加工中心故障检修

梁 毅 廖正菊 王志鹏

(中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川 绵阳621900)

一台加工中心采用SIEMENS802D 的数控系统，进给伺服驱动采用数字化的SIMODRIVE 611UE 驱动系统及SIEMENS1FK6 系列交流伺服电动机。主轴采用北京麦斯科自动化技术有限公司的主轴伺服控制器驱动交流变频电动机，实现主轴的无级调速。该主轴伺服控制器可对普通鼠笼式电动机和变频电动机的位置、转速、加速度和输出转矩通过编程进行控制。数控CNC、伺服驱动及I/O 接口之间通过现场总线PROFIBUS 连接，实现输入输出信号的传送和位置调节(速度给定和位置反馈信号)。该机床一年之内连续出现主轴变频器故障、主轴电动机故障、电动机线缆故障和参数故障。下面对这4 例故障进行故障原因分析并提出相应的解决措施。

1 主轴变频器故障

1.1 故障现象描述

机床数控启动完成后，按伺服上电按钮，变频器显示Er-03 故障代码，10 s 后电源模块、变频器和进给伺服模块掉电，显示屏上出现主轴和进给轴通讯故障。

1.2 故障诊断

电源模块、变频器和伺服驱动模块上电的原理如图1、图2。下面通过伺服上电的过程来分析、查找故障。

该伺服电源模块为IR 可控电源模块，其主要功能是产生直流母线电压，供给伺服驱动模块，同时产生数控模块和驱动模块内部使用的+ 15 V、+ 24 V 和+5 V电压。由图1、图2 可知，按伺服上电按钮后，Q8.3 输出为“1”，伺服上电的中间继电器KA10、接触器KM5 和KM6 得电，即交流380 V 同时输入电源模块和主轴变频器。电源模块得电后，直流母线开始预充电，预充电完成后脉冲使能信号、驱动使能信号相继输出为“1”，电源模块的整流电路工作，产生600 V 直流电压，直到电源模块的黄色灯亮后，电源模块才正常工作。变频器得电10 s 内输出就绪信号M01 到PLC，表明变频器工作正常。出故障后发现:按伺服上电按钮后变频器先出现Er-03 故障代码，10 s 后电源模块、进给伺服模块和变频器掉电，显示器上出现主轴和进给轴通讯故障。此时诊断Q7.0、Q7.1、Q7.2、Q8.0为0，Q8.2 为“1”，即主轴掉电。根据故障现象及I/O诊断初步判定变频器有故障。为了判断电源模块是否有故障，断开变频器故障输出信号MA(I9.6)，重新开机，机床无报警，电源模块工作正常，因此排除电源模块故障，故障定位在变频器。此时检查主轴变频器参数，发现有部分参数与备份参数不符，修改相关参数，但关机后再开机参数又变了，即参数不能被保存。测量变频器功率模块没发现功率管击穿和断路的迹象，而故障代码Er-03 在变频器说明书上无解释，因此不能深入检查变频器，只能更换变频器。

1.3 故障原因分析

根据电源模块和主轴变频器的上电原理可知，按伺服上电按钮后，PLCQ8.0 输出逻辑“1”信号，中间继电器KA10 得电，控制变频器和驱动电源的接触器KM5 和KM6 同时得电。如果变频器正常，变频器得电10 s 内输出就绪信号M01 到PLC，变频器和电源模块正常工作。如果变频器有故障，变频器得电后输出故障信息号MA 到PLC，PLC 输出主轴掉电信号，变频器得电10 s 后断开接触器KM5 和KM6 的线圈电压，断开电源模块和变频器的输入电压，主轴和各轴进给的驱动模块因没电而产生主轴和进给轴通讯故障。

1.4故障处理

变频器型号为BKS-CA0075G，该变频器已停产，用变频器BKS -4T7P5 替代。原变频器伺服就绪信号、准停到位信号和主轴掉电信号为继电器输出的24 V 电压信号，而新的变频器为集电极开路输出的0 ～5 V 电压信号，不能直接输入到PLC，需要外加继电器，利用其触点把该信号接入PLC，如图3 所示。

更换新的变频器并接好线，伺服上电10 s 后仍然出现各轴通讯报警。通过对PLC 程序多次诊断发现:新变频器的伺服就绪信号送出时间大于10 s，PLC 还没有收到该信号时PLC 就输出主轴掉电信号Q8.2，从而断开控制变频器和驱动电源的中间继电器KA10、接触器KM5 和KM6 的线圈电压，变频器和电源模块不工作。因此，修改PLC 内部时间继电器T16 的时间，由10 s 改为20 s 后，主轴变频器和电源模块的掉电故障解除，机床工作正常。

2 主轴电动机故障

2.1 故障现象描述

机床启动后，只要转动主轴，变频器就会出现Er-0报警。经诊断是电动机故障，但更换电动机后，电动机始终以很低的速度运转，且不能停止。

2.2 故障诊断与处理

根据变频器故障信息，Er-0 的含义为:变频器过流保护热报警。出现变频器过流保护热报警的原因有:主轴机械故障，电动机线路故障，变频器故障或电动机故障。断电后手动旋转主轴，主轴转动自由，没发现机械异常。检测电动机动力线无线间短路或对地短路情况发生。变频器是新更换的，查看没发现异常。测量电动机的三相绕组每两相间的电阻分别为1.507 Ω、0.844 Ω 和0.923 Ω，阻值差别较大，三相电阻不平衡度超过了+5%的允差要求，据此判断电动机出故障的可能性较大。详查电动机时闻到电动机有被烧焦的糊味，且电动机动力接线盒内有积水存在(至今没查明积水的来源)，拆卸电动机后发现电动机被严重烧毁。由于该电动机停产，只能根据电动机技术指标要求厂家定做。新电动机到后，电动机铭牌上标明该电动机尾部装有2 500 个脉冲/r 的编码器(用于主轴调速、定位)，而原电动机编码器为1 024 个脉冲/r。主轴装好后，需要修改主轴位置编码器脉冲数。修改方法:编码器的脉冲数为每转2 500，则变频器参数C18 改为800;编码器的脉冲数为1 024 个脉冲/r，则C18 改为1953。改C18 后，主轴始终以一个很低的转速转动，且主轴不能停止。咨询厂家电动机编码器脉冲数，厂家也模棱两可。凭经验，每转1 024 个脉冲的编码器用得比较普遍，于是试着修改C18 为1953。修改C18 后主轴转速可调，能正常停机。

2.3 故障原因分析

电动机因为积水的存在引起电动机得电时绕组间短路而被烧毁。电动机烧毁后，绕组间和绕组内部短路，电动机转动时必然产生过流保护热报警。换新电动机后主轴速度不可调的原因是新电动机编码器脉冲数设置不正确，变频器不能识别电动机的正确动态数学模型。该变频器为矢量变频器，控制对象是电动机，矢量控制变频器需要建立电动机的动态数学模型，因此电动机模型参数必需准确提供给变频器，变频器才能识别电动机模型，从而对电动机进行正确的控制。通过修改电动机编码器脉冲数所对应变频器参数C18可知，厂家告诉的编码器的每转脉冲数有误，矢量控制变频器不能识别电动机，从而保护变频控制器，使主轴以很低的速度运转。

3 Y 轴驱动故障

3.1 故障现象描述

机床运动过程中出现Y 轴有效编码器硬件故障(报警号25000)和各轴通讯故障(报警号26101、26102)。该故障出现没有规律，而且每次都是25000号报警最先出现。

3.2 故障诊断与处理

25000 报警是实际位置编码器的当前信号丢失，不相同或接地短路，坐标轴不再与机床实际值同步。该报警要求检查测量回路连接和编码器。26101 是各轴驱动不能通讯，要求检查驱动连接;26102 是各轴驱动不工作。出现这些报警后，电源模块和各轴都没有电，必然会产生各轴不工作和通讯故障。根据故障现象分析26101 和26102 报警都是因为25000 报警产生的，因此重点查找Y 轴驱动回路。Y 轴只有电动机内部一个编码器，分析产生编码器硬件故障的原因有:驱动器故障;编码器线缆故障;编码器故障;电动机动力电缆故障。交换X、Y 轴的驱动，故障不变，因此排除驱动器故障。电动机内的编码器和电动机的转子间有严格的位置安装要求，拆卸后如果不能恢复原位就会引起电动机振动，因此暂不检查编码器。又由于编码器部分电缆和电动机在机床护罩下面，机械拆卸工作量大，而重启机床后故障又消除，因此暂时让机床工作，等待观察。直到有一天，机床再次报警，而且重启机床后故障也不消除，伺服不能上电。此时检查电动机、编码器和电动机电缆发现保护该电动机电缆的拖链老化破碎，电动机动力电缆露于拖链之外，Y 轴电动机三相动力电缆已破损，其中一相断线。更换该动力电缆并修复塑料拖链后，故障消除。

3.3 故障原因分析

塑料拖链老化破碎，电动机电缆露于拖链之外，机床运动过程中电缆与床身长时间的机械摩擦、挤压，导致电缆破损。机床运动时，如果动力电缆破损处突然与机床短路，那么就要产生过流报警而突然停机，必然造成Y 轴编码器反馈与运动指令不符，从而产生编码器硬件故障的报警信息;电源模块因负载过大而产生断电保护，各轴因无电不工作，产生轴通讯故障。随着电缆磨损加剧和短路造成的瞬间大电流对电缆的烧蚀，故障出现频率越来越高，最终导致动力电缆断线缺相，系统因Y 轴电动机缺相而产生保护，禁止伺服上电。

4 参数故障

4.1 故障现象描述

操作者加刀具长度补偿时出现14710#报警。重新开机报警不能清除，机床不能回零，刀补也不能取消，不能编辑加工程序。

4.2 故障诊断与处理

14710#报警含义:系统在启动和复位之后产生初始化程序，在此过程中可能会因为机床数据设定有误而出错。系统在启动和复位之后产生的初始化程序错误共分为5 段，其中段1 就是选择刀具长度补偿出错。出现段0 ～段3 的错误时都需要重新加载机床备份数据。

802D 的数据保护原理:802D 配备了16 M 高速闪存FLASH ROM 和32 M 静态存储器。静态存储器区存放工作数据(可修改)，它是支持系统工作必不可少的数据。高速闪存区存放固定数据，通常作为数据备份区、出厂数据区、PLC 程序和文本区等，以及存放系统程序，如图4 所示。备份数据区内的数据内容是系统在数据存储操作后将工作数据区内的全部内容复制到备份数据区，是对工作数据区数据的一种保护。出厂数据区内容是数控系统在出厂时的标准数据(机床数据的缺省值)，仅有此数据，系统无法正常支持一台数控机床工作。当工作数据区内的数据做过修改时必须把该数据全部内容复制到备份数据区，以便下次机床数据丢失或不正确时进行数据恢复。

故障处理:把高速闪存中的备份数据加载到静态存储器后故障排除。数据加载方法参照802D 系统手册执行。

5 结语

(1)数控机床对位置环境的温度、湿度均有一定的使用要求，如果温度变化较大、湿度较高、灰尘较大，将使控制系统元件使用寿命降低，并导致故障增多。该机床的使用环境的湿度、灰尘较大是出现上述多硬件故障的原因之一。

(2)数控机床中使用替换元件时，一定要搞清楚两元件之间区别与联系，以便更好地用好替换元件，使机床的应有功能有效。比如上述两个变频器伺服就绪信号、准停到位信号就不完全相同，因此使用时控制就要发生相应的变化才能满足系统功能的需要。

(3)机床元器件制造商或供应商的水平参差不齐，有时提供的技术数据不正确，需要根据实际情况分析，大胆地进行有依据的判断，否则会延误维修进程。如上述制作的新电动机其轴伸出长度与实际不符，编码器的实际接线、一转的脉冲数与标签完全不符，我们根据经验找出编码器的实际一转脉冲数，并调试好机床，避免了机床的调试和维修时间的拖延。

(4)必须做机床数据备份。802D 系统是按静态存储器SRAM 区的数据进行工作的，我们通常修改的机床数据和工件加工程序等都在SRAM 区。系统启动时一旦检测到静态存储器SRAM 掉电，如果事先做过内部数据备份，系统自动将备份数据装入工作数据区后启动，使机床正常工作。如果没做数据备份(机内备份或机外备份)，那么机床以西门子系统的标准机床数据启动，机床是不能正常工作的。因此，SRAM 区中的数据不进行备份(数据保护)是不安全的。

［1］刘美俊. 变频器应用与维修问答［M］. 北京:电子工业出版社，2009.

［2］BKSC-47P5GA 伺服控制说明书［S］. 北京:北科麦思科自动化工程技术有限公司.