FANUC系统进给轴爬行振动故障诊断与排除

李学时

（长沙开元仪器股份有限公司 长沙）

一、数控机床产生爬行的对策

爬行故障通常出现在机械部分和进给伺服系统部分，因为数控机床进给系统低速时的爬行现象往往有机械传动部分的特性，另外爬行问题与进给速度密切相关，所以也就离不开分析进给伺服系统的速度环。通常采用模块交换法、机电隔离检查法来辨别该故障是出于机械还是电气部分。

随着现代数控技术的发展，电路的集成规模越来越大，技术也越来越复杂，按照常规的方法，很难把故障定位在一个很小的区域，模块交换法是维修过程中最常用的故障判别方法之一。当某些故障，如轴振动、爬行，一时难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常可采用机电隔离检查法。将机电分离，数控与伺服分离，或将位置闭环分开做开环处理。

（1）机械部分。造成爬行的原因如果在机械部分，首先，应该检查导轨副。因为移动部件所受的摩擦阻力主要是来自导轨副，如果导轨副的动、静摩擦系数大，且其差值也大，将容易造成爬行。尽管数控机床的导轨副广泛采用了滚动导轨、静压导轨或塑料导轨，如果调整不好，仍会造成爬行。对于静压导轨副应着重检查静压是否建立，对于塑料导轨可检查有无杂质或异物阻碍导轨副运动，对于滚动导轨则应检查预紧措施是否施行，效果是否良好等。其次，要检查进给传动链。因为在进给系统中，伺服驱动装置到移动部件之间必定要经过由齿轮、丝杠螺母副或其他传动副所组成的传动链。有效地提高这一传动链的扭转和拉压刚度（即提高其传动刚度），对于提高运动精度，消除爬行非常有益。引起移动部件爬行的原因之一常常是因为对轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉不理想造成的。传动链太长，传动轴直径偏小，支承座的刚度不够也是引起爬行的因素。因此，在检查时也要考虑这些方面是否有缺陷。另外，关注导轨副的润滑也有助于分析爬行问题。有时出现爬行仅仅就是因为导轨副润滑状态不好造成的。这时，采用具有防爬作用的导轨润滑油是一种非常有效的措施。这种导轨润滑油中有极性添加剂，能在导轨表面形成一层不易破裂的油膜，从而改善导轨的摩擦特性。

（2）进给伺服系统。如果故障原因在进给伺服系统，则分别检查伺服系统中各有关环节。如检查速度调节器；根据故障特点检查电机或测速发电机是否有问题；检查系统插补精度是否太差，检查增益是否太高；与位置控制有关的系统参数设定有无错误；速度控制单元上短路棒设定是否正确；增益电位器调整有无偏差以及速度控制单元的线路是否良好。

如果故障既有机械部分的原因，又有进给伺服系统的原因，则应先排除机械部分故障，而后再着手解决电气方面的问题。

二、排除数控机床进给系统爬行与振动故障的具体步骤

机床出现爬行故障时，系统并无报警产生。情况严重时，有时会产生伺服报警。面对这一故障现象，首先应罗列出可能造成数控机床爬行与振动的有关因素，逐个检查和分析，然后再统筹考虑，制定出解决问题的综合性方案，将故障排除。具体排除数控机床进给系统爬行与振动实施步骤是：

1.检查导轨副

（1）检查导轨磨损情况，查看是否有杂质或异物。由于防护出现问题，可能使铁屑等杂质或异物进入导轨面，致使导轨磨损严重。此时可采取清洗、去杂、润滑等步骤，恢复导轨的状态。若导轨磨损严重，有时还需对导轨进行刮研和磨削。

（2）检查导轨楔铁间隙大小，查看是否间隙过小。导轨副间隙过小或导轨楔铁间润滑情况不良，均会加大驱动电机的负荷，从而引起爬行现象。调整楔块至合适间隙，并改善导轨楔铁间的润滑情况，可减小导轨副摩擦阻力。

（3）检查导轨和滚珠丝杠的润滑情况，查看是否缺油。正常情况下，导轨和滚珠丝杠表面应有一层润滑油膜，否则，会大大增加导轨副的摩擦阻力。可用手指检查导轨和滚珠丝杠的润滑情况。如果缺油，则检查润滑系统是否出现堵塞或漏油现象。另外滚珠丝杠支承轴承缺少润滑脂也会加大运动阻力。

2.检查进给传动链

查看是否由于轴承、丝杠螺母副和丝杠本身的预紧或预拉伸不理想造成的，通过调节它们的预紧程度，看机床爬行现象能否消除。

3.检查速度调节器

（1）首先检查输给速度调节器的信号，即给定信号，这个信号是由位置偏差计数器出来经D/A转换器转换的模拟量VCMD送入速度调节器的，应查一下这个信号是否有振动分量，如它只有一个周期的振动信号，可以确认速度调节器没有问题，而是前级的问题，即应向D/A转换器或位置偏差计数器去查找问题。如果正常，就转向测速电机或伺服电机的位置反馈装置是否有故障或连线错误。

（2）检查测速发电机及伺服电机。当机床振动时，说明机床速度在振荡，当然反馈回来的波形一定也在振荡，观察其波形是否出现有规律的大起大落。最好能测一下机床的振动频率与旋转的速度是否存在一个准确的比例关系，如振动频率是电机转速的4倍频率，这时就应该考虑电机或发电机有故障。因振动频率与电机转速成一定比例，首先要检查电机有无故障，如果没有问题，就再检查反馈装置连线是否正确。

（3）位置控制系统或速度控制单元上的设定错误。如系统或位置环的放大倍数(检测倍率)过大，最大轴速度、最大指今信等设置错误。

（4）速度调节器故障。如采用上述方法还不能完全消除振动，甚至无任何改善，就应考虑速度调节器本身的问题，应更换速度调节器板或换下后彻底检测各处波形。

（5）检查振动频率与进给速度的关系。如二者比例，除机床共振原因外，多数是因为CNC系统插补精度太差或位置检测增益太高引起的，须进行插补调整和检测增益的调整。如果与进给速度无关，可能原因有：速度控制单元的设定与机床不匹配；速度控制单元调整不好；该轴的速度环增益过大；或者是速度控制单元的印制线路板不良。

三、诊断实例

（1）某FANUC系统的加工中心运行时，工作台X轴方向位移过程中产生爬行现象故障，故障发生时系统不报警。

先检查是否过载，是否润滑不良这些容易看到的表面现象，经检查都正常。再检查联轴器是否连接松动或产生裂纹等，也没发现问题，接着查看了增益系数，发现也正常。再脱开弹性联轴器，用扳手转动滚珠丝杠进行手感检查。通过手感检查，感觉到似乎有故障存在，且丝杠的全行程范围均有这种爬行现象。折下滚珠丝杠检查，发现滚珠丝杠螺母在丝杠副上转动不畅，故而引起这种故障。折下滚珠丝杠螺母，发现螺母内的反相器处有脏物和小铁屑，因此钢球流动不畅，时有爬行现象。经过认真清洗和修理，重新装好，故障排除。

（2）某FANUC系统的加工中心运行时，工作台Y轴方向位移过程中产生明显的机械振动故障，故障发生时系统不报警。

因故障发生时系统不报警，同时观察CRT显示出来的Y轴位移脉冲数字量的速率均匀，通过观察X轴与Z轴位移脉冲数字量的变化速率比较后得出，故可排除系统软件参数与硬件控制电路的故障影响。由于故障发生在Y轴方向，故可以采用交换法判断故障部位。通过交换伺服控制单元，故障没有转移，故障部位应在Y轴伺服电机与丝杠传动链一侧。为区别电机故障，可折卸电机与滚珠丝杠之间的弹性联轴器，单独通电检查电机。检查结果表明，电机运转时无振动现象，显然故障部位在机械传动部分。脱开弹性联轴器，用扳手转动滚珠丝杠进行手感检查。通过手感检查，感觉到这种振动故障的存在且丝杠的全行程范围均有这种异常现象。折下滚珠丝杠检查，发现滚珠丝杠轴承损坏。换上新的同型号规格的轴承后，故障排除。

（3）一台配备FANUC 15MateA数控系统的龙门加工中心，在启动完成进入可操作状态后，X轴只要一运动即出现高频振荡，产生尖叫，系统无任何报警。

故障出现后，观察X轴托板，发现实际托板振动位移很小，但触摸输出轴，可感觉到转子在以很小的幅度、极高的频率振动，且振动的噪声就来自X轴伺服系统。

考虑到振动无论是运动中还是在静止时均发生，与运动速度无关，故基本上可以排除测速发电机、位置反馈编码器等硬件损坏的可能性。该振动可能是CNC中与伺服驱动有关的参数设定、调整不当引起的，且由于机床振动频率很高，因此时间常数较小的电流环引起振动的可能性较大。

由于FANUC 15MateA数控系统采用的是数字伺服系统，伺服参数调整可以直接通过系统进行。维修时调出伺服调整参数页面，并与机床随即资料中提供的参数表对照，发现参数PARMl852，PARMl825与提供值不符，设定值如下。

参数号 正常值 实际设定值

1852 1000 3414

1825 2000 2770

将上述参数重新修改后，振动现象消失，故障排除，机床恢复正常工作。