在數(shù)控機床維修過程中, 有時會遇到一些比較特殊的故障, 例如: 有的機床在剛開機時, 系統(tǒng)和機床工作正常。但是, 當(dāng)工作一段時間后, 將出現(xiàn)某一故障。這種故障有的通過關(guān)機后得以清除, 有的必須經(jīng)過關(guān)機較長的時間后, 機床才能重新工作。此類故障常常被人們稱為“軟故障”。由于此類故障的不確定性和發(fā)生故障的隨機性 , 使得機床時好時壞 , 這給檢查、測量帶來了相當(dāng)?shù)睦щy。維修人員必須具備較高的業(yè)務(wù)水平和豐富的實踐經(jīng)驗 , 仔細分析故障現(xiàn)象 , 才能判定故障原因 , 并加以解決。下面是筆者在數(shù)控機床維修中一起比較典型的“ 軟故障”維修事例 , 現(xiàn)將故障現(xiàn)象、維修過程及分析思路介紹如下 , 供同行參考。
1 故障現(xiàn)象
中國臺灣 GOODWAY 公司生產(chǎn)的 GCL-15 型數(shù)控車床 , 采用 FANUC ０T 數(shù)控系統(tǒng)。 X 、 Z 分別采用 FANUC 5、10 型 AC 伺服電動機驅(qū)動 , 主軸采用 FANUC 8S AC 主軸驅(qū)動。機床帶液壓夾具、液壓尾架和 15 把刀的自動換刀裝置, 全封閉防護, 自動排屑。機床本身價格高、精度好 , 是該公司的主要加工設(shè)備之一。
該機床發(fā)生的故障現(xiàn)象為 : 機床開機時全部動作正常 , 伺服進給系統(tǒng)高速運動平穩(wěn)、低速無爬行 , 加工的零件精度全部達到要求。當(dāng)機床正常工作 5-7h 后 ,Z 軸出現(xiàn)劇烈振蕩 ,CNC 報警 , 機床無法正常工作。這時 , 即使關(guān)機再啟動 , 只要手動或自動移動 Z 軸 , 在所有速度范圍內(nèi) , 都發(fā)生劇烈振蕩。但是 , 如果關(guān)機時間足夠長 , 機床又可以正常工作 5-7h, 并再次出現(xiàn)以上故障 , 如此周期性重復(fù)。
2 故障初步分析
根據(jù)以上故障現(xiàn)象 , 分析其原因不外乎與 Z 軸有關(guān)的機械、電氣兩個方面。在機械方面 , 可能是由于貼塑導(dǎo)軌的熱變形、脫膠 , 滾珠絲杠、絲杠軸承的局部損壞或調(diào)整不當(dāng)?shù)仍蛞鸬姆蔷鶆蛐载?fù)載變化 , 導(dǎo)致進給系統(tǒng)的不穩(wěn)定。在電氣方面, 可能是由于某個元件的參數(shù)變化 , 引起系統(tǒng)的動態(tài)特性改變, 導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定等。
鑒于本機床采用的是半閉環(huán)伺服系統(tǒng), 為了分清原因, 維修的*步是松開 Z 軸伺服電動機和滾珠絲杠之間的機械聯(lián)接。在 Z 軸無負(fù)載的情況下, 運行加工程序 , 以區(qū)分機械、電氣故障。經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn) : 故障仍然存在, 但發(fā)生故障的時間有所延長。因此, 可以確認(rèn)故障為電氣原因 , 并且和負(fù)載大小或溫升有關(guān)。
由于數(shù)控機床伺服進給系統(tǒng)包含了 CNC 、伺服驅(qū)動器、伺服電動機三大部分, 為了進一步分清原因, 維修的第二步是將 CNC 的 X 軸和 Z 鈾的速度給定和位置反饋互換 （CNC 的 M6 與 M8,M7 與 M9 互換 ）,即：利用 CNC 的 X 軸指令控制機床的 Z 軸伺服和電動機運動 ,CNC 的 Z 軸指令控制機床的 X 軸伺服和電動機運動 , 以判別故障發(fā)生在 CNC 或伺服。經(jīng)更換發(fā)現(xiàn) , 此時 CNC 的 Z 軸 （ 帶 X 軸伺服及電動機 ） 運動正常 , 但 X 軸 （帶 Z 軸伺服及電動機）運動時出現(xiàn)振蕩。據(jù)此,可以確認(rèn): 控制 Z 軸的 CNC 正常, 故障在 Z 軸伺服驅(qū)動或伺服電動機上。
考慮到該機床 X 、 Z 軸采用的是同系列的 AC 伺服驅(qū)動 , 其伺服 PCB 板型號和規(guī)格相同 , 為了進一步縮小檢查范圍 , 維修的第三步是在恢復(fù)第二步 CNC 和 X 、 Z 伺服間的正常連接后 , 將 X 、 Z 的 PCB 板經(jīng)過調(diào)整設(shè)定后互換。經(jīng)互換發(fā)現(xiàn) , 這時 X 軸工作仍然正常 ,Z 軸故障依舊。可見 ,Z 軸的 PCB 板正常。
根據(jù)以上試驗和檢查 , 可以確認(rèn)故障是由于 Z 軸伺服主回路或伺服電動機的不良而引起的。但由于 X 、 Z 電動機的規(guī)格相差較大 , 現(xiàn)場無相同型號的伺服驅(qū)動和電動機可供交換?？紤]到伺服主電路和伺服電動機的結(jié)構(gòu)相對比較簡單 , 故采用了原理分析法再進行了以下檢查。
3 伺服主回路分析
經(jīng)過前面的檢查 , 故障范圍己縮小到伺服主回路與伺服電動機上。當(dāng)時筆者認(rèn)為伺服主回路 , 特別是逆變功率管由于長時間在高壓、大電流情況下工作 , 參數(shù)隨著溫度變化而變值的可能性較大。。
圖 1 伺服驅(qū)動主回路原理圖
圖1 中 ,NFBl 為進線斷路器 ,MCC 為伺服主接觸器 ,ZNR 為進線過電壓抑制器。 VA－VF 為直流整流電路 , TA － IF 為 PWM 逆變主回路。 C1 、 C2 、 C3 、 R1 組成濾波電路 ,V1 、V2、 R2 、 Tl 組成直流母線電壓控制回路。 R3 為直流母線電流檢測電阻，R4 、 R5 為伺服電動機相電流檢測電阻 ,R6-R8 為伺服電動機能耗制動電阻。
經(jīng)靜態(tài)測量 , 以上元件在開機時及發(fā)生故障停機后其參數(shù)均無明顯變化 , 且在正常范圍。
為此 , 對主回路的實際工作情況進行了以下分析和測量 : 對于直流整流電路 , 若 VA-VF 正常 , 則當(dāng)輸入線電壓 Ul 為 200V 時 ,A 、 B 間的直流平均電壓應(yīng)為 :UAB =1.35 × Ul =270V。考慮到電容器 C1 的作用 , 直流母線的實際平均電壓應(yīng)為整流電壓的 1.1-1.2 倍左右 , 即 :300 - 325V 左右。實際測量 （ 伺服單元的 CN3 的 5 腳與 CN4 的 1 腳間 ）, 此值為正常 , 可以判定 VA-VF *。
對于直流母線控制回路 , 若 V1 、 V2 、 T1 、 R2 、 R3 工作正常 , 則 C 、 D 間的直流電壓應(yīng)略低于 A 、 B 間的電壓 , 實際測量 （ 伺服單元的 CN4 的 1 腳與 CN4 的 5 腳間 ）, 此值正常 , 可以判斷此回路*。
測量 PWM 逆變主回路輸出 （T1 的 5 、 6、７端子 ）, 發(fā)現(xiàn) V 相電壓有時通時斷的現(xiàn)象 , 由此判斷故障可能在 V 相。將 U 相的逆變晶體管 （TA 、 TB） 和 V 相的逆變晶體管 （TC 、TD） 進行互換 , 但故障依舊。因此 , 可以確認(rèn) : 伺服驅(qū)動正常 , 故障原因應(yīng)在伺服電動機上。
4 伺服電動機檢查與維修
對伺服電動機進行仔細的檢查 , zui終發(fā)現(xiàn)電動機的 V 相絕緣電阻在故障時變小 , 當(dāng)放置較長時間后 , 又恢復(fù)正常。為此 , 按以下步驟拆開了伺服電動機 （ 圖 2）:（1） 松開后蓋連接螺釘 6, 取下后蓋 11;（2） 取出橡膠蓋 12;（3） 取出編碼器連接螺釘 10, 脫開編碼器和電動機軸之間的連接 ;（4） 松開編碼器固定螺釘 9, 取下編碼器 （ 注意 : 由于實際編碼器和電動機軸之間是錐度啃合 , 連接較緊 , 取編碼器時應(yīng)使用專門的工具 , 小心取下 ）;（5） 松開安裝座的連接螺釘 8, 取下安裝座 7 。這時 , 露出電動機繞組 5 。經(jīng)檢查 , 發(fā)現(xiàn)該電動機繞組和引出線中間的連接部分由于長時間的冷卻水滲漏 , 絕緣已經(jīng)老化。經(jīng)過重新連接、處理 , 再根據(jù)圖 2 重新安裝上安裝座 7, 并固定編碼器連接螺釘 10, 使編碼器和電動機軸啃合。
5 轉(zhuǎn)子位置的調(diào)整
在完成伺服電動機的維修后 , 為了保證編碼器的安裝正確 , 又進行了轉(zhuǎn)子位置的檢查和調(diào)整 , 方法如下 :（1） 將電動機電樞線的 V 、 W 相 （ 電樞插頭的 B 、 C 腳 ） 相連 ;（2） 將 U 相 （ 電樞插頭的 A 腳 ） 和直流調(diào)壓器的 + 端相聯(lián) ,V 、 W 和直流調(diào)壓器的 - 端相聯(lián) （ 見圖 3a）,編碼器接入+5V 電源 （ 編碼器插頭的 J 、 N 腳間 ）;（3） 通過調(diào)壓器對電動機電樞加入勵磁電流。這時 , 因為 Iu=Iv+Iw, 且 Iv= Iw, 即使電動機工作在圖 3b 所示的π /2 位置 , 因此伺服電動機 （永磁式 ） 將自動轉(zhuǎn)到 U 相的位置進行定位 （ 注意 : 加入的勵磁電流不可以太大 , 只要保證電動機能進行定位即可。實際維修時調(diào)整在 3－5A）;
（4） 在電動機完成 U 相定位后 , 旋轉(zhuǎn)編碼器使編碼器的轉(zhuǎn)子位置檢測信號 C1 、 C2 、 C4 、 C8（ 編碼器插頭的 C 、 P 、 L 、 M 腳 ） 同時為 1, 和電動機實際位置保持一致 ;（5） 安裝編碼器固定螺釘 , 裝上后蓋 , 完成電動機維修。
經(jīng)以上維修 , 機床恢復(fù)了正常。
6 結(jié)語
數(shù)控機床的軟故障是維修過程中zui難解決的問題之一。在條件許可時 , 使用互換法可以較快地判別故障所在 , 而根據(jù)原理進行分析 , 是解決問題的根本辦法。維修人員應(yīng)根據(jù)實際情況 , 仔細分析故障現(xiàn)象 , 才能判定故障原因 , 并加以解決。
