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：關進良 喻曉浩 岳維超
摘要：在了解數控機床組成和工作原理的基礎上，針對數控機床各類復雜故障，提出了模塊互換法、機電分離法、比較法、排除法以及PMC在線診斷法等五種典型的故障診斷方法，并結合實際維修經驗，分別介紹了診斷方法的應用實例，最后總結了故障診斷的一般思路，具有較強的工作指導性和實用性。
數控機床是集機、電、液、氣為一體的典型機電系統，結構復雜且自動化程度高，在我國制造業尤其是裝備制造業的發展中，起到了不可替代的作用。由于數控機床本身的復雜性和多樣性，使得機床故障受機械、電氣、控制系統以及檢測裝置等多因素影響，引起同一種故障的原因也可能是多種多樣的，而且故障停機直接影響著設備利用率和業的生產制造能力，因此在理解工作原理的基礎上，總結分析故障診斷方法，并從根本上尋找快速排除故障的途徑尤為必要。本文結合工作實踐中的具體案例，對典型故障診斷方法進行深入分析和探討。
1. 數控機床組成、工作原理
采用數控技術進行控制的加工設備稱為數控機床，其基本組成如圖1所示，現代數控機床一般采用計算機或微型計算機作為控制系統，稱之為計算機數控系統（簡稱CNC）。數控機床加工工件時，將工件圖樣上的幾何信息、工藝信息數字化，用NC代碼編寫加工程序并存儲到程序載體內，然后借助輸入裝置將程序輸入到CNC單元，并由CNC單元對程序進行譯碼、運算等綜合處理后，向伺服系統和其他輔助控制裝置發出指令信號，以驅動各運動部件和輔助動作，從而完成工件加工任務。數控機床可實現一次裝夾、多工序連續加工，同時具有自動化程度高、加工精度高以及生產效率高等特點。
2. 數控機床故障診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、伺服放大器及其電纜等）出現故障導致機床報警或異常現象，把該模塊與另外一個同類（盡量是同型號）正常的模塊互換，再觀察故障現象并與互換前對比，來幫助維修人員定位故障點。
應用實例。故障現象：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，下電重起后故障依舊。
圖1 數控機床組成框圖
故障分析和方法應用：一般情況下，引起該報警的原因可能是光柵尺故障、編碼器故障、反饋單元損壞以及中間連接電纜斷裂或破損。若針對以上所有情況拆下逐一檢查，則需耗費大量故障診斷時間。采用“互換”法，根據大量的維修記錄得知，導致此報警最有可能的因素是光柵尺臟污或讀數頭損壞，現將Y 軸和X 軸光柵尺電纜線互換（電纜經測試正常，相當于把光柵尺互換），開機后X軸出現25000號報警，顯然是Y 軸的光柵尺故障。進一步檢測后發現，其讀數頭上一個“小鋼珠”脫落，導致讀數頭在讀取反饋數據時信號不穩定，更換讀數頭后故障排除。
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，機床的其他部件不能同時交換，即保證互換前后對比判斷的可靠性。當引發某一報警的因素較多時，暫時缺少備件，可逐一對“可疑因素”與正常機床上同型號部件互換。如：伺服模塊、檢測模塊、主軸模塊以及各種電氣元件均可進行交換。
（2）機電分離法。因數控機床是典型的高度機電一體化設備，故障原因可能是電氣、機械甚至機電同時存在問題，很難直接判斷故障點所在，可把機械部分和電氣部分相對分離（脫開），再根據機電分離后的現象判斷故障。
應用實例 。故障現象 ：
V M C850立式加工中心空載時，數控系統負載監控界面顯示主軸負載達到50%以上（過大，存在很大故障隱患），而正常值是5%左右，影響機床正常運行，不知是機械故障還是電氣故障。故障分析和方法應用：該機床采用FANUC18-M數控系統，主軸和電動機使用同步帶直連，示意圖如圖2所示，現采用“機電分離法”，將連接電動機與主軸的同步帶拆掉，使機械部分（主軸本身）與電氣部分（主軸電動機）完全脫開（見圖3），手盤絲杠正常，再單獨測試電動機，發現負載仍然是50%左右，從而判斷是電動機本身問題，更換新電動機測試，負載顯示是4%，故障排除。后續進一步檢測電動機，發現根本原因是電動機軸承損壞，同時遙測定子繞組的絕緣電阻過小。
圖2同步帶直連示意圖
小結 ：機電分離法“ 化整為零”思想在故障診斷中的應用。機電分離后，“隱藏”在整體中的故障直接顯現出來，起到了化繁為簡的作用。此方法可延伸為“分離法”，除機電分離外，還可將其他需要“分離”的部分單獨脫開來幫助診斷故障，如：全閉環改為半閉環，把光柵尺從測量反饋系統中分離。
（3）比較法。若機床的某一軸出現故障后，可通過測試本機床或同型號機床的同類型軸，加以對比發現問題的不同點，從而找出故障點并迅速排除故障。
應用實例。故障現象：
某數控龍門銑床在自動加工過程中，出現“A 軸電動機溫度過熱”報警而停機，停機2h后重起，報警仍舊存在。故障分析及方法應用：該機床采用西門子840D數控系統，有X 、Y 、Z 三個直線軸和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機過熱。電動機本身故障。溫度傳感器或其信號線損壞。首先，用溫度儀測試電動機本身溫度為室溫，正常；然后分別測量A、C軸溫度傳感器的反饋線電阻，分別是60 000多Ω（接近斷路狀態）和650Ω，二者進行比較，A軸和C軸是同類型的旋轉軸，二者阻值一般相差不大，但C 軸無報警，由此快速判A 軸溫度傳感器反饋線可能已經斷路或破損，更換反饋線，故障排除。
小結：比較法可把“定性分析”轉化為“定量分析”，并借助現場實測數據來診斷故障。選取比較對象時，要首選“同類對象”，保證具備可比性。
（4）排除法。引起某一故障有多項并列的原因，其中一項或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原因項，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過程中 ， 突然出現 1 0 4 4 號報 警 （ M A C H I N E I S N O T READY），按復位鍵無法消除，同時電氣柜中空開QF91跳閘，機床下電合上空開，重起機床約
5～10s后故障復現。
圖3主軸與電動機脫開示意圖
故障分析及方法應用：該機床采用FANUC18i-MB數控系統，具有x、Y、Z、W四個直線軸和B 、C 兩個旋轉軸。針對空開跳閘現象查閱機床電氣圖樣（見圖4），空開Q F91（D Z47-60 C6）上端接
DC24V電源，下端經中間繼電器KA103和KA105，分別通過KA11至KA14控制四個直線軸的伺服電動機剎車裝置。由于四個剎車線圈電源都來源于同一個空開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，首先將四個直線軸的剎車（虛線方框中）全部退出電路，即拔掉11、12、13和14號線，再分別恢復剎車電路并單獨測試，結果是Y、Z、W三個軸的剎車正常（每路電流均小于1A），X 軸剎車接入電路時約5～10s后跳閘，電流約12A，已遠遠超過正常值，排除正常電路，故障定位在X 軸剎車。經進一步檢測，X 軸剎車線圈已燒毀（電阻約為2Ω），因過流導致空開跳閘，更換剎車裝置后故障排除。
小結 ： 機床的剎車電路直接關乎到設備和人身安全，機床維護人員必須重點關注，一旦出現故障立即停車，切不可強制運行。除適用于上述一般電路外，排除法的適用范圍可進一步延伸，如某些故障與CNC伺服模塊或者PMC的I/O單元有關，每模塊上接有多個插頭（分別控制對應的功能），也可利用排除法，首先拔掉全部插頭，再依次插上，逐個進行排除，當接上某一插頭后故障復現，即可把故障定位于此。
（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機床的精確控制，其中PMC主要完成與邏輯運算有關的功能，如刀具更換、主軸起停、換向變速、冷卻液開斷、工作臺交換等輔助動作。
PMC梯形圖能實時在線監測這些輔助動作，一旦某一動作在邏輯上出現問題，從梯形圖中能及時顯現出來，有助于故障的快速定位。
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（MAGAZINE ORI. UP/DOWN ALARM）。按復位鍵報警消失，重新換刀仍然反復出現該報警。
圖4 機床電氣圖
故障分析及方法應用：此機床采用FANUC 0i-MC數控系統，刀庫采用無機械手換刀方式，刀庫的左、右和上、下移動由氣缸驅動，旋轉由調速馬達驅動，自動換刀的一般步驟是：當數控系統接到換刀指令后主軸回到換刀位并準停→刀庫向右移動到主軸處→主軸上的刀具進入刀盤卡槽→主軸松刀→刀庫下移脫離主軸→刀庫備刀（定位銷抬起，刀盤旋轉至指令對應的刀位）→刀庫上移使刀具進入主軸錐孔內→刀具夾緊→刀庫退回到原位。根據報警提示，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，保證刀盤的定位精度）向上拔起，上端限位開關信號X7.6接通（X7.6→1），此時下端限位開關還未完全彈起（信號X7.7有一瞬間還處于1的狀態），造成地址A1.4接通而報警，當按下復位鍵F1.1后，此時因下端限位開關已完全彈起（X7.7已由1→0），報警消失。經上述分析可知，故障原因顯然是限位開關X7.7損壞失靈（內部銹蝕，彈起速度過慢），更換后故障排除。
圖5PMC梯形圖
小結：加工中心換刀過程和P M C 程序比較復雜，邏輯性較強，利用P M C在線診斷法能直觀地排查出“邏輯錯誤之處”，可快速從眾多可能原因中找出故障點，達到捋清邏輯關系和追根溯源之目的。對于一些隨機性、瞬間出現的故障，若梯形圖中一些信號的“通斷”（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），觀測信號的時序和波形，來“捕捉”瞬間信號狀態。
3. 結語
在對機床有一定認知的基礎上，當數控機床故障出現時，進行診斷的一般思路是：大腦保持清醒，切不可手忙腳亂，根據報警提示或者故障現象，通過認真詢問機床操作人員和查閱相關的機床資料，初步了解故障情況；大致判斷出該故障可能和哪些因素有關，并根據自身的知識范圍和工作經驗，運用其中一種或綜合運用幾種診斷方法，做到有“法”可依并盡快定位故障點，
排除故障；針對該故障或者這一類故障進行總結（包括故障類型、診斷方式、維修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，即先認真了解、再分析解決，最后總結經驗。
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