伺服系统故障实例与诊断

【例3-9】 FANUC α伺服驱动器出现报警“8”的故障维修。

故障现象：采用FANUC 0M数控系统的立式加工中心，在加工过程中，CRT上出现ALM414报警，伺服驱动器上显示报警“8”。

故障检查与分析：该机床采用的是FANUC α系列数字伺服驱动系统，通过查阅系统维修手册可知，系统ALM414报警的含义为“X轴的数字伺服系统错误”，驱动器上显示“8”，表示L轴（在机床上为X轴）过电流。

根据报警显示内容，通过机床自诊断功能，检查诊断参数DGN 720，发现其第4位为“1”，即X轴出现过电流（HCAL）报警。

FANUC数字伺服X轴产生HCAL报警的原因主要有：

1）X轴伺服电动机的电枢线产生错误。

2）伺服驱动器内部的晶体管模块损坏。

3）X轴伺服电动机绕组内部短路。

4）伺服驱动器的主板PCB损坏。

根据故障情况，由于发生故障前机床可以正常工作，故基本可以排除X轴伺服电动机连接错误的可能性。

故障处理：测量X轴伺服电动机的电枢绕组，发现三相绕组电阻相同，阻值在正常的范围，故可以排除电动机绕组内部短路的原因。检查伺服驱动器内部的晶体管模块，用万用表测得电源输入端的相间电阻只有6Ω，低于正常值，因此，可以初步判定驱动器内部晶体管模块损坏。经检查确认晶体管模块已经损坏，更换晶体管模块后，故障排除。

【例3-10】 脉冲编码器A相信号错误导致轴运动产生振动。

故障现象：FAUNUC 6ME系统双面加工中心在运动的过程中产生振动，并且在CRT上出现NC416报警。

故障检查与分析：根据故障现象，分析引起故障的原因可能有以下几种：

1）速度控制单元出现故障。

2）位置检测电路不良。

3）脉冲编码器反馈电缆的连线和连接不良。

4）脉冲编码器不良。

5）机床数据是否正确。

6）伺服电动机及测速机故障。

故障处理：针对上述分析出的原因，对速度控制单元、主电路板、脉冲编码器反馈电缆的连接和连线进行检查，发现一切正常，机床数据正常，然后将电动机与机械部分脱开，用手转动电动机，观察713号诊断状态。713号诊断内容为：713.3为X轴脉冲编码器反馈信号，如果断线，此位为“1”；713.2为X轴编码器反馈一转信号；713.1为X轴脉冲编码器B相反馈信号；713.0为X轴脉冲编码器A相反馈信号。713.2，713.1，713.0正常时电动机转动应为“0”、“1”不断变化，在转动电动机时，发现713.0信号只为“0”不变“1”；用示波器检测脉冲编码器的A相、B相和一转信号，发现A相信号不正常，因此通过上述检查可判定调轴脉冲编码器不良，经更换新编码器，故障解决。

【例3-11】 Z轴伺服异常故障。

故障设备：中国台湾MCV1020加工中心，采用FANUC 0M数控系统。

故障现象：加工过程出现AL434报警，即Z轴伺服异常。

故障检查与分析：查维修手册，434号报警表示Z轴伺服异常，详细内容可检查诊断号DGN722。通过检查诊断号DGN722，发现当Bit2变为1时，即出现DCAL报警。按[RESET]键，报警消失，机床正常。但工作一段时间后又出现AL434报警，工作时间长短无规律。分析DCAL报警主要原因有以下几种：

1）再生放电晶体不良或伺服放大器板故障，可通过电源开关接通后是否立即出现AL434报警确认。

2）伺服放大器功能开关设定错误。

3）加减速频率太高。

4）分离式再生放电单元连接不良。根据报警时有时无，考虑该机床使用时间不长的实际情况，检查伺服放大器功能开关设定及加减速频率参数没变，故怀疑是再生放电单元连接不良引起AL434报警。拆下Z轴伺服放大器，逐个紧定压线螺钉，发现再生放电电阻的压线螺钉松动。

故障处理：紧定松动的螺钉，复原电路后，机床故障排除。

【例3-12】 Y轴伺服一进入准备状态就出现过电流报警（报警号SV003）故障的处理。

故障现象：CNC通电起动完成后，伺服系统一进入准备状态，立即出现SV003报警，内容为YAXIS EXCESS CURRENT IN SERVO。

打开控制电柜门，观察X、Y、Z轴三个伺服放大器的状态，发现Y轴伺服单元的控制板上的过电流报警灯HC（红色）点亮。意思是Y轴伺服放大器的DC（直流）回路出现过电流。

故障检查与分析：KMC-300SD龙门式加工中心，配用日本FANUC 15MA数控系统。三个坐标轴的驱动是FANUC交流伺服系统。采用SPWM技术，其交流伺服系统主回路结构见图3-4。

图3-4 交流伺服主回路结构

左边一组三相整流桥DS将R、S、T三相电源整流成直流电，经电容C滤波后给逆变桥TM提供逆变电源，这部分就是DC回路。R_I电阻是直流回路的电流采样电阻，R_U、R_V、RW是交流回路采样电阻。

该故障比较明显，一定在Y轴驱动器本身或伺服电动机上。首先在伺服电动机端子上拆除U、V、W三根线。重新起动系统，故障依然出现，说明问题不在伺服电动机上。为进一步缩小故障范围，在恢复Y轴伺服电动机接线后，又交换了Y轴和Z轴的伺服控制板，HC报警随之移到Z轴，至此故障定位到Y轴控制板上。

参看图3-4，故障可能出现在以下几个环节：

1）印制电路板上与“直流回路电流采样电阻R_I相关”的电流检测、反馈部分损坏。

2）逆变桥大功率晶体管GTR的驱动回路损坏。

上述两点的确认，使印制电路板的检修范围大大缩小，从而提高检修效率。

使用BW4040在线测试仪的VI曲线分析功能，同时进行Y轴故障板和Z轴好板的相关节点比较，很快找到了故障原因：有两个驱动GTR的厚膜集成电路（型号DV47HA6640）损坏。从图3-4可以看出，它使同一列中的两个GTR同时导通，造成直流回路短路，因而在MCC吸合给主回路加电时，在DC回路中产生过电流，伺服控制板检测到报警后，自身的报警逻辑即自动切断MCC。

故障处理：更换两个损坏的厚膜集成电路DV47HA6640后，故障排除。

【例3-13】 测速发电机连接松动，轴进给时速度不稳。

故障现象：TH5632-4立式加工中心，FANUC 6ME系统。该机X坐标轴在运动时速度不稳，当停止的指令发出后，在由运动到停止的过程中，在指令停止位置左右出现较大幅度的振荡位移。有时振动几次后可稳定下来，有时干脆就停不下来，必须关机才行。振荡频率较低，没有异常声音出现。

故障检查与分析：从现象上看故障当属伺服环路的增益过高所致，结合振荡频率很低、X轴拖板可见明显的振荡位移来分析，问题极有可能出在时间常数较大的位置环或速度环增益方面。首先检查位置环增益设置正常，其次人为将X轴伺服放大器上的速度环增益电位器调至最低位置。故障依然存在，而且没有丝毫改善。

既然伺服环路的增益没有问题，故障就可能来自伺服执行部件及反馈元件上。拆开伺服电动机，对测速发电机和电动机换向器用压缩空气进行清理，故障没有消除。用数字表准备检查测速发电机绕组情况时，发现测速发电机转子部件与电动机轴之间的连接松动（测速机转子铁心与伺服电动机轴之间的连接是用胶粘接在一起的）。由于制造上存在缺陷，在频繁的正、反向运动和加、减速冲击下，粘接部分脱开，使测速发电机转子和电动机转动轴之间出现相对运动，这就是导致X轴故障的根源。

故障处理：认真清洁粘接表面后，用101组胶重新粘接，故障消除。

【例3-14】 某立式加工中心，配备FANUC 0系统及α系列伺服驱动单元，出现驱动过载故障。

故障现象：加工中心不能正常工作，CRT显示414号报警。同时α伺服驱动单元报警显示号码“9”。

故障检查与分析：①查阅FANUC 0数控系统出错代码可知：414号报警为“X轴的伺服系统有错误，当错误的信息输出至DGNOS N0720时，伺服系统报警”；②根据414号报警显示内容，检查机床参数DGNOS N0720上的信息，发现第4位为“1”，正常情况下，该位应为“0”；③查阅技术资料得知DGNOS N0720第4位由“0”变“1”，表示伺服系统异常电流报警；④根据α系列伺服驱动单元报警显示号码“9”，查阅伺服系统维修资料得知“9”号报警表示过电流，原因一般为晶体管模块损坏。因此检查伺服驱动单元晶体管模块，用万用表测得电动机电源输入端阻值只有6Ω，低于正常值的10Ω，故障为伺服驱动单元晶体管模块损坏。

故障处理：更换相同的晶体管功率模块，若没有相同的备件，可选择工作电流、反向截止电压、频率、功耗等参数相近晶体管模块替代。

【例3-15】 KMC-300SD龙门式加工中心，装配日本FANUC公司的15MA数控系统。三个坐标轴的驱动是FANUC的交流伺服系统。(https://www.xing528.com)

故障现象：随机出现“速度准备好信号断开”故障，报警号为SV013。正常加工过程中，CRT界面上突然出现SV013报警，报警信息是：Y AXIS IMPROPER V-READY OFF（Y轴速度没准备好）。

故障检查与分析：FANUC数控系统与伺服单元之间的联系如图3-5所示。观察伺服单元，发现Y轴伺服板上的VRDY发光二极管熄灭，也就是说Y轴伺服单元上的“速度准备好”信号断开。该故障随机出现，频度逐渐增高。CNC通电并起动完成后，首先发出位置环准备好信号MCON到伺服单元，伺服单元收到该信号后，使其自身的接触器MCC吸合，主触点给伺服单元主回路通电。如伺服单元工作正常（指没有过流、过压、过热、测速反馈断开等故障），MCC就保持吸合，其上的一个辅助触点闭合送回CNC。对伺服单元而言，这就是“伺服单元准备好”信号VRDY；对CNC而言是“速度环准备好”信号V-READY。CNC收到这个回答信号后，整个系统的准备过程完成，进入可操作状态。

图3-5 FANUC数控系统与伺服单元之间的联系

上述故障的实质就是指MCC的辅助触点出了意外断开，原因可能产生于：

1）伺服单元自身故障。

2）伺服电动机或驱动模块故障导致主回路过电流报警使MCC脱开。

3）CNC与伺服单元之间的连接不良。

仔细观察Y轴伺服控制板，除VRDY发光二极管熄灭，没有其他的报警LED点亮，因此可排除上述原因②。在检查完CNC和伺服板之间的连接电缆没有发现问题后，采用替换法检验伺服板是否损坏，交换了Y轴和Z轴伺服放大器最上层的控制板，故障依旧。接着又交换了下层的主回路板，该印制电路板上含有MCC接触器，交换后故障从Y轴移至Z轴，说明故障在此板。

故障处理：该板上MCC接触器的线圈直接通过插接式连接器的一个脚CN3-11与上层控制板相连。直接通过100B和CN3-11这两个脚给线圈加110V交流控制电压，过一段时间后就发现MCC有失电现象，说明线包有缺陷。重新绕制线圈后机床恢复正常。

【例3-16】 “X轴驱动模块损坏”的故障检查与分析。

故障现象：414号报警、同时伺服单元报警显示“9”。

故障检查与分析：该机床为北京机床研究所生产的KT400V加工中心，采用FANUC 0M数控系统。

从CRT上显示的信息和伺服驱动单元的警示，可以看出该故障应为伺服驱动单元的故障。查阅机床技术资料得知：414号报警的内容为“X轴的数字伺服系统有错误，当错误的细节被输出给DGNOS NO 720时，数字伺服系统报警。”根据报警显示内容，用机床自诊断功能DGN检查NO720上的错误细节，发现第4位为“1”，即第4位发生了报警。查阅有关技术资料得到如下信息：

DGN NO 720～723伺服系统警示内容：

其中：NO720：X轴；NO721：Y轴；NO722：Z轴；NO723：第4轴。

0 OFAL：溢出警示信号发生；

1 FBAL：断线警示信号发生；

2 DCAL：再生放电电路警示信号发生；

3 HVAL：过电压警示信号发生；

4 HCAL：异常电流警示信号发生；

5 OVC：过电流警示信号发生；

6 LV：电压不足警示信号发生；

7 OVL：过载警示信号发生。

从上述资料可以看出：DGNOSNO720第4位报警为异常电流警示信号发生。其HCAL报警的故障原因为：①X轴伺服驱动电动机电源线接错；②伺服驱动单元晶体管模块损坏；③X轴伺服驱动电动机线圈内部短路；④伺服驱动单元板PCB损坏。

对于原因①因从未有人任意动过X轴伺服驱动电动机电源线，故不可能存在。对于原因③，检查X轴伺服驱动电动机线圈内部无短路，也可排除。对于原因②，检查伺服驱动单元晶体管模块，用万用表测得电源输入端阻抗只有6Ω，远远低于正常值10Ω。因而可判定为伺服驱动单元晶体管模块损坏。检查U、V、W三相，确认为U相短路。

故障原因：因工厂电源电压不稳定，而该机床又没有配备稳压电源，致使伺服驱动单元晶体管模块损坏，造成异常电流报警，DGNLOS NO 720第4位输出报警信息细节，从而产生414号报警。

故障处理：更换一晶体管模块后，故障排除。

【例3-17】 因PC参数变动引起X轴电动机强烈振动故障。

故障现象：在整机起动完成、进入可操作状态后，X轴只要一运动（包括回零过程），无论是在运动中还是停下来之后，X轴电动机即出现强烈振动，噪声很大，频率很高，没有任何报警。

故障检查与分析：KMC-3000SD龙门加工中心，采用FANUC 15MA系统。故障出现后，仔细观察X轴拖板，感觉不到有振荡位移。打开X轴伺服电动机后罩，可看到转子以很小的幅度极高的频率在振动，且振动的噪声来自X轴伺服电动机。考虑到振动无论是在运动中还是静止时均发生，肯定与运动速度无关，基本上排除了测速发电机和位置反馈编码器损坏的可能性。极有可能是伺服环路的增益调整过高所致。而从振动频率很高这点来看，时间常数较小的电流环可能性最大。

故障处理：FANUC15MA数控系统已将速度环、电流环的PID运算数字化，有关的一些调整全是以参数形式存放在CNC中的。为此我们调出参数画面，并与原机配置的参数表对照，重点查伺服环路增益方面的参数。很快就发现1852号参数和1825号参数严重超出正常值，正常值与当前值的比较如下：

参数号 正常值 当前值

1852 1000 3414

1825 2000 2770

将上述参数改正后，系统即恢复运行。

【例3-18】 新日本工机门式加工中心X轴位置反馈系统故障处理。

故障现象：该加工中心每次开机几乎都发生以下报警：

“EX14 X AXIS FEED SERV O FAULT”即X轴进给伺服系统故障；

“SV015 FEEDBACKDISCONNECTED ALARM”即反馈断线报警。

故障检查与分析：该机床由FANUC 15M系统控制，采用FANUC α型交流伺服电动机和海德汉LB326型光栅尺，做全闭环控制。因此，X轴的位置环测量装置不采用X轴电动机上的脉冲编码器，而是安装在工作台下的光栅尺。

在故障出现时按机床操作面板上的SERVICE键数次，直至出现伺服设定屏，然后按键，显示伺服调整屏，其中有关报警位显示如下：ALARM1 00000010 ALARM2 10011001，即ALARMl#2（FBA）=1，ALARM2#4（EXP）=1，ALARM2#7（ALD）=1，从FANUC α型交流伺服电动机维修手册指出，此时应为“分离型脉冲编码器断线（硬件）”，这里具体指的是X轴光栅测量系统存在着故障，可能的原因有：LB326型光栅尺和光栅头、EXE、I/F模块以及反馈电缆，但从以往的维修经验和以下两点来看光栅头污染的可能性最大：①每次开机几乎都发生报警，但也有不报警的；②发生报警与X轴的位置无关，几乎在X轴全程都可能发生报警，因此首先应从光栅尺中抽出光栅头并进行清洁。

对于LB326钢带型光栅尺，只能从一端（非拉簧端）抽出光栅头，该端正好在床身中部，必须暂时取消报警，以便移动工作台。要开动工作台的方法之一就是将光栅测量系统取消，改为半闭环，同时可进一步确认故障是否在光栅部分。改环和拆装光栅头的步骤如下：

1）按紧停。

2）按SERVICE键数次，直至出现参数设定屏，然后将PRM8000#0（PWE位）从0改为1。

3）将PRM1807#3、PRM1815#1都从1改为0，将PRM1978从1改为100。

4）将机床断电，然后再开，此时轴处于半闭环控制，SV015号等报警消失，可正常开动工作台，从而也确认了故障在光栅部分。

5）先将工作台朝-X方向开至接近极限位置，然后断电，脱开光栅头的电缆插头，拆去头上的两个固定螺钉，这时光栅头就可在尺体上自由移动。再通电，将工作台朝+X方向移动，直至留在-X端的光栅头出现。

6）光栅头装拆步骤：先拧松橡皮条压板上的螺钉，拧去端盖上的三螺钉，取下端盖和压板，小心地将头移出壳体。

7）用长纤维脱脂棉球蘸无水酒精，轻擦光栅头上的受光玻璃，使玻璃上无任何痕迹或污点。然后与拆卸时步骤相反将光栅头装好，并移动工作台，将它固定在原支架上。

8）连接光栅头电缆时机床要断电，断电前将原先改动的PRM1978等参数恢复原值。然后将电缆插头按原样连接好。

机床重新起动后，原故障不再出现，以最高速度全程移动工作台，也正常，表明故障已被排除。