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數（shù）控機床故障診斷方法探討及（jí）應用

2020-7-2 來源：首都航天機械有限公司　作者：關（guān）進良　喻曉浩　嶽維超

摘（zhāi）要：在了解數控機床組成和工作原理的基礎上，針對（duì）數控機床各類複雜故障，提出了模塊互換法、機電分離法、比較法、排除法以及PMC在線診斷法等五種典型的故（gù）障診（zhěn）斷（duàn）方法（fǎ），並結（jié）合實際維（wéi）修經驗，分別介紹了診斷方法的應用實例，最後總結了故障診斷的一般思路，具有較強的工作指導性（xìng）和實用性。

數控機床（chuáng）是集機、電、液、氣為一體的典型機電係統，結（jié）構複雜（zá）且自動化程（chéng）度高，在我國製造業尤其是裝備（bèi）製造業的發展（zhǎn）中，起到（dào）了不可替代的作用。由於數控機床本身的複雜性和多樣性，使得機床故障受機械、電氣、控製係統以及檢（jiǎn）測裝置等多因（yīn）素（sù）影響，引起（qǐ）同一（yī）種故障的原因也可能（néng）是多種（zhǒng）多樣的，而且故障停機直接（jiē）影響著（zhe）設備利（lì）用率和業的生產製造能力，因此在理解工作原理的（de）基礎上，總結（jié）分析（xī）故障診（zhěn）斷方法，並從根本上尋找（zhǎo）快速排除故障的途徑尤為必要（yào）。本文結合工作實踐中的具體案例，對典型故（gù）障（zhàng）診斷方法進行深（shēn）入分析和探討。

1. 數控機床組成、工作原理

采（cǎi）用數控技（jì）術進行控製的加工設（shè）備稱為數控機床，其基本組成如（rú）圖1所示，現代數控機床（chuáng）一般采用計算機或微型計算機作為控製係統（tǒng），稱之為計（jì）算機數控（kòng）係統（簡稱CNC）。數控機床加工工件時，將工件圖樣上的幾何信息（xī）、工藝信（xìn）息數字化，用NC代碼（mǎ）編寫加工程序（xù）並存儲到（dào）程（chéng）序載體內，然後借助輸入裝置將程序輸入到CNC單元，並由（yóu）CNC單元對程序進行（háng）譯碼、運算等綜合（hé）處理（lǐ）後，向伺服係統和其他輔（fǔ）助控製裝置發出（chū）指令信號，以驅動各運動部件和輔助動作，從而完成工件（jiàn）加工任（rèn）務。數控機床可實現一次裝夾、多工序連續加工，同時具有自動化程（chéng）度高、加工精度高以（yǐ）及生產效率高等特點。

2. 數控機床故障診斷方法在實際維修（xiū）中的應用（yòng）

（1）模塊互換法（fǎ）。數控機床的（de）某一個模塊（一般指編（biān）碼器、光柵尺、伺服放大器及（jí）其電纜等）出現故障導致機床報警或異常現象，把該模塊與另外一個同類（盡量（liàng）是同型號）正常的模塊互換，再觀察故障現象並與互換前對比，來幫助維修（xiū）人員定位故障點。

應用實例。故障現象：某數控龍門銑床在（zài）自動加工過程中，出現25000號報警：Y軸主動編碼器硬件錯誤，下電重起後故障依舊。

圖1 數控機床組成框圖

故（gù）障分析和方法（fǎ）應用：一般情況下，引起該報警的原因可能是光柵尺故障、編碼（mǎ）器故（gù）障、反饋單元損壞以及中間連接電纜斷裂或破損（sǔn）。若針對以上所有情況拆下逐一檢查，則需耗費大量故障診斷時間。采用“互換”法，根據大量（liàng）的維（wéi）修記錄得知，導致此報警最有可能的因素（sù）是光柵尺髒汙或讀數頭損壞，現將Y 軸和X 軸光柵尺電纜線互換（電纜經測試正常，相當於把光柵尺互換），開機後X軸出現25000號報警，顯（xiǎn）然是Y 軸的光柵尺故障。進一步（bù）檢測後發現，其讀數頭上一個“小鋼珠（zhū）”脫落，導致讀數頭在（zài）讀取反饋數據時（shí）信號（hào）不穩定，更換（huàn）讀數頭（tóu）後故障排除。

小結（jié）：該方法的核心是“互換”，應用比較簡單，前提是在交換某一模塊時，機床的其他部件不能同時交換，即保證互換前後對比判斷的可靠性。當引發某一報警的因素較多時，暫時缺少備件，可逐一對“可疑因素（sù）”與正常機床上同型號部件互換。如：伺服模塊、檢測模塊、主軸模塊以及各種電氣元件均可（kě）進行交換。

（2）機電分離法。因數控機床是典型的高度機電一體化（huà）設備，故障原因（yīn）可能是電氣、機械甚至機電同時存在問題，很難（nán）直接判斷故障點所在，可把機械部分（fèn）和電氣部分相對分離（脫開），再根據機電分（fèn）離後的現象判斷故障（zhàng）。

應用實例。故障（zhàng）現象：

V M C850立式加（jiā）工中心空載時，數控係（xì）統負載監控界麵顯示主軸負載達到50%以上（過大，存在（zài）很大故障隱患），而正常值是5%左右，影響（xiǎng）機床正常運行，不知是機械故障還（hái）是電氣故障。故障分析和方法應用：該機床采用FANUC18-M數控係統，主軸和電動機使用同步帶直連（lián），示意圖如圖（tú）2所示（shì），現采用“機電分（fèn）離法”，將連接電動機與主軸的同步帶（dài）拆掉，使機（jī）械部分（主軸本（běn）身）與電氣部（bù）分（主軸電動機）完全脫開（見（jiàn）圖3），手盤（pán）絲杠正常（cháng），再單獨測（cè）試電動機，發現負載仍（réng）然（rán）是50%左右，從而判斷是（shì）電動機本身問題，更（gèng）換（huàn）新電動機測試，負載顯示是4%，故障排除。後續（xù）進一（yī）步檢測電動（dòng）機，發現根本原因是電動機軸承損壞，同（tóng）時遙（yáo）測定子繞組的絕緣電阻過小。

圖2同步帶直連示意圖（tú）

小結：機電分離法“ 化整為零”思想在故障診斷中的應用。機電（diàn）分離後，“隱藏”在整體中的故障直（zhí）接顯現出來，起到了化繁為簡的作用。此方法可延伸為“分離法”，除（chú）機（jī）電分離（lí）外，還可將其他需要“分離”的部分單獨脫開來幫（bāng）助診斷故障，如：全閉環改為半閉環，把光（guāng）柵尺從測量反（fǎn）饋係統中（zhōng）分離。

（3）比較法。若機床的某一軸出現故障後，可通過測試本機床或同型號機床的同類型軸（zhóu），加以對比發現問題的不同點，從而找出故障點並迅速排除故障。

應用實例。故障現象：

某數（shù）控龍門銑床在自動加工過（guò）程中，出現“A 軸電（diàn）動（dòng）機溫度過熱”報警而停機，停機2h後重起，報警（jǐng）仍舊存在。故障分析及方（fāng）法應用：該（gāi）機床采用西門子（zǐ）840D數控係統，有X 、Y 、Z 三個直線軸和A 、C兩個旋轉（zhuǎn）軸，一般情況下（xià）造成此報警的原因有3種：A軸3過載或過流導致電動（dòng）機過熱。電動機本身故（gù）障。溫度傳感器或其信號線損壞（huài）。首（shǒu）先，用溫度儀測試電（diàn）動機本身溫度為室溫，正常；然後分（fèn）別測（cè）量（liàng）A、C軸溫度傳（chuán）感器的反（fǎn）饋線電阻，分別是60 000多Ω（接近斷路狀態）和650Ω，二者進行比較，A軸和C軸是同（tóng）類型的旋轉軸，二者阻值一般相差不大，但C 軸無報警，由此快速判A 軸溫度傳感器反饋線可能已（yǐ）經斷路或破損（sǔn），更換反饋線（xiàn），故障排除。

小結：比較法可把“定性分析”轉化為“定量分析”，並借助現場實測數據（jù）來診斷（duàn）故（gù）障。選取比較對象時，要首選“同類對象”，保證（zhèng）具備可比性。

（4）排除法。引起某一故障有多項（xiàng）並列的原因，其中一項或幾項均（jun1）可導致相同（tóng）的報警或故障現象。首先去掉所有可能的原因項，再依次單獨接入電路，分別（bié）觀察對應的現（xiàn）象，逐一（yī）排除“可

疑”項來診斷故障。

應用實例。故障現象：

某數控鏜銑床在執行加工程序過（guò）程（chéng）中，突然出現 1 0 4 4 號報警（ M A C H I N E I S N O T READY），按（àn）複（fù）位鍵無法消除，同時電（diàn）氣櫃中空開QF91跳閘，機床下電（diàn）合上空開，重（chóng）起機床約

5～10s後（hòu）故障複現。

圖3主軸與電動機脫開示意圖

故障分析及方法應用：該機床采用FANUC18i-MB數控係統，具有x、Y、Z、W四個直線軸（zhóu）和B 、C 兩個旋轉軸。針對空開跳閘現（xiàn）象查閱機床電氣圖樣（見圖4），空開（kāi）Q F91（D Z47-60 C6）上端接

DC24V電源，下端經中（zhōng）間繼電（diàn）器KA103和KA105，分別通過KA11至KA14控製四個直線軸的伺（sì）服電動機刹車裝（zhuāng）置。由於四個刹車線圈電源都來源於同一個空開QF91，任何一路（lù）長時（shí）間過載或者短路都（dōu）有可能導致Q F91跳閘。采用排除法，首先將四個（gè）直線（xiàn）軸的（de）刹車（虛線（xiàn）方框中）全部退（tuì）出電路，即拔掉（diào）11、12、13和（hé）14號線，再分別恢複刹車電路（lù）並單獨測試（shì），結（jié）果是Y、Z、W三個軸的刹車正常（每路電（diàn）流均（jun1）小於1A），X 軸刹車接入電路時約5～10s後跳閘，電（diàn）流約12A，已遠遠超過正常值，排除正（zhèng）常電路，故障定位在X 軸刹（shā）車。經進一步檢測，X 軸刹車線圈已燒毀（電（diàn）阻約（yuē）為2Ω），因過流（liú）導致空開跳（tiào）閘，更換刹（shā）車裝置後故障排除。

小結（jié）： 機（jī）床的刹（shā）車電路直接關乎到設備和人身（shēn）安全，機床維護人員必須重點關注，一旦出現（xiàn）故障立即停車（chē），切不可強製（zhì）運行。除適用於（yú）上述一般電路外，排除法的適用範圍可進（jìn）一步延伸，如某些（xiē）故障與（yǔ）CNC伺服模塊或者PMC的I/O單元有關，每（měi）模塊上接有多個插頭（分別控製對應的功能），也可利用排除（chú）法（fǎ），首先拔掉（diào）全部插頭（tóu），再依次插上，逐個進行排（pái）除，當接上某（mǒu）一插（chā）頭後故障複（fù）現，即可把故障定位於（yú）此。

（5）PMC在線診斷法。在數控機床加工過程（chéng）中（zhōng），C N C和P M C 協調配（pèi）合共同完成對機床的精確控製，其中PMC主要完成與邏輯運算有關（guān）的功能，如（rú）刀具更換、主軸起（qǐ）停、換向變速、冷卻液開斷（duàn）、工作台交換等輔助動作。

PMC梯形（xíng）圖能實（shí）時在線監測這些輔助動作，一旦某一動作在邏輯上出現問題，從（cóng）梯形（xíng）圖（tú）中能及時顯現出來，有助於故障的快速定位。

應用實例。故（gù）障現象：

V M C 1 6 0 0 立式加工中心在刀庫換刀過程中，出現 1 0 1 2 # 報警（MAGAZINE ORI. UP/DOWN ALARM）。按複位鍵報警消失，重新換刀仍然反複出現該報警。

圖4 機床電氣圖

故障分析及方法應用：此（cǐ）機床采用FANUC 0i-MC數控係統，刀庫采用無機械手換刀方式，刀庫的左、右和上（shàng）、下移動由氣缸驅動（dòng），旋轉由調速馬達驅動，自動換刀（dāo）的一般步驟是：當數控係統接到換刀指令後主軸回到換刀（dāo）位並準停→刀庫向右移動到主軸處（chù）→主軸上的刀具進入刀（dāo）盤卡槽→主軸鬆刀→刀庫下移脫離主（zhǔ）軸→刀庫備刀（定位銷抬起，刀盤旋轉至指令對應的刀位）→刀庫上移使刀具進入主軸錐孔內→刀具夾緊→刀庫退（tuì）回到原位。根據報警提示，在P M C中查詢到1 0 1 2 # 報警對應的梯形圖，如圖5 所（suǒ）示（shì），當刀盤轉（zhuǎn）動（dòng）之前，其（qí）定位銷（固定刀盤，保證刀盤（pán）的定位精度）向上拔起，上（shàng）端（duān）限（xiàn）位開關（guān）信號X7.6接通（tōng）（X7.6→1），此時下端限位開關（guān）還未完全彈起（信號X7.7有一瞬間還處於1的狀態），造成地址A1.4接通而報警，當按下複位鍵F1.1後，此時因下端限位開（kāi）關已完（wán）全彈（dàn）起（X7.7已由1→0），報警（jǐng）消（xiāo）失。經上述分析可知，故障原（yuán）因顯然是限位開關X7.7損壞失靈（內部鏽蝕，彈起速（sù）度過慢），更換（huàn）後（hòu）故障排除。

圖5PMC梯（tī）形圖

小（xiǎo）結：加工中心換（huàn）刀過程和P M C 程序比較複雜，邏輯性較強，利用P M C在線診斷法能直觀地排（pái）查出“邏輯錯誤（wù）之處”，可（kě）快速從眾多可能原因中找出故障點，達到捋清邏輯關係和追根溯源之目（mù）的。對於一些隨機性、瞬間出現的故障，若梯形圖中一（yī）些信號的“通斷”（通斷保持的時間極短）肉眼無法分辨（biàn），可使用PMC的信（xìn）號（hào）跟（gēn）蹤功能（néng）（T R A C E），觀測信號（hào）的時序（xù）和波形，來“捕捉”瞬（shùn）間信（xìn）號狀態。

3. 結語

在對機床有一定認知的基礎上，當數控機（jī）床故障（zhàng）出現時，進行診斷的一般思路是：大腦保持清醒，切不（bú）可手忙腳（jiǎo）亂，根據報警（jǐng）提示或者故障現象，通過認真詢問（wèn）機床操作人員和查閱相關的機（jī）床資料，初步了解故障情況；大致判斷出該故障可能和（hé）哪些因素有關，並根（gēn）據（jù）自身的知識範圍和工（gōng）作經（jīng）驗，運用（yòng）其中（zhōng）一種或綜合運用幾種診斷方法，做（zuò）到有“法”可依並盡快定位故障點，

排除故障（zhàng）；針對該故障或者這一類故障進行總結（包括故（gù）障類型、診斷方式、維修細節（jiē）以（yǐ）及注意事（shì）項等），這一點特別重要，對快速提高機床維修人員（尤其是初學者）的技術水平有“事半功倍”的作用，即先認真了解、再分析解決，最後總結經驗。

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