數(shù)控機(jī)床故障診斷方法探討及應(yīng)用

■ 首都航天機(jī)械有限公司 （北京 100076） 關(guān)進(jìn)良 喻曉浩 岳維超

數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、液、氣為一體的典型機(jī)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且自動(dòng)化程度高，在我國(guó)制造業(yè)尤其是裝備制造業(yè)的發(fā)展中，起到了不可替代的作用。由于數(shù)控機(jī)床本身的復(fù)雜性和多樣性，使得機(jī)床故障受機(jī)械、電氣、控制系統(tǒng)以及檢測(cè)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(jī)直接影響著設(shè)備利用率和企業(yè)的生產(chǎn)制造能力，因此在理解工作原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)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(jié)合工作實(shí)踐中的具體案例，對(duì)典型故障診斷方法進(jìn)行深入分析和探討。

1. 數(shù)控機(jī)床組成、工作原理

采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的加工設(shè)備稱為數(shù)控機(jī)床，其基本組成如圖1所示，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床一般采用計(jì)算機(jī)或微型計(jì)算機(jī)作為控制系統(tǒng)，稱之為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱CNC）。數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，將工件圖樣上的幾何信息、工藝信息數(shù)字化，用NC代碼編寫加工程序并存儲(chǔ)到程序載體內(nèi)，然后借助輸入裝置將程序輸入到CNC單元，并由CNC單元對(duì)程序進(jìn)行譯碼、運(yùn)算等綜合處理后，向伺服系統(tǒng)和其他輔助控制裝置發(fā)出指令信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)部件和輔助動(dòng)作，從而完成工件加工任務(wù)。數(shù)控機(jī)床可實(shí)現(xiàn)一次裝夾、多工序連續(xù)加工，同時(shí)具有自動(dòng)化程度高、加工精度高以及生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)。

2. 數(shù)控機(jī)床故障診斷方法在實(shí)際維修中的應(yīng)用

圖1 數(shù)控機(jī)床組成框圖

（1）模塊互換法。數(shù)控機(jī)床的某一個(gè)模塊（一般指編碼器、光柵尺、伺服放大器及其電纜等）出現(xiàn)故障導(dǎo)致機(jī)床報(bào)警或異常現(xiàn)象，把該模塊與另外一個(gè)同類（盡量是同型號(hào)）正常的模塊互換，再觀察故障現(xiàn)象并與互換前對(duì)比，來幫助維修人員定位故障點(diǎn)。

應(yīng)用實(shí)例。故障現(xiàn)象：某數(shù)控龍門銑床在自動(dòng)加工過程中，出現(xiàn)25000號(hào)報(bào)警：Y軸主動(dòng)編碼器硬件錯(cuò)誤，下電重起后故障依舊。

故障分析和方法應(yīng)用：一般情況下，引起該報(bào)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(duì)以上所有情況拆下逐一檢查，則需耗費(fèi)大量故障診斷時(shí)間。采用“互換”法，根據(jù)大量的維修記錄得知，導(dǎo)致此報(bào)警最有可能的因素是光柵尺臟污或讀數(shù)頭損壞，現(xiàn)將Y軸和X軸光柵尺電纜線互換（電纜經(jīng)測(cè)試正常，相當(dāng)于把光柵尺互換），開機(jī)后X軸出現(xiàn)25000號(hào)報(bào)警，顯然是Y軸的光柵尺故障。進(jìn)一步檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)，其讀數(shù)頭上一個(gè)“小鋼珠”脫落，導(dǎo)致讀數(shù)頭在讀取反饋數(shù)據(jù)時(shí)信號(hào)不穩(wěn)定，更換讀數(shù)頭后故障排除。

小結(jié)：該方法的核心是“互換”，應(yīng)用比較簡(jiǎn)單，前提是在交換某一模塊時(shí)，機(jī)床的其他部件不能同時(shí)交換，即保證互換前后對(duì)比判斷的可靠性。當(dāng)引發(fā)某一報(bào)警的因素較多時(shí)，暫時(shí)缺少備件，可逐一對(duì)“可疑因素”與正常機(jī)床上同型號(hào)部件互換。如：伺服模塊、檢測(cè)模塊、主軸模塊以及各種電氣元件均可進(jìn)行交換。

（2）機(jī)電分離法。因數(shù)控機(jī)床是典型的高度機(jī)電一體化設(shè)備，故障原因可能是電氣、機(jī)械甚至機(jī)電同時(shí)存在問題，很難直接判斷故障點(diǎn)所在，可把機(jī)械部分和電氣部分相對(duì)分離（脫開），再根據(jù)機(jī)電分離后的現(xiàn)象判斷故障。

應(yīng)用實(shí)例。故障現(xiàn)象：VMC850立式加工中心空載時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)負(fù)載監(jiān)控界面顯示主軸負(fù)載達(dá)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(jī)床正常運(yùn)行，不知是機(jī)械故障還是電氣故障。

故障分析和方法應(yīng)用：該機(jī)床采用FANUC18-M數(shù)控系統(tǒng)，主軸和電動(dòng)機(jī)使用同步帶直連，示意圖如圖2所示，現(xiàn)采用“機(jī)電分離法”，將連接電動(dòng)機(jī)與主軸的同步帶拆掉，使機(jī)械部分（主軸本身）與電氣部分（主軸電動(dòng)機(jī)）完全脫開（見圖3），手盤絲杠正常，再單獨(dú)測(cè)試電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)負(fù)載仍然是50%左右，從而判斷是電動(dòng)機(jī)本身問題，更換新電動(dòng)機(jī)測(cè)試，負(fù)載顯示是4%，故障排除。后續(xù)進(jìn)一步檢測(cè)電動(dòng)機(jī)，發(fā)現(xiàn)根本原因是電動(dòng)機(jī)軸承損壞，同時(shí)遙測(cè)定子繞組的絕緣電阻過小。

小結(jié)：機(jī)電分離法是“化整為零”思想在故障診斷中的應(yīng)用。機(jī)電分離后，“隱藏”在整體中的故障直接顯現(xiàn)出來，起到了化繁為簡(jiǎn)的作用。此方法可延伸為“分離法”，除機(jī)電分離外，還可將其他需要“分離”的部分單獨(dú)脫開來幫助診斷故障，如：全閉環(huán)改為半閉環(huán)，把光柵尺從測(cè)量反饋系統(tǒng)中分離。

（3）比較法。若機(jī)床的某一軸出現(xiàn)故障后，可通過測(cè)試本機(jī)床或同型號(hào)機(jī)床的同類型軸，加以對(duì)比發(fā)現(xiàn)問題的不同點(diǎn)，從而找出故障點(diǎn)并迅速排除故障。

應(yīng)用實(shí)例。故障現(xiàn)象：某數(shù)控龍門銑床在自動(dòng)加工過程中，出現(xiàn)“A軸電動(dòng)機(jī)溫度過熱”報(bào)警而停機(jī)，停機(jī)2h后重起，報(bào)警仍舊存在。

圖2 同步帶直連示意圖

故障分析及方法應(yīng)用：該機(jī)床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，有X、Y、Z三個(gè)直線軸和A、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，一般情況下造成此報(bào)警的原因有3種：A軸過載或過流導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)過熱。電動(dòng)機(jī)本身故障。溫度傳感器或其信號(hào)線損壞。首先，用溫度儀測(cè)試電動(dòng)機(jī)本身溫度為室溫，正常；然后分別測(cè)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(tài)）和650Ω，二者進(jìn)行比較，A軸和C軸是同類型的旋轉(zhuǎn)軸，二者阻值一般相差不大，但C軸無報(bào)警，由此快速判斷A軸溫度傳感器反饋線可能已經(jīng)斷路或破損，更換反饋線，故障排除。

小結(jié)：比較法可把“定性分析”轉(zhuǎn)化為“定量分析”，并借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來診斷故障。選取比較對(duì)象時(shí)，要首選“同類對(duì)象”，保證具備可比性。

（4）排除法。引起某一故障有多項(xiàng)并列的原因，其中一項(xiàng)或幾項(xiàng)均可導(dǎo)致相同的報(bào)警或故障現(xiàn)象。首先去掉所有可能的原因項(xiàng)，再依次單獨(dú)接入電路，分別觀察對(duì)應(yīng)的現(xiàn)象，逐一排除“可疑”項(xiàng)來診斷故障。

應(yīng)用實(shí)例。故障現(xiàn)象：某數(shù)控鏜銑床在執(zhí)行加工程序過程中，突然出現(xiàn)1 0 4 4號(hào)報(bào)警（M A C H I N E I S N O T READY），按復(fù)位鍵無法消除，同時(shí)電氣柜中空開QF91跳閘，機(jī)床下電合上空開，重起機(jī)床約5～10s后故障復(fù)現(xiàn)。

圖3 主軸與電動(dòng)機(jī)脫開示意圖

故障分析及方法應(yīng)用：該機(jī)床采用FANUC18i-MB數(shù)控系統(tǒng)，具有X、Y、Z、W四個(gè)直線軸和B、C兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。針對(duì)空開跳閘現(xiàn)象查閱機(jī)床電氣圖樣（見圖4），空開QF91（DZ47-60 C6）上端接DC24V電源，下端經(jīng)中間繼電器KA103和KA105，分別通過KA11至KA14控制四個(gè)直線軸的伺服電動(dòng)機(jī)剎車裝置。由于四個(gè)剎車線圈電源都來源于同一個(gè)空開QF91，任何一路長(zhǎng)時(shí)間過載或者短路都有可能導(dǎo)致QF91跳閘。采用排除法，首先將四個(gè)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(hào)線，再分別恢復(fù)剎車電路并單獨(dú)測(cè)試，結(jié)果是Y、Z、W三個(gè)軸的剎車正常（每路電流均小于1A），X軸剎車接入電路時(shí)約5～10s后跳閘，電流約12A，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常值，排除正常電路，故障定位在X軸剎車。經(jīng)進(jìn)一步檢測(cè)，X軸剎車線圈已燒毀（電阻約為2Ω），因過流導(dǎo)致空開跳閘，更換剎車裝置后故障排除。

小結(jié)：機(jī)床的剎車電路直接關(guān)乎到設(shè)備和人身安全，機(jī)床維護(hù)人員必須重點(diǎn)關(guān)注，一旦出現(xiàn)故障立即停車，切不可強(qiáng)制運(yùn)行。除適用于上述一般電路外，排除法的適用范圍可進(jìn)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(guān)，每個(gè)模塊上接有多個(gè)插頭（分別控制對(duì)應(yīng)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(gè)進(jìn)行排除，當(dāng)接上某一插頭后故障復(fù)現(xiàn)，即可把故障定位于此。

圖4 機(jī)床電氣圖

（5）PMC在線診斷法。在數(shù)控機(jī)床加工過程中，CNC和PMC協(xié)調(diào)配合共同完成對(duì)機(jī)床的精確控制，其中PMC主要完成與邏輯運(yùn)算有關(guān)的功能，如刀具更換、主軸起停、換向變速、冷卻液開斷、工作臺(tái)交換等輔助動(dòng)作。PMC梯形圖能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)這些輔助動(dòng)作，一旦某一動(dòng)作在邏輯上出現(xiàn)問題，從梯形圖中能及時(shí)顯現(xiàn)出來，有助于故障的快速定位。

應(yīng)用實(shí)例。故障現(xiàn)象：VMC1600立式加工中心在刀庫換刀過程中，出現(xiàn)1012#報(bào)警（MAGAZINE ORI. UP/DOWN ALARM）。按復(fù)位鍵報(bào)警消失，重新?lián)Q刀仍然反復(fù)出現(xiàn)該報(bào)警。

故障分析及方法應(yīng)用：此機(jī)床采用FANUC 0i-MC數(shù)控系統(tǒng)，刀庫采用無機(jī)械手換刀方式，刀庫的左、右和上、下移動(dòng)由氣缸驅(qū)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)由調(diào)速馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，自動(dòng)換刀的一般步驟是：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)接到換刀指令后主軸回到換刀位并準(zhǔn)?！稁煜蛴乙苿?dòng)到主軸處→主軸上的刀具進(jìn)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(zhuǎn)至指令對(duì)應(yīng)的刀位）→刀庫上移使刀具進(jìn)入主軸錐孔內(nèi)→刀具夾緊→刀庫退回到原位。根據(jù)報(bào)警提示，在PMC中查詢到1012#報(bào)警對(duì)應(yīng)的梯形圖，如圖5所示，當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)動(dòng)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(guān)信號(hào)X7.6接通（X7.6→1），此時(shí)下端限位開關(guān)還未完全彈起（信號(hào)X7.7有一瞬間還處于1的狀態(tài)），造成地址A1.4接通而報(bào)警，當(dāng)按下復(fù)位鍵F1.1后，此時(shí)因下端限位開關(guān)已完全彈起（X7.7已由1→0），報(bào)警消失。經(jīng)上述分析可知，故障原因顯然是限位開關(guān)X7.7損壞失靈（內(nèi)部銹蝕，彈起速度過慢），更換后故障排除。

小結(jié)：加工中心換刀過程和PMC程序比較復(fù)雜，邏輯性較強(qiáng)，利用PMC在線診斷法能直觀地排查出“邏輯錯(cuò)誤之處”，可快速?gòu)谋姸嗫赡茉蛑姓页龉收宵c(diǎn)，達(dá)到捋清邏輯關(guān)系和追根溯源之目的。對(duì)于一些隨機(jī)性、瞬間出現(xiàn)的故障，若梯形圖中一些信號(hào)的“通斷”（通斷保持的時(shí)間極短）肉眼無法分辨，可使用PMC的信號(hào)跟蹤功能（TRACE），觀測(cè)信號(hào)的時(shí)序和波形，來“捕捉”瞬間信號(hào)狀態(tài)。

3. 結(jié)語

圖5 PMC梯形圖

在對(duì)機(jī)床有一定認(rèn)知的基礎(chǔ)上，當(dāng)數(shù)控機(jī)床故障出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行診斷的一般思路是：大腦保持清醒，切不可手忙腳亂，根據(jù)報(bào)警提示或者故障現(xiàn)象，通過認(rèn)真詢問機(jī)床操作人員和查閱相關(guān)的機(jī)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(guān)，并根據(jù)自身的知識(shí)范圍和工作經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)用其中一種或綜合運(yùn)用幾種診斷方法，做到有“法”可依并盡快定位故障點(diǎn)，排除故障；針對(duì)該故障或者這一類故障進(jìn)行總結(jié)（包括故障類型、診斷方式、維修細(xì)節(jié)以及注意事項(xiàng)等），這一點(diǎn)特別重要，對(duì)快速提高機(jī)床維修人員（尤其是初學(xué)者）的技術(shù)水平有“事半功倍”的作用，即先認(rèn)真了解、再分析解決，最后總結(jié)經(jīng)驗(yàn)。

[1] 朱文藝，李斌．基于Internet的數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程故障診斷系統(tǒng)研究[J]．機(jī)床與液壓，2005（9）：176-178．

[2] 井陸陽，王太勇，陳東祥，等．?dāng)?shù)控機(jī)床多參數(shù)在線監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．制造業(yè)自動(dòng)化，2013，35（6）：178-180．