數控加工設備故障維修研究
2018-6-11 來源：豫西集團河南江河機械有限責任公司 作者：盧祥勝 王金海 趙慶輝
摘要：本文對數控加工設備工作原理進行闡述，主要介紹了數控加工設備在生產過程中出現的故障，對所出現這些故障的原因進行了詳細的分析，有針對性地研究出了行之有效的故障檢查及排除方法。
數控加工設備是集技術密集型和知識密集型為一身的機電一體化產品，其技術先進、智能化程度較高，控制系統以集成電路為主，結構較復雜，因此數控加工設備在長期運行過程中所產生的故障較復雜，維修難度大。數控加工設備的故障診斷與維修是其使用過程中重要的組成部分，也是制約其功能充分發揮作用的因素之一。數控加工設備的故障類型一般分為有顯示內容和無顯示內容兩大類，本文就數控設備實際運行過程中出現的故障及維修進行介紹。
1、數控加工設備工作原理
數控加工設備主要由輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服驅動裝置、機床電氣邏輯控制裝置和位置檢測裝置幾部分組成。工作原理為：在加工時，將需加工工件的尺寸和工藝數據按照系統規定的代碼和格式編成數控加工程序，通過輸入/輸出裝置傳送給數控裝置，由其對程序進行數據處理后，形成各種加工信息和加工指令，輸出給機床電氣邏輯控制裝置與伺服驅動裝置，從而控制機床各傳動裝置，完成對工件的切削與加工過程。在此過程中伺服驅動裝置除了接受數控裝置的指令外，還與機床電氣邏輯控制裝置之間進行信息與信號交互，從而使工件的切削與加工精度更高。數控加工過程中由位置檢測裝置對各運動部件進行數據檢測與監控，并實時將數據和監控結果反饋給數控裝置，以便于數控裝置進行數據的運算與精準控制，從而形成一種有效的數控設備半閉環控制。在數控加工設備運行過程中出現許多故障，不同類型的數控系統所對應的故障類型也不一樣，但總結起來主要分為系統有故障顯示和系統無故障顯示兩類，下面對這兩類故障進行簡要介紹。
2、系統有顯示類故障
（1）伺服驅動器故障。故障現象：一臺數控車床（型號為：CKA6136），采用FANUC OTC系統，數控系統在開機時就顯示報警號分別為401：“SERVO X AXIS VRDY OFF”；403：“X AXIS CNV LOWVOLT DC LINK”，加工程序不能運行，設備各部位均不能運行。
故障分析與檢查：查FANUC維修說明書得知401號報警的解釋為：數控系統沒有得到伺服控制準備完畢信號；403號報警的解釋為：伺服驅動器連接的直流電壓降低，根據機床控制系統電氣原理圖進行檢查后，發現控制伺服驅動器電源的接觸器KM1未吸合，KM1由伺服系統的電源模塊控制，檢查電源模塊端的交流220V輸入與直流24V輸出均正常，往下檢查電源模塊供給伺服驅動器的直流24V是否正常，經測量給伺服驅動器供電的插頭發現無直流24V輸出，進一步檢查發現圖3中CXA19B插頭內電源線斷一根，導致伺服驅動器無直流24V輸入，使得圖1中模塊CXA29內部常開點無法閉合，致使圖1中接觸器K M1線圈在伺服起動指令發出后無法得電，使伺服驅動器驅動電源缺失，從而引起此故障現象。其原理如圖1、圖2所示。
圖1 伺服上電原理圖
圖2 伺服驅動器原理圖
故障處理：將檢查出伺服驅動器CXA19B插頭內斷掉的電源線重新焊接后試運行，系統報警解除，設備運行正常。
（2）編碼器故障。故障現象：一臺型號為R560的鉆銑數控加工中心，采用MITSUBISHI，60S系統（三菱系統）該機床在正常工作過程中，系統突然停止工作，顯示器出現：Z70 0001Y；S01 PR 0018 Y報警。
故障分析與檢查：通過查科維修說明書得知，Z70 0001 Y報警，表示Y軸伺服電動機絕對位置編碼器無效，S01 PR 0018 Y報警，表示Y軸伺服電動機絕對位置的通信信號不能執行，通過此兩種報警信息，可基本確定是Y軸伺服電動機絕對位置編碼器原點位置發生異常所致。根據原理分析可知，引起原點位置異常的可能原因有：伺服電動機編碼器的插頭脫落、伺服驅動器發生損壞、數控裝置（CNC）出現故障、伺服驅動器電池組無電、BUS LINK連接線路故障及編碼器本身出現故障等。通過對編碼器插頭、連接線路、數控裝置及伺服驅動器電池組等進行仔細檢查，未發現異常。采用替換法進行判別故障，即將另一臺同型號機床的伺服驅動器模塊裝到故障機床上，顯示器出現同樣的報警信息。經分析認為，引起此臺數控機床的故障原因可確定是由編碼器損壞引起的。
故障處理：更換新的編碼器，并對Y軸伺服電動機編碼器進行絕對式伺服控制系統原點重新設定后試運行，系統報警解除設備運行正常。
（3） 超行程故障。故障現象 ： 一臺型號為C K E6136的數控車床，采用FA N U C OT C系統，該設備在開機后返參考點過程中，出現506“X AXIS OVER TRAVEL”（X軸硬限位超程報警），使得機床不能正常運行。
故障分析與檢查：根據系統工作原理，506報警是PMC（可編程序機床控制器）報警，表示X軸壓上限位開關。觀察故障現象，在機床開機返回參考點時，按+X鍵后，屏幕上顯示X軸的運動數值，當X軸方向的限位塊壓上零點開關后，X軸減速運動，直到壓上超程限位開關，并出現506報警。根據數控系統返回參考點的工作原理，在返回參考點時，當限位塊壓上零點開關后開始減速，在離開零點開關之后，系統再接到編碼器的零點脈沖，以確定參考點。X軸能減速，說明零點開關的常閉觸點能斷開，傳輸信號線也沒問題。那么可能的原因是X軸編碼器有問題，更換編碼器故障依舊，檢查可編程機床控制器梯形圖的零點開關信號X9.0狀態，發現壓上零點開關后，其狀態由“1”變成“0”，但離開之后沒有馬上變回“1”，而是在壓上硬限位并出現506報警之后才變成“1”，說明零點開關有問題，將限位開關拆開檢查發現切削液進入開關內部，造成觸點氧化，觸點不能及時閉合接通，進而使零點開關由斷開到閉合的信號不能及時傳送給系統，系統檢測不到零點開關信號，導致限位塊碰上超程限位而產生此報警。
故障處理：將限位開關拆開，把零點開關接觸片上的氧化皮清除后試運行，系統報警解除設備運行正常。
3 、系統無顯示類故障
（1）主軸不能正常運行故障。故障現象：一臺立式加工中心（型號為XH716）系統為廣泰數控系統，設備在開機后發生主軸電動機轉速不按照加工程序所編制的主軸轉速指令“S”的轉速值而變化的故障，S指令的數值不管每分鐘設為幾千轉，主軸的實際轉速大約只有400 r/min左右，數控系統顯示的轉速值與指令設定的轉速相同（主軸的正常轉速變化范圍是0～6 000r/min）。
故障檢查與分析：對出現的故障進行分析后認為，引起該故障的原因可能是由于主軸電動機傳動部分問題、機械傳動部分問題及變頻系統問題等造成的。根據以上分析進行故障檢查，首先對主軸電動機與機床主軸聯接的同步帶傳動部分進行檢查，沒有發現問題；再對機械傳動部分的滾珠絲杠進行檢查，未發現異常；那么，變頻系統出現問題的可能性較大。主軸電動機的旋轉是由主軸變頻器進行驅動控制，變頻器的輸出頻率由數控系統根據操作輸入的主軸轉速S指令數值經過插補后，通過控制信號輸入/輸出板（I/O板）輸出0～+10V模擬電壓來進行控制。根據電氣原理圖查找變頻器的轉速指令電壓，檢測其電壓值發現始終只有0.8V左右，該電壓不隨主軸電動機轉速指令S值設定的數值變化而變化，檢測I/O板模擬電壓輸出值正常，經仔細檢查發現I/O板接線端子的壓接線嚴重氧化，致使該端子的壓降增大，使得變頻器的實際轉速指令電壓不隨主軸電動機轉速指令設定值而變化，引起主軸電動機轉速始終只按照一定的轉速運轉的故障。其原理如圖3所示。
圖3 主軸驅動原理圖
故障處理：將氧化的接線端子和壓接線去除氧化皮，重新接上后試運行，設備運行正常。
（2）自動加工程序不能執行故障。故障現象：一臺數控車床（型號為CAK6136），采用FANUC OT D系統，在正常工作過程中，發生自動加工程序不能執行故障，顯示器無報警信息。
故障分析與檢查：觀察程序運行過程，發現系統在執行程序段G01 X10 F1時不能往下執行，將系統關機，開機再試。加工程序從開始到G01直線插補時，不能再往下執行，用MDI功能測試，G00快速移動沒有問題，但G01、G02和G03功能指令都不能正常運行，因這幾個指令都必須指定進給速率F的具體數值后才能夠正常運行，因此判斷此故障應與F的數值為零有關。經分析認為F值為零的原因可能有：程序中的F值設定為0、進給速率的倍率開關設定為0或者倍率開關損壞，以及數控系統出現故障等。檢查F的設定值、倍率開關設定值及倍率開關未發現異常。將機床設定到空運行狀態，程序能夠正常運行，但速度很慢，說明機床數控系統沒有問題。進一步研究機床的工作原理發現，機床X軸、Y軸的進給速度與主軸速度有關，檢查到主軸在進給之前確實已經運轉，但檢查數控裝置顯示器上的主軸速度顯示值，發現在主軸旋轉時S的監測值為零，沒有顯示出主軸的實際轉速值，為此判定數控系統沒有監測到主軸速度反饋信號，可能是主軸編碼器出現故障。將與主軸同軸聯接的編碼器拆下，用手轉動編碼器軸的同時，觀察顯示器上S值的變化情況，發現顯示器上的S監測值仍是零，為此確定是主軸編碼器損壞。
故障處理：將損壞的主軸編碼器進行更換后試運行，設備運行正常。
4 、結語
要使數控機床保持較高的效率，僅靠將產品加工程序編到最優也不是唯一途徑，切實降低數控加工設備的故障率、有效縮短維修時間也是提高生產效率的有效途徑。維修者只有在具備數控加工設備維修知識和豐富實踐經驗后，才能行之有效地將數控加工設備的故障排除，使其效能發揮到最大化。數控加工設備在出現故障時不能急于動手，要做好設備維修的望、聞、問、切，即先向操作者問詢出現故障后數控加工設備的運行現象，然后針對故障現象按照數控加工設備的原理進行檢查與分析，最后再動手正確排除故障。本文按類別詳細介紹了幾例數控加工設備在日常生產過程中出現的故障現象，對排除這些故障的方法進行了闡述，為讀者和數控加工設備維修人員提供了故障排除的思路。
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