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摘要：本文簡要地介紹了3MZ135全自動球軸承外圈雙滾道磨床伺服進(jìn)給系統(tǒng)發(fā)生的3次 故障的分析及排除，并由此提出了一種觀點：排查伺服系統(tǒng)故障，首先要有“機電一體化意識”。
1 機床控制系統(tǒng)簡介
3MZ135全自動球軸承外圈雙滾道磨床主要用于磨削專用軸承芯軸雙滾道，特別適用于大批量的生產(chǎn)。機床的傳動系統(tǒng)由機械、液壓和電氣三部分組成，以實現(xiàn)機床的自動工作。其機械傳動結(jié)構(gòu)有獨特之處；電氣控制采用人機界面、PLC和數(shù)字伺服驅(qū)動組合的數(shù)控方式；加工精度高（進(jìn)給精度可達(dá)半徑0.5um）；生產(chǎn)效率高。
1.1 機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的組成
該機床采用無心式布局型式，以砂輪固定、工件進(jìn)給，工件和修整器布置在砂輪兩邊的結(jié)構(gòu)。為滿足專用軸承的加工，采用雙伺服系統(tǒng)，以完成對兩片砂輪R的同步修整。2套伺服系統(tǒng)由同一臺PLC控制，由同一臺人機界面操作。其中縱向系統(tǒng)：電氣由伺服驅(qū)動器，伺服電機，編碼器構(gòu)成，見表1；機械由左、右旋2根滾珠絲桿分別傳動工件（進(jìn)給）拖板和修整縱向拖板，進(jìn)給拖板和修整拖板分別安裝在X型的滾動導(dǎo)軌上（見進(jìn)給結(jié)構(gòu)圖1），伺服電機傳動左、右旋滾珠絲桿付，驅(qū)動進(jìn)給滑板和修整滑板同步進(jìn)給，一次性同時加工兩溝道；作用――控制進(jìn)給尺寸及保證兩片砂輪R的同步修整。橫向系統(tǒng)：電氣構(gòu)成與縱向的相似，見表1；機械由1根滾珠絲桿傳動修整橫拖板；作用――控制溝距。整個系統(tǒng)的構(gòu)成如圖2。
1.2 機床的主要性能特點
1.2.1 機床各部件都可在機床電氣操作面板上單獨進(jìn)行操作，因采用了日本DIGITAL公司的GP477R-EG41-24VP人機界面，使操作直觀、簡單、方便。
1.2.2 采用了OMRON公司的CQM1可編程控制器，配置有2路脈沖輸出的CPU43-V的CPU模塊，其控制性能具有高度的穩(wěn)定可靠性，抗干擾能力強。系統(tǒng)有自診斷功能，便于維修。
1.2.3 采用了兩只伺服電機，左、右旋螺距的滾珠絲杠，直接驅(qū)動工件滑板和修整滑板同步進(jìn)給；“X”型滾柱導(dǎo)軌，磨損小、承載傳力強、剛性好、運動靈敏，從而保證有較高的定程磨削精度。
2 機床無任何報警提示，縱向工件拖板和修整拖板無進(jìn)給動作的故障
2.1 故障現(xiàn)象
該機床在加工過程中，突然縱向進(jìn)給機構(gòu)（見圖1）的工件滑板和修整滑板均無動作，此時,機床無任何異常提示。進(jìn)給伺服電機在啟動的瞬間發(fā)出了短暫而輕微的聲音，手摸電機有發(fā)熱的現(xiàn)象。另外，人機界面的“進(jìn)給量”和“進(jìn)給位置”這2個顯示參數(shù)隨面板進(jìn)給操作而變化。
2.2 故障分析及排除
2.2.1 分析可能是限位開關(guān)起保護(hù)作用，使PLC的CPU模塊停止輸出脈沖。檢查所有的限位、保護(hù)開關(guān)，它們的位置及狀態(tài)均正常。
2.2.2分析可能是無觸點感應(yīng)開關(guān)、PLC或伺服系統(tǒng)受到干擾，于是關(guān)機床總電源，再重新起動機床，故障現(xiàn)象仍然一樣。
2.2.3分析可能是PLC有故障，CPU模塊沒有給伺服驅(qū)動器提供信號；或伺服驅(qū)動器有故障，沒有給伺服電機提供信號。但電機在啟動的瞬間發(fā)出了短暫而輕微的聲音，手摸電機有發(fā)熱的現(xiàn)象，并且人機界面的“進(jìn)給量”和“進(jìn)給位置”這2個顯示參數(shù)隨面板進(jìn)給操作而變化，由圖1知，信號從PLC輸出經(jīng)過伺服驅(qū)動器，然后傳到了伺服電機，只是各級信號是否正常、是否能驅(qū)動伺服電機，未能證實。
采用“互換法”，將表1中2臺伺服驅(qū)動器的輸出信號線（驅(qū)動器到電機）及編碼器到驅(qū)動器的反饋信號線互換，相當(dāng)于只將2套伺服系統(tǒng)的電機（含編碼器）這一級互換，以判別故障在伺服系統(tǒng)的電機之前還是電機之后。讓1.0KW 的驅(qū)動器驅(qū)動1.3KW的電機時，1.0KW 的驅(qū)動器過載報警“A71”，所以此“互換法”行不通。
2.2.4分析可能是伺服電
機傳動的機械異常，于是
將伺服電機與滾珠絲桿拆
開（兩者的連接如圖3），
用手轉(zhuǎn)機械，發(fā)現(xiàn)根本轉(zhuǎn)
不動，在聯(lián)軸座處用大扳
手扳絲桿，感覺很吃力，
于是認(rèn)為左、右旋滾珠絲
桿在此聯(lián)結(jié)處憋住了。排除機械堵轉(zhuǎn)故障后，機床運行正常。
3 人機界面顯示“伺服驅(qū)動器故障”
3.1 故障現(xiàn)象
該機床在運行中，突然發(fā)生異常停機，人機界面顯示“伺服驅(qū)動器故障”，縱向伺服驅(qū)動器報警“A84”(表示：絕對編碼器資料錯誤，所收到的絕對資料異常)。
3.2 故障分析及排除
3.2.1分析可能是系統(tǒng)受到干擾，于是關(guān)機床總電源，再重新運行，故障現(xiàn)象仍然一樣。
3.2.2分析可能是伺服驅(qū)動器自身異常，由“2.2.3”這一步的經(jīng)驗知，在本機床內(nèi)部不能采用“互換法”排查，于是將縱向這臺伺服驅(qū)動器換到同類別的機床上用，沒有報警，運行正常，說明伺服驅(qū)動器無故障。
3.2.3將伺服電機與滾珠絲桿拆開，使伺服電機與機械脫離，用手轉(zhuǎn)動電機的軸，驅(qū)動器也報警“A84”，說明機械連接沒有問題，那么可能是伺服電機或其編碼器異常。
3.2.4，將拆下的伺服電機（帶編碼器）換到同類別的機床上用，也不與機械連接，用手轉(zhuǎn)動電機軸，驅(qū)動器也報警“A84”，說明該套伺服電機或其伺服驅(qū)動器肯定有問題，這時分析編碼器有問題的可能性大。
3.2.5拆下編碼器，并打開其端蓋，目測未見異常，測其工作電壓+5V正常，所有連線也正常。
3.2.6分析可能編碼器因密封性不好，滲水了而不能向伺服驅(qū)動器發(fā)出反饋信號，于是將打開端蓋的編碼器放置在干燥、無塵的環(huán)境中進(jìn)行自然風(fēng)干處理，24小時后，將編碼器與伺服電機恢復(fù)連接，但此時電機仍與機械保持脫離，再手轉(zhuǎn)電機軸，驅(qū)動器不再報警，然后將機床完全恢復(fù)，再運行，至今都工作正常。
4 “工件尺寸失控，尺寸普遍偏大，與正常時比，需多次進(jìn)行+補償操作，生產(chǎn)效率大大降低，而且難以按操作說明介紹的方法達(dá)到工藝要求尺寸”的故障
4.1控制工件加工尺寸的操作方法及由人機界面設(shè)置或顯示的一些主要參數(shù)
4.1.1控制工件加工尺寸的操作方法: 加工尺寸是由操作工通過人機界面中的“進(jìn)給參數(shù)設(shè)置畫面”、“控制參數(shù)設(shè)置畫面”設(shè)置相關(guān)的加工參數(shù)，手工測量時，發(fā)現(xiàn)工件尺寸與工藝要求有差距時，先計算出 d (d=工件實際尺寸-工藝要求尺寸)，再將“控制參數(shù)設(shè)置畫面 ”的“補償量”設(shè)置為 d，然后操作“調(diào)整畫面”中的 “+補償”或“-補償”進(jìn)行調(diào)整（尺寸偏大，則要求加大進(jìn)給量，所以要進(jìn)行“+補償”；反之則要 進(jìn)行“-補償”）從而達(dá)到工藝要求的尺寸。值得說明的是，進(jìn)行“補償”要受到“快趨量限值”的制約。
4.1.2一些參數(shù)的說明
4.1.2.1一些顯示參數(shù)的
說明
a.進(jìn)給位置（mm）:顯示進(jìn)
給系統(tǒng)當(dāng)前實際位置。
b.進(jìn)給量（mm）:切入磨削
進(jìn)給的總和。.進(jìn)給量=快
進(jìn)量+快趨量+次快趨量+
黑皮量+粗進(jìn)量+精進(jìn)量+光進(jìn)量，進(jìn)給參數(shù)示意見圖4。
c.原點位置（mm）: 切入磨削完成后，進(jìn)給系統(tǒng)所回到的那個位置。每進(jìn)行一次砂輪修整，原點位置要前進(jìn)一個修整量。
4.1.2.2幾個控制參數(shù)的說明
a. 快趨量限值（mm）:設(shè)定范圍（0-0.999），如經(jīng)手動補償之后的快趨量值超過此值，機床將進(jìn)行超界限報警。
b.補償量（mm）: 設(shè)定范圍（0-0.050），用戶按一下人機界面 “調(diào)整畫面”上的“+補償”，總進(jìn)給量加上一個尺寸補償量，按一下“-補償”， 總進(jìn)給量減去一個尺寸補償量，實際調(diào)整補償是對進(jìn)給參數(shù)設(shè)置畫面的[快趨量]進(jìn)行增減來達(dá)到的。
4.2 故障現(xiàn)象
操作工發(fā)現(xiàn)該機床加工的每個工件尺寸在以往的操作方式下，每個尺寸都偏大，按4.1.1介紹的操作說明設(shè)置“補償量”，并進(jìn)行“+補償”，再次測量，發(fā)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)未精確地按設(shè)定的“補償量”進(jìn)行補償，實際“補償量”比設(shè)定的“補償量”要小。由于受“補償量”的范圍及“快趨量限值”的限制，要多次進(jìn)行“補償量”的計算和設(shè)定，并多次進(jìn)行不同“補償量”的“+補償”才能勉強接近工藝要求的尺寸，不僅生產(chǎn)效率大大降低，更嚴(yán)重的是， 尺寸很難把握，造成一些工件報廢。
4.3故障分析及排除 表2：工件拖板的實際進(jìn)退量的測量值與人機界面上相應(yīng)的顯示值對
進(jìn) | 退 | |||
顯示值（mm） | 測量值（mm） | 顯示值（mm） | 測量值（mm） | |
1 | 0.100 | 0.070 | 0.100 | 0.040 |
2 | 0.200 | 0.150 | 0.200 | 0.100 |
3 | 1 .000 | 0.740 | ||
4 | 2.000 | 1.550 | ||
4.3.1分析可能是縱向伺服電機異常，于是換用一臺，情況沒有改善, 說明伺服電機沒有問題。
4.3.2故障現(xiàn)象的確認(rèn)。由機床操作說明知，對于進(jìn)給機構(gòu)，
表3：修整拖板的實際進(jìn)退量的測量值與人機界面上相應(yīng)的顯示值對比表
進(jìn) | 退 | |||
顯示值（mm） | 測量值（mm） | 顯示值（mm） | 測量值（mm） | |
1 | 1 .000 | 0.920 | 1.000 | 0.920 |
2 | 2.000 | 1.920 | 2.000 | 1.920 |
3 | 3.000 | 2.920 | 3.000 | 2.920 |
在原點位置和光進(jìn)位置之間可 以進(jìn)行連續(xù)點動的手動進(jìn)、退操作。于是采用絲表測量工件拖板手動進(jìn)、退時的實際量，并與人機界 面顯示的量進(jìn)行對比，幾次測量值與相應(yīng)的顯示值對比如表2。為了對比，還測量了橫向修整拖板的情況，見表3 。由表 3知，修整拖板的尺寸控制正常，多次測量均無累積誤差，只是存在傳動間隙0.080mm。由表 2知，工件拖板的實際進(jìn)給比顯示值小，有累積誤差，并且沒有定量的規(guī)律可尋。
4.3.3 本著“先易后難”、盡量減少停機維修時間的原則，先從維修量小的方面分析排查故障。
a.分析如果是進(jìn)給機構(gòu)的滾珠絲桿磨損，那么根據(jù)手冊及廠家的建議，可修改伺服驅(qū)動器的電子傳動比（B/A=Pn202/Pn203，出廠值Pn202=65535 ,Pn203=2500），將其相應(yīng)增大即可，根據(jù)手冊知，Pn202=65535已到最大極限，所以分子分母先約分使B/A=13107/500，再根據(jù)其中一次實際進(jìn)給量/顯示量的比值，相應(yīng)地增大分子，我們用表2中序號2的值進(jìn)行計算： 0.200:0.150=Pn202/500:13107/500（Pn202/500是要使實際量與顯示量一致而應(yīng)該設(shè)置的傳動比；13107/500是當(dāng)前傳動比），由此算出Pn202不為整數(shù)，我們?nèi)〗浦?6384。在此要特別說明，電子傳動比一旦被修改，必須重新啟動驅(qū)動器，新的傳動比才有效。經(jīng)過測量知，將傳動比增大后，雖然減小了實際值與顯示值的差距，但仍不能使兩者完全一致。事后明白了，用方法計算新的電子傳動比是不合理的。因為，第一，沒有考慮傳動間隙（當(dāng)時該方向沒有固定的傳動間隙）；第二，由表2知，實際值與顯示值沒有固定的比例關(guān)系。所以用修改傳動比的方法解決不了問題。
b.分析可能是PLC的含2路脈沖輸出的CPU模塊異常，于是將該CPU模塊用到同類機床上，尺寸控制正常，說明CPU模塊沒問題。
c.分析可能是該方向的伺服驅(qū)動器異常。由2.2.3這一步知道，不能在本機床內(nèi)進(jìn)行伺服驅(qū)動器的互換。于是將其換用到同類別的機床上，尺寸控制正常，說明伺服驅(qū)動器正常。
進(jìn) | ||
顯示值（mm） | 測量值（mm） | |
1 | 0.200 | 0.198 |
2 | 0.100 | 0.098 |
d.分析可能是該方向的機械連接方面有問題，可能是伺服電機與滾珠絲桿的連接有松動；或
表4：3MZ135D-S修整滑板實際進(jìn)給的測量值與人機界面上的顯示值對比表
左、右 旋滾珠絲桿在聯(lián)軸 座處有松動；或右旋滾珠絲桿與工件拖板的連接有松動。由于表3中測量的對象只是工件拖板，于是，采用同一塊絲表，換測該方向與工件拖板同步進(jìn)退的修整滑板，結(jié)果如表4。對比表4與表3知，伺服電機對修整滑板的傳動是正常的，于是拆開圖2的左、右旋滾珠絲桿的聯(lián)軸器，結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳動工件拖板的滾珠絲桿在聯(lián)軸座處的軸承磨損了，將軸承更換后進(jìn)行加工，由測量知故障徹底排除了。
5 結(jié)束語
上文介紹的3MZ135磨床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的3次故障，其中2次在機械傳動方面。伺服系統(tǒng)的電氣控制裝置最終要驅(qū)動滾珠絲桿以傳動終端機械（一般是拖板），所以完整的伺服系統(tǒng)是由電氣控制裝置和機械傳動綜合而成的。分析伺服系統(tǒng)的故障也應(yīng)該從系統(tǒng)的各構(gòu)成部分進(jìn)行，而不要首先局限于其電氣控制裝置。也就是說，對于伺服系統(tǒng)，要有“機電一體化意識”。另外，伺服系統(tǒng)的電氣控制裝置（伺服驅(qū)動器）有很強的自診斷和報警顯示功能，充分理解報警的含義，有助于快速找到故障點。
