淺析數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)故障診斷與維護(hù)

傅子霞

（長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410217）

數(shù)控機(jī)床一般由數(shù)控系統(tǒng)、包含伺服電動機(jī)和檢測反饋裝置組成的伺服系統(tǒng)、強(qiáng)電控制柜、機(jī)床本體和各種輔助裝置組成。驅(qū)動控制單元及驅(qū)動部件組成了驅(qū)動系統(tǒng)，機(jī)械部件與驅(qū)動部件則構(gòu)成了機(jī)械驅(qū)動系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)是由傳感部件、反饋電路組成。在數(shù)據(jù)時(shí)代背景下，數(shù)控系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，系統(tǒng)的自我診斷能力也較高。比如，就傳輸錯誤與檢測系統(tǒng)錯誤，系統(tǒng)可迅速地自我診斷，及時(shí)報(bào)告故障原因。進(jìn)給系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)誤差主要是由機(jī)械誤差構(gòu)成，由于電氣系統(tǒng)有保護(hù)裝置，不能從外部直接觀察，部分故障不能通過自我診斷來驗(yàn)證。故障的原因非常復(fù)雜，難以確定，維護(hù)難度大、耗時(shí)長，影響生產(chǎn)加工。本文通過分析常見的進(jìn)給系統(tǒng)故障，為故障的快速診斷提供有效參考。同時(shí)，借助相應(yīng)的維修案例，通過引入先進(jìn)的設(shè)備，實(shí)現(xiàn)故障檢測質(zhì)量和故障診斷效率的提升，為進(jìn)一步實(shí)施智能化故障診斷打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1 數(shù)控機(jī)床故障常見診斷方法

數(shù)控機(jī)床(CNC machine tools)是一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工領(lǐng)域內(nèi)，具有精度相對較高、效率高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，數(shù)控機(jī)床是大批量生產(chǎn)的，很多數(shù)控機(jī)床都被引進(jìn)和推廣，這為數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了條件，同時(shí)，也為相應(yīng)的行業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)采用的是伺服控制系統(tǒng)，需要計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持，該系統(tǒng)的操作較為復(fù)雜，在運(yùn)行階段對機(jī)床的精度有較高的要求。操作難度與維護(hù)難度較大，對技術(shù)人員的專業(yè)水平和技術(shù)素質(zhì)要求較高。準(zhǔn)確有效的維護(hù)工作，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床工作效率與工作質(zhì)量的提升，可切實(shí)將數(shù)控機(jī)床的作用發(fā)揮出來。操作人員要掌握數(shù)控機(jī)床的維護(hù)和維修方法，了解其機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣控制原理、操作系統(tǒng)、編程方法等。數(shù)控機(jī)床本身具備較強(qiáng)的先進(jìn)性、智能化，內(nèi)部較復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)一些錯誤或故障，尤其是進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)控機(jī)床就會停止工作，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。因此，及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷和排除數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的故障應(yīng)引起廣泛關(guān)注。

1.1 自診功能法

現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)通常具有自診斷功能。根據(jù)警告信息和LED指示，可以大致確定故障原因。使用自我診斷功能修復(fù)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵是在正常運(yùn)行時(shí)捕獲診斷系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并顯示系統(tǒng)與主機(jī)之間的信號是否正常，以確定是否引起故障。該方法得到了廣泛的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)有效的故障維護(hù)。

1.2 備件替換法

現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)選擇的是模塊化方案，其功能可劃分為不同的模塊，電路集成的規(guī)模較大，使系統(tǒng)技術(shù)也愈發(fā)復(fù)雜。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)很難在小面積內(nèi)發(fā)現(xiàn)缺陷，為實(shí)現(xiàn)停機(jī)時(shí)間的縮短，要結(jié)合故障模塊的功能，或者是結(jié)合真實(shí)的故障現(xiàn)象，提前進(jìn)行故障判斷，查看備件是否更換，從而快速確定故障原因。此方法應(yīng)在電源關(guān)閉時(shí)運(yùn)行，還要確保組件的類型相同。機(jī)床的相關(guān)數(shù)據(jù)和電位器的位置必須標(biāo)注并記錄。

1.3 功能程序測試法

通過編寫數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的功能代碼，比如，圓弧的插補(bǔ)、螺紋的切削、定位、循環(huán)用戶宏等，能夠測試功能程序。通過運(yùn)行“宏”功能，可以執(zhí)行任務(wù)，確保系統(tǒng)操作的可靠性與精準(zhǔn)性，及時(shí)地將錯誤原因確定出來。

1.4 參數(shù)檢查法

通過查看系統(tǒng)參數(shù)，可及時(shí)地判斷系統(tǒng)的情況，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲存其中。當(dāng)電池電量不足或外部干擾時(shí)，各個參數(shù)可能會丟失或更改。此外，由于運(yùn)動中的機(jī)械零件的磨損，電子部件性能的變化和其他原因，相關(guān)參數(shù)將無法適應(yīng)，并且系統(tǒng)將變得混亂或無法正常運(yùn)行。此時(shí)，可以通過檢查和更正參數(shù)來消除故障。尤其是機(jī)器長時(shí)間閑置，系統(tǒng)無故啟動，出現(xiàn)異常故障，并不提示報(bào)警，需結(jié)合參數(shù)，開展檢查，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)開展分析。

1.5 維修信息跟蹤法

數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)本身較復(fù)雜，設(shè)計(jì)缺陷不可避免。也正因如此，需要不斷地進(jìn)行系統(tǒng)修正，定期改進(jìn)系統(tǒng)的軟硬件，定期盤查故障。這些任務(wù)主要由制造商執(zhí)行，并以維護(hù)信息的形式不斷提供給維護(hù)人員，這是故障排除的基本基礎(chǔ)。因此，有必要加強(qiáng)與制造商的聯(lián)系和溝通。

2 進(jìn)給系統(tǒng)可靠性分析與常見故障

根據(jù)近年來對數(shù)控機(jī)床維修的最新統(tǒng)計(jì)，在2250多起維修案例中，有660項(xiàng)與進(jìn)給系統(tǒng)故障密切相關(guān)，其發(fā)生率為29.30%。深入剖析可得知，機(jī)械傳動故障率較低，但是，維修的所需時(shí)間較長，且維修的難度也比較大。

機(jī)械傳動系統(tǒng)常見的故障包括滾珠絲杠噪音、導(dǎo)軌錯誤運(yùn)動等。在實(shí)際維修中，機(jī)械傳動系統(tǒng)存在缺陷，跑道潤滑不當(dāng)，以及跑道過緊，導(dǎo)致跑道爬行。隨著使用時(shí)間的延長，軸承的預(yù)緊力和螺母、螺釘?shù)呐ぞ貢档停瑐鲃渔溨袝霈F(xiàn)一些問題。傳動鏈過長，傳動軸直徑過小，支架和支架座剛度不足，導(dǎo)致加工精度差。發(fā)出的異常噪音可能是由于軸承、絲杠、組件磨損等。在進(jìn)行故障的維修期間，要實(shí)現(xiàn)故障的快速診斷，并及時(shí)地進(jìn)行故障器件更換，及時(shí)更換損壞部件。在進(jìn)行機(jī)械故障的維修期間，要注意觀察，確保故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)恢復(fù)。雖然傳動系統(tǒng)有相對較高的故障率，但這些故障很容易診斷。常見的故障為驅(qū)動故障與電機(jī)故障，一般是系統(tǒng)自我診斷所得。該故障的發(fā)生率較高，大部分故障也比較容易檢測到，因?yàn)檫\(yùn)動監(jiān)測報(bào)警、零故障、光柵尺、編碼器等傳感器元件都會引起振動和系統(tǒng)抖動，這一故障的排除流程也相對簡單。

3 故障實(shí)例分析

3.1 故障情況

三軸立式加工中心，選擇的系統(tǒng)為FANUC0I數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)施的是半閉環(huán)伺服控制方案。操作包括：先銑削一個圓，在機(jī)床象限的X軸方向上有明顯的過切削，加工一遍，導(dǎo)致零件加工質(zhì)量差。紅線則是順時(shí)針旋轉(zhuǎn)所得的路徑，綠線則是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)所得的路徑。主要是因?yàn)樵趚軸上有明顯的反應(yīng)，使用激光干涉儀實(shí)時(shí)檢測x軸，結(jié)果表明，在x軸上有45μm的方向間隙。補(bǔ)償后，激光干涉儀再次檢測到X軸，定位精度為13μm，間隙減小為8μm。但二次使用該儀器設(shè)備時(shí)，機(jī)床的圓度并未顯著提升。機(jī)床的圓度為42.5m，通過分析結(jié)果可知，X軸的間隙較小，但是，其反向偏差逐步增加，在30μm左右，使機(jī)床的圓度控制較差。造成這種錯誤的一個常見原因是驅(qū)動絲杠的間隙，可以通過鎖定后軸承螺母來固定該間隙。

3.2 分析步驟

當(dāng)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障，維修人員要先仔細(xì)認(rèn)真地觀察，結(jié)合實(shí)際的故障情況，開展全面細(xì)致的分析，并確定故障原因，找到故障點(diǎn)，然后有計(jì)劃、有目的地逐步探查。故障診斷流程主要包括：第一，觀察。結(jié)合機(jī)床出現(xiàn)的故障，掌握故障發(fā)生的原因及實(shí)際情況，初步檢查數(shù)控機(jī)床，關(guān)注控制柜面顯示的內(nèi)容，結(jié)合各類提示燈進(jìn)行相應(yīng)的判斷。第二，分析。深入分析故障，根據(jù)故障因素認(rèn)知，分析故障原因，確定故障方位，并制定排除故障的方案。第三，搜索。按照從外到內(nèi)的順序，從容易到困難，即先檢查可以直接訪問或?qū)偛鹜甑牧慵M(jìn)行檢查，再對可以分批拆的零件進(jìn)行檢查，接著進(jìn)行深入檢查。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步與發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也愈發(fā)完善，技術(shù)體系也愈發(fā)成熟，很多先進(jìn)技術(shù)存在，比如，通信診斷技術(shù)、自我修復(fù)技術(shù)等。通過不斷地開發(fā)新技術(shù)，并投入應(yīng)用，能夠?yàn)闄C(jī)床故障診斷提供切實(shí)有效的方法與手段。

3.3 診斷結(jié)果

結(jié)合上述故障情況，按照故障分析步驟實(shí)施診斷。反復(fù)確定精度，X軸的運(yùn)動值與理論值吻合即可。在經(jīng)過2～3個單運(yùn)動后，X軸的運(yùn)動值與理論值開始存在誤差，且隨著時(shí)間的推移，誤差的數(shù)值也開始增加，達(dá)到最大值45μm。在移動7或8個單元后，實(shí)驗(yàn)可以在任何時(shí)間重復(fù)數(shù)次，情況不變。這意味著45μm是運(yùn)動誤差，而不是對x軸運(yùn)動的響應(yīng)。通過綜合分析，可以提前確定缺陷是否由x軸驅(qū)動機(jī)構(gòu)引起，可能是絲杠翹曲或變形引起的，也可能是電纜磨損引起的螺栓變形。因此，在松開后軸承螺母后，會突然運(yùn)動，并推斷螺桿產(chǎn)生了變形。機(jī)床的x軸滾珠絲杠由安裝在兩端的角接觸球軸承與深溝球軸承形成支撐，可增加主軸的傳動剛度，針對主軸的熱變形，表現(xiàn)得極為敏感。軸承磨損、床身變形、螺桿變形等都可能使機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

4 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)故障類型多，涉及機(jī)械、電氣、數(shù)控系統(tǒng)等方面。隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的智能化水平也在不斷提升，因此，對其故障診斷和維護(hù)的技術(shù)水平和要求也越來越高。常規(guī)的故障診斷方法已經(jīng)越來越不能滿足廣大數(shù)控機(jī)床維修人員的實(shí)際需求。對數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的故障診斷與維護(hù)，需要不斷地結(jié)合實(shí)際情況，引入智能化故障診斷技術(shù)，同時(shí)，積累更多的故障診斷經(jīng)驗(yàn)，達(dá)到對故障的快速診斷和維修維護(hù)。