寧夏大學工程訓練中心數控機床的故障診斷及維護實踐淺談
2020-6-20 來源： 寧夏大學 教務處 作者：尹承東
摘要：數控機床具有自動化程度高、精度高、系統復雜及難以維護保養等特點，針對寧夏大學工程訓練中心數控機床種類多、維護及保養規則繁雜、故障率高、利用率較低等問題，在分析數控機床常見故障的基礎上，總結了數控機床常見故障的排除方法。 這些方法可提高數控機床的使用率、節約成本，并可為其他高校數控機床的故障診斷及維護提供參考。
關鍵詞：數控機床；故障診斷；維護；工程訓練中心
數控機床自動化程度高、結構復雜、故障不易排除，且維護成本較高，國內專業技術人員和學者對數控機床的故障診斷和維護已有不同程度的分析總結。 樊兆博[1]在分析數控機床常見故障的基礎上提出了數控機床的維護策略 ；姚 兆[2]分析了我國企業機床設備故障率的維修現狀及存在的問題，提出減少數控機床設備故障率的對策 ；童勛[3]對數控機床常見故障進行了分類， 并提出了排除辦法 ；王海月[4]對數控機床故障的診斷和維修方法進行了研究 ；胡 羽[5]對數控機床故障診斷系統進行了設計與實現。
雖然國內學者在數控機床的故障診斷及維護上進行了大量的研究， 但目前還缺少系統化的維護方法。寧夏大學工程訓練中心配有 8 臺安裝華中數控系統的立式加工中心、7 臺安裝華中數控系統的數控車床、3 臺安裝 Fanuc 數控系統的數控車床及 1臺安裝 Mazak 數控系統的數控加工中心。
這些數控機床生產廠家各不相同，在日常實訓中，由于實訓項目多、使用率高、使用學生專業化訓練少、維護人員少等原因， 使得寧夏大學工程訓練中心數控機床故障率較高，利用率較低，影響了日常教學和實驗。
本文在分析總結寧夏大學工程訓練中心數控機床常見故障的基礎上， 對數控機床的故障診斷和維護保養方法進行了較為深入的探討。
1 、數控機床故障診斷原則
在對數控機床進行故障診斷時，應遵循的原則：
（1）先外部后內部。數控機床故障的發生一般由機械、液壓、電氣這三者綜合反映出來。 當發生故障時，維修人員應由外向內逐一排查，并且避免隨意拆卸，否則可能會擴大故障并降低機床精度及性能。
（2）先機械后電氣。 機械故障一般容易發現 ，而數控系統的故障排查難度較大。故先排查機械故障，可提高故障診斷的效率。
（3）先靜后動。出現故障后，首先給機床斷電，并通過觀察分析確定非破壞性故障后， 才可以給機床通電進行動態測試，排查故障。
（4）先簡單后復雜。 當出現多個故障后，應先排除容易的，后解決難度大的。
2 、數控系統故障診斷技術
數控系統屬于高技術含量的設備， 當發生故障時， 需要借助智能診斷技術才能快速并且正確地找出故障的原因及故障發生的位置。 目前市場上數控系統比較多，應用最多的有 Fanuc 數控系統、Mazak 數控系統及 HEIDENHAIN 數控系統等。
智能診斷技術也是判斷一個數控系統性能的重要指標。 基于以上常用的數控系統，常用的智能診斷包括以下 4 個方面：
（1）啟動診斷。 當數控機床接通電源，數控系統啟動后， 系統自帶的智能診斷程序便開始對機床進行診斷，并判別機床能否正常使用。智能診斷的內容包括數控機床的硬件和軟件部分
，如中央處理器、存儲模塊、輸入輸出模塊等裝置， 只有當檢測的所有項目都正常工作，數控機床才進入準備工作狀態；否則，系統將顯示報警信息，數控機床將無法進入工作狀態。
（2）在線診斷 。 數控系統中都安裝在線診斷程序，在數控機床正常工作時，隨時對機床各個系統進行診斷。診斷的內容主要包括機床主軸單元、伺服電動機、伺服模塊及機床連接的外部設備等
。只要數控機床處于工作狀態，則在線診斷就持續工作，確保機床處于正常工作狀態。
（3）離線診斷 。 在線診斷并不能處理所有的故障、在數控系統出現某種無法解決的故障時，需要數控系統生成廠家或專業的代理維修機構， 利用專用的測試軟件或裝備對機床進行檢測通過這種檢測方式， 盡可能將發生故障的位置縮小到一范圍，如某個模塊、某個芯片、部分電路或元件等，再對發生故障的這些模塊或元件進行更換，可減小維修成本。
（4） 現代診斷技 術 。 隨著現代通信技術的發展， 目前國內外已將一些新的方法和手段引入到了數控機床的診斷中來， 如通信診斷和機床自修復系統等。通信診斷是把有故障的數控系統和專業維修檢測機構的專用檢測設備連接起來進行故障診斷測試。
當測試完成后， 維修檢測機構再將數控機床的故障信息發送給機床使用用戶，進行維修。通過這種方式， 維修人員不必親自去用戶所在地進行故障診斷，不僅節約成本，還可提高效率。 采用通信診斷的數控機床需要連接網絡。數控系統的自修復系統是數控系統中安裝的一段自修復程序。當數控機床發生故障時，該程序會將故障信息顯示在機床顯示屏上， 同時檢查機床是否有故障模塊的備用模塊，如果有，則該軟件會接通備用模塊，并使機床快速地進入工作狀態。
這種自修復系統適合自動化程度較高的場合。
3 、數控機床的故障診斷方法
數控機床故障類別比較多且復雜， 而數控系統自帶的自診斷系統往往不能應對所有的故障形式。而有時一個報警顯示由很多故障原因造成， 很難精確地定位故障發生部件。 這就需要維修人員在實際中掌握一些常用的故障解除方法。
（1）直觀檢查法 。 當機床發生故障時 ， 首先需要對機床進行直觀的檢查。 一般由外向內，查驗電氣柜中開關是否跳閘，各個驅動器、機是否接觸不良，接頭是否松動，數據線是否斷路，保險是否熔斷，線路是否燒傷等。
如果機床以前進行過維修或更換過零部件，則查驗更換過的零部件是否正常工作等。 最后再查看電路板上的各種元件，是否有燒痕、接觸不良等現象，同時查看主板電池是否有電。
（2）程序測試法。 當數控機床長時間不開機 、加工造成廢品或數控系統出現隨機性的故障而短時間內無法確定故障原因時， 可用數控系統的編程功能編寫一個測試程序，在機床出現故障時，
運行這個程序，有助于快速確定故障原因。
（3）交換試探法。在初步確定故障大致位置或起因的情況下，可以用備用零部件替換可疑零部件，如沒有備用零部件， 可以將同型號機床的零部件與故障機床的零部件進行互換，以確定故障零部件。
（4）參數檢查法。 在無法確定故障原因時 ，需要校核一下數控系統參數， 如果由于外部原因導致數控系統個別參數丟失時，數控機床也無法進行工作。通過檢測系統電路板測量端子的電源，
檢查電路是否正常工作。
（5）測量比較法。 除以上診斷方法外，還可以通過檢測電路板焊接是否正常、 是否存在接觸不良等問題查找故障原因。總之，數控機床故障十分復雜，產生故障的原因也是多種多樣。在實際排除故障時，應多種方法同時使用，縮小故障范圍，才能快速地排除故障。
4 、數控機床常見故障的處理
數控機床的故障種類繁多， 但常見的故障及處理方法分以下 4 種。
4.1 機械故障
數控機床機械故障具有多樣性， 本文僅介紹一些關鍵部件的故障及其處理方法，見表 1。
表 1 機械故障類型、原因及處理方法
4.2 數控系統故障
不同數控系統的故障各不相同， 本文以國產華中數控系統為例，簡述常見的故障及其排除方法，見表 2。
表2 數控系統故障類型、原因及排除方法
4.3 進給伺服系統故障
進給伺服系統的故障一般包括軟件報警 、硬件報警及無報警形式等 3 種。 軟件報警一般是控制單元故障、 檢測元件故障或由電機及伺服單元溫度升高引起的， 此時可通過報警信息并參考機床報警信息說明進行故障排除。 硬件報警一般是驅動器或伺服單元上的電流過大、 壓過高或過低引起的。壓時可能是晶體管損壞、絕緣失效及線路故障造成的。 無報警顯示的故障一般包括機床失控、過沖、振動及噪音過大等。 一般是由于檢測元件故障、位置檢測器連接故障、伺服驅動器連接不良（圖 3）、開關跳閘（圖 4）、線路板故障 、系統參數設置不合理、絲杠剛度較低、潤滑不良，軌道進入灰塵等原因造成的。 需要多方位查找故障的具體原因，并排除故障。
圖1 顯示屏白屏
圖2 顯示屏不顯示
圖3 伺服驅動器接觸不良
圖4 開關跳閘
4.4 主軸伺服系統故障
該類故障一般表現為主軸不轉動、 主軸轉動時振動噪音過大、 主軸轉速與設定轉速不符合及主軸電動機過熱等。造成這類故障的原因很多，包括加工時負載過大、程序未指定主軸轉動、電路故障導致不產生脈沖、線路板進入灰塵、輸入電壓不穩定、主軸軸承損壞、主軸電機軸承損壞、缺少潤滑油、主軸轉速指令有誤等等。
5 、總結
數控設備種類繁多、每種設備的故障形式均不同，在數控設備的使用中， 除了需要掌握常見的故障診斷方法及故障排除方法外， 還需嚴格遵守數控設備的操作規程和日常維護制度。 本文在分析數控設備常見故障診斷原則、診斷技術及診斷方法的基礎上，總結了高校數控設備常見的故障類型，并給出了排除方法。這些方法可提高高校數控設備的利用率，降低維護成本。
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