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數控機床故障診斷方法探討及應用

2020-7-2 來源：首都航天機械有限公司　作者（zhě）：關進良　喻曉浩　嶽維超

摘要：在了解數控機床組成和工作原（yuán）理的基礎上，針對數控（kòng）機床各類複雜故（gù）障（zhàng），提出了模塊互換法、機電分離法、比較法（fǎ）、排除法以（yǐ）及PMC在線診斷法等五種典型的故障診斷方法，並結合實（shí）際維（wéi）修經驗，分別介紹了診斷（duàn）方法的應用實（shí）例，最後總結了故障診斷的一般思（sī）路，具（jù）有較強（qiáng）的工作指導（dǎo）性和實用性。

數控（kòng）機床是（shì）集機、電、液、氣為一體的典型機電係（xì）統，結構複雜且自（zì）動化（huà）程度高（gāo），在（zài）我國製造業尤其是裝備製造業的發展中，起（qǐ）到了不（bú）可替代的作用。由（yóu）於數控機床本身的複雜性和多樣性，使得機床故障受機械、電氣、控（kòng）製係統以及檢測裝置等多因素影響，引起同一種故障（zhàng）的原因也可能是（shì）多種多樣的，而（ér）且（qiě）故（gù）障停機直接（jiē）影響著設備利用率和業（yè）的（de）生產製（zhì）造能力，因此在理解工作原理的基礎上，總結分析故（gù）障診斷方法，並從根本上尋找快速（sù）排（pái）除故障的（de）途徑尤為必（bì）要。本文結（jié）合（hé）工作（zuò）實踐中的具（jù）體案例，對典型故障診斷方法進行深入分析和探討。

1. 數（shù）控機床組成、工作原（yuán）理

采用數控技術進行控製的加工設備稱為數控機床，其（qí）基本組（zǔ）成如圖1所示，現代數控機（jī）床一（yī）般采用計（jì）算機或微型計算機作為控製係統，稱之（zhī）為計算機（jī）數控係統（簡稱CNC）。數控（kòng）機床（chuáng）加工工件時，將工件圖樣上的幾何信息、工（gōng）藝信息數（shù）字化，用NC代碼編寫加工程序並存儲到（dào）程序載體內，然後借助輸入裝置將程序輸入到CNC單元，並由CNC單元對程序進行譯（yì）碼、運（yùn）算等綜合處理後，向（xiàng）伺（sì）服係統和其他（tā）輔助控製裝置發出指令信號，以驅動各運（yùn）動部件和輔助動作，從而完成工件加工任務。數控機床可實現一次裝夾（jiá）、多工序連續加工，同時具有自動化程度高、加（jiā）工精度高以及生產效（xiào）率高等特點。

2. 數控機（jī）床故障診（zhěn）斷方法在實際維修中的應用

（1）模塊互換法。數控機床的某一個模塊（一般指編碼器、光柵尺、伺服（fú）放大器及（jí）其電纜等（děng））出現故障導致機床報警或異常現象，把該模（mó）塊（kuài）與另外一個同類（盡量是同型號）正常的模塊互換，再觀察故障現（xiàn）象並與互換（huàn）前對比，來幫（bāng）助維修人員定位故障點。

應用（yòng）實例。故障（zhàng）現象：某數控龍門銑床在自動加工過程中，出現25000號報警：Y軸主動編碼器硬件錯誤，下電重起後故（gù）障依（yī）舊。

圖1 數控機床（chuáng）組（zǔ）成框圖

故障分析（xī）和方法應（yīng）用：一（yī）般情況下，引起該報警的原因可能是光柵尺故障（zhàng）、編碼器故（gù）障、反饋單元（yuán）損壞以及中間連接電纜斷裂（liè）或破損。若針對（duì）以上所有（yǒu）情（qíng）況拆下逐一檢（jiǎn）查，則需耗費大量故（gù）障診斷時間。采用“互（hù）換（huàn）”法，根（gēn）據（jù）大（dà）量的維修記錄得知，導（dǎo）致此報警最有可能（néng）的因（yīn）素是光柵尺髒汙或讀數頭損壞，現將Y 軸和X 軸光柵尺電纜線互換（電纜經測試正常，相當於把光柵尺互換），開（kāi）機後X軸出現25000號報警，顯然是Y 軸的光柵尺故障。進一步（bù）檢測後發（fā）現，其讀數（shù）頭上一（yī）個“小鋼珠”脫落，導致（zhì）讀數頭在讀取反饋（kuì）數據時信（xìn）號不（bú）穩定（dìng），更換讀數頭後故（gù）障排除。

小結：該方法的核心是“互換”，應用比較簡單，前提是在交換某一模塊時，機床的其（qí）他部件不能同時交換，即（jí）保證互換前（qián）後（hòu）對比判斷的（de）可靠性。當引發某一報警的因（yīn）素較多時，暫時缺少備件，可逐一對“可疑因素（sù）”與正常機床上同型號部（bù）件互換。如：伺服模塊、檢測模塊、主軸模塊（kuài）以及各種電氣元（yuán）件均可進行交換（huàn）。

（2）機電分離法（fǎ）。因（yīn）數控機床是典型的高度機電一體化（huà）設備（bèi），故障原因可（kě）能是（shì）電氣、機械甚至機電同時存在問題，很難（nán）直接判斷故障點所在，可把機械部分和電氣部（bù）分相對分離（脫開），再根據機電分離後的現（xiàn）象判斷（duàn）故障。

應用實例。故障現象：

V M C850立式加（jiā）工中（zhōng）心空載時，數控係統負載監控界麵顯（xiǎn）示（shì）主軸負載（zǎi）達到50%以上（過大（dà），存在很大故障隱（yǐn）患），而正常值是（shì）5%左右，影響機床正常（cháng）運行，不（bú）知是機械故障還是電氣故（gù）障。故障分析和方法應用：該機床（chuáng）采用FANUC18-M數控係統，主（zhǔ）軸和電動機使用同步帶直連，示意圖如圖2所（suǒ）示，現采用“機電分離法”，將連接電動機與主軸的同（tóng）步帶拆掉，使機械部分（主軸本身）與（yǔ）電（diàn）氣部分（主軸電動機）完（wán）全脫開（見圖3），手盤絲杠正（zhèng）常，再單獨測試電動（dòng）機，發現負載仍然是50%左（zuǒ）右，從而判斷（duàn）是電（diàn）動機本身問題（tí），更換新電（diàn）動機測試，負載顯示是4%，故障排除（chú）。後續進（jìn）一步檢測電動機，發現根本原因是電動機軸承損壞（huài），同（tóng）時遙測定子（zǐ）繞組的絕緣電阻過小。

圖2同步帶直連示意圖

小結（jié） ：機電（diàn）分離法“ 化整為零”思想在故（gù）障診斷中的（de）應用。機電分離後，“隱藏”在整體中（zhōng）的故（gù）障直接顯現（xiàn）出來，起到了化繁為簡的作用。此方法可（kě）延伸為“分離法”，除機電分離外，還可（kě）將其他需要“分離”的部（bù）分（fèn）單（dān）獨脫開來幫助診（zhěn）斷故障，如：全閉環改為（wéi）半閉環，把光柵尺從測量（liàng）反饋係統中分離。

（3）比較法。若機床的某一軸出現（xiàn）故障後，可通過測試本機床或同型號機床的同（tóng）類型軸，加以對比發現（xiàn）問題的不同點，從而（ér）找出故障點並迅速排除（chú）故障（zhàng）。

應用實例。故障現象：

某數控龍門銑床在自動加工過程（chéng）中，出（chū）現“A 軸（zhóu）電動機（jī）溫度（dù）過熱”報警而停機，停機2h後重起，報警仍舊存在。故障分析及方法應用：該機床采用西（xī）門子840D數控係統，有X 、Y 、Z 三個直（zhí）線（xiàn）軸和A 、C兩個旋轉軸，一般情況下造成此報警的原因有3種：A軸3過載或過流導致電動（dòng）機過熱。電動機本（běn）身故（gù）障。溫度傳感器或其（qí）信號線損壞。首先，用溫度儀測試電動機本身溫度為（wéi）室溫，正常；然後分別測量（liàng）A、C軸（zhóu）溫度傳感器的反饋（kuì）線電阻（zǔ），分別（bié）是60 000多（duō）Ω（接近斷（duàn）路狀態）和650Ω，二者進行（háng）比較，A軸和C軸是同類型的旋轉軸，二者阻值（zhí）一般（bān）相差（chà）不大，但C 軸（zhóu）無報警，由（yóu）此（cǐ）快（kuài）速判A 軸溫度傳感器反饋線可能已經斷路或破損，更換（huàn）反饋線，故障排除。

小（xiǎo）結：比較法可把“定性分析”轉化為“定量分析”，並借助現場實測數據來診斷故障。選取比較對象時，要首選“同類（lèi）對象（xiàng）”，保證具備可比性。

（4）排（pái）除（chú）法。引起某一（yī）故障有（yǒu）多項並列的原因，其（qí）中一項（xiàng）或（huò）幾項均可導致相同的報警或故障現象。首先去掉所有可能的（de）原因項（xiàng），再依次單獨接入電路，分別觀察對應的現象，逐一排除“可

疑”項來診斷故障。

應用實例。故障現象：

某數控鏜銑床在執行加工程序（xù）過程中，突（tū）然出現 1 0 4 4 號報警（ M A C H I N E I S N O T READY），按複位鍵（jiàn）無（wú）法消除，同時電氣櫃中空開QF91跳閘，機床下（xià）電合上空開，重起機床約

5～10s後故障複現。

圖3主軸與電動機（jī）脫開示意（yì）圖

故障分析及方法應用：該機床采用FANUC18i-MB數控係統，具有x、Y、Z、W四個直線軸和B 、C 兩個（gè）旋轉軸。針對（duì）空開跳閘現象查（chá）閱（yuè）機床電氣圖樣（見圖（tú）4），空開Q F91（D Z47-60 C6）上端接

DC24V電源（yuán），下端經中間繼電器KA103和KA105，分別通過KA11至KA14控製四個直線軸的（de）伺服電動機刹車裝置。由於四個刹（shā）車線圈（quān）電源都來源於（yú）同一個空開QF91，任何一路長時間過載或者短路都有可能導致Q F91跳閘。采用排除法，首先將四（sì）個直線軸的刹車（虛線方框中）全部退出（chū）電路，即（jí）拔掉11、12、13和14號線，再分別恢複刹車電路並單獨測試，結果是Y、Z、W三個軸的刹車正常（每路電（diàn）流均（jun1）小（xiǎo）於1A），X 軸刹車（chē）接入電路時約5～10s後跳閘，電流約12A，已遠遠超過正常值，排除正常電路，故障定位在X 軸刹車。經進（jìn）一步檢（jiǎn）測，X 軸刹車線（xiàn）圈已燒毀（huǐ）（電阻約為2Ω），因過流導致空開跳閘，更換刹車裝置後故障排除。

小結： 機床的刹車電路直接關乎到設備和人身安全（quán），機床維護（hù）人（rén）員必須重點關注，一（yī）旦出（chū）現（xiàn）故障立即（jí）停車，切不可（kě）強製運行。除適用於上述一般電路（lù）外，排除法的適用（yòng）範圍可進一步延伸（shēn），如某些故障與CNC伺服模塊（kuài）或者PMC的I/O單元有關（guān），每模塊上接有多（duō）個插頭（分別（bié）控製對（duì）應的功能），也可利用排除法，首先拔（bá）掉全部插頭，再依次插上，逐個進行（háng）排除，當接（jiē）上某一插頭後故障複現，即可把故障定位於（yú）此。

（5）PMC在線診斷法。在數控機床加工過程中，C N C和P M C 協調配合共同完成對（duì）機床的精確控製，其中（zhōng）PMC主要完成與邏輯運算有關的功能，如（rú）刀具更換（huàn）、主（zhǔ）軸起停、換向變速、冷卻液開斷、工（gōng）作台交換等輔助動作。

PMC梯形圖能實時在線監測這些輔助動作，一旦某一動作在（zài）邏輯（jí）上（shàng）出現問題，從梯形圖中能及時顯（xiǎn）現出來，有助（zhù）於故障的（de）快速（sù）定位。

應用實例。故障現象：

V M C 1 6 0 0 立式加工中心在刀庫換刀過程中，出現 1 0 1 2 # 報警（jǐng）（MAGAZINE ORI. UP/DOWN ALARM）。按複位鍵報警消失，重新換（huàn）刀仍然反複出（chū）現該報（bào）警。

圖4 機床電氣圖

故障分析及方法應用：此機床采（cǎi）用（yòng）FANUC 0i-MC數（shù）控係統，刀（dāo）庫采用無機械手換刀方式（shì），刀庫的左、右和上、下移動由氣缸驅動，旋轉由（yóu）調速馬（mǎ）達驅動，自動換刀的一般步驟是：當數（shù）控係統接到換刀指令後主軸回到換刀位並準停→刀庫向右移動到主軸處→主軸上的刀具進入刀盤卡槽→主軸鬆刀→刀庫（kù）下（xià）移脫離（lí）主（zhǔ）軸→刀庫備刀（定位（wèi）銷抬起，刀盤旋轉至指令對應的刀位）→刀庫上移使刀具進（jìn）入主軸錐孔內→刀具夾（jiá）緊→刀庫退回到原位。根據報警提（tí）示，在P M C中查詢到1 0 1 2 # 報警對應的梯形圖，如圖5 所示，當刀盤轉動之前，其定位銷（固定刀盤，保證刀盤的（de）定位精度）向上拔起，上端限位開關信（xìn）號X7.6接通（X7.6→1），此時（shí）下端限位開關還未完全彈起（信號X7.7有一瞬間還處於1的（de）狀態），造成地址A1.4接通（tōng）而報警，當按下複位鍵F1.1後，此時因下端限位開關已完全彈起（X7.7已由1→0），報警消（xiāo）失。經上述分析可知，故障原因顯然是限位開關X7.7損壞失靈（líng）（內部鏽蝕，彈（dàn）起速度過慢），更換後故障排除。

圖5PMC梯形圖

小結：加工中心換（huàn）刀過程（chéng）和P M C 程序（xù）比較複雜，邏輯（jí）性較強（qiáng），利用P M C在線診斷法能直（zhí）觀地排查出“邏輯錯誤（wù）之處”，可快速從眾多可能原（yuán）因中找出故障點，達到捋清邏輯關係和追根溯源之目的。對（duì）於一些（xiē）隨機性、瞬（shùn）間出現的故障，若梯形圖中一些信號（hào）的“通（tōng）斷”（通斷保持的時間極短）肉眼無法分辨，可使用PMC的信號跟蹤功能（T R A C E），觀（guān）測信號的時（shí）序和波形，來“捕捉”瞬（shùn）間信號狀態。

3. 結語

在對機床有一（yī）定認（rèn）知的基礎上，當數控機床故障出（chū）現時，進行診斷（duàn）的一般思路是：大腦保持清醒，切不可手忙腳亂，根（gēn）據報警提示或者（zhě）故障現象（xiàng），通過認真（zhēn）詢問機床操（cāo）作人員和查閱相關的機床資料，初步了解故障情況；大致判斷出該（gāi）故障可能和哪些因素有關，並根據自身的知識範圍（wéi）和工作經驗，運用其中一種或綜合運用幾種診斷方法，做到有“法”可依並盡快定位故（gù）障點（diǎn），

排除故（gù）障；針對該故障或者（zhě）這一類故障進行總（zǒng）結（包括故障類型、診（zhěn）斷方式、維修（xiū）細節以及注意事項等），這一點特別重要，對快速提高機床維修人員（尤其是初學者）的技術水平有“事半功倍”的作用，即先認真了（le）解、再分（fèn）析解決，最後總結經驗（yàn）。

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