流為12 A的情況下，考慮用斷路器來暫時替代熔斷器。因為斷路器瞬時脫扣電流為額定電流的5～10倍，選20 A的斷路器，其最大瞬時脫扣電流200 A小于晶閘管的額定電流，可以起到短路保護作用［2］。經過反復的試車觀察，故障出現了隨機性，而且還有個特點：在運行或起動時會隨機產生1160報警，但斷路器沒有斷開；有時在停止進給時，不但產生1160報警，而且斷路器斷開了。針對K-08檢測模塊的各個信號，從板后進行檢測如圖1。

圖1 K-08檢測模塊簡圖

在系統正常時所測量的各輸入端點信號如下：21、25都為15 V；9、17、13都是7.5 V。根據所測量的電壓，再與Z軸K-08檢測模塊各個信號進行相比較，電壓值完全相同，這就帶來一個疑問：驅動模塊都交換試過了，難道在系統出現故障時檢測到某個信號在變化。帶著這個問題，通過反復的觀察，發現在開機啟動的過程中，K-08檢測模塊單元的發光二極管突然滅了，也就是說控制邏輯電路輸出高電平使T2導通，B1繼電器動作，短接了發光二極管。馬上對其各個輸入端進行檢測，測得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。根據原理圖，17、13端的信號為同步輸入檢測信號，為了驗證該信號的變化特點，利用示波器再對17端的波形進行監測，波形如圖2；經過一段時間監測，發現其波形突變為一直線，如圖3所示，也就是說17端電壓值僅為1V。

圖2 正常時U相波形圖

圖3 不正常時U相波形圖

3 故障分析

根據以上檢查結果，17端的信號來自Y7模塊板，該模塊板固定在同步變壓器上，安裝在整個驅動器后面，所以X軸與Y軸驅動模塊交換試車時沒有把Y7模塊板調換。Y7模塊板主要功能為系統提供穩壓電源和各相同步電源的信號，由此看來驅動器主回路的電流大原因：是由于Y7模塊中同步控制信號17端電壓值過低，造成同步脈沖信號丟失引起的。為了使到晶閘管在每個周期都在相同的控制角α觸發導通，觸發脈沖必須與晶閘管的陽極電壓也就是電源同步，并與電源波形保持固定的相位關系。因為主回路采用反并聯可逆有環流調速，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直流環流，當一組晶閘管工作在整流狀態時，另一組工作在待逆變狀態。

在調速過程中，同步信號丟失引起觸發脈沖控制邏輯出錯，造成觸發脈沖丟失。那么，在起動或進給時，晶閘管工作在整流狀態，由于觸發脈沖丟失，使已導通晶閘管會在經過自然換向點自行關斷后，晶閘管輸出斷續，形成直流電壓、電流減小，電機速度降低，引起在升速或者運行階段，在由伺服增益系數指定的時間內，X軸在進給過程中沒有達到規定的速度，從而產生1160報警；而在停機時，晶閘管工作在逆變狀態，電動機運行在發電機狀態，導通的晶閘管始終承受著正向反壓，這時晶閘管觸發控制電路必須在適當時刻使導通的晶閘管受到反壓而被迫關斷。由于觸發脈沖的丟失，使已導通的晶閘管就會因得不到反壓而繼續導通，并逐漸進入整流狀態，其輸出電壓與電動勢成順極性串聯，形成短路，所以總是把交流側熔斷器燒斷。而對于1160報警，正因為熔斷器熔斷，屬于缺相運行，所以產生該報警。

4 故障解決

Y7模塊的輸入信號是由同步變壓器檢測到的三相電源信號，各相分別獨立控制，同步信號經阻容濾波后由MAA741進行放大，MZHl45邏輯反相輸出。U相的電路簡圖如圖4所示。

圖4 u相同步信號電路簡圖

把Y7模塊板拆下后，初步測量各個元件并沒有發現什么問題，該板在使用過程中出現波形不正常，通電時會產生隨機故障。為了進一步判斷該模塊的故障所在，采用外供電源獨立測試Y7模塊的辦法：在Y7模塊加上±15 V電源，利用信號發生器在Ui端輸入正弦波信號，再用示波器檢測

各個點的波形。經過詳細的觀察，其中MAA741運算放大器輸出端6的波形為正負方波，但是時間略長一些則變為無方波輸出，而且呈高電平狀態。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運算放大器有問題：由于放大器特性發生了變化或者受到溫度的影響，在輸入信號不變的情況下，其輸出電壓會突變［2］。最終確定故障所在，根據原理圖中MAA741運算放大器的各個外引線，通過詳細地查《常用電子元件手冊》對應把該放大器集成更換為LM741后，重新對各點進行測試，輸出波形正常，沒有出現突變的現象，說明故障已經排除。于是裝上Y7模塊板通電試運行，再也沒有出現1160 ORDl2 Contour monitoring輪廓監控報警，系統恢復了正常運行。

5 結束語

通過這次對伺服驅動系統典型故障的處理，給了維護數控設備工作方面一個啟示：對故障的處理重點在于診斷。以理論指導實踐，根據不同的故障原因，利用手中的器件采取相應的措施和辦法進行分析和排除，從而去確定故障所發生的部分，這樣才能進一步解決問題。而在尋找故障過程中的應變和分析能力一方面靠經驗的積累，更重要的是決定于對系統的了解和掌握程度，這也要求維修人員要不斷地進行學習與探索，從而提高自身的知識和專業水平。

［1］王佩夫.數控機床故障診斷及維護［M］.北京：機械工業出版社，2000.

［2］莫正康.電力電子應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2000.