XK713数控铣床伺服驱动故障诊断与维修

郭 课

(1.南京航空航天大学 机电学院，南京 210016；2.河南工学院 机电工程系，河南 新乡 453003)

0 引言

数控机床由于其控制系统特别是伺服驱动系统的复杂性，导致在实际生产过程中会发生各种故障。在数控机床所发生的故障中，由于伺服系统故障所引起的机床故障所占的比例最大。但是长期以来伺服驱动故障排除和维修存在盲目性强和效率低的缺点，维修效率低下不仅影响了企业的生产效率，还浪费了大量的人力、物力和财力。故此，当故障发生时，如何快速有效的找寻到故障产生的原因，及时的排除故障，是保证数控机床安全运行，提高企业生产率的当务之急。

基于此，本文首先根据故障问题的表现形式将伺服驱动器故障分为内部问题和外部问题两大类，如常见的超行程、超软件限位等属于外部问题，伺服驱动器、伺服放大器、伺服电机等属于内部问题，然后根据故障代码按照由外到内、内外结合的原则对故障进行诊断，最后结合教学生产实践中XK713出现的伺服驱动器和伺服电机所构成的伺服系统的故障代码和现象加以说明和分析。结果表明，这种故障诊断的应用很好的提高了故障诊断的时效性，提升了数控机床伺服驱动故障的维修效率。

1 伺服系统的故障排除原则

XK713的伺服系统的组成原理图如图1所示。主要是由PLC控制单元、CNC数控系统、测量模块、伺服驱动器、电动机、速度反馈装置、电流反馈装置和位置控制装置等组成。其工作流程如下：首先伺服单元接受来自于数控系统通过测量模块发出的运动控制指令，当运动控制指令到达伺服控制单元后，经过电流控制环和速度控制环构成的闭环控制器，然后再经过伺服放大器将信号放大后，将控制信号传递给伺服电机，伺服电机开始运转，与此同时，位置反馈控制单元将已经接收到的位置信号发送给CNC中的测量模块，构成整个数控机床数控系统的半闭环位置控制环节或者是全闭环位置控制环节。PLC在整个伺服系统控制中起到了实时监控的作用，一方面对运行中的伺服电机进行过热保护，另一方面监控XK713的工作台是否有超程现象，如果机床工作台超出了设定的运动范围，则立即开启报警信号，同时停止机床伺服驱动轴的运行[2]。

图1 伺服系统控制框图

XK713伺服驱动故障排除的一般原则如下：如果伺服驱动器的报警信息出现在开机通电后，那么驱动器被烧坏的可能性就非常大。如果报警信息出现在机床加工过程中或是在待机通电过程中，则外部问题导致的几率就很大。在XK713的显示面板上所出现的伺服驱动器故障代码不一定完全正确，但是却为机床维修人员提供了一个重要的依据，在故障排除的过程中要以故障代码为依据，按照由外到内，内外结合的原则进行。在检修的同时需要对以下具体内容做出详尽的排查：CNC数控系统和伺服驱动器的参数设定是否正确；机床的供电电压是否符合要求；在机床的电气线路中是否存在短路、断路和开路的现象；伺服电机由于绝缘度不好存在静电干扰问题；伺服驱动器和伺服电机由于损坏导致的故障。

2 XK713数控铣床伺服系统故障诊断过程

伺服系统主要是由伺服驱动器和伺服电机两部分组成的，故此整个数控系统的故障伺服驱动器的故障、伺服电机的故障、位置反馈环节的故障和其它原因引起的故障。XK713伺服故障的诊断过程的整体流程图如图2所示[3]。

图2 伺服故障诊断详细流程

在上述的故障诊断流程图中，每一个节点的判断是是否进行下一步操作的关键所在。比如第一步判断是否有伺服使能信号，如果没有使能信号的话就要检查PLC梯形图看是否开启了使能功能。接下来的每一步以此类推，明确每一个节点的Y和N后在按相应的流程进行递推判断。

但是上述流程图存在冗余性和复杂性强，诊断效率低等问题。在实际生产中影响了企业的生产效率，为此，在依据上述诊断流程进行诊断之前，应首先按照本文提出的采用故障问题分类法结合报警代码遵循由外到内的顺序对故障原因进行分类和排除，随后再结合具体问题参照上述伺服故障诊断流程进行故障排查，直至故障被完全消除为止。这样就避免了故障诊断的盲目性和效率低等问题。本文提出的故障排查流程图如图3所示。

图3 伺服故障诊断初始流程

3 XK713数控铣床伺服系统故障实例

3.1 实例1

故障现象：一台XK713数控铣床在加工过程中报警指示灯红灯不停的闪烁，显示触摸屏故障诊断栏中提示Z轴驱动器发生了故障，手动操作HMI机床操作面板机床无任何反应。

故障判断：首先按照XK713伺服驱动故障排除的一般原则，此报警信息出现在机床加工过程中，排除了伺服驱动器被烧坏的可能。其次结合报警信息按照由外到内、内外结合的顺序进行故障排查，发现机床并没有出现超行程、超软件限位等外部问题，据此判断属于Z轴伺服驱动器本身的问题，属于内部问题。根据机床伺服系统原理组成来看，Z轴驱动器报警很有可能是伺服驱动器参数设定出现了问题，导致伺服电机也出现了问题，在整个控制电路中存在短路或断路的故障点，属于伺服驱动器本身的故障导致的[4]。

故障消除：首先查看Z轴伺服驱动器显示操作面板查询Z轴伺服驱动器的报警代码的含义，如果报警代码没有显示出来，则基本上判断不是伺服驱动器硬件故障导致的问题。其次检查伺服驱动器的参数，仔细观察发现机床Z轴的实际进给速度参数值为零。最后按已有的工艺基准把Z轴伺服驱动器参数设置为规定的数值，按数控机床面板上的RESERT复位按钮，报警故障消除。

3.2 实例2

故障现象：一台正在进行零件加工的XK713数控铣床在X轴移动时，机床的红色报警指示灯不停的闪烁，LCD显示屏上故障诊断栏提示机床的X轴实际位移量超出了机床所允许的最大跟踪误差值，用肉眼仔细观察X轴，发现X轴根本就没有移动量。

故障判断：首先按照XK713伺服驱动故障排除的一般原则，此报警信息出现在机床加工过程中，排除了伺服驱动器被烧坏的可能。其次结合报警信息按照由外到内、内外结合的顺序进行故障排查，发现机床并没有出现超行程、超软件限位等外部问题，据此判断属于X轴伺服驱动器本身的问题，属于内部问题。由于XK713的Y轴和Z轴移动没有出现问题，表面其CNC系统没有出现问题，随后采集数控伺服系统的输出指令，当在机床的HIM操控面板上按下X轴正向移动按钮时，显示存在电压输出指令信号量，据此表明故障很有可能出现在伺服系统上。因为XK713的Y轴和Z轴移动没有出现问题，判断问题很有可能是X轴的伺服驱动器、伺服放大器或是X轴的伺服电动机上[5]。

故障消除：首先我们采用了互换故障排除法的诊断方法，将X轴的伺服驱动器(伺服放大器)与机床Z轴或者Y轴的伺服驱动器(伺服放大器)互相对换，将故障问题转移到Z轴或者Y轴上来，据此说明X轴的伺服驱动器(伺服放大器)损坏。及时对X轴的伺服放大器模块进行整体更换，XK713的机床故障被排除。

4 结束语

本文针对XK713数控铣床伺服驱动的常见故障进行了深入的探讨和具体的研究，验证了采用故障问题分类法结合报警代码遵循由外到内的顺序对故障原因进行分类和排除的可行性。本文上述所提到的排除XK713设备故障的基本过程，可以大幅度缩短故障排除的时间，缩小故障排除的范围，提高企业的生产效率，节约企业的生产成本，对同类机床的故障排除提供了良好的经验和基础。