伺服系统故障实例与诊断优化分析

【例1-10】 GF NDM25/100全功能数控车床，CNC系统采用FANUC 6TB系统。X轴自动抖动故障的排除，X轴无规律振动故障。

故障现象：X轴无进给命令自动上下抖动，X轴无规律振动。

故障检查与分析：该机床为GF NDM25/100全功能数控车床，CNC系统采用FANUC 6TB系统。伺服系统采用全闭环伺服控制方式。其进给系统如图1-7所示。根据系统的组成，全闭环伺服控制系统框图如图1-8所示。

由图1-7和图1-8可以看出，该系统具有位置和速度两个控制环节。根据其故障现象，由系统稳定性判据条件定性分析，查知光栅、速度放大、测速发电机、位置放大环节均正常。观察机床工作状况，在伺服准备好状况下，X轴无进给命令自动上下抖动，有进给命令时偶尔发生410跟随误差报警，故而断定问题出在机械传动部分。

该机床为GF NDM25/100全功能数控车床，该故障在低速时触摸有振动感觉，快速时感觉不明显。加工工件尺寸正常。但在车削圆锥面，即X轴有插补进给时，工件表面有沟痕出现，且无任何报警。根据图1-7和图1-8，应用稳定性的判定原理分析，故障不在位置环，而应在速度环，检查速度环发现测速发电机个别电刷已全部磨损。

图1-7 全闭环伺服进给系统图

图1-8 全闭环伺服控制系统框图

故障处理：经查X坐标轴向定位松动，机械处理后，故障排除。更换新电刷后故障排除。

说明：通过对全闭环直流伺服系统的理论分析与实践处理，可认为理论对实践的指导作用是不可忽视的。在此条件下，可以减少盲目性，提高准确性，缩短维修时间。可以说，这种理论与实践的结合对于维修工程师是行之有效的方法。

【例1-11】 配备FANUC数控系统的数控车床，进给驱动为直流伺服电动机和晶闸管逻辑无环流可逆调速装置。

故障现象：Y轴正向进给正常，反向进给有时移动、有时停止，采用手摇脉冲发生器进给时也是如此。

故障检查与分析：通过用交换法诊断，将故障定位在Y轴的驱动位置上。如图1-9a所示为FANUC系统晶闸管逻辑无环流可逆调装置控制线路简图。用手摇脉冲发生器让Y轴正、反向进给，将示波器测试棒接CH19和CH20两测试端，观察电动机电流波形，如图1-9b所示。从图看出，反向波形有时为一条直线，偶尔闪出几个负向波形，可见电动机负向供电不正常。用万用表测量速度调节器输出端CH8点电压，其极性随正、反向进给而改变，无断续现象。测方向控制电路脚电压，正向进给时为0V，反向进给时为6.6V，方向控制输入电压正常。再测该电路输出脚9和10端电压，正向进给时SGA为低电平，SGB为高电平；反向进给时SGA为高电平，SGB为低电平，但有时会出现SGA和SGB皆为高电平的异常现象，这时反向就停止。

对逻辑无环流可逆控制系统，不允许正、反面组晶闸管同时导通，在该逻辑切换电路中，切换过程是电源向电容C20充电产生延时而获得的。可见故障是由于M7印制电路板外围电容C20不良引起的，从而产生SGA和SGB同时为高电平的异常现象。

图1-9 FANUC系统晶闸管逻辑无环流可逆调装置控制线路

a）控制线路简图 b）电动机电流波形

故障处理：经调换印制电路板外围电容C20，故障排除。

【例1-12】 FANUC 0TE系统401号报警故障。

故障设备：济南第一机床厂MJ-50型数控车床，采用FANUC0TE-A2数控系统，轴进给为交流伺服。

故障现象：X轴伺服板PRDY（位置准备）绿灯不亮，0V（过载）、TG（电动机暴走）两报警红灯亮，CRT显示401号报警。通过自诊断DGNOS功能，检查诊断数据DGN23.7为“1”状态，无“VRDY”（速度准备）信号；DGN56.0为“0”状态，无“PRDY”信号。X轴伺服不走。断电后，NC重新送电DGN23.7为“0”，DGN56.0为“l”，恢复正常，CRT上无报警。按X轴正、负方向点动，能运行，但走后约2～3s，CRT又出现401号报警。

故障检查与分析：因每次送电时，CRT不报警，说明NC系统主板没有问题，故障可能发生在伺服系统。采用交换法，先更换伺服电路板，即X轴与Z轴伺服板交换（注意：短路棒S的位置）。交换后，X轴可走，但不久出现400号报警，而Z轴不报警，说明故障在X轴上，继续重换驱动部分（MCC）后，X轴正、负方向走动正常并能加工零件，但加工第二个零件时，又出现400号报警。

查X轴机械负载，卸传动带，查丝杠润滑，用手可使刀架上下运动，确认机械负载正常，变伺服电动机，绝缘正常，电动机电缆、插接头绝缘正常，用钳形电流表测量X轴伺服电动机电流，电流值在6～11A范围内变动。查说明书，X轴伺服电动机为A06B-0512-B205为05型，额定电流为6A，而现空载电流已大于6A，但机械负载正常，只能怀疑是制动抱闸没有松开。电动机带抱闸转动。用万用表检查，果然制动电源90V没有，查保险管又未熔断，再查，发现保险座锁紧螺母松动，板后保险管座的引线脱落，造成无制动电源。

故障处理：将上述部位修复后，故障排除。

说明：由于X轴电动机刚抱闸还能转动，容易误认为抱闸已松开，可实际是过载。因伺服电动机电流过大，造成电流环报警，引起NC系统出现“PRDY”（位置准备）信号没有，接触器MCC不作用又使“VRDY”（速度准备）信号没有，从而出现401号报警及0V和TG红灯亮。当电流大到一定程度就会出现400号报警。因此，不能单纯按照说明书检查步骤去查，而应从原理上思考分析后，去伪存真，抓住本质解决问题，以免走弯路。

【例1-13】 数控车床数字伺服系统故障。

故障设备：美国CS-42数控车床，采用FANUC0TB数控系统。

故障现象：随机性报警停车，CRT上显示信息为401 SEVO ALARM（VRDYOFF）414SEVO ALARM X轴DETECT ERR 424 SEVO Al ARM Z轴DETECT ERR 434 SEVOALARM 3轴DETECTERR，伺服板上HC二极管发亮显示报警。

故障检查与分析：根据报警内容，判断401号报警的原因可能是数字伺服控制单元上的电磁接触器MCC未接通，数字伺服控制单元没有加上100V电源，数字伺服控制板或主控制板接触不良。414、424、434号报警是X轴、Z轴和第3轴数字伺服系统有故障，很可能是这三个轴的输入电源电压太低，伺服电动机不能正常运转。而HC报警的主要原因是伺服板上有电流穿过伺服放大器。根据以上分析，检测MCC接触器的线圈、连接导线、浪涌吸收器等元件均无异常。进一步检测观察，发现热保护动作有问题。

故障处理：调整MCC热保护开关，使其完全复位。

【例1-14】 FAN UC 0TD系统误差的排除。

故障现象：机床运转正常，CRT显示器参考点位置没变，但每次按程序加工时，Z轴方向总是相差5mm左右。

故障检查与分析：该机床为沈阳第三机床厂生产的S3-241数控车床，数控系统原为美国DYNAPATN系统，后改造为日本FANUC 0TD系统。故障产生的这5mm误差显然不能由刀具补偿来解决，肯定有不正常因素。经调查了解到，前一天加工时，因Z轴护挡板坏了，中间翘起，迫使Z轴走不到位（Z轴丝杠转不动）而停机。修好护挡板，开机时就出现此故障。

检查：轴的减速开关、挡铁都未松动，实际参考点位置与CRT显示值也相差5mm左右，而丝杠的螺距是8mm，因此正好差半圈左右。NC发令Z轴电动机运转，而Z轴丝杠因挡板卡住而转不动，很可能造成联轴器打滑。打滑后机床返回参考点时，减速开关释放后，找编码器栅格“1转”PC信号。原来转小半圈就找到了“1转”信号，而现在估计要转大半圈才找到“1转”PC信号（见图1-10）。这样参考点尺寸位置就相差半个螺距了。

故障处理：松开Z轴联轴器，转动Z轴电动机轴半圈（丝杠轴不动）。再试返回参考点，出现有时小于5mm，有时大于5mm的现象。我们估计“1转”信号处于临界位置，再松开联轴器，再转1/4圈，再试返回参考点和各程序动作，位置尺寸正常，实践与分析一致，故障排除。

【例1-15】 NH-1型数控螺杆车床进给失控故障的解决。(www.xing528.com)

故障现象：在进行螺杆铣削加工时，发生进给失控的故障。Z轴进给速率呈现无规律状态，经过一段时间后或者停机后重新开机，恢复正常工作状态。

故障检查与分析：该机床为NH-1型数控螺杆车床，数控系统采用FANUC6TB。

图1-10 编码器“1转”信号与丝杠螺距关系图

机床在进行螺纹切削加工时，伺服轴的进给量与主轴速度存在一定的关系，进给速率采用每转毫米数为单位。主轴位置由主轴脉冲编码器进行测量，进给轴位置由进给轴位置检测装置进行测量，同时输入主板进行位置控制。为了比较直观地分析故障时主轴位置与Z轴位置之间的关系，利用拓印出加工件表面刀具轨迹拓印图的方法，从拓印图上直观地分析主轴与Z轴之间的位置关系（见图1-11）。

图1-11 故障表面轨迹拓印图

发生故障时机床的切削条件也是必须考虑的因素之一。当时的切削条件为：主轴转速为0.12r/min，Z轴进给速率f=140mm/r，程序号为00046，螺纹线数为3。故障发生后重新核对了加工程序，与原输入程序完全相符。该程序已被加工实践证明正确无误，且故障发生在一个程序段执行过程之中，所以程序方面的原因可以排除。

从分析拓印图刀具轨迹可以看出，两次故障开始发生时的主轴位置相同。第一次故障从开始到恢复正常，主轴转动约80.8°，历时约1.87min，螺纹在Z轴方向向前偏移17mm。第二次故障从开始到恢复正常，主轴转动约38.86°，历时约0.90min，螺纹在Z轴方向向前偏移6.5mm。从刀具轨迹还可以看出，故障期间刀具在Z轴方向的运动与主轴位置之间呈无规律状态。

从两次故障开始发生时主轴位置相同，Z轴进给速率f值增大（螺纹在Z轴方向向前偏移）这两点，我们认为故障的原因是丢失了主轴脉冲所致。导致主轴脉冲编码器丢失脉冲，可能的原因是由于主轴转速太低（主轴转速为0.12r/min），主轴脉冲编码器每转脉冲数为1024，在这样低的主轴转速下，主轴脉冲编码器每秒钟发出的脉冲数为2.05，在这样低的频率下比较容易由于某种原因使脉冲波形（幅度和脉冲比）产生变化而造成脉冲丢失，引起上述故障，一直到主轴脉冲波恢复正常为止，故障自动消失。

故障处理：基于上述对该故障产生原因的推论，我们采取的对策是：在加工工艺允许的条件下，尽量提高主轴的转速，以提高主轴脉冲的频率来提高其抗干扰性。在以往的加工过程中，出现这类故障都是发生主轴处于最低转速档进行铣削加工时。在进行车削加工和较高主轴转速的铣削加工时，均未出现过上述故障。

【例1-16】 日本NT-150K型数控车床410、416报警。

故障现象：该机床用FANUC 0TC系统控制，配用FANUCS系列交流速度控制单元。机床在手动方式移动X轴时，有时会出410或416报警，多数是410报警。在自动方式进行加工程序循环，一般在半小时内就会出现上述两种报警。

故障检查与分析：410报警表示X轴停止时位置偏差量超出了由参数593所设定数值。检查参数593，和Z轴一样，为150，没有改变。考虑到X轴在大部分时间是正常的，无需如维修手册提示那样对X轴伺服参数重新进行初始设定。用诊断参数DGN800检查X轴实际位置偏差量，发现有时停止时要比Z轴DNG801大得多。416报警表示X轴位置检测反馈信号断线或短路，这是位置偏差量过大的常见原因之一。和另一台同型号机床交换X轴电动机编码器至轴卡M35插座的J220电缆，然而故障依旧。又交换了轴卡，还不能排除故障。再检查速度单元和伺服电动机。断开NC电源，脱开电动机三相插头，再接通电源（如垂直轴要有防落措施），用万用表直流电压档测量X轴速度单元板上给电动机供电的三相相间电压，都有电压，这说明故障在电动机侧。检查电动机线和电动机，发现有一相接线似断非断，重新焊接，安装好后开机，运行正常，故障被排除。

【例1-17】 一台数控车床出现400号和401号报警。

数控系统：FANUC0TC系统。

故障现象：这台机床开机就显示报警“400 SERVO ALARM：1.2TH OVERLOAD（伺服报警第一、二轴过载）”和“401 SERVO ALARM：1.2TH AXIS VRDY OFF（伺服报警第一、二轴没有VRDY信号）”，指示Z轴伺服有问题。

故障检查与分析：因为系统开机就出现400号报警，指示一、二轴过载，两个轴都没有动，说明这个报警并不是真实的过载报警。系统说明书关于401号报警的解释，为数控系统没有得到伺服控制的准备好（Ready）信号。

根据机床控制原理图进行检查，伺服系统电源模块上没有三相电源输入，进一步检查发现，接触器MCC没有吸合，而MCC是受伺服系统的电源模块控制的，检查模块的供电没有问题，因此怀疑伺服系统的电源模块损坏，采用互换法与另一台机床的电源模块对换，证明确实是伺服电源模块损坏。

故障处理：将损坏的电源模块维修后，机床恢复了正常工作。

【例1-18】 一台数控车床出现报警414 SERVO ALARM（X AXIS DETECT ERR）（伺服报警X轴检测错误）。

数控系统：FANUC 0TC系统。

故障现象：屏幕显示414号报警，指示X轴伺服有故障。

故障检查与分析：查阅FANUC数控系统诊断手册得知，在伺服出现414报警时，通过诊断数据DGN N0720可以查看一些故障的具体原因，利用系统的诊断功能调出诊断数据DGNN0720进行查看，发现第5位变为了“1”，通常没有报警时应该为“0”，第5位变为“1”表示伺服驱动过电流。

这台机床的伺服装置采用FANUCα系列数字伺服装置，在出现报警时检查伺服系统，发现伺服驱动模块的数码管上显示“8”。查阅FANUC伺服系统技术手册得知，伺服驱动的“8”号报警同样也表示伺服轴过电流。将该伺服驱动模块安装到其他机床上，也显示同样的报警，说明这个伺服驱动模块出现问题。

故障处理：对损坏的伺服驱动模块进行检查发现，其上几只IGBT损坏，更换新的后机床故障排除。

【例1-19】 一台数控车床出现报警424 SERVO ALARM（Z AXIS DETECT ERR）（伺服报警Z轴检测错误）。

数控系统：FANUC 0TC系统。

故障现象：屏幕显示424号报警，指示Z轴伺服有故障。

故障检查与分析：这台机床采用FANUCα系列数字伺服装置，X轴和Z轴使用一块双轴伺服驱动模块，在出现报警时检查伺服系统发现，伺服驱动模块的数码管上显示“9”。查阅FANUC伺服系统技术手册得知，伺服驱动的“9”号报警指示第二轴Z轴过电流。

查阅数控系统报警手册，424报警为Y轴的数字伺服系统有错误，在伺服出现424报警时，通过诊断数据DGN N0721可以查看一些故障的具体原因，利用系统的诊断功能调出诊断数据DGN N0721进行查看，发现第4位变为了“1”，通常没有报警时应该为“0”，第4位变为“1”表示伺服驱动出现异常电流。

出现这个报警的原因分析：

1）Z轴负载是否有问题，将Z轴伺服电动机拆下，手动转动滚珠丝杠，发现很轻没有问题，这时开机，只让伺服电动机旋转，也出现报警，所以不是机械故障。

2）伺服电动机是否有问题，将X轴伺服电动机与Z轴伺服电动机对换，还是Z轴出现报警，证明伺服电动机没有问题。

3）伺服驱动模块是否有问题，与其他机床互换伺服驱动模块，故障转移到另一台机床上，这台机床恢复正常，证明是伺服驱动模块出现故障。将伺服模块拆开进行检查，发现Z轴W相的晶体管模块损坏。故障处理：更换W相晶体管模块后，故障排除。