FANUC 0i-F系統(tǒng)伺服上電故障診斷與排除

肖振泉，李 宇，金 星，韋曉航，廖益豐，王彩虹

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545616)

0 引言

在FANUC 0i-F系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床上，伺服系統(tǒng)為全數(shù)字伺服系統(tǒng)，伺服放大器接收控制單元CNC發(fā)出的伺服軸進(jìn)給運(yùn)動指令，經(jīng)過轉(zhuǎn)換和放大后驅(qū)動伺服電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)所要求的進(jìn)給運(yùn)動[1]。伺服系統(tǒng)故障約占整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)故障的1/3[2]，而伺服上電故障又是伺服系統(tǒng)最常見的故障之一，因此研究伺服上電故障的診斷與排除方法具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義。

1 伺服硬件組成

FANUC 0i-F伺服系統(tǒng)硬件主要由CNC單元、伺服放大器、伺服電機(jī)和檢測裝置組成，相互之間的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 FANUC 0i-F伺服系統(tǒng)硬件連接關(guān)系

(1) CNC單元。在全數(shù)字式的伺服系統(tǒng)中，CNC單元居于主導(dǎo)地位，通過伺服軟件(算法)實(shí)現(xiàn)對位移、速度的伺服控制，其中實(shí)現(xiàn)位移、速度控制的硬件結(jié)構(gòu)及其相關(guān)電路稱為軸卡(AXES CARD)。軸卡是一個(gè)子CPU系統(tǒng)，由它完成伺服控制的位置、速度、電流三環(huán)的運(yùn)算控制，并將PWM控制信號傳給伺服放大器，用于控制伺服電動機(jī)的變頻[3]。

(2) 伺服放大器。在FANUC 0i-F系統(tǒng)中大部分伺服放大器是多伺服軸/主軸一體型(簡稱SVSP)，可實(shí)現(xiàn)3進(jìn)給軸+1主軸或2進(jìn)給軸+1主軸的一體化控制。伺服放大器的作用是接收來自CNC單元(軸卡)的PWM信號(扭矩、速度、位置)，將其放大為伺服電機(jī)所需的高功率信號，因此伺服放大器就變成了純粹的功率放大器。

(3) 伺服電機(jī)。在數(shù)控機(jī)床上，如果把CNC單元比作人的“大腦”，則伺服電機(jī)就是人的“肌肉”。伺服電機(jī)接收來自伺服放大器的高功率信號，輸出角位移或通過滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)換為直線位移，實(shí)現(xiàn)所要求的伺服運(yùn)動。

(4) 檢測裝置。在FANUC 0i-F伺服系統(tǒng)中，數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給速度和位置檢測裝置包括伺服電動機(jī)內(nèi)裝編碼器和分離型檢測裝置(如分離型編碼器和光柵尺)兩種形式[4]。無論是編碼器還是光柵尺，二者都以電脈沖形式將位移、速度信息傳給伺服放大器，并通過FSSB總線反饋至CNC單元，CNC單元根據(jù)其與指令數(shù)據(jù)的偏差(error)控制位置、速度、扭矩等。

2 伺服控制原理

在數(shù)控機(jī)床上，伺服控制原理如下：與刀具位置、走刀速度F有關(guān)的信息由CNC處理運(yùn)算后送入軸卡，軸卡輸出PWM信號至伺服放大器進(jìn)行放大，驅(qū)動伺服電機(jī)以刀具位置、走刀速度F要求的速度旋轉(zhuǎn)，檢測裝置實(shí)時(shí)反饋位移、速度信息至CNC，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

3 伺服上電過程

伺服系統(tǒng)要對運(yùn)動部件實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，首先要完成伺服放大器的上電過程。當(dāng)CNC通電后，首先通過FSSB總線與伺服放大器SVM、電源單元PSM建立通信，然后三者共同完成伺服上電過程，如圖2所示。

圖2 伺服上電過程

具體過程如下：

(1) CNC系統(tǒng)上電時(shí)，向伺服軟件(軸卡)發(fā)出HRDY信號，請求伺服放大器硬件準(zhǔn)備。

(2) 當(dāng)檢測到系統(tǒng)無故障，且沒有外部急停、超程的情況時(shí)，伺服軟件便向伺服放大器發(fā)出MCONA信號，請求伺服準(zhǔn)備。

(3) 伺服放大器收到MCONA信號后，檢查自身控制電路，如果控制電路正常，則向內(nèi)部電源單元發(fā)出MCOFF信號，請求電源單元準(zhǔn)備。

(4) 電源單元收到MCOFF信號且CX4端口閉合(ESP急停信號為1)后，向內(nèi)部繼電器RLY發(fā)出MCCOFF信號，請求閉合內(nèi)部觸點(diǎn)CX3。

(5) CX3閉合，MCC電路得電，AC200 V輸入電源單元經(jīng)整流得到DC300 V電壓，隨即向伺服放大器發(fā)出CRDY信號，即電源已經(jīng)準(zhǔn)備好。

(6) 伺服放大器向伺服軟件發(fā)出DRDY信號，即伺服放大器準(zhǔn)備好信號。

(7) 伺服軟件向CNC系統(tǒng)發(fā)出SRDY信號，即系統(tǒng)準(zhǔn)備好信號；至此，系統(tǒng)完成伺服上電過程。

4 伺服無法上電故障診斷

4.1 伺服無法上電原因

基于圖2，通過分析伺服上電過程可知，這一過程涉及到CNC、SVM與PSM三者之間若干信號的應(yīng)答，它們中只要有一個(gè)信號中斷，就會造成伺服無法上電。在生產(chǎn)實(shí)踐中，造成伺服無法上電的原因多種多樣，具體可歸納為以下幾種：

(1) 存在其他類型系統(tǒng)報(bào)警(例如急停報(bào)警)，導(dǎo)致伺服無法上電，即伺服無法上電是其他報(bào)警的伴隨現(xiàn)象。

(2) CNC系統(tǒng)無法上電，導(dǎo)致HRDY信號無法發(fā)出。

(3) 伺服放大器控制電路異常(斷開)。

(4) FSSB通訊建立失敗，一方面可能是軟件問題(用戶沒有正確設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，導(dǎo)致FSSB設(shè)定失敗)，另一方面可能是硬件問題(FSSB總線斷開或松動)。

(5) CX4端口無法閉合。

(6) CX3端口無法閉合。

(7) MCC電路某部分?jǐn)嚅_。

(8) 伺服主電源電路某部分?jǐn)嚅_。

4.2 伺服無法上電診斷流程

根據(jù)上述原因分析，我們可以總結(jié)出伺服無法上電的故障診斷流程，如圖3所示。

圖3中，診斷號358是一個(gè)十進(jìn)制顯示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，其中的第5位～第14位(#5～#14)均與伺服上電有關(guān)，如表1所示。

表1 診斷號358含義

圖3 伺服無法上電診斷流程

一般通過查看診斷號358第5位～第14位的數(shù)值診斷報(bào)警具體的故障點(diǎn)，正常情況下全為1，顯示數(shù)值為32737，如果出現(xiàn)伺服無法上電的情況，出現(xiàn)0的最低位是報(bào)警原因[5]。

5 維修實(shí)例

某型號數(shù)控銑床數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 0i-MF，驅(qū)動模塊為FANUC βi SVSP型伺服放大器，同時(shí)控制X軸、Y軸、Z軸和主軸，該設(shè)備已運(yùn)行十余年。

5.1 案例1

該數(shù)控銑床開機(jī)后出現(xiàn)以下2個(gè)報(bào)警：SV1067 FSSB：配置錯(cuò)誤(軟件)；SP1996主軸參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，伺服無法上電。根據(jù)機(jī)床報(bào)警提示，故障原因可能是主軸參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，同時(shí)引起了FSSB配置錯(cuò)誤；進(jìn)一步詢問機(jī)床操作者得知，該機(jī)床曾經(jīng)改裝成模擬主軸，更改過主軸參數(shù)。因此，初步判斷是有人更改了主軸參數(shù)，引起了以上2個(gè)故障，導(dǎo)致了伺服無法上電。在“參數(shù)調(diào)整”菜單下找到“主軸設(shè)定”子菜單，查看主軸基本參數(shù)，發(fā)現(xiàn)參數(shù)3717(主軸放大器號)設(shè)為2，正常情況下應(yīng)該設(shè)為1(因?yàn)樵摍C(jī)床只有1個(gè)主軸)。將參數(shù)3717設(shè)為1后，斷電重啟，報(bào)警消除，伺服上電成功。

5.2 案例2

該數(shù)控銑床開機(jī)后出現(xiàn)以下2個(gè)報(bào)警：SV1067 FSSB：配置錯(cuò)誤(軟件)；SP1220(SP)無主軸放大器，伺服無法上電，并且發(fā)現(xiàn)伺服放大器的狀態(tài)指示燈STATUS1、STATUS2熄滅，散熱風(fēng)扇沒有轉(zhuǎn)。初步判斷是伺服放大器控制電路無法上電，CNC與伺服放大器無法通信，導(dǎo)致了以上2個(gè)報(bào)警。重點(diǎn)檢查伺服放大器DC24 V供電線路，發(fā)現(xiàn)伺服放大器DC24 V輸入端口CXA2C接至端子排的5號線接觸不良，重新接線，恢復(fù)正常，伺服上電成功。

5.3 案例3

該數(shù)控銑床開機(jī)后正常加工，不定期出現(xiàn)3個(gè)伺服類報(bào)警：SV0401(X)伺服V—就緒信號關(guān)閉，SV0401(Y)伺服V—就緒信號關(guān)閉，SV0401(Z)伺服V—就緒信號關(guān)閉，伺服無法上電。檢查伺服放大器外圍硬件線路并無接觸不良或松動現(xiàn)象。檢查診斷號358，X、Y和Z值均為417，轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)：110100001，#5～#14中出現(xiàn)為0的最低位是#6，根據(jù)表1可知，#6對應(yīng)于ESP急停信號，因此初步判斷故障原因?yàn)榧蓖！Ｋ砷_急停按鈕，急停報(bào)警解除，同時(shí)發(fā)現(xiàn)急停繼電器指示燈亮，線圈得電；斷電，檢查各急停回路，重點(diǎn)檢查急停繼電器與伺服放大器之間的線路，均沒有發(fā)現(xiàn)異常。懷疑急停繼電器本身性能不穩(wěn)定，更換新件后報(bào)警消除，設(shè)備恢復(fù)正常，伺服上電成功。

6 結(jié)語

本文以FANUC 0i-F系統(tǒng)為例，著重闡述了伺服系統(tǒng)的硬件組成、控制原理與上電過程，進(jìn)一步分析了伺服無法上電的原因，形成了伺服上電故障診斷與排除流程，具有一定的實(shí)用價(jià)值。當(dāng)伺服無法上電時(shí)，首先查看是否有其他類型報(bào)警，在沒有其他類型報(bào)警的前提下，緊接著查看伺服放大器相關(guān)線路連接的可靠性，必要時(shí)可以借助診斷號358數(shù)據(jù)查找故障點(diǎn)。由此可見，要想熟練地排除故障，維修維護(hù)技術(shù)人員不僅應(yīng)掌握伺服上電原理，而且還應(yīng)熟悉維修說明書，積累豐富的維修實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。