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大型數控機（jī）床故（gù）障診（zhěn）斷研究

2020-9-23 來源：首都航天機械有（yǒu）限公司作者：關進良，戰祥鑫，嶽維超，劉鬆，張星等

摘要：本文介紹了大（dà）型數控（kòng）機床的特（tè）點，針對大型數控機床的三種典型故障實例，分別研究（jiū）分析了導（dǎo）致故障的各種原因，運用多種（zhǒng）診（zhěn）斷方（fāng）法進行故障定位，給出了合理的解（jiě）決方案（àn），並設計（jì）出相應的預防改進措施，最後總結出了大型（xíng）數控機床故（gù）障診斷的總體思路，提高了大型數控機床故障的診斷效率。

關鍵詞：大型數控機床（chuáng）；故障診斷；PMC；編碼器；電主軸

近年來，隨著“中（zhōng）國製造 2025”戰略計劃的不（bú）斷推進與實施，國家正在從製造大（dà）國向製造強國轉變。數控機床（chuáng）在一定程度上被稱為製造業的母機，尤其是（shì）大型數控機（jī）床在製造（zào）業中發揮（huī）著舉（jǔ）足輕重的作用。大型數控機床可加工大（dà）尺（chǐ）寸（cùn）、複雜形狀和（hé）精度要求高的關鍵零部件，現（xiàn）已普遍用在了航空航天、船（chuán）舶、能（néng）源等重要領域，其（qí）故障率也直接影響著企業的科研生產完成情況，本文通過研究探索（suǒ）大型數控機床的故障診斷（duàn）方法（fǎ），達到（dào）了提高故障（zhàng）診斷和（hé）設備利用率的目的。

1、大型數控（kòng）機床的特點（diǎn）

大型數控機床融合了機械、電氣、液壓、計算機以（yǐ）及自動控製等多種專業技（jì）術，且與普通的中小（xiǎo）型（xíng）機床存在明顯的不同，機床整體結構龐大、控製係統複雜（zá）、聯動坐（zuò）標軸多、造價較（jiào）高、故障診斷難度大，而（ér）且在企業製造生產中往往承擔著重要產品的加工，有“不可替代性”的特點。大型（xíng）數控機床以四軸（X、Y、Z、B）或五軸（zhóu）（X、Y、Z、A、C）機床為主，且進口設備較多，如大型加工中心、鏜銑中心、五（wǔ）軸數控龍門銑床等。

2 、基於實例的典型故障分析及預防（fáng）改（gǎi）進措（cuò）施

2.1 某大型臥式加工中（zhōng）心主軸不（bú）啟動故障

（1）故障現象。

某大型臥式加工中心采用 FANUC 0i-MD數控係統，當執（zhí）行主（zhǔ）軸正轉 / 反轉時（shí），主（zhǔ）軸不啟動，機械上無（wú）異響，且無任何（hé）報（bào）警。

（2）故障分析及（jí）解決方案。

導致該故障的原因一般和（hé）伺（sì）服驅動（dòng）與（yǔ） PMC 地址信號狀態有關（guān），伺服類故障常會（huì）伴隨有相應報警，基本排除伺服方麵原（yuán）因，所以重點（diǎn）檢查與之（zhī）有關的 PMC 梯形圖（見圖 1）。

圖 1 PMC 梯形圖（tú）

利用機床 PMC 在線診斷法，進入（rù）機床梯形圖步（bù）驟是 SYSTEM → +（擴展鍵）→ PMCLAD，經查看，當按下主軸正轉 / 反轉鍵後，主軸（zhóu）停止信號 G29.6（*SSTP）不通，依據是 R100.2 通→ R46.2 不通→ R46.0 不通（tōng）→ G29.6 不通，而導致 R100.2 打（dǎ）通（tōng）要同時具備 R126.0 為1 和 X3.6 為 0 兩個條件。查閱機（jī）床電氣圖紙知，當 X20.2 為1 時（如工廠低壓氣源壓力不足或氣壓壓力繼電器損壞）會引起 R126.0 為 1，當液壓壓力傳感器 LS40 和 LS41 中任何一個壓力不足或者傳感（gǎn）器本身硬件（jiàn）損壞，均（jun1）可導致 X3.6 為 0。首先檢查（chá）氣源壓力是正常的（de），但壓力繼電器觸點損壞，再檢查（chá） LS40 和 LS41，發現 LS41 嚴重鬆動（dòng）。更換氣壓壓力繼（jì）電器，重新調整 LS41 的位置並緊固，故障徹底排除。

如刀具更換、主軸啟停、換（huàn）向變速、工作台交換等輔助（zhù）動作。梯形圖能實時在線監測這些輔（fǔ）助動作，隻（zhī）要有些動（dòng）作在邏輯上存在問題，從梯形圖中能及（jí）時體現出來。②大型機床主軸不啟動原因多而且（qiě）邏輯關係複雜，利用 PMC 在線診斷法能快速地從複雜的邏輯（jí）關係和眾多可能原（yuán）因中找出故障點，達到捋清邏輯關係和（hé）追根溯（sù）源之目的。③信號 *SSTP 是低電平有效，正常情況下（xià）應處（chù）於通的狀態，信號為“1”。（4）預防改進措施。原 PMC 程序中，R126.0 為 1“且”X3.6 為 0 時（即兩者均有故障時），會引（yǐn）起主軸不轉故障，很難進行精確的故（gù）障定（dìng）位，且有一定的安全隱患。現重新設計 PMC 程序（見圖 2），R126.0 為 1“或”X3.6 為 0 時（即兩者之中有一方故障（zhàng）時），都可使主軸停轉，同（tóng）時增加報警顯示功能（A5.0、A5.1），並（bìng）在 PMC 的 MESSAGE 模塊中編寫（xiě）相對應（yīng）的報警文本（běn），以後再次出（chū）現類似故障時立刻在顯示器上（shàng）彈（dàn）出報警內容，直接定位到具體的元器件，節（jiē）省大量的故障診斷時間。

圖 2 帶有報警顯示功能的 PMC 程序

2.2 某大型鏜銑中心測量反饋係統故障

（1）故障現象。

某大型鏜銑中心采用西門子 840D sl係統，每當（dāng）使用附件頭 TS6 時，出現“C 軸主動編碼器（qì）硬件（jiàn）故障”報警，重啟機床故障複現。

（2）故障分析及解決（jué）方案。

該機床是五軸聯動（dòng）大型（xíng）數控機床，帶有 TS6、TS15、TS20 三個附件頭，X、Y、Z 是直線軸，A、B、C 為旋轉軸，其中 C 軸是某一附件頭上（shàng）自帶的（de）旋轉軸（zhóu），可參與聯動。C 軸是全閉環控製（zhì），該機床的反饋係統測量元件主要（yào）包括增（zēng）量（liàng）編碼器和磁柵尺，又根據報警提示知，屬於（yú）測量反饋（kuì）係統故障，此故（gù）障一般情況（kuàng）下（xià）與C軸磁柵尺、伺服驅動模塊、連接電纜（lǎn）以及機床參數設置等有關，首先（xiān）檢查相關參數正（zhèng）常，並更換伺服（fú）模塊和連接電纜，故障複現，又把該 C 軸在另一台同類同型號機床上測試，結果正常（cháng），說明編碼器本身正（zhèng）常。上述常規的可能（néng）原因均以排除，從整體上進行分析，有可能其他原因間（jiān）接（jiē）導致該報警，考慮到磁柵尺（chǐ）抗幹擾性能較差，推測最有可能的原因是信號幹擾，而影響信號的幹擾因素有電（diàn）纜屏蔽線是否良好、接地線是否虛接等。重新檢查電（diàn）氣櫃發現，C 軸電機的動力線電纜屏蔽層（céng）接地不良，且該動力線（xiàn）和編碼器線走在同一管路中，而動力線（xiàn）屬（shǔ）於強電，編碼器線屬於弱電，容易造成信號幹擾。重新將（jiāng）動力線電纜屏蔽層（céng）緊（jǐn）固接地，保證（zhèng）接地良好（圖 3）。經測試，故障徹底排除。

圖 3 屏蔽層接地實物圖（tú）

（3）小結。①數控機床自診斷功能能幫助（zhù）技術人員判斷故障方向，但也不盡然。在進行故障診斷時（shí），有時需要“發散性思維”，盡可能從整體上考慮故障原因，不能漏掉任何一個可疑因素（sù）。②大型機床控製係統複雜（尤其是電氣（qì）部分），容易受到信號幹擾，如電磁波幹擾、供電線路幹擾、信號傳輸幹擾（rǎo），應采取有效措施盡量避免。

（4）預防改進措施。①為預防供電線路幹擾（主要是強電部分），電源端安（ān）裝交流穩壓器、電源濾波器和帶屏蔽層的隔離變壓器，且數控機床遠離具有中高頻電源的設備。②為預防機床控製中的信號線路（lù）幹擾（主要是弱電部分），應保證“接地”良好和采用電磁（cí）屏蔽、靜電屏蔽技術等措施，且動力（lì）線和信號線分開走線。

2.3 某大型五軸數控龍門銑床電主軸鬆緊刀故障

（1）故障（zhàng）現象。

該五軸數控龍門銑床采用 SIEMENS840D 數控係統，在給電主軸裝刀時，機械上有緊刀動作，實際上刀具（jù）已經安裝到主軸並夾緊，但“緊刀到位”信號燈不亮，進而（ér）造成主軸缺少“使能”，造成機床不能正常運行（háng）。

（2）故障分析及解決方案（àn）。

在分析具體故障原因之前，須清楚（chǔ）電主軸鬆緊刀基本原理。該機床（chuáng）采用雙回（huí）轉擺動銑頭，通過力矩電機驅動實現 A、C 旋轉（zhuǎn）軸運動，A 軸擺動體內安裝（zhuāng）電主軸，電主軸（zhóu）鬆緊刀動（dòng）作主要是由流量計、K11 控製模塊和機（jī）床 PLC 配合完成的（de），三者（zhě）信號傳遞（dì）關係見圖 4。當主軸鬆（sōng）刀或緊刀時，PLC 輸出開關量信號給 K11 模塊來控（kòng）製鬆緊刀電磁閥動作，流量計能夠檢測（cè）出液壓管路中流過油液（yè）的流量，並將其轉化為（wéi）數字脈衝信號輸送給 K11 模塊，再由（yóu） K11模塊把數字脈衝信號轉化為對應鬆（sōng）刀到位、緊刀到（dào）位和無刀夾緊三個刀具位置的（de）開關量信號輸送給 PLC，PLC 接收到（dào）具

體信號後才能完成整套鬆緊刀動作。

圖 4 信（xìn）號（hào）傳遞關係示意框圖

由以上電主（zhǔ）軸鬆緊刀控製原理知，電主（zhǔ）軸鬆緊刀是否到位是由流量計（jì）檢測的，這不同於傳（chuán）統的“位置檢測”。緊（jǐn）刀到位信號（hào）燈不（bú）亮的主要原因可（kě）能是：①流量計沒有檢測到足夠的液壓流量；②流量計已經將足夠（gòu）的脈衝信（xìn）號（hào）傳遞給 K11模塊，但 K11 模塊內（nèi）部參（cān）數設置有誤。③液壓管路中（zhōng）進（jìn）入空氣（qì），影響流量計檢測信（xìn）號。為（wéi）進一步診斷故障，采取（qǔ）以下措施：主軸（zhóu）鬆（sōng）緊刀由單（dān）獨的液壓站來驅動，先檢查液壓站中油量是否充足，保證油量滿足需求（qiú）；利用專用排（pái）氣工（gōng）具保證管路（lù）中空氣排盡。再次進行鬆（sōng）緊刀測試，故障（zhàng）複現。由排除法知（zhī），故（gù）障原（yuán）因最有可能是 K11 模塊（見圖 5）參數設置問題，以下將進行參數優化。

圖 5 K11 模塊實物圖

圖 6 專業軟（ruǎn）件與 K11 模塊正常連接狀態

借助“K11-controller” 專業（yè）軟件監控 K11 模塊狀態，圖 6 是專業軟件與機（jī）床 K11 模塊正（zhèng）常連接後（hòu）狀態，查看 CLAMP → Short[Pulses] 和 Long[Pulses] 中數據依次為262、304，分別代表“有刀夾緊”狀態（tài）的上、下（xià）限值，如果測（cè）試的數據不在上、下限值範圍（wéi）內，則出現信號輸出異常。

圖 7 參數優化前測試結果為“short”

圖 8 參數優化後測試（shì）結果為“OK”

首先進行 10 次“有刀夾緊”測試，測（cè）試數據見圖 7，結果均為 short（即：信號異常）。數據分析可得出以下結論（lùn）：Short[Pulses] 和 Long[Pulses] 這（zhè）兩個參數設置有誤，導致緊刀狀（zhuàng）態信號輸出有誤，需要進一步優化。記錄有刀加緊狀態（tài）的最大值 A1 和最小值 A2，可設置 Short:A2-10、Long:A1+10（如果數據變化（huà）幅度較大，可設置 A1/A2±20），即Short 設置為 243、Long 設置為（wéi） 266。優化完成後，再進行10 次測試，結果全部成功（圖 8），且每次緊刀（dāo）後，“緊刀到位”信號燈均正常亮，故障排除。

（3）小結。①在使用“K11-controller”專業軟件優（yōu）化參數時，每（měi）次輸入數值（zhí）後，均需要點擊“F4：SEND”軟鍵，這時輸入的數（shù）據才能被傳入 K11 模塊中，切記全部（bù）設置完（wán）成後要點擊“F5:SAVE”軟鍵，保存好數據。②對（duì）於主軸鬆緊刀這類故障，一般（bān）分為“無動作且信號狀態（tài）異常（cháng）”和“有動作但信號狀態異常”兩類，前（qián）者重（chóng）點排查機械方麵（液壓控製閥（fá）、油量是否充足以及（jí）執行（háng）元件等），後者主要檢查電氣方麵（信（xìn）號傳感器、PLC 程序以及相關參數設（shè）置等）。

（4）預防改進措施。①定期優化 K11 模（mó）塊參數，以免由參數問題造成其他故（gù）障。②及時向液壓站（zhàn）中加液壓（yā）油（油的牌號要嚴格按照說明書要求（qiú）選用（yòng），不得擅自更換），避免空氣進入，影響流量計正常檢（jiǎn）測。

3 、大型數控機床故障診（zhěn）斷一般思路總（zǒng）結

首先，由（yóu）於大型機床故障原因多而雜，將故障原因大致分類，根（gēn）據工作（zuò）經驗按照可能性大小（xiǎo）依次排列（liè）。其次，在排除每類原因時（shí）要充分使用一（yī）些（xiē）診斷方法，一（yī）般包括互換法、排除法、PMC( 或 PLC) 在線診斷法、專業軟件（jiàn）測試法等。具體（tǐ）診斷故障時，要深入理解“控製（zhì）原理”，從（cóng）原理上進行診斷才能“以不變應萬變”，並且要把故障原因逐步“由多變少”，直到故（gù）障確切（qiē）定位。最後，故障排除後，須經多次測試才能確保故障徹（chè）底被排除，力爭“零返（fǎn）修（xiū）”，並設法從根本上設計出有效的預防改進方案。

4 結語

通過實際工作中攻克的典型（xíng）故障診斷實例（lì），分析了（le）引發故障的具體原（yuán）因以及診斷方案，在徹底（dǐ）排除故障的同時（shí），又從根本上做出了預防改進措施，最後總結出故障（zhàng）診斷（duàn）的一般思路（lù），提高了大型數（shù）控機床故障診斷和維修效率，在行（háng）業（yè）內具有較強的可借鑒性和推廣價值。

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