數(shù)控機(jī)床的維護(hù)及故障分析

黃利華

（四川宏華石油設(shè)備有限公司，四川廣漢 618300）

0 引言

四川宏華石油設(shè)備有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）主要從事石油鉆機(jī)設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)，零部件加工中心是其專門為鉆機(jī)配套生產(chǎn)各種機(jī)械部件的生產(chǎn)車間，現(xiàn)有數(shù)十臺(tái)、多種類型的數(shù)控設(shè)備，其中以西門子系統(tǒng)為主。2006年至2016年，筆者一直負(fù)責(zé)該車間的電氣維護(hù)工作，現(xiàn)將多年來在工作中處理過的數(shù)控設(shè)備的一些典型故障及解決措施整理、分享。根據(jù)數(shù)控設(shè)備的功能，這些常見故障一般為5類。

1 NC系統(tǒng)故障

NC（Numerical Control，數(shù)字控制）系統(tǒng)其實(shí)就是數(shù)控單元，NC系統(tǒng)出現(xiàn)硬件損壞時(shí)，需要快速判斷其故障原因、查找故障點(diǎn)，這就要求維修人員必須熟悉該設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)的工作原理及各線路板的功能，然后根據(jù)故障現(xiàn)象進(jìn)行分析，盡快鎖定故障部位，利用備件替換，減少設(shè)備故障停機(jī)時(shí)間。但是，數(shù)控設(shè)備的部件價(jià)格不菲，在沒有現(xiàn)成備件的情況下，利用同一設(shè)備或是其他設(shè)備的相同部件替換，也可以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

例1：天津精誠(chéng)機(jī)床廠生產(chǎn)的YH6016數(shù)控弧齒錐齒銑齒機(jī)，在廠家到公司現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試過程中出現(xiàn)了如下故障：通過NC系統(tǒng)PC功能輸入的R參數(shù)，在加工中不起作用，不能更改加工程序中R參數(shù)的數(shù)值。通過對(duì)NC系統(tǒng)工作原理及故障現(xiàn)象的分析，認(rèn)為PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）主板有問題，建議廠家采用相同部件替換。試運(yùn)行一段時(shí)間后，證實(shí)為主板故障，機(jī)床廠聯(lián)系西門子更換該P(yáng)LC主板。

機(jī)床參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或者參數(shù)發(fā)生變化、混亂時(shí)，也會(huì)引發(fā)NC系統(tǒng)故障報(bào)警，重新調(diào)整好參數(shù)后故障自然消除。但有些偶然因數(shù)還可能造成NC系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)，這時(shí)必須采取強(qiáng)行啟動(dòng)的方法來恢復(fù)系統(tǒng)。

例2：齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司生產(chǎn)的SVT160/8Q-NC數(shù)控高速單柱立式車床（采用西門子802D系統(tǒng)），在加工過程中出現(xiàn)軟限位失效、直接撞到硬限位開關(guān)的情況。檢查發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)中設(shè)定第一軟限位有效（在PLC中指定），其X軸負(fù)方向和Z軸正方向的軟限位值均為初始值。重新調(diào)試設(shè)置軟限位（軸參數(shù)36100）后，設(shè)備恢復(fù)正常。另外，數(shù)控單元的外圍電路也可能引發(fā)系統(tǒng)故障報(bào)警。

例3：自貢長(zhǎng)征機(jī)床廠生產(chǎn)的GMCU2500龍門加工中心（1#）在自動(dòng)加工過程中，系統(tǒng)突然斷電，無法工作。經(jīng)檢查測(cè)量，其24 V直流供電電源非西門子標(biāo)準(zhǔn)的SITOP電源，輸出電壓約22 V，在車間供電電網(wǎng)電壓向下波動(dòng)時(shí)，該電壓持續(xù)下降，導(dǎo)致NC系統(tǒng)采取保護(hù)措施，自動(dòng)斷電。后檢查，該故障為該電源的整流橋堆二極管損壞所致。更換新的整流二極管后，故障排除。

2 伺服系統(tǒng)的故障

NC單元對(duì)機(jī)床的進(jìn)給部分進(jìn)行數(shù)字控制，而進(jìn)給是由伺服單元控制伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠來實(shí)現(xiàn)的，由旋轉(zhuǎn)編碼器做位置反饋元件，形成閉環(huán)的位置控制系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的故障一般由伺服控制單元、伺服電機(jī)、測(cè)速電機(jī)、編碼器等出現(xiàn)問題引起的。

例1：自貢長(zhǎng)征機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的GMU2500高速數(shù)控龍門銑床（2#）（采用西門子840D系統(tǒng)），在加工過程出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)器報(bào)警，內(nèi)容為X軸驅(qū)動(dòng)器輸出電流被限制。該軸驅(qū)動(dòng)器故障指示燈亮，而檢查時(shí)卻發(fā)現(xiàn)連接各模塊之間的600 V直流母線排的緊固螺栓已松動(dòng)，并有電弧跡象。初步判斷此處應(yīng)為故障點(diǎn)。斷電并確認(rèn)放電結(jié)束后緊固螺栓，再次上電后故障仍舊存在，很明顯由于母線排的接觸不良產(chǎn)生的大電流已導(dǎo)致該驅(qū)動(dòng)器損壞，換上同種型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器后故障排除。經(jīng)檢查驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部線路，電流部分有2個(gè)并接的50 A，600 V的快速熔斷器開路，更換后該驅(qū)動(dòng)器恢復(fù)正常。

例2：齊齊哈爾第二機(jī)床廠生產(chǎn)的TK6920數(shù)控落地銑鏜床（采用西門子840D系統(tǒng)），在加工過程中也曾出現(xiàn)和前面的龍門銑床類似問題，只不過該驅(qū)動(dòng)器是因?yàn)閮?nèi)部輸出線被大電流熔斷。處理后故障排除。

例3：龍門銑床（2#）還發(fā)生過這樣故障，開機(jī)后MMC（Man Machine Communication，人機(jī)通信）部分工作正常，但是出現(xiàn)了報(bào)警，內(nèi)容為未發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。查閱相關(guān)診斷說明后推斷為硬件故障，作如下檢查工作：首先檢查各驅(qū)動(dòng)器之間的設(shè)備總線是否連接可靠；由于所有的驅(qū)動(dòng)器都沒有進(jìn)入正常的工作狀態(tài)，故懷疑第一個(gè)軸即主軸與NC之間的接口是否正常或者主軸驅(qū)動(dòng)器故障；由于廠內(nèi)沒有該驅(qū)動(dòng)器配件，只有將龍門銑床（1#）的主軸驅(qū)動(dòng)器控制板拆下替換后報(bào)警消除。后來采購(gòu)?fù)吞?hào)控制板，更換后設(shè)備恢復(fù)正常。

例4：沈陽數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的CK6136H-D6D數(shù)控車床，出現(xiàn)X軸驅(qū)動(dòng)報(bào)警，而X軸驅(qū)動(dòng)器并無報(bào)警指示。將X軸和Z軸的驅(qū)動(dòng)線路互換后，出現(xiàn)Z軸驅(qū)動(dòng)報(bào)警，此時(shí)可以判定問題出在伺服電機(jī)回路上，與驅(qū)動(dòng)器無關(guān)。電機(jī)一啟動(dòng)，伺服單元產(chǎn)生過載報(bào)警，切斷伺服電源，并反饋給NC系統(tǒng)，顯示報(bào)警。仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)，由于鐵屑將排水孔堵死，電機(jī)與軸聯(lián)接處被冷卻液浸泡，電機(jī)內(nèi)已嚴(yán)重進(jìn)水，電機(jī)絕緣已被破壞。解體后清理、烘烤、浸絕緣漆，故障排除。

例5：天水星火機(jī)床廠生產(chǎn)的CKW61200數(shù)控車床（采用西門子840D系統(tǒng)），在加工過程中出現(xiàn)X軸主動(dòng)編碼器硬件出錯(cuò)，多次檢查后判斷為X軸直線測(cè)量系統(tǒng)故障（即光柵尺部分）。由于Y軸的光柵并未使用，將Y軸的光柵反饋線替換到X軸光柵后報(bào)警消除，初步判斷X軸光柵反饋電纜因頻繁往返運(yùn)動(dòng)折斷導(dǎo)致接觸不良。校線證實(shí)了該判斷。處理斷點(diǎn)，焊接并采取防折措施，機(jī)床恢復(fù)正常。

3 外圍電路故障

數(shù)控技術(shù)不斷發(fā)展完善，其可靠性和穩(wěn)定性越來越高，故障概率不斷降低，數(shù)控機(jī)床故障大多數(shù)是非系統(tǒng)故障，外圍電路故障居多。這類故障是數(shù)控機(jī)床常見故障，多由檢測(cè)開關(guān)、液壓系統(tǒng)、氣動(dòng)系統(tǒng)、電氣執(zhí)行元件、機(jī)械裝置等引起。機(jī)床廠根據(jù)不同故障內(nèi)容編寫相應(yīng)的報(bào)警文本，通過報(bào)警信息，查找故障原因，但是有些機(jī)床廠家編寫的報(bào)警文本并不完善，還是要靠維修人員根據(jù)機(jī)床原理，仔細(xì)分析、查找具體故障原因。

例1：天津精誠(chéng)機(jī)床廠生產(chǎn)的YH6016數(shù)控弧齒錐齒輪銑齒機(jī)（采用西門子840D系統(tǒng)），在運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)Y軸伺服故障，經(jīng)檢查后排除驅(qū)動(dòng)器故障。由于該設(shè)備仍處于保修期、不便作更大范圍檢修，通知廠家來人檢修。但是該機(jī)床并非一直報(bào)警，給維修帶來不便，所以廠家在數(shù)天內(nèi)未找到真正的故障原因。后來該設(shè)備又多次出現(xiàn)報(bào)警，廠家只得聯(lián)系西門子公司的技術(shù)人員來維修。該名工程師在詳細(xì)檢查了各項(xiàng)指標(biāo)后也未發(fā)現(xiàn)異常，不過他很肯定地排除了系統(tǒng)故障的可能性。此后一段時(shí)間里該設(shè)備工作正常，直到最后一次。這次出現(xiàn)報(bào)警后，讓操作工不要關(guān)掉電源（前幾次操作工都是重新啟動(dòng)系統(tǒng)后，故障自動(dòng)消除），仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，Y軸是機(jī)床的垂直進(jìn)給軸，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與其他進(jìn)給軸有明顯不同，Y軸帶有抱閘裝置。在檢查抱閘裝置的外圍線路中發(fā)現(xiàn)，在PLC的輸出模塊SM322的輸出點(diǎn)Q40.4處，測(cè)得電壓為+24 V，而由此控制的Y軸抱閘裝置松開中間繼電器KA05卻并未正常工作。經(jīng)查KA05線圈吸合不好，導(dǎo)致Y軸制動(dòng)器工作不正常，使系統(tǒng)發(fā)出錯(cuò)誤報(bào)警指令。更換中間繼電器后故障排除，該設(shè)備至今沒出現(xiàn)過類似現(xiàn)象。通過這次案例可以看出，有些故障雖有報(bào)警信息，但并不能反映出故障的根本原因，這時(shí)要根據(jù)報(bào)警信息、故障現(xiàn)象來分析，不能放過每一個(gè)細(xì)節(jié)，以更準(zhǔn)確及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和解決問題。

例2：天水星火機(jī)床廠生產(chǎn)的CKW61200數(shù)控車床（采用西門子840D系統(tǒng)）在加工過程中出現(xiàn)X軸不能回參考點(diǎn)的情況。由于加工的產(chǎn)品為“厘巴斯”繩槽滾筒，如果中途將工件卸下，重新裝夾后調(diào)整基準(zhǔn)比較困難，所以無法檢修相應(yīng)硬件，給維修帶來較大困難。為了不耽誤生產(chǎn)、確保進(jìn)度，只有從軟件上想辦法，即修改軸通道參數(shù)，使NC不需回參考點(diǎn)便可啟動(dòng)。在工件加工完后將X軸刀架移開，檢查發(fā)現(xiàn)是回參考點(diǎn)接近開關(guān)固定螺栓松動(dòng)。調(diào)整接近開關(guān)后，故障排除。

例3：漢川機(jī)床廠生產(chǎn)的TK611C/I數(shù)控臥式銑鏜床（采用西門子802D系統(tǒng)）在加工過程中也出現(xiàn)了類似于例2的問題，X軸在回參考點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)撞擊硬限位開關(guān)的情況。經(jīng)檢查回零開關(guān)損壞，更換后工作正常。

例4：寶雞機(jī)床廠生產(chǎn)的SK50P國(guó)產(chǎn)簡(jiǎn)易數(shù)控車床（采用廣州數(shù)控GSK980T系統(tǒng)），在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，電器控制箱的散熱風(fēng)扇損壞，導(dǎo)致電源部分24 V輸出短路保護(hù)（散熱風(fēng)扇與系統(tǒng)共用24 V電源），引起系統(tǒng)報(bào)警，在斷開風(fēng)扇電路后系統(tǒng)隨即恢復(fù)正常。該機(jī)床在換刀過程中曾出現(xiàn)過報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容為換刀時(shí)間過長(zhǎng)。經(jīng)檢查，電動(dòng)刀臺(tái)的電機(jī)線斷線，更換后故障排除。而后，刀臺(tái)電機(jī)發(fā)出異響，用電流表檢測(cè)三相電流并不平衡，拆下電機(jī)后發(fā)現(xiàn)，由于固定電機(jī)接線端子的螺釘過長(zhǎng)與電機(jī)內(nèi)定子線圈接觸，造成線圈部分接地（該螺釘同時(shí)還固定了電機(jī)的接地線），導(dǎo)致刀臺(tái)電機(jī)三相電流失去平衡而發(fā)熱并發(fā)出異響。換下螺釘后，換刀功能恢復(fù)正常。

例5：齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司生產(chǎn)的SVT160/8Q-NC數(shù)控高速單柱立式車床（采用西門子802D系統(tǒng)）發(fā)生故障，設(shè)備上班開機(jī)啟動(dòng)不正常，界面顯示PLC停止，反復(fù)重啟多次后恢復(fù)正常。該現(xiàn)象在之前曾經(jīng)發(fā)生過，并且都是在早上上班時(shí)。調(diào)出報(bào)警信息，查到報(bào)警號(hào)為400015 Profibus-DP I/O錯(cuò)誤：記錄地址9總線地址/槽口8/7。查閱西門子802D診斷說明后得知，該報(bào)警是由于PLC用戶程序中使用的I/O地址不存在。可能的原因有：淤 Profibus-DP I/O模塊沒有電壓提供；于客戶端總線地址設(shè)置錯(cuò)誤；盂Profibus連接出錯(cuò)；榆SDB Profibus配置不正確。根據(jù)以上分析，模塊電壓有較大嫌疑，檢查發(fā)現(xiàn)24 V電源接插件松動(dòng)。重新插接后恢復(fù)正常，之后未有此類現(xiàn)象發(fā)生。

4 數(shù)控系統(tǒng)的維護(hù)與調(diào)整

現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)發(fā)展迅速，越來越先進(jìn)的智能化控制對(duì)從事數(shù)控維修與維護(hù)的工程技術(shù)人員要求越來越高。很多數(shù)控設(shè)備在出現(xiàn)故障后，首先要對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，及時(shí)查找出故障點(diǎn)；在機(jī)械故障排除后，還應(yīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)整和維護(hù)。

例1：3#龍門銑床在加工過程中出現(xiàn)高低擋無法轉(zhuǎn)換、擋位指示燈都不亮的現(xiàn)象。該系統(tǒng)并無主軸換擋開關(guān)，高低速轉(zhuǎn)換是在用戶程序中直接指定旋轉(zhuǎn)方式（正/反）、轉(zhuǎn)速；由系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別并切換，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)由ZF變速箱反饋回來的傳感器信號(hào)表明主軸實(shí)際處在空擋上，即既不是高擋也不是低擋，因此系統(tǒng)無法識(shí)別，而機(jī)械液壓部分、電器部分都未見明顯異常。處理方法：在用戶程序中直接指定轉(zhuǎn)速如S100而不指定旋轉(zhuǎn)方式，這樣啟動(dòng)程序后系統(tǒng)將默認(rèn)上一次也就是出故障前的擋位，回到正常擋位后故障排除。

例2：齊齊哈爾第二機(jī)床廠生產(chǎn)的TK6920數(shù)控落地銑鏜床（采用西門子840D系統(tǒng)），回轉(zhuǎn)臺(tái)下漏油嚴(yán)重，并且曾多次出現(xiàn)帶不動(dòng)較大負(fù)載的現(xiàn)象，因此要求拆開回轉(zhuǎn)工作臺(tái)作徹底檢查。而回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中心安裝了一個(gè)旋轉(zhuǎn)編碼器，拆下后由于其他因素未能繼續(xù)分解工作臺(tái)，按原有位置恢復(fù)后重新啟動(dòng)機(jī)床，回轉(zhuǎn)臺(tái)在回零過程中突然停止，系統(tǒng)出現(xiàn)B軸主動(dòng)編碼器硬件出錯(cuò)報(bào)警。再次重啟系統(tǒng)后故障消除，而回轉(zhuǎn)臺(tái)現(xiàn)有零位與原始位置有一夾角。經(jīng)調(diào)整B軸MD34200，MD34210，MD34090等參數(shù)后，機(jī)械零位恢復(fù)正常。

例3：很多數(shù)控設(shè)備在排查機(jī)械傳動(dòng)部分故障時(shí)都需要將相應(yīng)的軸的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行屏蔽，使數(shù)控系統(tǒng)的全閉環(huán)控制轉(zhuǎn)換為半閉環(huán)控制。天水星火機(jī)床廠生產(chǎn)的CKW61200數(shù)控車床（采用西門子840D系統(tǒng)）在維修過程中需對(duì)X軸的光柵尺進(jìn)行屏蔽，對(duì)軸參數(shù)MD30200和MD30240進(jìn)行修改，之后需重新啟動(dòng)系統(tǒng)。同時(shí)還應(yīng)對(duì)PLC寅NCK（NC Realtime Kemal，西門子數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的接口信號(hào)DB31.DBX1.5進(jìn)行賦值，此時(shí)內(nèi)置編碼器生效，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入半閉環(huán)控制。

5 其他精大稀設(shè)備在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的較典型故障分析

例1：老舊設(shè)備的電磁干擾現(xiàn)象是一個(gè)困擾性問題，生產(chǎn)車間內(nèi)各工種交叉作業(yè)，干擾源較多，本地電網(wǎng)電壓波動(dòng)較大且為三相四線制，部分早期設(shè)備的零線、地線未嚴(yán)格區(qū)分，因此在生產(chǎn)過程中經(jīng)常碰到干擾現(xiàn)象。有一臺(tái)數(shù)控車床遇到以下情況：平時(shí)數(shù)控系統(tǒng)工作正常，但每天總有一兩次數(shù)控系統(tǒng)在工作中突然急停，屏幕顯示報(bào)警為X軸編碼器硬件故障，重新上電后機(jī)床又恢復(fù)正常。因此懷疑是位移編碼器損壞或線路接觸不良，但是檢查了很長(zhǎng)時(shí)間、采取了很多措施都未能消除這一現(xiàn)象。最終的檢查發(fā)現(xiàn)，此現(xiàn)象與車間電壓瞬間波動(dòng)有明顯關(guān)聯(lián)。單獨(dú)安裝了一條質(zhì)量很好的地線，并將電纜槽內(nèi)的動(dòng)力線與控制線按規(guī)范敷設(shè)，最終解決了問題。

例2：四川宏華石油設(shè)備有限公司購(gòu)回的1臺(tái)前蘇聯(lián)產(chǎn)落地鏜床，經(jīng)國(guó)內(nèi)一家電氣公司進(jìn)行改造后于2005年正式投入使用。由于結(jié)構(gòu)局限，該設(shè)備經(jīng)常出現(xiàn)控制線路甚至部分電機(jī)主回路斷線的問題，同時(shí)因?yàn)闆]有完備的數(shù)控系統(tǒng)，給準(zhǔn)確判斷故障帶來一定困難。該鏜床的主軸因過流多次報(bào)警，對(duì)直流調(diào)速器復(fù)位后故障消除，仔細(xì)觀察后發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)速度不正常，與平時(shí)差別較大，特別是在停止過程中慣性太大，所以判斷主軸電機(jī)速度反饋線故障。經(jīng)檢查為反饋線開路，用備用線更換后恢復(fù)正常。

6 結(jié)語

實(shí)際維修過程中，準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)是第一步，診斷數(shù)控機(jī)床的外部故障，過程可能會(huì)比較復(fù)雜，而一旦發(fā)現(xiàn)癥結(jié)所在，所有問題自然迎刃而解。對(duì)外部故障的診斷有2點(diǎn)很重要：一是要熟練掌握機(jī)床的工作原理和動(dòng)作順序；二是會(huì)熟練運(yùn)用機(jī)床廠提供的PLC梯形圖，并根據(jù)NC系統(tǒng)的狀態(tài)顯示功能或聯(lián)機(jī)監(jiān)測(cè)PLC的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)梯形圖的鏈鎖關(guān)系查找故障點(diǎn)。有的機(jī)床廠家在系統(tǒng)內(nèi)置了PLC編程軟件，可直接在線診斷，為維修工作提供了極大便利。