淺析數(shù)控機床進給系統(tǒng)故障診斷與維護

傅子霞

（長沙職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410217）

數(shù)控機床一般由數(shù)控系統(tǒng)、包含伺服電動機和檢測反饋裝置組成的伺服系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各種輔助裝置組成。驅動控制單元及驅動部件組成了驅動系統(tǒng)，機械部件與驅動部件則構成了機械驅動系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)是由傳感部件、反饋電路組成。在數(shù)據時代背景下，數(shù)控系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，系統(tǒng)的自我診斷能力也較高。比如，就傳輸錯誤與檢測系統(tǒng)錯誤，系統(tǒng)可迅速地自我診斷，及時報告故障原因。進給系統(tǒng)內的相關誤差主要是由機械誤差構成，由于電氣系統(tǒng)有保護裝置，不能從外部直接觀察，部分故障不能通過自我診斷來驗證。故障的原因非常復雜，難以確定，維護難度大、耗時長，影響生產加工。本文通過分析常見的進給系統(tǒng)故障，為故障的快速診斷提供有效參考。同時，借助相應的維修案例，通過引入先進的設備，實現(xiàn)故障檢測質量和故障診斷效率的提升，為進一步實施智能化故障診斷打下堅實的基礎。

1 數(shù)控機床故障常見診斷方法

數(shù)控機床(CNC machine tools)是一種機電一體化產品，被廣泛應用在機械加工領域內，具有精度相對較高、效率高、適應性強等特點。在工業(yè)發(fā)達國家，數(shù)控機床是大批量生產的，很多數(shù)控機床都被引進和推廣，這為數(shù)控機床的發(fā)展提供了條件，同時，也為相應的行業(yè)帶來了較大的經濟效益。數(shù)控機床進給系統(tǒng)采用的是伺服控制系統(tǒng)，需要計算機技術的支持，該系統(tǒng)的操作較為復雜，在運行階段對機床的精度有較高的要求。操作難度與維護難度較大，對技術人員的專業(yè)水平和技術素質要求較高。準確有效的維護工作，能夠實現(xiàn)機床工作效率與工作質量的提升，可切實將數(shù)控機床的作用發(fā)揮出來。操作人員要掌握數(shù)控機床的維護和維修方法，了解其機械結構、電氣控制原理、操作系統(tǒng)、編程方法等。數(shù)控機床本身具備較強的先進性、智能化，內部較復雜，當出現(xiàn)一些錯誤或故障，尤其是進給系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，數(shù)控機床就會停止工作，導致生產中斷。因此，及時、準確地診斷和排除數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的故障應引起廣泛關注。

1.1 自診功能法

現(xiàn)代的數(shù)控機床系統(tǒng)通常具有自診斷功能。根據警告信息和LED指示，可以大致確定故障原因。使用自我診斷功能修復數(shù)控機床的關鍵是在正常運行時捕獲診斷系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并顯示系統(tǒng)與主機之間的信號是否正常，以確定是否引起故障。該方法得到了廣泛的應用，可以實現(xiàn)有效的故障維護。

1.2 備件替換法

現(xiàn)代數(shù)控機床系統(tǒng)選擇的是模塊化方案，其功能可劃分為不同的模塊，電路集成的規(guī)模較大，使系統(tǒng)技術也愈發(fā)復雜。傳統(tǒng)的診斷技術很難在小面積內發(fā)現(xiàn)缺陷，為實現(xiàn)停機時間的縮短，要結合故障模塊的功能，或者是結合真實的故障現(xiàn)象，提前進行故障判斷，查看備件是否更換，從而快速確定故障原因。此方法應在電源關閉時運行，還要確保組件的類型相同。機床的相關數(shù)據和電位器的位置必須標注并記錄。

1.3 功能程序測試法

通過編寫數(shù)控機床系統(tǒng)的功能代碼，比如，圓弧的插補、螺紋的切削、定位、循環(huán)用戶宏等，能夠測試功能程序。通過運行“宏”功能，可以執(zhí)行任務，確保系統(tǒng)操作的可靠性與精準性，及時地將錯誤原因確定出來。

1.4 參數(shù)檢查法

通過查看系統(tǒng)參數(shù)，可及時地判斷系統(tǒng)的情況，并將相應的數(shù)據儲存其中。當電池電量不足或外部干擾時，各個參數(shù)可能會丟失或更改。此外，由于運動中的機械零件的磨損，電子部件性能的變化和其他原因，相關參數(shù)將無法適應，并且系統(tǒng)將變得混亂或無法正常運行。此時，可以通過檢查和更正參數(shù)來消除故障。尤其是機器長時間閑置，系統(tǒng)無故啟動，出現(xiàn)異常故障，并不提示報警，需結合參數(shù)，開展檢查，并對相應的數(shù)據開展分析。

1.5 維修信息跟蹤法

數(shù)控機床系統(tǒng)本身較復雜，設計缺陷不可避免。也正因如此，需要不斷地進行系統(tǒng)修正，定期改進系統(tǒng)的軟硬件，定期盤查故障。這些任務主要由制造商執(zhí)行，并以維護信息的形式不斷提供給維護人員，這是故障排除的基本基礎。因此，有必要加強與制造商的聯(lián)系和溝通。

2 進給系統(tǒng)可靠性分析與常見故障

根據近年來對數(shù)控機床維修的最新統(tǒng)計，在2250多起維修案例中，有660項與進給系統(tǒng)故障密切相關，其發(fā)生率為29.30%。深入剖析可得知，機械傳動故障率較低，但是，維修的所需時間較長，且維修的難度也比較大。

機械傳動系統(tǒng)常見的故障包括滾珠絲杠噪音、導軌錯誤運動等。在實際維修中，機械傳動系統(tǒng)存在缺陷，跑道潤滑不當，以及跑道過緊，導致跑道爬行。隨著使用時間的延長，軸承的預緊力和螺母、螺釘?shù)呐ぞ貢档?，傳動鏈中會出現(xiàn)一些問題。傳動鏈過長，傳動軸直徑過小，支架和支架座剛度不足，導致加工精度差。發(fā)出的異常噪音可能是由于軸承、絲杠、組件磨損等。在進行故障的維修期間，要實現(xiàn)故障的快速診斷，并及時地進行故障器件更換，及時更換損壞部件。在進行機械故障的維修期間，要注意觀察，確保故障的及時發(fā)現(xiàn)，及時恢復。雖然傳動系統(tǒng)有相對較高的故障率，但這些故障很容易診斷。常見的故障為驅動故障與電機故障，一般是系統(tǒng)自我診斷所得。該故障的發(fā)生率較高，大部分故障也比較容易檢測到，因為運動監(jiān)測報警、零故障、光柵尺、編碼器等傳感器元件都會引起振動和系統(tǒng)抖動，這一故障的排除流程也相對簡單。

3 故障實例分析

3.1 故障情況

三軸立式加工中心，選擇的系統(tǒng)為FANUC0I數(shù)控系統(tǒng)，實施的是半閉環(huán)伺服控制方案。操作包括：先銑削一個圓，在機床象限的X軸方向上有明顯的過切削，加工一遍，導致零件加工質量差。紅線則是順時針旋轉所得的路徑，綠線則是逆時針旋轉所得的路徑。主要是因為在x軸上有明顯的反應，使用激光干涉儀實時檢測x軸，結果表明，在x軸上有45μm的方向間隙。補償后，激光干涉儀再次檢測到X軸，定位精度為13μm，間隙減小為8μm。但二次使用該儀器設備時，機床的圓度并未顯著提升。機床的圓度為42.5m，通過分析結果可知，X軸的間隙較小，但是，其反向偏差逐步增加，在30μm左右，使機床的圓度控制較差。造成這種錯誤的一個常見原因是驅動絲杠的間隙，可以通過鎖定后軸承螺母來固定該間隙。

3.2 分析步驟

當數(shù)控機床出現(xiàn)故障，維修人員要先仔細認真地觀察，結合實際的故障情況，開展全面細致的分析，并確定故障原因，找到故障點，然后有計劃、有目的地逐步探查。故障診斷流程主要包括：第一，觀察。結合機床出現(xiàn)的故障，掌握故障發(fā)生的原因及實際情況，初步檢查數(shù)控機床，關注控制柜面顯示的內容，結合各類提示燈進行相應的判斷。第二，分析。深入分析故障，根據故障因素認知，分析故障原因，確定故障方位，并制定排除故障的方案。第三，搜索。按照從外到內的順序，從容易到困難，即先檢查可以直接訪問或對剛拆完的零件進行檢查，再對可以分批拆的零件進行檢查，接著進行深入檢查。

隨著科學技術的不斷進步與發(fā)展，數(shù)控技術也愈發(fā)完善，技術體系也愈發(fā)成熟，很多先進技術存在，比如，通信診斷技術、自我修復技術等。通過不斷地開發(fā)新技術，并投入應用，能夠為機床故障診斷提供切實有效的方法與手段。

3.3 診斷結果

結合上述故障情況，按照故障分析步驟實施診斷。反復確定精度，X軸的運動值與理論值吻合即可。在經過2～3個單運動后，X軸的運動值與理論值開始存在誤差，且隨著時間的推移，誤差的數(shù)值也開始增加，達到最大值45μm。在移動7或8個單元后，實驗可以在任何時間重復數(shù)次，情況不變。這意味著45μm是運動誤差，而不是對x軸運動的響應。通過綜合分析，可以提前確定缺陷是否由x軸驅動機構引起，可能是絲杠翹曲或變形引起的，也可能是電纜磨損引起的螺栓變形。因此，在松開后軸承螺母后，會突然運動，并推斷螺桿產生了變形。機床的x軸滾珠絲杠由安裝在兩端的角接觸球軸承與深溝球軸承形成支撐，可增加主軸的傳動剛度，針對主軸的熱變形，表現(xiàn)得極為敏感。軸承磨損、床身變形、螺桿變形等都可能使機床進給系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

4 結語

數(shù)控機床進給系統(tǒng)故障類型多，涉及機械、電氣、數(shù)控系統(tǒng)等方面。隨著制造技術的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的智能化水平也在不斷提升，因此，對其故障診斷和維護的技術水平和要求也越來越高。常規(guī)的故障診斷方法已經越來越不能滿足廣大數(shù)控機床維修人員的實際需求。對數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維護，需要不斷地結合實際情況，引入智能化故障診斷技術，同時，積累更多的故障診斷經驗，達到對故障的快速診斷和維修維護。