數控機床急停故障診斷與維修

1 引言
隨著(zhù)自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展, 數控技術(shù)的應用也越來(lái)越廣泛。數控機床也在我國批量生產(chǎn)、大量引進(jìn)和推廣應用, 它們給機械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng )造了條件, 并帶來(lái)很大的經(jīng)濟效益。數控機床與普通機床比較起來(lái), 價(jià)格昂貴, 一般都是企業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵設備。數控機床結構及控制復雜, 任何部分的故障與失效, 都會(huì )使機床停機,從而造成生產(chǎn)停頓, 若在出現故障后不能及時(shí)維修排除故障, 就會(huì )造成較大的經(jīng)濟損失。數控機床的急停功能用于對人或者設備進(jìn)行保護, 急停時(shí), 機床各進(jìn)給軸、主軸都會(huì )快速進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài), 有些機床伺服系統動(dòng)力電源也會(huì )切斷。數控機床出現急停后, 必須排除, 才能恢復正常工作。本文以大連機床廠(chǎng)生產(chǎn)的CKA6136 車(chē)床、Fanuc0i Mate TC 系統為例, 結合日常維修經(jīng)驗介紹急停故障的診斷與維修方法。
2 急停原理
2.1 急停電氣控制原理
圖1 中R3、S3、T3 為200V 三相交流電, 通過(guò)交流接觸器KM11 后接入X、Z 軸進(jìn)給伺服單元βiSVM;3L1 為220V 交流電, 作為伺服上電控制電路電源;CX30為急停信號( * E S P ) 接口, 其中1 端為24V 直流電源,3端為* E S P 信號輸入端, 低電平有效。圖2 中C X A29接口為伺服單元內部觸點(diǎn), 當伺服系統正常工作時(shí)觸點(diǎn)閉合, 急停信號輸入時(shí)斷開(kāi)。圖3 是機床的急停鏈控制電路, 其中SB38 為急停按鈕,SQ8、SQ9、SQ11、SQ12分別為進(jìn)給軸X、Z 正負方向的超程限位開(kāi)關(guān), K A13為控制急停信號輸入伺服單元的中間繼電器, S B37 為超程解除按鈕。
當急停按鈕S B38 被按下, 或者X、Z 兩個(gè)坐標軸四個(gè)方向的行程開(kāi)關(guān)任一個(gè)被壓下時(shí), K A13 線(xiàn)圈斷電,KA13 常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi), 伺服單元CX30 接口*ESP 低電平信號被輸入 , 此時(shí) CXA29 內部觸點(diǎn)斷開(kāi) , 伺服上電控制電路中K M11 線(xiàn)圈斷電, 主電路中K M11 觸點(diǎn)斷開(kāi), 伺服單元斷電, 系統進(jìn)入急停狀態(tài)。

圖1 CKA6136 伺服驅動(dòng)電路

圖2 伺服上電控制電路

圖3 急停鏈控制電路

圖4 急?？刂铺菪螆D
P M C 急?？刂铺菪螆D如圖4 所示。其中X0008.2為超程信號, X0008.4 為急停按鈕信號, X0012.7 為超程解除按鍵信號,G0008.4(*ESP) 為PMC 輸出給CNC的急停信號, 低電平有效。當X0008.2 和X0008.4 任何一處斷開(kāi)時(shí),G0008.4 為低電平, 觸發(fā)急停。
2.2 伺服系統跟蹤誤差異常引起急停的原理
跟蹤誤差又叫跟隨誤差, 指的是數控機床在移動(dòng)過(guò)程中的誤差, 即在移動(dòng)過(guò)程中, 理論移動(dòng)量和實(shí)際移動(dòng)量的差值。當機床在運行過(guò)程中, 實(shí)際坐標位置與反饋坐標位置不相符, 且其值超過(guò)系統規定的允許值, 從而引發(fā)機床故障停車(chē)。
2.3 伺服驅動(dòng)器故障引起急停的原理
FANUC 0i TC 系統中,CNC 通過(guò)FANUC 串行伺服總線(xiàn)F S S B 與各伺服驅動(dòng)器連接。系統啟動(dòng)后, 如果軸控制電路的條件滿(mǎn)足, C N C 就向伺服驅動(dòng)器發(fā)出P R D Y 信號。當伺服驅動(dòng)器接收到該信號, 如果伺服驅動(dòng)器也工作正常, 就會(huì )向C N C 發(fā)回V R D Y 信號, 如果伺服驅動(dòng)器故障, 就不能應答C N C 的P R D Y 信號, 這是系統就會(huì )進(jìn)入急停狀態(tài)。
3 急停故障診斷與維修
3.1 電氣原因觸發(fā)的急停
要判斷是否因為電氣原因造成的急停, 應檢查PMC梯形圖中G8.4 是否為低電平。如果為高電平, 而系統仍處于急停狀態(tài), 可以判定不是急停鏈回路出現故障,此時(shí)應該從其它方面查找原因; 如果G8.4 位低電平,可以判定故障是因為急停鏈斷路造成的, 此時(shí)可按照以下步驟進(jìn)一步排查。
急停按鈕被壓下。這是為直觀(guān)的檢查方法, 嚴格意義上, 這并不能算作故障的范疇, 但對于具有多個(gè)急停按鈕的數控機床和新手來(lái)說(shuō), 比較容易犯這種低級錯誤。
機床超程。機床超程分為軟件超程和硬件超程。當機床因超程而急停時(shí),往往還會(huì )在屏幕上顯示超程報警。
此時(shí)觀(guān)察機床工作臺是否處于超程位置, 判斷是軟件超程還是硬件超程。如果機床明顯處在正常位置, 此時(shí)要檢查超程開(kāi)關(guān)是否復位正常, 如果是接近開(kāi)關(guān), 檢查接近開(kāi)關(guān)是否粘上鐵屑。
K A13 繼電器損壞。如果K A13 損壞, 造成其常開(kāi)觸點(diǎn)不能正確的吸合, 引起低電平信號被輸入C X30 會(huì )觸發(fā)急停。我們可以先觀(guān)察K A13 指示燈是否點(diǎn)亮, 如果點(diǎn)亮說(shuō)明急停鏈有電, 再檢查其觸點(diǎn)是否正常。如果K A13 指示燈不亮, 檢查急停鏈是否斷開(kāi)或者K A13 是否損壞。
24V 電源故障。電氣急停的根本原因是急停鏈斷電造成低電平被輸入伺服驅動(dòng)器。檢查是否因為24V 電源電壓過(guò)低, 造成K A13 電磁線(xiàn)圈吸力不足, 常開(kāi)觸點(diǎn)無(wú)法閉合。
急停鏈斷線(xiàn)。急停鏈是一個(gè)串聯(lián)回路, 在這個(gè)回路里, 急停按鈕、限位開(kāi)關(guān)等的任何一個(gè)接線(xiàn)點(diǎn)、任何一段電線(xiàn)出現接觸不良、斷線(xiàn), 都會(huì )造成串聯(lián)回路斷開(kāi),從而造成K A13 線(xiàn)圈斷電而觸發(fā)急停。所以, 在排除以上故障原因之后, 要逐一排查急停鏈各個(gè)節點(diǎn), 查看連接是否安全可靠。
3.2 伺服系統跟蹤誤差異常觸發(fā)的急停
這類(lèi)故障的原因一般有以下幾個(gè)方面:
① 機床負載過(guò)大。因為機床過(guò)載或者傳動(dòng)機構機械卡死、潤滑嚴重不足等造成運行阻力過(guò)大, 使得伺服電機扭矩過(guò)大, 從而造成伺服電機丟步, 導致跟蹤誤差超差。這種情況下往往還會(huì )伴隨過(guò)載保護跳閘、過(guò)熱報警等。
② 脈沖編碼器檢測反饋環(huán)節故障。檢查編碼器是否損壞、污染; 反饋電纜接口是否松動(dòng)、接觸不良; 反饋電纜線(xiàn)是否出現斷線(xiàn)。
③ 伺服驅動(dòng)器報警或損壞。結合伺服驅動(dòng)器的硬件報警情況, 在保證安全的情況下, 可以采用模塊交換法進(jìn)行置換分析。
④ 伺服驅動(dòng)器電源缺相或電壓不穩。用萬(wàn)用表測量電源進(jìn)行排查。
3.3 伺服驅動(dòng)器故障原因觸發(fā)的急停
F A N U C 伺服驅動(dòng)器故障停機, 往往會(huì )伴隨系統４打頭的軟件報警和伺服驅動(dòng)指示燈的硬件報警。故障診斷時(shí), 要結合軟硬件的自診斷報警信息, 進(jìn)行排除。
出現401 號報警, 表示伺服放大器的伺服準備信號( V R D Y ) 沒(méi)有接通, 或者在操作中信號關(guān)斷;404 號報警, 表示伺服放大器的伺服準備信號總保持接通。此時(shí),要檢查伺服驅動(dòng)器的電纜連接, 檢查伺服參數設定是否正確, 也可能是伺服驅動(dòng)器或者C N C 軸控制器故障,可以采用部件交換法對懷疑部件進(jìn)行置換分析。
若出現462 號報警, 表示由于F S S B 傳送錯誤,使得伺服放大器不能接收正確數據;463 號報警, 表示由于F S S B 傳送錯誤, 使得C N C 不能接受正確數據。此時(shí)首先檢查伺服驅動(dòng)器或光纜, 可能是在報警信息中顯示的錯誤軸, 與軸號相對應的伺服驅動(dòng)器和CNC 控制單元間的F S SB 光纜失效, 也可能是驅動(dòng)器和軸不對應; 其次, 也可能是C N C 一側的軸控制模塊出現故障。
3.4 其它原因引起的急停
即使同樣的數控系統, 不同設備的急停鏈設計都可能不同。比如常見(jiàn)的一種情況就是為了安全, 在急停鏈里串聯(lián)安全門(mén)的開(kāi)關(guān)。這時(shí)候, 我們除了要認真閱讀機床電氣圖之外, 還可以通過(guò)觀(guān)察機床P M C 梯形圖實(shí)時(shí)狀態(tài), 來(lái)判斷急停的觸發(fā)條件和急停鏈中的故障點(diǎn)。
4 急停故障實(shí)例分析
故障實(shí)例: 教學(xué)車(chē)間里配備FANUC 0i Mate TC數控車(chē)床CKA6136, 開(kāi)機顯示急停報警, 伺服無(wú)法上電。
診斷與維修過(guò)程: 經(jīng)過(guò)初步檢查, 發(fā)現機床操作面板上的急停按鈕并未按下, 機床X、Z 軸的位置也處在安全位置, 由此可以確定機床急停的原因與機床的狀態(tài)無(wú)關(guān)。進(jìn)入機床P M C 梯形圖畫(huà)面, 檢查發(fā)現P M C 到C N C 急停信號G8.4 為“0”, 說(shuō)明系統的急停信號被輸入。再進(jìn)一步檢查發(fā)現, 系統I / O 模塊的急停輸入信號X8.4 為“0”, 從而導致G8.4 為“0”, 引發(fā)急停報警。
對照機床電氣原理圖, 先測量急停輸入信號X8.4 的接線(xiàn)端子處, 發(fā)現電壓為0V , 而非正常情況下的24V , 可斷定是急停鏈斷路或急停鏈電源故障造成的。將急停鏈接線(xiàn)端子逐個(gè)進(jìn)行測量檢查, 發(fā)現機床操作面板上的急停按鈕斷線(xiàn), 重新連接后急停報警解除。
5 結束語(yǔ)
數控機床的故障復雜多樣, 急?？刂粕婕皺C械、通信、低壓電器、P L C、傳感器等多學(xué)科知識, 這給維修帶來(lái)了困難。維修人員應熟知急停的控制原理, 以及常用檢測工具的使用, 根據對急停故障現象的分析, 羅列所有可能的原因, 確定合理的診斷與檢測步驟, 以便迅速排除故障。