加工中心故障檢修

梁 毅 廖正菊 王志鵬

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

一臺加工中心采用SIEMENS802D 的數(shù)控系統(tǒng)，進給伺服驅(qū)動采用數(shù)字化的SIMODRIVE 611UE 驅(qū)動系統(tǒng)及SIEMENS1FK6 系列交流伺服電動機。主軸采用北京麥斯科自動化技術(shù)有限公司的主軸伺服控制器驅(qū)動交流變頻電動機，實現(xiàn)主軸的無級調(diào)速。該主軸伺服控制器可對普通鼠籠式電動機和變頻電動機的位置、轉(zhuǎn)速、加速度和輸出轉(zhuǎn)矩通過編程進行控制。數(shù)控CNC、伺服驅(qū)動及I/O 接口之間通過現(xiàn)場總線PROFIBUS 連接，實現(xiàn)輸入輸出信號的傳送和位置調(diào)節(jié)(速度給定和位置反饋信號)。該機床一年之內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)主軸變頻器故障、主軸電動機故障、電動機線纜故障和參數(shù)故障。下面對這4 例故障進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

機床數(shù)控啟動完成后，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、變頻器和進給伺服模塊掉電，顯示屏上出現(xiàn)主軸和進給軸通訊故障。

1.2 故障診斷

電源模塊、變頻器和伺服驅(qū)動模塊上電的原理如圖1、圖2。下面通過伺服上電的過程來分析、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)動模塊，同時產(chǎn)生數(shù)控模塊和驅(qū)動模塊內(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 同時輸入電源模塊和主軸變頻器。電源模塊得電后，直流母線開始預充電，預充電完成后脈沖使能信號、驅(qū)動使能信號相繼輸出為“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、進給伺服模塊和變頻器掉電，顯示器上出現(xiàn)主軸和進給軸通訊故障。此時診斷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，斷開變頻器故障輸出信號MA(I9.6)，重新開機，機床無報警，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)機后再開機參數(shù)又變了，即參數(shù)不能被保存。測量變頻器功率模塊沒發(fā)現(xiàn)功率管擊穿和斷路的跡象，而故障代碼Er-03 在變頻器說明書上無解釋，因此不能深入檢查變頻器，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，中間繼電器KA10 得電，控制變頻器和驅(qū)動電源的接觸器KM5 和KM6 同時得電。如果變頻器正常，變頻器得電10 s 內(nèi)輸出就緒信號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MA 到PLC，PLC 輸出主軸掉電信號，變頻器得電10 s 后斷開接觸器KM5 和KM6 的線圈電壓，斷開電源模塊和變頻器的輸入電壓，主軸和各軸進給的驅(qū)動模塊因沒電而產(chǎn)生主軸和進給軸通訊故障。

1.4故障處理

變頻器型號為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、準停到位信號和主軸掉電信號為繼電器輸出的24 V 電壓信號，而新的變頻器為集電極開路輸出的0 ～5 V 電壓信號，不能直接輸入到PLC，需要外加繼電器，利用其觸點把該信號接入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)各軸通訊報警。通過對PLC 程序多次診斷發(fā)現(xiàn):新變頻器的伺服就緒信號送出時間大于10 s，PLC 還沒有收到該信號時PLC 就輸出主軸掉電信號Q8.2，從而斷開控制變頻器和驅(qū)動電源的中間繼電器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)部時間繼電器T16 的時間，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，機床工作正常。

2 主軸電動機故障

2.1 故障現(xiàn)象描述

機床啟動后，只要轉(zhuǎn)動主軸，變頻器就會出現(xiàn)Er-0報警。經(jīng)診斷是電動機故障，但更換電動機后，電動機始終以很低的速度運轉(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:變頻器過流保護熱報警。出現(xiàn)變頻器過流保護熱報警的原因有:主軸機械故障，電動機線路故障，變頻器故障或電動機故障。斷電后手動旋轉(zhuǎn)主軸，主軸轉(zhuǎn)動自由，沒發(fā)現(xiàn)機械異常。檢測電動機動力線無線間短路或?qū)Φ囟搪非闆r發(fā)生。變頻器是新更換的，查看沒發(fā)現(xiàn)異常。測量電動機的三相繞組每兩相間的電阻分別為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了+5%的允差要求，據(jù)此判斷電動機出故障的可能性較大。詳查電動機時聞到電動機有被燒焦的糊味，且電動機動力接線盒內(nèi)有積水存在(至今沒查明積水的來源)，拆卸電動機后發(fā)現(xiàn)電動機被嚴重燒毀。由于該電動機停產(chǎn)，只能根據(jù)電動機技術(shù)指標要求廠家定做。新電動機到后，電動機銘牌上標明該電動機尾部裝有2 500 個脈沖/r 的編碼器(用于主軸調(diào)速、定位)，而原電動機編碼器為1 024 個脈沖/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 個脈沖/r，則C18 改為1953。改C18 后，主軸始終以一個很低的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，且主軸不能停止。咨詢廠家電動機編碼器脈沖數(shù)，廠家也模棱兩可。憑經(jīng)驗，每轉(zhuǎn)1 024 個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。

2.3 故障原因分析

電動機因為積水的存在引起電動機得電時繞組間短路而被燒毀。電動機燒毀后，繞組間和繞組內(nèi)部短路，電動機轉(zhuǎn)動時必然產(chǎn)生過流保護熱報警。換新電動機后主軸速度不可調(diào)的原因是新電動機編碼器脈沖數(shù)設(shè)置不正確，變頻器不能識別電動機的正確動態(tài)數(shù)學模型。該變頻器為矢量變頻器，控制對象是電動機，矢量控制變頻器需要建立電動機的動態(tài)數(shù)學模型，因此電動機模型參數(shù)必需準確提供給變頻器，變頻器才能識別電動機模型，從而對電動機進行正確的控制。通過修改電動機編碼器脈沖數(shù)所對應(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別電動機，從而保護變頻控制器，使主軸以很低的速度運轉(zhuǎn)。

3 Y 軸驅(qū)動故障

3.1 故障現(xiàn)象描述

機床運動過程中出現(xiàn)Y 軸有效編碼器硬件故障(報警號25000)和各軸通訊故障(報警號26101、26102)。該故障出現(xiàn)沒有規(guī)律，而且每次都是25000號報警最先出現(xiàn)。

3.2 故障診斷與處理

25000 報警是實際位置編碼器的當前信號丟失，不相同或接地短路，坐標軸不再與機床實際值同步。該報警要求檢查測量回路連接和編碼器。26101 是各軸驅(qū)動不能通訊，要求檢查驅(qū)動連接;26102 是各軸驅(qū)動不工作。出現(xiàn)這些報警后，電源模塊和各軸都沒有電，必然會產(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 報警都是因為25000 報警產(chǎn)生的，因此重點查找Y 軸驅(qū)動回路。Y 軸只有電動機內(nèi)部一個編碼器，分析產(chǎn)生編碼器硬件故障的原因有:驅(qū)動器故障;編碼器線纜故障;編碼器故障;電動機動力電纜故障。交換X、Y 軸的驅(qū)動，故障不變，因此排除驅(qū)動器故障。電動機內(nèi)的編碼器和電動機的轉(zhuǎn)子間有嚴格的位置安裝要求，拆卸后如果不能恢復原位就會引起電動機振動，因此暫不檢查編碼器。又由于編碼器部分電纜和電動機在機床護罩下面，機械拆卸工作量大，而重啟機床后故障又消除，因此暫時讓機床工作，等待觀察。直到有一天，機床再次報警，而且重啟機床后故障也不消除，伺服不能上電。此時檢查電動機、編碼器和電動機電纜發(fā)現(xiàn)保護該電動機電纜的拖鏈老化破碎，電動機動力電纜露于拖鏈之外，Y 軸電動機三相動力電纜已破損，其中一相斷線。更換該動力電纜并修復塑料拖鏈后，故障消除。

3.3 故障原因分析

塑料拖鏈老化破碎，電動機電纜露于拖鏈之外，機床運動過程中電纜與床身長時間的機械摩擦、擠壓，導致電纜破損。機床運動時，如果動力電纜破損處突然與機床短路，那么就要產(chǎn)生過流報警而突然停機，必然造成Y 軸編碼器反饋與運動指令不符，從而產(chǎn)生編碼器硬件故障的報警信息;電源模塊因負載過大而產(chǎn)生斷電保護，各軸因無電不工作，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電纜的燒蝕，故障出現(xiàn)頻率越來越高，最終導致動力電纜斷線缺相，系統(tǒng)因Y 軸電動機缺相而產(chǎn)生保護，禁止伺服上電。

4 參數(shù)故障

4.1 故障現(xiàn)象描述

操作者加刀具長度補償時出現(xiàn)14710#報警。重新開機報警不能清除，機床不能回零，刀補也不能取消，不能編輯加工程序。

4.2 故障診斷與處理

14710#報警含義:系統(tǒng)在啟動和復位之后產(chǎn)生初始化程序，在此過程中可能會因為機床數(shù)據(jù)設(shè)定有誤而出錯。系統(tǒng)在啟動和復位之后產(chǎn)生的初始化程序錯誤共分為5 段，其中段1 就是選擇刀具長度補償出錯。出現(xiàn)段0 ～段3 的錯誤時都需要重新加載機床備份數(shù)據(jù)。

802D 的數(shù)據(jù)保護原理:802D 配備了16 M 高速閃存FLASH ROM 和32 M 靜態(tài)存儲器。靜態(tài)存儲器區(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)存儲操作后將工作數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的全部內(nèi)容復制到備份數(shù)據(jù)區(qū)，是對工作數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)的一種保護。出廠數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容是數(shù)控系統(tǒng)在出廠時的標準數(shù)據(jù)(機床數(shù)據(jù)的缺省值)，僅有此數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無法正常支持一臺數(shù)控機床工作。當工作數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)做過修改時必須把該數(shù)據(jù)全部內(nèi)容復制到備份數(shù)據(jù)區(qū)，以便下次機床數(shù)據(jù)丟失或不正確時進行數(shù)據(jù)恢復。

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

5 結(jié)語

(1)數(shù)控機床對位置環(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，并導致故障增多。該機床的使用環(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)控機床中使用替換元件時，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，使機床的應(yīng)有功能有效。比如上述兩個變頻器伺服就緒信號、準停到位信號就不完全相同，因此使用時控制就要發(fā)生相應(yīng)的變化才能滿足系統(tǒng)功能的需要。

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

(4)必須做機床數(shù)據(jù)備份。802D 系統(tǒng)是按靜態(tài)存儲器SRAM 區(qū)的數(shù)據(jù)進行工作的，我們通常修改的機床數(shù)據(jù)和工件加工程序等都在SRAM 區(qū)。系統(tǒng)啟動時一旦檢測到靜態(tài)存儲器SRAM 掉電，如果事先做過內(nèi)部數(shù)據(jù)備份，系統(tǒng)自動將備份數(shù)據(jù)裝入工作數(shù)據(jù)區(qū)后啟動，使機床正常工作。如果沒做數(shù)據(jù)備份(機內(nèi)備份或機外備份)，那么機床以西門子系統(tǒng)的標準機床數(shù)據(jù)啟動，機床是不能正常工作的。因此，SRAM 區(qū)中的數(shù)據(jù)不進行備份(數(shù)據(jù)保護)是不安全的。

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

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