數(shù)控機(jī)床隨機(jī)故障的分析與處理

關(guān)進(jìn)良，劉萃倫，喻曉浩

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

數(shù)控機(jī)床隨機(jī)故障的分析與處理

關(guān)進(jìn)良，劉萃倫，喻曉浩

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

針對(duì)數(shù)控機(jī)床隨機(jī)故障，結(jié)合維修實(shí)例從原理上分析引發(fā)隨機(jī)故障的常見原因，總結(jié)排查各類隨機(jī)故障的思路和解決方案，并給出相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施。

數(shù)控機(jī)床；隨機(jī)故障；PLC；故障排除

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.25

0 引言

數(shù)控機(jī)床高度融合了機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)與計(jì)算機(jī)等多項(xiàng)專業(yè)技術(shù)，是典型的機(jī)電一體化設(shè)備。由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致故障種類繁多。實(shí)際工作中，有些故障現(xiàn)象時(shí)有時(shí)無(wú)且無(wú)任何規(guī)律，本文稱之為隨機(jī)故障。

1 維修實(shí)例

1.1 VMC1600加工中心A軸“時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)”故障

（1）故障現(xiàn)象。VMC1600加工中心采用FANUC 18-M數(shù)控系統(tǒng)，所有軸均為半閉環(huán)控制，在手動(dòng)/自動(dòng)加工方式下轉(zhuǎn)動(dòng)A軸，A軸時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)不轉(zhuǎn)，無(wú)任何報(bào)警，且故障間隔時(shí)間不定。

（2）故障分析及解決方案。A軸是機(jī)床的第四軸，能實(shí)現(xiàn)分度和旋轉(zhuǎn)功能，由電磁閥控制氣缸實(shí)現(xiàn)A軸抱閘的松開與夾緊。為了排除抱閘的故障可能性，將電機(jī)與A軸轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械聯(lián)接部分脫開運(yùn)行，故障依舊。

借助機(jī)床PMC梯形圖（圖1）進(jìn)一步判斷故障點(diǎn)，手動(dòng)運(yùn)行A 軸時(shí)，進(jìn)給軸方向選擇信號(hào) G100.3（+J4）或 G102.3（-J4）、A 軸抱閘放松信號(hào)Y1004.6均已打通，但軸互鎖信號(hào)G130.3（*IT4）不通，原因是R104.5不通，由梯形圖可知是A軸抱閘放松壓力檢測(cè)信號(hào)地址X1004.1不通導(dǎo)致，檢查A軸放松對(duì)應(yīng)的壓力傳感器，發(fā)現(xiàn)常開觸點(diǎn)在閉合時(shí)處于“虛接”狀態(tài)，導(dǎo)致A軸放松信號(hào)時(shí)有時(shí)無(wú)，引起上述故障。更換該壓力傳感器，故障排除。

（3）小結(jié)。采用機(jī)電分離法，判斷隨機(jī)故障在機(jī)械的抱閘側(cè)還是在電氣控制側(cè)，脫開后單試電機(jī)，現(xiàn)象依舊存在，排除機(jī)械側(cè)。采用原理分析法，轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)A軸電機(jī)及伺服、負(fù)載、電流均正常；不轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)任何過(guò)流、過(guò)載報(bào)警，基本可以判斷故障為外界信號(hào)不滿足所致。檢查PMC梯形圖，A軸電機(jī)互鎖信號(hào)G130.3（*IT4）隨機(jī)突變，從而確定故障點(diǎn)為壓力傳感器常開觸點(diǎn)虛接。

（4）后續(xù)處理。改進(jìn)機(jī)床原PMC梯形圖，增加相應(yīng)的報(bào)警文本，圖1中最后一段梯形圖為新增部分，在A軸運(yùn)行時(shí)，如X1004.1斷開，則發(fā)出“A軸抱閘壓力異常”報(bào)警，方便故障判斷與維修。

1.2 CK5131B數(shù)控立式車床主軸失控故障

（1）故障現(xiàn)象。CK5131B數(shù)控立車采用NUM1040數(shù)控系統(tǒng)，在手動(dòng)狀態(tài)下點(diǎn)動(dòng)主軸正轉(zhuǎn)，主軸時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停；在沒有執(zhí)行主軸正轉(zhuǎn)時(shí)，主軸偶爾自行運(yùn)轉(zhuǎn)，且無(wú)任何報(bào)警，故障頻率不確定。

圖1 PMC梯形圖

（2）故障分析及解決方案。參照?qǐng)D2，按下“正轉(zhuǎn)”按鍵，Q502.5狀態(tài)變?yōu)?，繼電器K13.5得電，其常開觸點(diǎn)吸合，24 V電源信號(hào)給主軸變頻器，主軸開始正傳。主軸正反轉(zhuǎn)受機(jī)床PLC控制，當(dāng)按下“正轉(zhuǎn)”按鍵時(shí)查看PLC輸出點(diǎn)Q502.5狀態(tài)由0變?yōu)?，PLC內(nèi)部控制正常。但此時(shí)主軸時(shí)轉(zhuǎn)時(shí)停。檢查繼電器K13.5，輕輕敲擊，主軸開始連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，故障點(diǎn)確定為該繼電器，更換備件后故障排除。根本原因是繼電器內(nèi)部元件狀態(tài)不佳（如線圈老化或觸點(diǎn)粘連）導(dǎo)致機(jī)床故障時(shí)有時(shí)無(wú)。

（3）小結(jié)。對(duì)于失控類隨機(jī)故障，采用原理分析法，由于元器件本身（如主軸電機(jī)、變頻器等）屬于被控制的部分，是按照控制指令進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的，在無(wú)報(bào)警和異常的情況下，故障點(diǎn)大多在控制側(cè)，控制繼電器的線圈、觸點(diǎn)、插槽虛接的可能性比較大。如線圈老化會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)無(wú)法吸合，觸點(diǎn)產(chǎn)生氧化層或者粘連會(huì)導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法按指令通斷等。遇此類隨機(jī)故障，可用敲擊法判斷，優(yōu)先檢查控制繼電器信號(hào)。

圖2 機(jī)床電氣原理圖

（4）后續(xù)處理。定期檢查繼電器，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)打火或發(fā)黑，及時(shí)更換。

1.3 某國(guó)產(chǎn)五軸數(shù)控龍門銑床電主軸停轉(zhuǎn)故障

（1）故障現(xiàn)象。數(shù)控龍門銑床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，在執(zhí)行程序過(guò)程中電主軸突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，程序設(shè)定電主軸轉(zhuǎn)速3000 r/min，各伺服軸繼續(xù)進(jìn)給無(wú)任何報(bào)警，只顯示主軸使能為紅色，RESET鍵可以清除，復(fù)位后可繼續(xù)走程序，此現(xiàn)象短期內(nèi)多次出現(xiàn)。

（2）故障分析及解決方案。加工過(guò)程中主軸突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而進(jìn)給軸仍繼續(xù)移動(dòng)，這對(duì)任何機(jī)床來(lái)說(shuō)都是非常危險(xiǎn)的，輕則伺服軸過(guò)載報(bào)警而停下，刀具擠傷工件，工件報(bào)廢；重則電主軸軸承損毀或刀具、工件損壞飛濺造成人員傷害。

首先分析故障產(chǎn)生的原因。由于故障時(shí)無(wú)任何報(bào)警，只有主軸使能中斷，應(yīng)從此入手進(jìn)行排查。電主軸突然停止轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)于電主軸本身，主軸伺服及編碼器出現(xiàn)故障時(shí)都會(huì)有報(bào)警顯示，所以此故障外圍信號(hào)導(dǎo)致的可能性較大，排查控制主軸的外圍信號(hào)，導(dǎo)致主軸停止最有可能的就是主軸松緊刀信號(hào)。

該機(jī)床采用進(jìn)口雙回轉(zhuǎn)擺動(dòng)銑頭，通過(guò)力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)A，C軸運(yùn)動(dòng)，機(jī)床的A軸擺動(dòng)體內(nèi)安裝電主軸，電主軸松緊刀動(dòng)作主要由流量計(jì)、K11-CONTROLLER模塊和PLC配合完成，三者信號(hào)傳遞關(guān)系見圖3。當(dāng)松刀或者緊刀時(shí)，PLC輸出開關(guān)量信號(hào)給K11模塊來(lái)控制松緊刀電磁閥動(dòng)作，流量計(jì)能夠檢測(cè)出液壓管路中流過(guò)油液的流量，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字脈沖信號(hào)輸送給K11模塊，再由K11模塊把數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)松刀到位、緊刀到位和無(wú)刀夾緊3個(gè)刀具位置的開關(guān)量信號(hào)輸送給PLC，PLC接收到具體信號(hào)后才能完成整套松緊刀動(dòng)作。

圖3 信號(hào)傳遞關(guān)系框圖

由電主軸松緊刀控制過(guò)程可知，在其他外圍條件正常時(shí)，松緊刀故障主要和流量計(jì)、K11模塊、PLC以及中間連接電纜相關(guān)。由于機(jī)床PLC能正常控制其他外圍裝置（如冷卻液?jiǎn)⑼５龋胰绻鸓LC有故障會(huì)引起相應(yīng)的報(bào)警，基本可確定PLC正常。采用互換法，把該機(jī)床的K11模塊和流量計(jì)與另外一臺(tái)同類機(jī)床互換，該機(jī)床故障同樣時(shí)有時(shí)無(wú)，另一臺(tái)機(jī)床運(yùn)行正常，說(shuō)明硬件沒問(wèn)題。在機(jī)床執(zhí)行程序過(guò)程中利用軟件監(jiān)控K11模塊的信號(hào)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在故障出現(xiàn)的瞬間K11模塊處于關(guān)機(jī)狀態(tài)隨后又自行啟動(dòng)，這和斷電又通電的現(xiàn)象相同，監(jiān)控K11模塊的24 V電源（接在X1中的24 V電纜，見圖4）在機(jī)床移動(dòng)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)24 V電源供電不足現(xiàn)象（24 V～10 V），導(dǎo)致K11模塊沒有工作。因此確定電源電纜某一段處于破損狀態(tài)，導(dǎo)致故障時(shí)有時(shí)無(wú)，更換電源電纜后故障排除。

圖4 K11模塊電氣原理圖

（3）小結(jié)。對(duì)于此類電主軸停轉(zhuǎn)，進(jìn)給不停的危險(xiǎn)故障，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注主軸松緊刀信號(hào)。此機(jī)床主軸信號(hào)控制較復(fù)雜，而對(duì)于一般機(jī)床，與主軸松緊刀相關(guān)的各傳感器信號(hào)也應(yīng)特別留意。

（4）后續(xù)處理。原K11模塊的24 V輸入電源沒有報(bào)警檢測(cè)，給排除故障造成很大困難，現(xiàn)將該24 V電源來(lái)控制新加的繼電器K100線圈，繼電器常開觸點(diǎn)接入PLC，如果24 V斷電或虛接，K100常開觸點(diǎn)斷開，并引發(fā)相應(yīng)報(bào)警（如K11輸入模塊電源異常）。

2 隨機(jī)故障原因及排查思路

從以上維修實(shí)例可以看出，隨機(jī)故障都是由于元器件狀態(tài)不穩(wěn)定所致，大致分為3種：①頻繁工作的電氣元件損壞（如中間繼電器觸點(diǎn)過(guò)流、打火造成粘連，接觸器觸點(diǎn)產(chǎn)生氧化層致使接觸不良）；②電纜插頭、接線端子不牢固和電纜虛接，尤其是多股細(xì)線電纜中某一根在機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，處于破損狀態(tài)，與屏蔽層相連；③機(jī)床輔助元件損壞或安調(diào)不當(dāng)，如壓力傳感器觸點(diǎn)虛接或虛斷，感應(yīng)開關(guān)與被檢測(cè)元件的調(diào)整距離處于“臨界狀態(tài)”。其中，前兩種原因居多，約占該類故障的70%。另外，電機(jī)編碼器、光柵尺被污染等也可能導(dǎo)致這類故障的發(fā)生。

綜上，在排除隨機(jī)故障時(shí)，可以按照以下思路：①采用原理分析法將故障分割成幾塊，機(jī)電分離或者元器件替代，將故障定位在盡可能小的范圍。②耐心觀察，抓住機(jī)床故障復(fù)現(xiàn)的瞬間，仔細(xì)對(duì)比故障前后各類信號(hào)的變化（一般借助機(jī)床內(nèi)置PLC或其他檢測(cè)儀器觀察），找出導(dǎo)致故障產(chǎn)生的具體信號(hào)；③解決實(shí)際問(wèn)題，并設(shè)法從根本上預(yù)防此類問(wèn)題的發(fā)生。

TG659

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〔編輯 李 波〕