FANUC系統伺服報警診斷方法研究

王莉剛

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江哈爾濱 150066）

0 引言

數控機床中采用FANUC 數控系統的設備比較多，該系統界面明了、操作簡單且穩定性高，因此應用廣泛。在實際應用中，設備也會出現各種故障：一種是有詳細、準確的報警提示，如PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）報警，這種情況應根據報警提示按部就班進行排查，就會找到故障點；另一種是會給出一些通用的報警提示，但沒有具體的故障點，如伺服報警。這樣的問題查找起來就會比較困難，要求維修人員對系統和硬件組成比較熟悉，憑借積累的維修經驗深入分析，仔細排查，最終也會解決故障，保證設備正常運轉。將分析系統伺服報警特點，結合一臺使用FANUC 21 系統的辛辛那提數控車床，研究在日常排故中比較常見的401 號伺服報警的診斷方法。

1 伺服系統

伺服系統又稱隨動系統，是用來精確地跟隨或復現某個過程的反饋控制系統。其主要任務是按控制命令的要求、對功率進行放大、變換與調控等處理，使驅動裝置輸出的力矩、速度和位置控制非常靈活方便。伺服系統分為直流伺服系統和交流伺服系統。直流伺服系統采用直流伺服電機，這種電機具有較高的響應速度、精度和頻率，但由于使用電刷和換向器，所以壽命低、需要定期維修。交流伺服系統采用交流伺服電機，克服了直流電機存在的電刷、換向器等機械部件所帶來的各種缺點，交流伺服電機的過負荷特性和低慣性體現出交流伺服系統的優越性，所以交流伺服系統得到了越來越廣泛的應用。FANUC 交流速度控制單元有多種規格，早期的交流伺服以模擬量式為主，速度控制單元采用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制）控制，大功率晶體管驅動。現在大多應用數字式伺服，驅動器采用PWM 控制，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管）驅動，各項指標均有大幅提高。

在數控機床中，進給伺服系統主要由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、位置檢測裝置、機械傳動機構和執行部件組成。其中，伺服系統位于數控系統和執行器之間，扮演著承上啟下的角色，在數控系統和執行元件之間傳遞信號，完成控制各數控軸精確運動。因此，伺服單元會一直參與數控設備各軸的運動控制，其功能的完好，是設備正常運轉的必要條件。

2 硬件結構

在數控機床實際應用中，數控系統作為整個設備的大腦，會控制伺服系統以及相關外圍附件，如液壓單元、冷卻單元等共同完成程序指令，保證工件加工精度。控制各軸運動的伺服系統主要由電源模塊、主軸放大器模塊、伺服放大器模塊3 種模塊構成。

（1）電源模塊。這是用機床側提供的交流電源向主軸驅動模塊和伺服放大器模塊供電的模塊。向直流母排輸送直流300 V電壓，供主軸和伺服放大器使用，同時提供直流24 V 控制電源。電源模塊具有輸入保護功能，可以利用設備急停信號控制模塊主接觸器的通斷。根據所要驅動的主軸電動機和伺服電動機的連續運轉額定值和最大輸出的總容量決定電源容量。

（2）主軸放大器模塊。這是控制和驅動主軸電動機的交流電源模塊，通過數控系統的指令，來完成設備主軸電機的啟、停及方向等功能的控制。可根據用途和使用的檢測器種類進行選擇。

（3）伺服放大模塊。這是驅動伺服電動機的交流電源模塊，有FSSB（FANUC Serial Servo Bus，FANUC 串行伺服總線）接口和PWM 接口2 種。用1 臺放大器可驅動的軸數有1 軸、2 軸、3 軸3 種。根據使用的伺服電動機種類和軸數進行選擇。i 系列數控系統用FSSB 接口，i 系列以前的數控系統用PWM 接口。可通過伺服電機編碼器反饋信號，與數控系統組成閉環控制系統，提高設備整體控制精度。

3 伺服報警401 診斷方法

應用FANUC 系統數控設備的正常開機流程為：當檢測到系統無故障且沒有外部急停、超程的時候，數控系統向伺服放大器發出請求伺服準備信號，伺服通信正常后，發出請求電源單元準備信號，電源單元準備好后，主繼電器觸點吸合，電源模塊向數控系統發出準備完成信號，系統向PMC（Programmable Machine Controller，可編程機床控制器）發出伺服就緒信號。

在實際應用中，經常會出現401 號伺服報警，其含義為“伺服準備就緒信號斷開”。產生的主要原因是：伺服放大器伺服準備就緒信號尚未被置于開時，或在運行過程中被置于關，也可能因發生了其他報警而引發此報警。因此，出現401 號報警時，首先應對最初發生的報警進行處理，確認放大器周圍的強電回路，檢查伺服硬件。

引起此報警原因很多，排查工作十分困難。在FANUC21i 系統可以通過診斷參數的提示來尋找思路：出現報警后，在診斷界面里找到診斷參數358，該參數里會有一個十進制數，將其轉換為二進制數，檢查第5～14 位，正常情況都應該為1。否則可根據表1 參數含義對照、重點排查，提高診斷效率。

表1 參數含義

其中，#5 表示系統監控程序啟動；#6（*ESP）表示急停信號；#7、#8、#9 表示MCON 信號；#10CRDY 表示轉換器準備就緒信號；#11RLY 表示繼電器信號（DB 繼電器驅動）；#12INTL 表示連鎖信號（DB 繼電器解除狀態）；#13DRDY 表示放大器準備就緒信號；#14SRDY 表示放大器準備結束。

4 辛辛那提數控車啟動流程及故障分析

某型號辛辛那提數控車數控系統為FANUC21，驅動模塊為雙軸模塊，同時控制X 軸和Z 軸，該設備已運行十余年。開機后啟動流程為：首先開機送強電，這時電源模塊的三相進電還沒給上，按下面板處的啟動按鈕，安全繼電器ESR1 回路會檢測外部電機強電回路信號，正常后復位ESR1 使其工作，接著檢測急停信號，正常后其常開觸點會閉合，M7 線圈得電，進而電源模塊處的急停信號檢測正常，電源模塊、伺服模塊和系統之間通信正常后線圈M6 得電，電源模塊的三相進電給上，正常啟動。

（1）案例1：該數控車開機后X、Z 軸回零正常，在執行刀盤回零時出以下4 個報警：1024 TURRET SYSTEM ERROR；1063 TURRET ALIGN FAILURE；401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。此故障為401 報警伴隨其他報警一起出，判斷主要原因為前2 個報警引起，檢查刀盤控制回路，未發現異常。多次關機重啟試驗，有時正常，有時出此報警，在電氣柜側觀察啟動及回零過程時各部件狀態，發現給刀盤驅動器供電的繼電器在開門后沒有馬上斷開，判斷是繼電器內部卡滯或接觸不好導致，更換新繼電器后正常，運行至今未再出現此報警。

圖1 開機后啟動流程

（2）案例2：該數控車開機后正常加工，不定期出現急停報警，然后出2 個伺服報警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。觀察后發現報警沒有規律。在報警時檢查診斷參數358，值為417，轉換為二進制數后是110100001。根據該參數含義判斷為急停有問題，在正常狀態下和報警狀態下檢查各急停回路，沒發現異常，懷疑安全繼電器ESR1 性能不穩定，更換新件后沒有變化。檢查伺服單元各連線，重新緊固后沒有變化，與其他設備對調伺服模塊，故障也沒變化，又重新分析急停回路。最后發現是電氣柜門上的門機連鎖開關處于臨界狀態，導致出現急停、引起報警，處理后設備運轉正常。

（3）案例3：數控車開機后正常加工，不定期出2 個伺服報警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。設備停機，導致精加工程序運轉中途停止，造成工件報廢。首先排查外圍電路，未發現異常，空運行此段精加工程序一段時間，未出現報警，但在開機狀態下，沒有任何動作情況時又出現此報警，確認該故障為偶發不確定性故障，懷疑是伺服模塊性能不穩定導致。為準確判斷出故障，決定與另一臺同型號數控車床對換伺服模塊。試驗一段時間后，另一臺正常的數控車出現401 號報警，確定為伺服模塊故障導致，更換新模塊后設備恢復正常。這種對調模塊的方法簡單明了，易于判斷故障部位，但也存在弊端，例如模塊的損壞是因為外圍電路存在問題導致，但維修人員沒有發現外圍電路的問題，這時和其他設備對調模塊，就會導致2 個模塊都損壞，引起2 臺設備停機，不但沒有判斷出故障點，反而擴大了故障范圍，因此要慎重應用這種方法。最好在有備件的情況下采用這種判斷方法。

5 總結

數控設備故障種類繁多，引起每種故障原因很多，很難查找故障點，尤其是401 號伺服報警。因此在處理這種報警時，一定要清楚原理，掌握方法，善于觀察、仔細分析，最終會找到故障根本原因。