數(shù)控機(jī)床機(jī)械與電器故障診斷分析

段樹民

（聊城大學(xué)東昌學(xué)院，山東聊城 252000）

0 引言

工業(yè)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是機(jī)械維修、故障診斷技術(shù)還未形成完善的技術(shù)體系。目前，數(shù)控機(jī)械結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，隨著制造性能的加強(qiáng)，維修方法也越來越多樣，智能化理念的深化，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床機(jī)械與電器維修理論、技術(shù)都發(fā)生了較大變化。探討數(shù)控機(jī)床機(jī)械與電器故障診斷方法，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 常規(guī)檢測(cè)方法

數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)的定位誤差，大多數(shù)情況因?yàn)闄C(jī)械結(jié)構(gòu)變形、磨損而產(chǎn)生。以現(xiàn)有的技術(shù)條件，在具體加工過程中，并不能人為的對(duì)機(jī)械變形機(jī)械補(bǔ)償、調(diào)試。所以，需要將每一部分機(jī)械機(jī)構(gòu)的變形、磨損力所能及的進(jìn)行控制，這樣才能保障數(shù)控機(jī)床的加工精度，為機(jī)械加工表面質(zhì)量提供保障。為減輕數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中受到的磨損、形變，通常采用提高剛度的方法來應(yīng)對(duì)，最為常見的方式，就是在機(jī)床主軸附近采用“三支撐”結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用角接觸向心推力軸承以及雙列短圓柱管子軸承，進(jìn)一步減小數(shù)控機(jī)床的軸向、徑向變形。物理層面上的誤差以及故障診斷，當(dāng)前已經(jīng)有一個(gè)較為完善的故障應(yīng)對(duì)、維修、診斷方法，但是數(shù)字控制、電氣線路方面的診斷方法仍舊不夠成熟。

1.1 直觀檢查法

直觀檢查法是故障分析基礎(chǔ)階段的必用方法，通過看、問、摸，來獲取設(shè)備的故障信息，對(duì)數(shù)控車床的故障情況有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。具體而言，“看”是目測(cè)數(shù)控機(jī)床電路板、電器柜有沒有出現(xiàn)常見故障[1]。比如“保險(xiǎn)絲燒斷、元器件上有無燒焦痕跡、機(jī)床有無開裂現(xiàn)象、數(shù)控機(jī)床中有無異物”，多數(shù)數(shù)控機(jī)床，所有元件、模塊、電路板上都有故障指示燈、狀態(tài)指示燈，維修人員通過觀察指示燈的狀態(tài)，也能獲取一些信息?！皢枴笔窃儐柟ぷ魅藛T，在工作人員處了解故障信息，然后再初步判斷故障類型?！懊笔侵赣檬指兄獢?shù)控機(jī)床的溫度[2]。

1.2 儀器檢查法

利用萬用表，根據(jù)數(shù)控機(jī)床控制電路，可以檢查出各個(gè)電路有無斷路、虛接的情況，如果沒有上述情況，就可直接接入電源，觀察電路是否能夠正常運(yùn)行，然后再測(cè)試電路的短路情況。這種檢測(cè)方法，能夠檢測(cè)出一些常見故障和較為明顯的故障[3]。此外，還有參數(shù)調(diào)整法、接口狀態(tài)檢查法、備件置換法、交叉換位法等監(jiān)測(cè)方法。

2 故障維修

現(xiàn)場(chǎng)維修是找到數(shù)控機(jī)床的故障部位，采取相應(yīng)的零備件進(jìn)行更換，讓機(jī)床快速恢復(fù)正常工作。只有找到“病根”，維修人員才能夠?qū)ΠY下藥。維修人員通過對(duì)系統(tǒng)以及外圍線路的監(jiān)測(cè)，判斷出故障具體位置，甚至定位到數(shù)控機(jī)床中某個(gè)元器件。這是數(shù)控機(jī)床監(jiān)測(cè)維修最主要的部分。

2.1 開關(guān)失靈、系統(tǒng)黑屏故障排除

如果在按下啟動(dòng)按鈕之后，系統(tǒng)沒有反應(yīng)，那么首先就需要檢查數(shù)控機(jī)床總開關(guān)，然后觀察電氣柜中指示燈狀態(tài)，以此來判斷電源盒的電壓輸出是否達(dá)標(biāo)。如果維修人員發(fā)現(xiàn)電源盒中指示燈處于熄滅的狀態(tài)，就需要再次檢查電源電壓，如果電源電壓為220 V，若電源沒有24 V 電源輸出，那么就可基本判定為“電源損壞”。如果有24 V 電源輸出，則需要檢查系統(tǒng)是否有24 V 電源，在這個(gè)過程中如果電壓小于24 V 就有可能是短路，沒有電壓，則有可能是斷路，詳細(xì)需要查看數(shù)控機(jī)床的電路原理圖（圖1）進(jìn)行判定。

2.2 啟動(dòng)急停報(bào)警故障排除

啟動(dòng)急停報(bào)警分為內(nèi)部急停、外部急停，但是這兩種急停報(bào)警都會(huì)導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床不能運(yùn)行，通常情況下，啟動(dòng)急停報(bào)警往往伴隨著其他報(bào)警信息，所以有著不同的解決辦法。首先，數(shù)控機(jī)床只出現(xiàn)“急停報(bào)警”而沒有其他報(bào)警信息，那么就應(yīng)該檢查PLC 系統(tǒng)輸入、輸出狀態(tài)。如果有輸入和輸出，那么就需要結(jié)合電氣原理圖的急停電路一一排查，若電路沒有損壞，則要檢查開關(guān)故障狀態(tài)；其次，如果“急停報(bào)警”和“超程”同時(shí)出現(xiàn)，就需要判斷機(jī)床超程限位類型，硬限位超程需要在操作面板上進(jìn)行操作，同時(shí)多次按動(dòng)復(fù)位按鍵進(jìn)行解除，軟限位超程則要手動(dòng)調(diào)節(jié)，直到機(jī)床停止報(bào)警。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)電路原理

3 簡(jiǎn)單數(shù)控系統(tǒng)案例

（1）在數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控位置環(huán)是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)布控制指令，完成控制任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)控位置環(huán)有著很高的工作頻率，并且和外置設(shè)備相接，數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中，數(shù)控位置環(huán)容易出現(xiàn)故障。數(shù)控位置環(huán)報(bào)警：導(dǎo)致此故障的原因有可能是測(cè)量回路出現(xiàn)開路故障、測(cè)量系統(tǒng)損壞或者內(nèi)部控制單元損壞。比如，數(shù)控車床“SPECHT500”經(jīng)常出現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)失敗和通信失敗的問題。具體體現(xiàn)為主軸電機(jī)正常工作、驅(qū)動(dòng)模塊無異常，但編碼線、驅(qū)動(dòng)模塊的插口松動(dòng)，因?yàn)榻佑|不良導(dǎo)致報(bào)警。維修人員在排查的過程中，經(jīng)常忽略此故障，而判斷為模塊故障、電機(jī)故障，如果因此更換了電機(jī)或者模塊，那么就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。測(cè)量電器元件故障：該故障一般體現(xiàn)為反饋無信號(hào)、數(shù)控機(jī)床位置不能返回參考點(diǎn)、機(jī)床在高速運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)出報(bào)警。

（2）機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電網(wǎng)電源之間有著密切關(guān)聯(lián)，并且在工作中伺服系統(tǒng)也處于頻繁啟動(dòng)、運(yùn)行的狀態(tài)，導(dǎo)致這部分經(jīng)常出現(xiàn)故障。①電力系統(tǒng)損壞：因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)電壓波動(dòng)，產(chǎn)生電壓沖擊對(duì)電力系統(tǒng)造成損壞；②加工精度丟失：該故障主要體現(xiàn)為，走圓弧插補(bǔ)軸換向出現(xiàn)凸臺(tái)，電機(jī)低速運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)頻繁震動(dòng)。這類故障主要是因?yàn)樗欧到y(tǒng)調(diào)整有問題，各個(gè)軸增益系統(tǒng)和電機(jī)匹配度較低，常用的解決方法為“最佳調(diào)整法”。比如，SPN40 機(jī)床經(jīng)常出現(xiàn)精度丟失的情況，加工的圓孔上出現(xiàn)顫紋，孔徑尺寸過大。而導(dǎo)致該故障的主要原因是X 軸移動(dòng)和主軸單元顫動(dòng)，維修人員可通過調(diào)節(jié)參數(shù)，解決這一問題。具體可從以下幾步入手：第一，1825 伺服環(huán)增益，4000→3500（確保Y 軸參數(shù)一致）；第二，2043 速度環(huán)積分增益67→55；2044 速度環(huán)比例增益600→500。經(jīng)過調(diào)整之后，SPN40 機(jī)床精度丟失的問題可得到解決，機(jī)床恢復(fù)正常性能；③保險(xiǎn)絲燒斷：這類故障是較為常見的故障，但是導(dǎo)致的問題較為嚴(yán)重，如果不能及時(shí)得到解決，就有可能導(dǎo)致電機(jī)過熱、燒毀。

（3）電源是維持?jǐn)?shù)控車床工作的基本能源，如果電源失效，輕則導(dǎo)致車床停機(jī)，重則會(huì)毀壞整個(gè)系統(tǒng)。所以，一方面要加強(qiáng)對(duì)電源的維護(hù)、檢查；另一方面，則要做好系統(tǒng)數(shù)據(jù)備份。數(shù)控機(jī)床的刀庫管理、液壓?jiǎn)?dòng)都需要依靠PLC 來實(shí)現(xiàn)，而完成這些控制就必須采集各個(gè)控制點(diǎn)的運(yùn)行信息，比如指示燈、伺服閥、斷電器等。通過系統(tǒng)自帶的I/O 接口監(jiān)控，維修人員就可輕易找到此類故障的根源。此外，外部環(huán)境或者工作人員操作不當(dāng)，也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)故障。

（4）數(shù)控車床中某一參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤，有可能導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者某一個(gè)功能失效。一般加工中心在停機(jī)后，一定要核對(duì)好機(jī)床中的R 參數(shù)，檢查R 參數(shù)是否和機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)相符，不然機(jī)床在實(shí)際運(yùn)行的過程中就出現(xiàn)故障。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的使用，會(huì)導(dǎo)致數(shù)控車床加工精度下降，誤差范圍增大、過行程、運(yùn)動(dòng)不到位等報(bào)警次數(shù)會(huì)逐漸增多。針對(duì)這種情況，維護(hù)人員可更改系統(tǒng)的允許誤差，對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行物理調(diào)整，消除報(bào)警。

4 故障實(shí)例分析

以西門子TF2000HD 數(shù)控車床為例，該數(shù)控車床采用西門子840D 系統(tǒng)，在正常運(yùn)行的過程中，該機(jī)床的腳踏板應(yīng)該處于回縮的狀態(tài)，但是在實(shí)際使用的過程中，腳踏板卻出現(xiàn)異常，一直處于伸出狀態(tài)。

分析：如果該機(jī)床腳踏板不回縮，則應(yīng)該查看腳踏板回縮控制電路以及電磁閥，電磁閥YV5412 是否通電。發(fā)現(xiàn)電磁閥并未通電，則要對(duì)其電路進(jìn)行檢查。維修人員可利用儀器檢測(cè)法、常規(guī)檢查法，獲取故障的基本信息，如果在發(fā)現(xiàn)電磁閥YV5412 有發(fā)燙、過熱的情況，說明電磁閥的工作時(shí)間過長(zhǎng)。通過分析電磁閥工作原理可知，電磁閥不能夠長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)。然后，維護(hù)人員查看PLC 指示燈，觀察輸出端口的A36.1、A36.0，指示燈并無異常，處于常亮狀態(tài)。分析相關(guān)電路圖，發(fā)現(xiàn)腳踏板上下兩端有2 個(gè)限位開關(guān)來傳輸實(shí)際位置信號(hào)。隨后檢查下行程開關(guān)，下行程開關(guān)活動(dòng)處被卡死，而開關(guān)處于異常接通的狀態(tài)，并且輸出信號(hào)給PLC 系統(tǒng)，檢修過程邏輯判斷如圖2 所示。

圖2 西門子TF2000HD 腳踏板故障檢修邏輯

行程開關(guān)處于接通狀態(tài)，導(dǎo)致PLC 檢測(cè)到兩個(gè)行程開關(guān)信號(hào)，出現(xiàn)信號(hào)紊亂的情況，當(dāng)發(fā)出回縮指令的時(shí)候，檢測(cè)到腳踏板已經(jīng)回縮的信號(hào)，而發(fā)出伸出指令時(shí)，檢測(cè)到腳踏板已經(jīng)伸出的信號(hào)。這就導(dǎo)致控制中心邏輯判斷失誤，腳踏板得不到有效控制。最后采取更換行程開關(guān)、調(diào)節(jié)電磁閥、調(diào)節(jié)信號(hào)、開機(jī)重啟等措施，故障消除，數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行。

5 結(jié)束語

數(shù)控技術(shù)目前已經(jīng)應(yīng)用到制造業(yè)的方方面面，隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控技術(shù)水平也在不斷提高。數(shù)控機(jī)床檢修人員，應(yīng)該不斷更新自己的維修知識(shí)，掌握新的技術(shù)方法手段，這樣才能確保制造企業(yè)的正常生產(chǎn)。