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數控機床（chuáng）故障診（zhěn）斷（duàn）方法探討及應用

2020-7-2 來源：首都航（háng）天機械有限公司　作（zuò）者：關進良　喻曉浩　嶽維超

摘要：在了解數控機（jī）床組成和工作原理的基礎上，針（zhēn）對數控機床（chuáng）各類複雜故障，提（tí）出了模塊互換法、機電分離（lí）法、比（bǐ）較法、排除法以及（jí）PMC在線診斷法等五種典型的故障診斷方法，並結合實際維修經驗，分別介紹了診斷方法的應用實例，最後（hòu）總結了故障診斷的一般思路（lù），具有較強的工作指導（dǎo）性和實用性。

數控機床是集機、電、液、氣為一體的（de）典型機電係統（tǒng），結（jié）構複雜且自動化程度高，在我國製（zhì）造業尤其是裝備製造業的發展中，起到了不可替代的作（zuò）用。由於數控機床本身的複雜性和多（duō）樣性，使得機床故障受機械、電氣、控製係統以及檢（jiǎn）測裝置等多因素影響，引起同一種（zhǒng）故障的原（yuán）因也可能是多種多樣的，而且故障停機直接影響著設（shè）備利用率和業的（de）生產製造能力，因此在理解工作原理的基礎上，總（zǒng）結分析故障診斷方法（fǎ），並從根本上尋找快（kuài）速排除故障的途徑尤為必要。本文（wén）結合工作實踐中的具（jù）體案例，對典型故障診斷方法進（jìn）行深入分析和探（tàn）討。

1. 數控機床組成、工作原理

采用數（shù）控技術進行控製的（de）加工設備稱為數控機床，其基本組成如圖1所示，現代數控機床一般采用計算（suàn）機（jī）或微型計算（suàn）機作為控製係統，稱之為計算（suàn）機數控係統（簡稱CNC）。數控機床加工工件時，將工件圖樣上的幾何信息、工（gōng）藝信息（xī）數字化，用（yòng）NC代（dài）碼編寫加工程序並存（cún）儲到程序載體內，然後借助輸入裝置將程序輸入到CNC單元，並由CNC單元對程（chéng）序（xù）進行譯碼、運（yùn）算等綜合處（chù）理後，向伺服係統和其他（tā）輔助控製（zhì）裝置（zhì）發（fā）出指令信號，以驅動各運動部件和輔助動作，從而完成工（gōng）件加工任務。數控機床可實現一次裝夾、多工序（xù）連續加工，同時具有自（zì）動化程度高、加工精度高以及生產效率高等特點。

2. 數控機床故（gù）障診斷方法在（zài）實際維修中的應用

（1）模塊互換法（fǎ）。數控（kòng）機床（chuáng）的某一個模塊（一般（bān）指編（biān）碼器、光柵尺、伺（sì）服放大器及其電纜等）出（chū）現故障導致（zhì）機床報（bào）警或異常現象，把該模（mó）塊與另外一個同類（盡量是同型號）正常的模塊互（hù）換，再觀（guān）察故障現象並（bìng）與互換前對比，來幫助維修人員定位故障點。

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

圖1 數控機床組成框圖

故（gù）障分析（xī）和方法（fǎ）應用：一般情況下，引（yǐn）起該報警的（de）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（jiē）電（diàn）纜斷裂或破損。若針對以上所有情況拆下逐一（yī）檢查（chá），則需耗費大（dà）量故障診斷時間。采用“互換”法，根（gēn）據大量的（de）維修記錄得（dé）知，導致此報警最有可能的因素是光柵尺髒汙或讀數頭（tóu）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，顯然是Y 軸（zhóu）的光柵尺故障。進一步檢測後發現（xiàn），其讀數頭上一個“小鋼珠”脫落（luò），導致讀數頭在讀取反（fǎn）饋數據時信號不穩定，更換讀數頭後故（gù）障排除。

小結：該方法的核心是“互換”，應用比較簡單，前（qián）提是在交換某一模塊時，機床（chuáng）的其他部件（jiàn）不能同時交換，即保證（zhèng）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（zàn）時（shí）缺少備（bèi）件，可逐一（yī）對“可疑因素”與正常機床上同型號部（bù）件互換。如：伺服（fú）模塊、檢測模（mó）塊、主軸（zhóu）模塊（kuài）以及各種電氣元件均可進行交（jiāo）換。

（2）機電分離法。因數控機（jī）床是典型的高度機電一（yī）體化（huà）設備，故障原因可（kě）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（kě）把（bǎ）機械部分和電（diàn）氣部分相對（duì）分離（脫開），再根據機電（diàn）分離後的現象判斷故障。

應用實例。故（gù）障現象：

V M C850立式加（jiā）工中心空載時，數控係統負載監控界麵（miàn）顯示主軸負載達到50%以（yǐ）上（過大，存在很大故障隱患），而正常值是5%左右，影響機床正常運行，不知是機（jī）械故障還是電氣故障。故障分析和方（fāng）法應用：該機（jī）床采用FANUC18-M數控係統，主軸和電動機使用同步（bù）帶（dài）直連（lián），示意圖如圖2所示，現采用“機電分離法”，將連接電動機與主軸的同步（bù）帶（dài）拆掉，使機械部分（主軸本身）與電氣部分（fèn）（主軸電動機）完全脫開（見圖3），手盤（pán）絲杠正常，再單獨測試電動（dòng）機，發現負（fù）載仍然是50%左右，從而判斷是（shì）電（diàn）動機本身問題，更換新電動機測試，負載顯示是4%，故障排除。後續進一步檢測電動（dòng）機，發現根（gēn）本（běn）原因是電動機軸承損（sǔn）壞，同時遙測定子繞組的絕緣電阻（zǔ）過小。

圖（tú）2同步帶直連示意圖

小結：機電分離法“ 化整為零”思想在故障診斷中的應用。機電分離後，“隱藏”在整體中的故障直接顯（xiǎn）現出來，起到了化繁為簡的作用。此方法可延伸為“分（fèn）離法”，除機電分離外（wài），還可將其他需要“分離”的部分單獨（dú）脫（tuō）開來幫助診斷（duàn）故障，如：全（quán）閉環改為半（bàn）閉環，把光柵尺從測量反饋係統中（zhōng）分離。

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

應用（yòng）實例。故障現象：

某數控（kòng）龍門銑床在自動加工（gōng）過程中（zhōng），出現“A 軸電（diàn）動機溫度過熱（rè）”報（bào）警而停機，停機2h後重起，報警仍舊存在。故障分析及方（fāng）法應用（yòng）：該機床（chuáng）采用西門子840D數控係統，有X 、Y 、Z 三個直線軸和A 、C兩個（gè）旋轉軸，一般情況下造成此報警的原因（yīn）有3種：A軸3過載或過流導致電動機過熱。電動機本（běn）身（shēn）故障（zhàng）。溫（wēn）度傳感器或其信號（hào）線損壞。首先，用溫（wēn）度儀測試電動機本（běn）身溫（wēn）度為室溫，正常；然後分別測量A、C軸溫（wēn）度傳感器的反饋線（xiàn）電阻，分別是60 000多Ω（接近斷路狀態）和（hé）650Ω，二者進行比較，A軸和C軸是同類型的旋轉軸，二者阻值一般相差不大，但C 軸（zhóu）無報警，由此快速判A 軸溫度傳感器反饋線可能已經斷路或破損，更（gèng）換反饋線，故障排除。

小結：比較法可把（bǎ）“定性分析”轉化為（wéi）“定量分（fèn）析”，並借助現場實（shí）測數據來診斷故障。選取比較對（duì）象時，要首選“同類對象”，保證具備可比性。

（4）排除法。引起某一故障有多項並列的原因，其中一項或幾項均（jun1）可導致相（xiàng）同的報警或故障現象。首先去掉所有可能的原因項，再依次單獨接入電路，分別觀察（chá）對應的現象，逐一排（pái）除（chú）“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（jiā）工程序過程中，突然出現 1 0 4 4 號報警（ M A C H I N E I S N O T READY），按複（fù）位鍵（jiàn）無法消除，同時電氣櫃中空開QF91跳（tiào）閘，機床下電合上空開，重起機床約

5～10s後故障（zhàng）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（tǒng），具有x、Y、Z、W四個直（zhí）線軸和B 、C 兩個旋轉軸。針對空開跳閘現象查閱（yuè）機（jī）床電氣圖樣（見圖4），空開Q F91（D Z47-60 C6）上端接

DC24V電源，下端經中間繼電器KA103和KA105，分別通過KA11至KA14控製四個直線軸的伺服（fú）電動機刹車裝置。由於四個刹車線圈電源都來源於同一個空開QF91，任何一路長時間過載或（huò）者短路都（dōu）有可能導（dǎo）致Q F91跳閘。采用排（pái）除法，首先（xiān）將四個直線軸的（de）刹（shā）車（虛線（xiàn）方框中）全部退出電路，即（jí）拔掉11、12、13和14號（hào）線，再分別恢複刹車電路並單獨測試，結果是Y、Z、W三個軸（zhóu）的刹車正常（每路電流均小於1A），X 軸刹車接入電路時約5～10s後跳閘，電流約12A，已遠（yuǎn）遠超過正常值（zhí），排除正常電（diàn）路，故障定位在X 軸刹車。經（jīng）進一步檢測，X 軸刹車線圈已（yǐ）燒（shāo）毀（電阻約為2Ω），因過流導致空開跳閘，更換刹車裝置後故障排除。

小結： 機床的刹車電路直接關乎（hū）到設備和人身安全（quán），機床（chuáng）維護人員必（bì）須重點關注，一旦出（chū）現故障立即停車，切不可強製運行（háng）。除適用於上述一般電路外，排除法的適用範圍可進一步延伸，如某（mǒu）些故障與CNC伺服模塊或者PMC的I/O單元有（yǒu）關，每模塊上接有多個插頭（分別控製（zhì）對應的功能），也可利用（yòng）排除法，首先拔掉全部插頭，再（zài）依次插上（shàng），逐個進行排除，當接上（shàng）某一（yī）插（chā）頭後故障（zhàng）複現，即可把故障定位於此。

（5）PMC在線（xiàn）診斷法（fǎ）。在數（shù）控機床加工過程中，C N C和（hé）P M C 協調配合共同完成（chéng）對（duì）機床的精確控製，其中PMC主要完成與邏輯運算有關的功能，如刀具更換、主軸起停、換向變速、冷卻液（yè）開斷、工作台交換等輔助動作。

PMC梯形圖能實時在線監測這些輔助動作，一旦某一動作在（zài）邏輯上出現問題，從（cóng）梯形圖中能及（jí）時顯現出來，有（yǒu）助於故障（zhàng）的快速定位。

應用實例。故障現象：

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（fù）位鍵報警消失，重新換刀仍（réng）然反複出現該報警。

圖4 機床（chuáng）電氣圖

故障分析及方法應（yīng）用：此（cǐ）機床采用FANUC 0i-MC數控（kòng）係（xì）統，刀（dāo）庫采（cǎi）用無機械手換（huàn）刀（dāo）方式，刀庫的左、右和上、下移動由（yóu）氣缸驅動，旋轉由調速馬達驅動，自動（dòng）換刀的一般步驟是：當數控係統接到換刀指令後（hòu）主軸回到換刀位並準停→刀庫（kù）向右移動到主軸處→主軸上的刀具進入（rù）刀盤（pán）卡槽→主軸鬆刀→刀庫下移脫離主軸→刀庫（kù）備刀（定位銷抬起，刀盤旋轉至指令對應的刀位（wèi））→刀庫上移使（shǐ）刀具進入主軸錐孔內→刀具夾緊→刀庫退回到原位（wèi）。根據報警提示（shì），在P M C中查詢到1 0 1 2 # 報警對應的（de）梯形圖（tú），如圖5 所示，當刀盤轉動之前，其定位銷（固定刀盤，保證刀盤（pán）的定位精度）向上拔起，上端限位（wèi）開關信號X7.6接通（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（de）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（xià）端限位開關已完全（quán）彈起（X7.7已由1→0），報警（jǐng）消失。經上（shàng）述分析可知（zhī），故障原因顯然是限位開關X7.7損壞失靈（內部（bù）鏽蝕，彈起速度過慢（màn）），更（gèng）換後故障排除。

圖5PMC梯形圖

小結：加工中（zhōng）心換刀過程和（hé）P M C 程序比較複雜，邏輯性較強，利用P M C在線診斷（duàn）法能直觀地排查出“邏輯錯誤之（zhī）處”，可快速從眾多可能（néng）原因中找出故（gù）障點，達到（dào）捋清邏（luó）輯關係和追（zhuī）根溯源之目的。對於一些隨機性、瞬間出現的故障（zhàng），若梯（tī）形圖中一些信號（hào）的“通（tōng）斷（duàn）”（通斷保（bǎo）持的時間極短（duǎn））肉眼無法分辨，可（kě）使用（yòng）PMC的信號跟（gēn）蹤功能（T R A C E），觀測信號的時序和波形，來“捕捉”瞬間信號狀態。

3. 結語

在（zài）對機（jī）床有一定認知的基礎上，當（dāng）數控機床故障出（chū）現時，進行診斷的一（yī）般思路是：大（dà）腦保持清醒，切不可手忙腳亂，根據報警提示或者故障（zhàng）現象，通過認真詢問機床（chuáng）操作人員和查（chá）閱相關的機（jī）床（chuáng）資料，初（chū）步了解故障情況；大致判斷出該故障可能和哪些因素有關，並根據自身的知識範圍和工作經（jīng）驗，運用其中一種或綜合運（yùn）用幾種診斷方法，做到有“法”可依並盡快定位故障點，

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

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