FANUC 0i-F系統伺服上電故障診斷與排除

肖振泉，李 宇，金 星，韋曉航，廖益豐，王彩虹

(柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545616)

0 引言

在FANUC 0i-F系統數控機床上，伺服系統為全數字伺服系統，伺服放大器接收控制單元CNC發出的伺服軸進給運動指令，經過轉換和放大后驅動伺服電動機，實現所要求的進給運動[1]。伺服系統故障約占整個數控系統故障的1/3[2]，而伺服上電故障又是伺服系統最常見的故障之一，因此研究伺服上電故障的診斷與排除方法具有顯著的現實意義。

1 伺服硬件組成

FANUC 0i-F伺服系統硬件主要由CNC單元、伺服放大器、伺服電機和檢測裝置組成，相互之間的連接關系如圖1所示。

圖1 FANUC 0i-F伺服系統硬件連接關系

(1) CNC單元。在全數字式的伺服系統中，CNC單元居于主導地位，通過伺服軟件(算法)實現對位移、速度的伺服控制，其中實現位移、速度控制的硬件結構及其相關電路稱為軸卡(AXES CARD)。軸卡是一個子CPU系統，由它完成伺服控制的位置、速度、電流三環的運算控制，并將PWM控制信號傳給伺服放大器，用于控制伺服電動機的變頻[3]。

(2) 伺服放大器。在FANUC 0i-F系統中大部分伺服放大器是多伺服軸/主軸一體型(簡稱SVSP)，可實現3進給軸+1主軸或2進給軸+1主軸的一體化控制。伺服放大器的作用是接收來自CNC單元(軸卡)的PWM信號(扭矩、速度、位置)，將其放大為伺服電機所需的高功率信號，因此伺服放大器就變成了純粹的功率放大器。

(3) 伺服電機。在數控機床上，如果把CNC單元比作人的“大腦”，則伺服電機就是人的“肌肉”。伺服電機接收來自伺服放大器的高功率信號，輸出角位移或通過滾珠絲杠螺母副轉換為直線位移，實現所要求的伺服運動。

(4) 檢測裝置。在FANUC 0i-F伺服系統中，數控機床的進給速度和位置檢測裝置包括伺服電動機內裝編碼器和分離型檢測裝置(如分離型編碼器和光柵尺)兩種形式[4]。無論是編碼器還是光柵尺，二者都以電脈沖形式將位移、速度信息傳給伺服放大器，并通過FSSB總線反饋至CNC單元，CNC單元根據其與指令數據的偏差(error)控制位置、速度、扭矩等。

2 伺服控制原理

在數控機床上，伺服控制原理如下：與刀具位置、走刀速度F有關的信息由CNC處理運算后送入軸卡，軸卡輸出PWM信號至伺服放大器進行放大，驅動伺服電機以刀具位置、走刀速度F要求的速度旋轉，檢測裝置實時反饋位移、速度信息至CNC，以實現閉環控制。

3 伺服上電過程

伺服系統要對運動部件實現閉環控制，首先要完成伺服放大器的上電過程。當CNC通電后，首先通過FSSB總線與伺服放大器SVM、電源單元PSM建立通信，然后三者共同完成伺服上電過程，如圖2所示。

圖2 伺服上電過程

具體過程如下：

(1) CNC系統上電時，向伺服軟件(軸卡)發出HRDY信號，請求伺服放大器硬件準備。

(2) 當檢測到系統無故障，且沒有外部急停、超程的情況時，伺服軟件便向伺服放大器發出MCONA信號，請求伺服準備。

(3) 伺服放大器收到MCONA信號后，檢查自身控制電路，如果控制電路正常，則向內部電源單元發出MCOFF信號，請求電源單元準備。

(4) 電源單元收到MCOFF信號且CX4端口閉合(ESP急停信號為1)后，向內部繼電器RLY發出MCCOFF信號，請求閉合內部觸點CX3。

(5) CX3閉合，MCC電路得電，AC200 V輸入電源單元經整流得到DC300 V電壓，隨即向伺服放大器發出CRDY信號，即電源已經準備好。

(6) 伺服放大器向伺服軟件發出DRDY信號，即伺服放大器準備好信號。

(7) 伺服軟件向CNC系統發出SRDY信號，即系統準備好信號；至此，系統完成伺服上電過程。

4 伺服無法上電故障診斷

4.1 伺服無法上電原因

基于圖2，通過分析伺服上電過程可知，這一過程涉及到CNC、SVM與PSM三者之間若干信號的應答，它們中只要有一個信號中斷，就會造成伺服無法上電。在生產實踐中，造成伺服無法上電的原因多種多樣，具體可歸納為以下幾種：

(1) 存在其他類型系統報警(例如急停報警)，導致伺服無法上電，即伺服無法上電是其他報警的伴隨現象。

(2) CNC系統無法上電，導致HRDY信號無法發出。

(3) 伺服放大器控制電路異常(斷開)。

(4) FSSB通訊建立失敗，一方面可能是軟件問題(用戶沒有正確設置系統參數，導致FSSB設定失敗)，另一方面可能是硬件問題(FSSB總線斷開或松動)。

(5) CX4端口無法閉合。

(6) CX3端口無法閉合。

(7) MCC電路某部分斷開。

(8) 伺服主電源電路某部分斷開。

4.2 伺服無法上電診斷流程

根據上述原因分析，我們可以總結出伺服無法上電的故障診斷流程，如圖3所示。

圖3中，診斷號358是一個十進制顯示的二進制數據，其中的第5位～第14位(#5～#14)均與伺服上電有關，如表1所示。

表1 診斷號358含義

圖3 伺服無法上電診斷流程

一般通過查看診斷號358第5位～第14位的數值診斷報警具體的故障點，正常情況下全為1，顯示數值為32737，如果出現伺服無法上電的情況，出現0的最低位是報警原因[5]。

5 維修實例

某型號數控銑床數控系統為FANUC 0i-MF，驅動模塊為FANUC βi SVSP型伺服放大器，同時控制X軸、Y軸、Z軸和主軸，該設備已運行十余年。

5.1 案例1

該數控銑床開機后出現以下2個報警：SV1067 FSSB：配置錯誤(軟件)；SP1996主軸參數設定錯誤，伺服無法上電。根據機床報警提示，故障原因可能是主軸參數設定錯誤，同時引起了FSSB配置錯誤；進一步詢問機床操作者得知，該機床曾經改裝成模擬主軸，更改過主軸參數。因此，初步判斷是有人更改了主軸參數，引起了以上2個故障，導致了伺服無法上電。在“參數調整”菜單下找到“主軸設定”子菜單，查看主軸基本參數，發現參數3717(主軸放大器號)設為2，正常情況下應該設為1(因為該機床只有1個主軸)。將參數3717設為1后，斷電重啟，報警消除，伺服上電成功。

5.2 案例2

該數控銑床開機后出現以下2個報警：SV1067 FSSB：配置錯誤(軟件)；SP1220(SP)無主軸放大器，伺服無法上電，并且發現伺服放大器的狀態指示燈STATUS1、STATUS2熄滅，散熱風扇沒有轉。初步判斷是伺服放大器控制電路無法上電，CNC與伺服放大器無法通信，導致了以上2個報警。重點檢查伺服放大器DC24 V供電線路，發現伺服放大器DC24 V輸入端口CXA2C接至端子排的5號線接觸不良，重新接線，恢復正常，伺服上電成功。

5.3 案例3

該數控銑床開機后正常加工，不定期出現3個伺服類報警：SV0401(X)伺服V—就緒信號關閉，SV0401(Y)伺服V—就緒信號關閉，SV0401(Z)伺服V—就緒信號關閉，伺服無法上電。檢查伺服放大器外圍硬件線路并無接觸不良或松動現象。檢查診斷號358，X、Y和Z值均為417，轉換為二進制數：110100001，#5～#14中出現為0的最低位是#6，根據表1可知，#6對應于ESP急停信號，因此初步判斷故障原因為急停。松開急停按鈕，急停報警解除，同時發現急停繼電器指示燈亮，線圈得電；斷電，檢查各急停回路，重點檢查急停繼電器與伺服放大器之間的線路，均沒有發現異常。懷疑急停繼電器本身性能不穩定，更換新件后報警消除，設備恢復正常，伺服上電成功。

6 結語

本文以FANUC 0i-F系統為例，著重闡述了伺服系統的硬件組成、控制原理與上電過程，進一步分析了伺服無法上電的原因，形成了伺服上電故障診斷與排除流程，具有一定的實用價值。當伺服無法上電時，首先查看是否有其他類型報警，在沒有其他類型報警的前提下，緊接著查看伺服放大器相關線路連接的可靠性，必要時可以借助診斷號358數據查找故障點。由此可見，要想熟練地排除故障，維修維護技術人員不僅應掌握伺服上電原理，而且還應熟悉維修說明書，積累豐富的維修實踐經驗。