數(shù)控機床常見故障及維修處理策略研究

白躍輝

（河南鶴壁職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鶴壁 458030）

數(shù)控機床是現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)特別是制造行業(yè)中的重要設(shè)備，但其結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，并且具有較高的技術(shù)含量，導(dǎo)致在實際生產(chǎn)實踐中時常出現(xiàn)各種故障，而且維修處理的過程也相對比較復(fù)雜，進(jìn)而對生產(chǎn)活動造成不利的影響。此外，數(shù)控機床的價格普遍十分高昂，對于絕大多數(shù)的企業(yè)尤其是中小企業(yè)來說，往往難以承受整件頻繁更換的成本，因而更加需要加強對故障的排查和維修處理，并切實做好日常的保養(yǎng)和維護(hù)工作。

1 數(shù)控機床的常見故障類型及特點分析

1.1 常見故障類型

如圖1 所示，數(shù)控機床具有非常復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包括主機、電氣控制系統(tǒng)和相關(guān)的零部件，根據(jù)故障發(fā)生的部位進(jìn)行分類，有助于更加精準(zhǔn)地進(jìn)行重點監(jiān)測和日常保養(yǎng)，以最小的成本獲得最大的收益。常見故障類型有：①主機故障。主要涉及機械裝置、潤滑裝置、冷卻裝置、排屑裝置、液壓裝置以及啟動、防護(hù)裝置等。②電氣控制系統(tǒng)故障。這類故障類型較多，可以進(jìn)一步細(xì)化為弱電故障、強電故障2 種類型。需要說明的是，強電故障涉及的范圍比弱電故障更加廣泛，包括了控制系統(tǒng)中的控制電路、電源、回路以及各類元件等，極其容易受到不穩(wěn)定電壓或者外部環(huán)境的影響而發(fā)生故障，因而故障率要遠(yuǎn)高于弱電故障。

圖1 數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)和組成部分

1.2 常見故障的原因和特點

1.2.1 人為操作造成的故障

在數(shù)控機床運行過程中，發(fā)生故障最主要的原因是人為操作的失誤，進(jìn)而對數(shù)控機床造成直接的故障或者間接的風(fēng)險。通常情況下，全新的數(shù)控機床經(jīng)過一段時間的運行，各個設(shè)備、節(jié)點、零部件之間通過反復(fù)的磨合，逐漸形成一套相對穩(wěn)定的運行模式和規(guī)律，故障發(fā)生的概率一般不大。然而，數(shù)控機床操作會受到操作人員工作能力、規(guī)范理念、安全意識等的影響，同時還可能受到工作過程中的情緒、狀態(tài)、周邊環(huán)境等影響，可能會在進(jìn)行電腦操作時出現(xiàn)失誤或者偏差，進(jìn)而造成數(shù)控機床的程序異?；蛘哌\行異常。

1.2.2 機床質(zhì)量造成的故障

在中國，數(shù)控機床雖然有著明確的制造標(biāo)準(zhǔn)，但在行業(yè)當(dāng)中仍然存在著魚龍混雜的情況，不同機床生產(chǎn)商的工藝、標(biāo)準(zhǔn)、水平各不一樣。如果企業(yè)購買的數(shù)控機床質(zhì)量較差，相關(guān)參數(shù)僅僅達(dá)到官方明確的標(biāo)準(zhǔn)底線，那么設(shè)備的粗糙度就可能會比較高，在運行使用過程中會產(chǎn)生較大的摩擦力，進(jìn)而出現(xiàn)變形、磨損或者負(fù)荷沖擊等問題，對數(shù)控機床的元器件質(zhì)量與使用壽命造成負(fù)面影響，從而引發(fā)出一系列的故障問題[1]。此外，企業(yè)購置的數(shù)控機床可能存在批次不同、生產(chǎn)商不同的情況，即使是同一類型的數(shù)控機床，也有可能因為參數(shù)上的微小偏差導(dǎo)致運行過程中的不一致，因而在長時間的同步運轉(zhuǎn)過程中可能會相互影響而放大誤差，導(dǎo)致故障頻發(fā)。

1.2.3 部件質(zhì)量造成的故障

除了整體質(zhì)量問題外，由于數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，擁有大量的零部件，而這些零部件隨著時間的推移和高負(fù)荷的運行，不可避免地會出現(xiàn)老化、破損等問題，導(dǎo)致零部件的使用性能逐漸下降，故障發(fā)生的概率和風(fēng)險日益上升。特別是位于關(guān)鍵環(huán)節(jié)或者發(fā)揮樞紐作用的零部件，一旦發(fā)生故障就會直接影響到數(shù)控機床的正常運行，迫使企業(yè)不得不暫停運轉(zhuǎn)以進(jìn)行維修或者更換[2]。此外，當(dāng)數(shù)控機床運行使用一段時間后，或多或少會需要進(jìn)行一些零部件的更換，而更換后的零部件與原件的匹配度可能略有偏差，在實際使用過程中不僅會影響到機床的運行效果，還可能會對機床的其他零部件的使用效能和使用壽命造成影響。數(shù)控機床的機械組成部分如圖2 所示。

圖2 數(shù)控機床的機械組成部分

2 數(shù)控機床的故障檢測策略

2.1 人工觀察法

人工觀察法是數(shù)控機床故障檢測的常見方法，主要依賴于機床的操作人員和檢修人員的業(yè)務(wù)能力和工作經(jīng)驗，通過對數(shù)控機床運行的狀態(tài)特別是異常光、聲、味等情況進(jìn)行觀察，從而發(fā)現(xiàn)和初步判斷故障的位置、類型和嚴(yán)重程度。人工觀察法除了在發(fā)生故障時可以進(jìn)行初步問題排查和判斷外，也可以在數(shù)控機床正常運行時輔助預(yù)警，從而提前發(fā)現(xiàn)潛在的故障風(fēng)險，將問題扼殺在萌芽階段。人工觀察法主要有3 項要訣：①看，即操作人員或檢修人員通過自己的目測，觀察數(shù)控機床在使用過程中的狀態(tài)，尤其是對報警信息以及主要元件是否存在異常表現(xiàn)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)可能存在的變形、開裂、火花等問題；②聽，即操作人員根據(jù)數(shù)控機床運行時發(fā)出的聲響，判斷其中是否存在不同尋常的異響，結(jié)合可能出現(xiàn)的焦、糊等異味，檢查有無存在線路異常、異常振動或者發(fā)熱等問題[3]；③問，即檢修人員向操作人員了解數(shù)控機床的運行情況，特別是日常操作中是否存在異動、異響、異味，以及其他與正常情況不太一致的情況，從而了解設(shè)備可能存在的故障問題。

2.2 PLC 控制技術(shù)診斷法

PLC 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的重要組成部分，也是現(xiàn)代數(shù)據(jù)信息和遠(yuǎn)程控制技術(shù)在制造領(lǐng)域的重要體現(xiàn)。借助PLC 自動化監(jiān)控的方式，技術(shù)人員包括操作人員和維修人員，可以全面、實時地對數(shù)控機床的運行狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測和診斷預(yù)警，并通過數(shù)控裝置面板向技術(shù)人員及時發(fā)出故障產(chǎn)生或者預(yù)警提示，使操作人員及時發(fā)現(xiàn)問題并作出應(yīng)急性處置，同時也便于維修人員第一時間掌握故障的環(huán)節(jié)和主要問題。數(shù)控機床PLC 數(shù)控裝置面板如圖3 所示。

圖3 數(shù)控機床PLC 數(shù)控裝置面板

從具體實踐情況看，PLC 控制技術(shù)對數(shù)控機床故障的診斷主要有數(shù)據(jù)診斷和動作診斷2 種方式。數(shù)據(jù)診斷是日常監(jiān)測的重要手段，PLC 數(shù)控裝置在生產(chǎn)階段或者投入使用前，預(yù)先進(jìn)行程序和系統(tǒng)編制，設(shè)定好相應(yīng)的監(jiān)測節(jié)點和參數(shù)，并與數(shù)控機床的內(nèi)部工作系統(tǒng)進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息的實時傳導(dǎo)。動作診斷是指技術(shù)人員主要是維修人員根據(jù)數(shù)控機床在運行過程中所產(chǎn)生的參數(shù)以及其他相關(guān)情況，尤其是可能存在故障風(fēng)險點的異常表現(xiàn)情況，進(jìn)行詳細(xì)的記錄和分析，再與標(biāo)準(zhǔn)的運行參數(shù)狀態(tài)進(jìn)行逐項比對，從而更加精準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)故障問題的具體情況。通常情況下，PLC 控制技術(shù)都是數(shù)據(jù)診斷與動作診斷的結(jié)合運用，前者負(fù)責(zé)對數(shù)控機床進(jìn)行日常監(jiān)測和常態(tài)管理，而后者則是根據(jù)前者發(fā)現(xiàn)的異?，F(xiàn)象進(jìn)行重點檢測和精準(zhǔn)判斷，從而有效提高數(shù)控機床故障檢測和維修的效率和質(zhì)量。

2.3 初始復(fù)位法

從嚴(yán)格意義上來說，初始復(fù)位法既是一種故障檢測方法，同時也是基本的故障處理策略。在數(shù)控機床運行過程中，有時可能會因為軟件或者硬件的問題出現(xiàn)瞬時故障，此時系統(tǒng)往往會通過警示燈、警報聲等方面予以警示。此時，操作人員可以先通過關(guān)閉系統(tǒng)電源或者對相關(guān)硬件進(jìn)行恢復(fù)原位等操作，從而有效地系統(tǒng)化消除故障。例如，當(dāng)系統(tǒng)電池壓力不足時，會導(dǎo)致部分操作無法正常進(jìn)行，當(dāng)操作人員強行操作時系統(tǒng)會進(jìn)行報警，而PLC 數(shù)控面板以及其他程序均顯示程序、參數(shù)正常。關(guān)掉電源后警報立即解除，通過初始復(fù)位的方法對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)和功能重置，電壓不足的問題可能會在重新啟動時自行解決。當(dāng)然，初始復(fù)位法主要適用于系統(tǒng)的臨時故障或者瑕疵問題，并不能解決因零部件質(zhì)量、操作失誤等產(chǎn)生的重大故障，并且在關(guān)閉電源和系統(tǒng)清理前還要提前拷貝好重要的數(shù)據(jù)，避免數(shù)據(jù)資料丟失。

2.4 換件診斷法

隨著現(xiàn)代制造技術(shù)的不斷更新升級，數(shù)控機床通常都采用模塊設(shè)計的方式，按照不同的功能和區(qū)域劃分成為若干個模塊，各個模塊之間既相互聯(lián)系，但在硬件層面又獨立存在。因此，在故障檢測和診斷過程中，必須要由大及小、由表及里，逐漸將故障點從數(shù)控機床的整體定位到相對精確的模塊甚至電路板塊，從而為后續(xù)的維修工作提供指導(dǎo)[4]。然而，由于數(shù)控機床的零部件非常多，電路的復(fù)雜性也非常強，導(dǎo)致直接進(jìn)行故障定位存在較大的難度。此時，檢測人員可以通過對故障所在區(qū)域的零部件進(jìn)行逐件更換的方式，或者對同一型號的相同零部件進(jìn)行相互交換的方式，更加準(zhǔn)確地定位到具體的電路板或者其他零部件。例如，當(dāng)數(shù)控機床的某一個軸承不能正常運行時，操作人員可以對其周邊的零部件進(jìn)行逐個替換，當(dāng)某個元件被替換后故障立即消除時，就可以確定其為故障的點位，進(jìn)而進(jìn)行相應(yīng)的維修或者換件。

3 數(shù)控機床的主要維修處理策略

3.1 運用PLC 控制技術(shù)，實現(xiàn)對數(shù)控機床維修處理的統(tǒng)籌把控

PLC 控制技術(shù)，是基于現(xiàn)代計算機和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，依托專業(yè)的數(shù)控機床管理軟件，按照既定的管理流程和操作程序，運用循環(huán)掃描技術(shù)實施各種操作行為，從而更加規(guī)范且精準(zhǔn)地對數(shù)控機床進(jìn)行管理和控制。PLC 控制技術(shù)的有效應(yīng)用，可以切實解決人工檢測和維修的難點，實現(xiàn)全方位、不限時、自動化的控制和管理，增強對潛在故障檢測的精準(zhǔn)性和及時性。在對數(shù)控機床進(jìn)行維修前，維修人員可以根據(jù)以往數(shù)控機床使用和維修的經(jīng)驗，提前對容易出現(xiàn)故障的部位設(shè)置相應(yīng)的監(jiān)測點和預(yù)警值，當(dāng)PLC 數(shù)控裝置通過相關(guān)部位監(jiān)測點傳輸回的數(shù)據(jù)和信號，發(fā)現(xiàn)某項參數(shù)超出預(yù)警值時，就觸發(fā)故障報警裝置，從而引導(dǎo)維修人員及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行維修。在維修過程中，PLC 控制技術(shù)通過程序的執(zhí)行，可以為維修人員提供數(shù)控機床運行的各類參數(shù)尤其是故障點位的參數(shù)，使維修人員在接觸機器設(shè)備之前就能夠?qū)υO(shè)備狀態(tài)和故障問題進(jìn)行初步的檢測和判斷，從而為后續(xù)的精準(zhǔn)檢測和維修夯實基礎(chǔ)。維修人員可以結(jié)合程序反饋的相關(guān)信息，提前制定設(shè)備維修的方案以及應(yīng)急處理方案，從而有效提高機床維修的效率，還可以防范在維修中對非必要設(shè)備的影響。數(shù)控機床PLC 執(zhí)行程序過程如圖4 所示。

圖4 數(shù)控機床PLC 執(zhí)行程序過程示意圖

3.2 加強重點檢查和處置，切實解決數(shù)控機床的刀架故障維修處理

在數(shù)控機床的常見故障中，刀架故障特別是電動刀架無法正常停止轉(zhuǎn)動時，會導(dǎo)致操作人員不能對刀架進(jìn)行更換，進(jìn)而影響了生產(chǎn)制造活動。對此，維修人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合數(shù)控機床上的報警裝置以及操作人員的情況說明，重點對系統(tǒng)的串行通信端口進(jìn)行電壓檢測，從而發(fā)現(xiàn)是否存在硬件方面的電路問題。如果檢測發(fā)現(xiàn)存在輸出電壓，那么就需要對電壓故障進(jìn)行排除；如果沒有檢測到輸出電壓，那么就可以推斷為主板的系統(tǒng)故障，需要對主板進(jìn)行維修甚至更換。在運動故障中，由于數(shù)控機床的質(zhì)量往往要高于參數(shù)設(shè)定，因而在使用和維修過程中很有可能會脫離機械手的控制，進(jìn)而造成維修時的安全問題。對此，必須要嚴(yán)格限定維修工具的標(biāo)準(zhǔn)，并且在維修操作過程中盡量擰緊工具，并保證彈簧的有效釋放，從而提高維修的質(zhì)量和安全性。當(dāng)然，刀架的連接問題也可能會引發(fā)故障，此時就必須要對原連接處進(jìn)行焊接修復(fù)或者進(jìn)行其他處理。以刀架為代表的運動故障，是數(shù)控機床常見故障中發(fā)生最頻繁、影響最明顯的故障，通常情況下維修處理策略是進(jìn)行故障部件的更換。需要注意的是，更換部件必須要審核新部件的型號、參數(shù)等與原件是否一致，最好選用原部件同一品牌、同一廠家乃至同一批次的零部件，以避免部件之間磨合不暢影響數(shù)控機床的使用質(zhì)效和使用壽命。

3.3 做好日常維護(hù)和保養(yǎng)，盡量降低數(shù)控機床的故障發(fā)生率

由于數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜、成本十分高昂，因此對于企業(yè)來說應(yīng)當(dāng)堅持“預(yù)防為主、防修結(jié)合”的方針，做好對數(shù)控機床的日常維護(hù)，定期進(jìn)行必要的保養(yǎng)，并適時進(jìn)行整體檢測和重點監(jiān)控，從而減少數(shù)控機床發(fā)生故障的可能性，使企業(yè)的生產(chǎn)效能實現(xiàn)最大化?；诖?，要做到以下幾點：①定期對主機、主軸等重要部位、節(jié)點進(jìn)行檢查。結(jié)合PLC 數(shù)控裝置進(jìn)行實時監(jiān)測，確保各個部件都處于良好運行的狀態(tài)。②適時進(jìn)行相關(guān)部件特別是連接部位的潤滑。對數(shù)控機床的進(jìn)油管、自動泵、油分離器等設(shè)備進(jìn)行定期檢查和清理，發(fā)現(xiàn)異常情況立即進(jìn)行潤滑處理，從而保證設(shè)備正常運行。③及時檢查報警裝置。對于報警異常的情況要分析機床運行中的參數(shù)變化和信號原因，必要時可以結(jié)合初始復(fù)位法觀察開啟和關(guān)閉狀態(tài)下的設(shè)備情況，從而更加及時、精準(zhǔn)地進(jìn)行問題排查和故障維修。

4 結(jié)束語

數(shù)控機床的常見故障雖然有著不同的成因和表現(xiàn)，但其對數(shù)控機床的設(shè)備管理與運行使用或多或少有著直接或間接的影響，甚至可能造成經(jīng)濟損失、人員傷亡的重要后果。因此，必須要嚴(yán)格按照數(shù)控機床的操作規(guī)范進(jìn)行日常生產(chǎn)，加強日常的故障風(fēng)險點監(jiān)測、預(yù)警和保養(yǎng)，一旦發(fā)生故障，立即進(jìn)行排除和維修，從而減少對設(shè)備使用壽命和生產(chǎn)活動的負(fù)面影響，為企業(yè)的良性發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。