數(shù)控機床故障發(fā)生原因及預防措施

霍 偉

（西山煤電（集團）有限責任公司機電廠，太原 030053）

0 引言

數(shù)控機床（以下簡稱：CNC）是機電一體化相結(jié)合的高科技產(chǎn)品，由于其精度高、效率高、程序化工作，在現(xiàn)在工業(yè)制造領域的應用極為廣泛。一臺CNC在運行過程中，由于機械部件損耗、電子元器件損壞、液壓系統(tǒng)缺油、程序出錯等原因，均會使數(shù)控機床出現(xiàn)故障。引起故障的原因有單個系統(tǒng)出錯、多系統(tǒng)綜合發(fā)生故障等。在我國從事CNC運行、維護工作的人員眾多，然而，由于此項技術的集成度高、復雜性、多變性以及一些客觀因素的制約，在處理CNC故障的過程中，對檢修人員的綜合技能素質(zhì)要求極高。但在實際維護檢修中，往往依靠檢修人員的經(jīng)驗和運氣，并沒有形成一套成熟、完整的理論體系。隨著電力電子技術、機械制造技術的日益發(fā)展，CNC的數(shù)字化程度、精度也越來越高，檢修人員的業(yè)務素質(zhì)也需要不斷提高。因此，如何系統(tǒng)性、全面性地分析故障發(fā)生的原因，幫助運維檢修人員了解CNC設備，預防CNC的故障是值得探討的課題。本文從概括介紹CNC故障常見原因的角度出發(fā)，介紹了處理故障的常見方法和思路，并對日常維護提出了一些貼近實際的總結(jié)和維護建議。

1 故障發(fā)生原因

區(qū)分故障發(fā)生的原因，可以多維度、多角度地進行分析歸納。

（1）按控制系統(tǒng)可分為硬故障和軟故障。硬故障通常指CNC的機械、電氣硬件部分，如傳動機構、換刀機構、其他機械元器件、CNC控制器、伺服驅(qū)動、傳感器、PLC模塊等，當這些系統(tǒng)組成部分出現(xiàn)故障時不能簡單進行修理，通常需要整體進行更換。軟故障通常指軟件程序如控制系統(tǒng)配置參數(shù)設置錯誤、程序紊亂或丟失等引起的機床不能正常工作，這些故障往往是由于誤操作、備用RAM掉電、電網(wǎng)諧波串入CNC總線引起時序紊亂等，但這類故障大多可通過設備重啟得以初步解決。

（2）按故障性質(zhì)可分為確定性故障及隨機性故障。確定性故障和硬故障相似，一般由于CNC各子系統(tǒng)中的某些零部件損壞或者工作環(huán)境變化導致CNC不能正常工作，這類故障也是發(fā)生頻率最高的故障，類似于消耗類配件需要周期性更換，這類故障的發(fā)生有一定的規(guī)律，因此為預防及檢修維護也帶來一定的便捷[1]。隨機性故障指的是CNC在正常運行過程中偶然發(fā)生的故障。這類故障發(fā)生具有隨機性和隱藏性，故障點不好查找，因此沒有一定的規(guī)律可尋，查找故障方面比較困難。隨機性故障很多是因為在安裝調(diào)試過程中積累下的隱患，隨著CNC的運行時間增加，慢慢暴露了出來。隨機性故障大多都是程序故障，多數(shù)是人為因素引起的，可通過復位、關機重啟等得到解決，但是這種處理方式?jīng)]有找到根本原因，故障還可能再次發(fā)生。

（3）按故障發(fā)生原因可歸納為內(nèi)部原因引起的故障和外部環(huán)境引起的故障。內(nèi)部原因引起的故障是CNC運行過程中自己產(chǎn)生的故障，與外部原因無關。外部原因故障指的是由于外部環(huán)境變化或機床不適應新的運行環(huán)境引起的CNC故障，如溫度和濕度的變化、震動、輸入電壓波動、外部粉塵進入機床、外部干擾源侵入等。

2 CNC常見故障分析

2.1 位置環(huán)

位置環(huán)在數(shù)控系統(tǒng)中稱為三環(huán)（速度環(huán)、電流環(huán)、位置環(huán)）之中的最外環(huán)，其作用是保證CNC的平穩(wěn)性。位置環(huán)的動作頻率很高，使數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制信號，并與位置檢測系統(tǒng)的反饋值相比較，完成一套控制任務的流程。因其與外部系統(tǒng)交互頻繁，因此發(fā)生故障頻率高、查找難度大[2]。常見的故障如下。

（1）位控環(huán)報警。一般產(chǎn)生原因有測量回路開路、測量系統(tǒng)損壞、位控單元內(nèi)部損壞。

（2）無任務命令就動作。一般原因是位控單元中測量元件損壞，影響漂移值過高。

（3）測量元件損壞。一般表現(xiàn)為無反饋值，機床無法回歸基準點或無任務動作。

（4）機床運行時產(chǎn)生報警，一般是由于光柵或讀頭臟污或損壞造成的漏脈沖。

2.2 伺服驅(qū)動系統(tǒng)

伺服驅(qū)動系統(tǒng)的控制對象機械位置或角度。其與電氣系統(tǒng)和機械系統(tǒng)相關聯(lián)，工作時處于頻繁地停止和工作狀態(tài)，是故障多發(fā)部位。其主要故障如下。

（1）系統(tǒng)損壞。一般由電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定或高次諧波造成。區(qū)域供電質(zhì)量不佳會造成CNC電壓超限報警，且大部分電網(wǎng)電壓波動是瞬時的，監(jiān)測起來十分困難，若無專門的電壓監(jiān)控儀，很難判斷系統(tǒng)或元器件損壞原因是電壓波動造成的。在查找故障原因時要加以注意，還有一些是由于特殊原因造成的損壞。

（2）加工時工件表面達不到要求，走圓弧插補軸換向時出現(xiàn)凸臺，電機低速爬行或振動，這類故障一般是由于伺服驅(qū)動系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整不當，與電機匹配不合適引起[3]。

（3）保險燒斷，電機過熱或燒壞。這類故障一般是由于長時間過負荷或機械裝置卡死造成電流升高。

2.3 電源部分

突然失去電源造成停機可以毀壞整個系統(tǒng)。過去我國由于電網(wǎng)電壓不穩(wěn)還伴有高次諧波的干擾，經(jīng)常會發(fā)生由于電能質(zhì)量問題造成的設備電源模塊損壞，不過隨著電力技術的成熟，供電網(wǎng)絡的穩(wěn)定性越來越高，由于電網(wǎng)波動引起高頻諧波造成的機床故障越來越少。人為的因素如突然拉閘斷電，可造成電源失控或損壞。CNC加工程序、參數(shù)設置等一般存貯在后備RAM存貯器內(nèi)，RAM存儲器是與CPU直接交互的存儲器，一旦斷電，所存儲的數(shù)據(jù)立即消失，CNC很可能在下次開機時不能正常啟動。

2.4 PLC（可編程控制器）故障

數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制主要由PLC實現(xiàn)，如機床位移、刀頭切換、精細動作等均由PLC控制，可編程控制器的程序執(zhí)行必須采集很多相關信號，然后與外界各種信號和執(zhí)行元件高頻次地交互，故障發(fā)生位置的不確定性大大增加，故障點非常難以查找。

2.5 環(huán)境條件

其他由于環(huán)境條件，例如溫度、濕度、粉塵超過允許范圍，參數(shù)設定不當?shù)榷伎赡茉斐赏C或故障。無靜電防護措施等也可能造成停機故障甚至毀壞系統(tǒng)[4]。

3 故障預防措施

3.1 加強管理與人員培訓

CNC涉及的技術領域非常廣，如電子技術、工控自動化、測控儀器、軟件工程、半導體技術等等。要求運維人員不但有計算機數(shù)字控制方面的知識，還應了解機械結(jié)構、加工工藝等，因此運維人員應加強培訓，不斷更新數(shù)據(jù)庫知識。同時還應對機床的備件、資料、維修工器具和儀器等應妥善保管。

3.2 加強日常維護

（1）定期清理設備散熱和通風，防止機床出現(xiàn)過熱。

（2）安裝電網(wǎng)電壓監(jiān)測儀器及穩(wěn)壓裝置。安裝穩(wěn)壓裝置可以極大保護由于供電系統(tǒng)原因引起的電力電子元器件燒壞。監(jiān)測機構可以記錄瞬時電網(wǎng)電壓波動，對于判斷故障發(fā)生的原因具有很大的參考意義。

（3）定期檢查和更換主軸伺服電動機和各軸伺服電動機的電刷。

（4）保證數(shù)控系統(tǒng)的清潔，電氣柜門要經(jīng)常保持密封狀態(tài)，經(jīng)常檢查各插件的接插情況，防止松動。CNC所在車間空氣中漂浮著粉塵以及加工零件留存的金屬性微粒，如果電氣機構與這些粉塵長時間接觸，容易造成元件間被擊穿或燒壞。有些運維人員在夏天車間室內(nèi)溫度過高時，甚至會打開電氣柜門采用自然降溫甚至接電風扇送風降溫的方式為設備降溫，這種方式反而容易造成二次接線松動或粉塵進入電子元器件造成元器件損壞，加速了CNC的損壞[5]。

（5）存儲器所用的電池應定期檢查和更換。通常如果發(fā)生停電，數(shù)控系統(tǒng)中部分COMS存儲器中貯存的內(nèi)容靠蓄電池供電保持。蓄電池的電壓或容量的降低會導致設備參數(shù)的丟失，因此蓄電池很有必要定期做直流蓄電池內(nèi)阻及容量預防性試驗。對容量不合格，內(nèi)阻升高的蓄電池要及時更換。

（6）對機床各潤滑部位定期檢查。為保證各傳動機構正常運轉(zhuǎn)，要按照說明書的維護周期定期對各潤滑部位進行檢查、潤滑。

（7）定期清洗液壓系統(tǒng)中的過濾裝置。過濾器如果不按時清洗，會造成液壓系統(tǒng)油質(zhì)臟污，引起液壓油缸帶動的執(zhí)行機構動作緩慢，發(fā)出超時報警，并且壓力傳感器、流量傳感器等信號傳遞裝置信號傳遞不正常，引起機床報警[6]。

（8）定期檢查清潔氣源狀態(tài)。CNC中用來清潔光柵尺、吹掃主軸及刀具，油霧潤滑以及用氣缸帶動一些機械部件傳動等都要使用到壓縮后的干燥清潔空氣。如果氣源濕度較大或氣管中有雜質(zhì)，會對光柵尺造成極大的影響甚至會損壞光柵尺，進而影響CNC運行中直線軸不能按照指令運行到指定位置[7]。

（9）備板的維護。印刷電路板長期不用容易積塵，使用時出故障，因此備板應定期安裝在數(shù)控系統(tǒng)中通電運行一段時間，以防止損壞。同時，長時間停機不使用的CNC也應該定時通電，讓其空載運行，將堆積在機床內(nèi)部的潮氣和雜質(zhì)排除[8]。

4 結(jié)束語

引起數(shù)控機床故障的原因有很多，在實際使用過程中要及時總結(jié)經(jīng)驗，做好故障點的記錄和總結(jié)。機床的故障預防措施也應該在使用過程中不斷積累，同時對檢修運維人員應加大培訓力度，學習當下最前沿的機床維護技術。對CNC的維護和管理要從細節(jié)做起，才能確保機床的穩(wěn)定運行，這既是對自身切實利益的保障，又能照顧單位生產(chǎn)進度，在正確使用與維護CNC的道路上任重而道遠。