FANUC系统伺服报警诊断方法研究

王莉刚

（中国航发哈尔滨东安发动机有限公司，黑龙江哈尔滨 150066）

0 引言

数控机床中采用FANUC 数控系统的设备比较多，该系统界面明了、操作简单且稳定性高，因此应用广泛。在实际应用中，设备也会出现各种故障：一种是有详细、准确的报警提示，如PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）报警，这种情况应根据报警提示按部就班进行排查，就会找到故障点；另一种是会给出一些通用的报警提示，但没有具体的故障点，如伺服报警。这样的问题查找起来就会比较困难，要求维修人员对系统和硬件组成比较熟悉，凭借积累的维修经验深入分析，仔细排查，最终也会解决故障，保证设备正常运转。将分析系统伺服报警特点，结合一台使用FANUC 21 系统的辛辛那提数控车床，研究在日常排故中比较常见的401 号伺服报警的诊断方法。

1 伺服系统

伺服系统又称随动系统，是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。其主要任务是按控制命令的要求、对功率进行放大、变换与调控等处理，使驱动装置输出的力矩、速度和位置控制非常灵活方便。伺服系统分为直流伺服系统和交流伺服系统。直流伺服系统采用直流伺服电机，这种电机具有较高的响应速度、精度和频率，但由于使用电刷和换向器，所以寿命低、需要定期维修。交流伺服系统采用交流伺服电机，克服了直流电机存在的电刷、换向器等机械部件所带来的各种缺点，交流伺服电机的过负荷特性和低惯性体现出交流伺服系统的优越性，所以交流伺服系统得到了越来越广泛的应用。FANUC 交流速度控制单元有多种规格，早期的交流伺服以模拟量式为主，速度控制单元采用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制，大功率晶体管驱动。现在大多应用数字式伺服，驱动器采用PWM 控制，IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）驱动，各项指标均有大幅提高。

在数控机床中，进给伺服系统主要由伺服驱动电路、伺服驱动装置、位置检测装置、机械传动机构和执行部件组成。其中，伺服系统位于数控系统和执行器之间，扮演着承上启下的角色，在数控系统和执行元件之间传递信号，完成控制各数控轴精确运动。因此，伺服单元会一直参与数控设备各轴的运动控制，其功能的完好，是设备正常运转的必要条件。

2 硬件结构

在数控机床实际应用中，数控系统作为整个设备的大脑，会控制伺服系统以及相关外围附件，如液压单元、冷却单元等共同完成程序指令，保证工件加工精度。控制各轴运动的伺服系统主要由电源模块、主轴放大器模块、伺服放大器模块3 种模块构成。

（1）电源模块。这是用机床侧提供的交流电源向主轴驱动模块和伺服放大器模块供电的模块。向直流母排输送直流300 V电压，供主轴和伺服放大器使用，同时提供直流24 V 控制电源。电源模块具有输入保护功能，可以利用设备急停信号控制模块主接触器的通断。根据所要驱动的主轴电动机和伺服电动机的连续运转额定值和最大输出的总容量决定电源容量。

（2）主轴放大器模块。这是控制和驱动主轴电动机的交流电源模块，通过数控系统的指令，来完成设备主轴电机的启、停及方向等功能的控制。可根据用途和使用的检测器种类进行选择。

（3）伺服放大模块。这是驱动伺服电动机的交流电源模块，有FSSB（FANUC Serial Servo Bus，FANUC 串行伺服总线）接口和PWM 接口2 种。用1 台放大器可驱动的轴数有1 轴、2 轴、3 轴3 种。根据使用的伺服电动机种类和轴数进行选择。i 系列数控系统用FSSB 接口，i 系列以前的数控系统用PWM 接口。可通过伺服电机编码器反馈信号，与数控系统组成闭环控制系统，提高设备整体控制精度。

3 伺服报警401 诊断方法

应用FANUC 系统数控设备的正常开机流程为：当检测到系统无故障且没有外部急停、超程的时候，数控系统向伺服放大器发出请求伺服准备信号，伺服通信正常后，发出请求电源单元准备信号，电源单元准备好后，主继电器触点吸合，电源模块向数控系统发出准备完成信号，系统向PMC（Programmable Machine Controller，可编程机床控制器）发出伺服就绪信号。

在实际应用中，经常会出现401 号伺服报警，其含义为“伺服准备就绪信号断开”。产生的主要原因是：伺服放大器伺服准备就绪信号尚未被置于开时，或在运行过程中被置于关，也可能因发生了其他报警而引发此报警。因此，出现401 号报警时，首先应对最初发生的报警进行处理，确认放大器周围的强电回路，检查伺服硬件。

引起此报警原因很多，排查工作十分困难。在FANUC21i 系统可以通过诊断参数的提示来寻找思路：出现报警后，在诊断界面里找到诊断参数358，该参数里会有一个十进制数，将其转换为二进制数，检查第5～14 位，正常情况都应该为1。否则可根据表1 参数含义对照、重点排查，提高诊断效率。

表1 参数含义

其中，#5 表示系统监控程序启动；#6（*ESP）表示急停信号；#7、#8、#9 表示MCON 信号；#10CRDY 表示转换器准备就绪信号；#11RLY 表示继电器信号（DB 继电器驱动）；#12INTL 表示连锁信号（DB 继电器解除状态）；#13DRDY 表示放大器准备就绪信号；#14SRDY 表示放大器准备结束。

4 辛辛那提数控车启动流程及故障分析

某型号辛辛那提数控车数控系统为FANUC21，驱动模块为双轴模块，同时控制X 轴和Z 轴，该设备已运行十余年。开机后启动流程为：首先开机送强电，这时电源模块的三相进电还没给上，按下面板处的启动按钮，安全继电器ESR1 回路会检测外部电机强电回路信号，正常后复位ESR1 使其工作，接着检测急停信号，正常后其常开触点会闭合，M7 线圈得电，进而电源模块处的急停信号检测正常，电源模块、伺服模块和系统之间通信正常后线圈M6 得电，电源模块的三相进电给上，正常启动。

（1）案例1：该数控车开机后X、Z 轴回零正常，在执行刀盘回零时出以下4 个报警：1024 TURRET SYSTEM ERROR；1063 TURRET ALIGN FAILURE；401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。此故障为401 报警伴随其他报警一起出，判断主要原因为前2 个报警引起，检查刀盘控制回路，未发现异常。多次关机重启试验，有时正常，有时出此报警，在电气柜侧观察启动及回零过程时各部件状态，发现给刀盘驱动器供电的继电器在开门后没有马上断开，判断是继电器内部卡滞或接触不好导致，更换新继电器后正常，运行至今未再出现此报警。

图1 开机后启动流程

（2）案例2：该数控车开机后正常加工，不定期出现急停报警，然后出2 个伺服报警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。观察后发现报警没有规律。在报警时检查诊断参数358，值为417，转换为二进制数后是110100001。根据该参数含义判断为急停有问题，在正常状态下和报警状态下检查各急停回路，没发现异常，怀疑安全继电器ESR1 性能不稳定，更换新件后没有变化。检查伺服单元各连线，重新紧固后没有变化，与其他设备对调伺服模块，故障也没变化，又重新分析急停回路。最后发现是电气柜门上的门机连锁开关处于临界状态，导致出现急停、引起报警，处理后设备运转正常。

（3）案例3：数控车开机后正常加工，不定期出2 个伺服报警401 SERVO ALARM:X AXIS VRDY OFF；401 SERVO ALARM:Z AXIS VRDY OFF。设备停机，导致精加工程序运转中途停止，造成工件报废。首先排查外围电路，未发现异常，空运行此段精加工程序一段时间，未出现报警，但在开机状态下，没有任何动作情况时又出现此报警，确认该故障为偶发不确定性故障，怀疑是伺服模块性能不稳定导致。为准确判断出故障，决定与另一台同型号数控车床对换伺服模块。试验一段时间后，另一台正常的数控车出现401 号报警，确定为伺服模块故障导致，更换新模块后设备恢复正常。这种对调模块的方法简单明了，易于判断故障部位，但也存在弊端，例如模块的损坏是因为外围电路存在问题导致，但维修人员没有发现外围电路的问题，这时和其他设备对调模块，就会导致2 个模块都损坏，引起2 台设备停机，不但没有判断出故障点，反而扩大了故障范围，因此要慎重应用这种方法。最好在有备件的情况下采用这种判断方法。

5 总结

数控设备故障种类繁多，引起每种故障原因很多，很难查找故障点，尤其是401 号伺服报警。因此在处理这种报警时，一定要清楚原理，掌握方法，善于观察、仔细分析，最终会找到故障根本原因。