數控機床常見故障及維修處理策略研究

白躍輝

（河南鶴壁職業技術學院，河南 鶴壁 458030）

數控機床是現代企業生產特別是制造行業中的重要設備，但其結構十分復雜，并且具有較高的技術含量，導致在實際生產實踐中時常出現各種故障，而且維修處理的過程也相對比較復雜，進而對生產活動造成不利的影響。此外，數控機床的價格普遍十分高昂，對于絕大多數的企業尤其是中小企業來說，往往難以承受整件頻繁更換的成本，因而更加需要加強對故障的排查和維修處理，并切實做好日常的保養和維護工作。

1 數控機床的常見故障類型及特點分析

1.1 常見故障類型

如圖1 所示，數控機床具有非常復雜的內部結構，包括主機、電氣控制系統和相關的零部件，根據故障發生的部位進行分類，有助于更加精準地進行重點監測和日常保養，以最小的成本獲得最大的收益。常見故障類型有：①主機故障。主要涉及機械裝置、潤滑裝置、冷卻裝置、排屑裝置、液壓裝置以及啟動、防護裝置等。②電氣控制系統故障。這類故障類型較多，可以進一步細化為弱電故障、強電故障2 種類型。需要說明的是，強電故障涉及的范圍比弱電故障更加廣泛，包括了控制系統中的控制電路、電源、回路以及各類元件等，極其容易受到不穩定電壓或者外部環境的影響而發生故障，因而故障率要遠高于弱電故障。

圖1 數控機床的基本結構和組成部分

1.2 常見故障的原因和特點

1.2.1 人為操作造成的故障

在數控機床運行過程中，發生故障最主要的原因是人為操作的失誤，進而對數控機床造成直接的故障或者間接的風險。通常情況下，全新的數控機床經過一段時間的運行，各個設備、節點、零部件之間通過反復的磨合，逐漸形成一套相對穩定的運行模式和規律，故障發生的概率一般不大。然而，數控機床操作會受到操作人員工作能力、規范理念、安全意識等的影響，同時還可能受到工作過程中的情緒、狀態、周邊環境等影響，可能會在進行電腦操作時出現失誤或者偏差，進而造成數控機床的程序異常或者運行異常。

1.2.2 機床質量造成的故障

在中國，數控機床雖然有著明確的制造標準，但在行業當中仍然存在著魚龍混雜的情況，不同機床生產商的工藝、標準、水平各不一樣。如果企業購買的數控機床質量較差，相關參數僅僅達到官方明確的標準底線，那么設備的粗糙度就可能會比較高，在運行使用過程中會產生較大的摩擦力，進而出現變形、磨損或者負荷沖擊等問題，對數控機床的元器件質量與使用壽命造成負面影響，從而引發出一系列的故障問題[1]。此外，企業購置的數控機床可能存在批次不同、生產商不同的情況，即使是同一類型的數控機床，也有可能因為參數上的微小偏差導致運行過程中的不一致，因而在長時間的同步運轉過程中可能會相互影響而放大誤差，導致故障頻發。

1.2.3 部件質量造成的故障

除了整體質量問題外，由于數控機床的結構十分復雜，擁有大量的零部件，而這些零部件隨著時間的推移和高負荷的運行，不可避免地會出現老化、破損等問題，導致零部件的使用性能逐漸下降，故障發生的概率和風險日益上升。特別是位于關鍵環節或者發揮樞紐作用的零部件，一旦發生故障就會直接影響到數控機床的正常運行，迫使企業不得不暫停運轉以進行維修或者更換[2]。此外，當數控機床運行使用一段時間后，或多或少會需要進行一些零部件的更換，而更換后的零部件與原件的匹配度可能略有偏差，在實際使用過程中不僅會影響到機床的運行效果，還可能會對機床的其他零部件的使用效能和使用壽命造成影響。數控機床的機械組成部分如圖2 所示。

圖2 數控機床的機械組成部分

2 數控機床的故障檢測策略

2.1 人工觀察法

人工觀察法是數控機床故障檢測的常見方法，主要依賴于機床的操作人員和檢修人員的業務能力和工作經驗，通過對數控機床運行的狀態特別是異常光、聲、味等情況進行觀察，從而發現和初步判斷故障的位置、類型和嚴重程度。人工觀察法除了在發生故障時可以進行初步問題排查和判斷外，也可以在數控機床正常運行時輔助預警，從而提前發現潛在的故障風險，將問題扼殺在萌芽階段。人工觀察法主要有3 項要訣：①看，即操作人員或檢修人員通過自己的目測，觀察數控機床在使用過程中的狀態，尤其是對報警信息以及主要元件是否存在異常表現進行檢查，發現可能存在的變形、開裂、火花等問題；②聽，即操作人員根據數控機床運行時發出的聲響，判斷其中是否存在不同尋常的異響，結合可能出現的焦、糊等異味，檢查有無存在線路異常、異常振動或者發熱等問題[3]；③問，即檢修人員向操作人員了解數控機床的運行情況，特別是日常操作中是否存在異動、異響、異味，以及其他與正常情況不太一致的情況，從而了解設備可能存在的故障問題。

2.2 PLC 控制技術診斷法

PLC 數控裝置是數控機床的重要組成部分，也是現代數據信息和遠程控制技術在制造領域的重要體現。借助PLC 自動化監控的方式，技術人員包括操作人員和維修人員，可以全面、實時地對數控機床的運行狀態進行數據監測和診斷預警，并通過數控裝置面板向技術人員及時發出故障產生或者預警提示，使操作人員及時發現問題并作出應急性處置，同時也便于維修人員第一時間掌握故障的環節和主要問題。數控機床PLC 數控裝置面板如圖3 所示。

圖3 數控機床PLC 數控裝置面板

從具體實踐情況看，PLC 控制技術對數控機床故障的診斷主要有數據診斷和動作診斷2 種方式。數據診斷是日常監測的重要手段，PLC 數控裝置在生產階段或者投入使用前，預先進行程序和系統編制，設定好相應的監測節點和參數，并與數控機床的內部工作系統進行連接，實現數據和信息的實時傳導。動作診斷是指技術人員主要是維修人員根據數控機床在運行過程中所產生的參數以及其他相關情況，尤其是可能存在故障風險點的異常表現情況，進行詳細的記錄和分析，再與標準的運行參數狀態進行逐項比對，從而更加精準地發現故障問題的具體情況。通常情況下，PLC 控制技術都是數據診斷與動作診斷的結合運用，前者負責對數控機床進行日常監測和常態管理，而后者則是根據前者發現的異常現象進行重點檢測和精準判斷，從而有效提高數控機床故障檢測和維修的效率和質量。

2.3 初始復位法

從嚴格意義上來說，初始復位法既是一種故障檢測方法，同時也是基本的故障處理策略。在數控機床運行過程中，有時可能會因為軟件或者硬件的問題出現瞬時故障，此時系統往往會通過警示燈、警報聲等方面予以警示。此時，操作人員可以先通過關閉系統電源或者對相關硬件進行恢復原位等操作，從而有效地系統化消除故障。例如，當系統電池壓力不足時，會導致部分操作無法正常進行，當操作人員強行操作時系統會進行報警，而PLC 數控面板以及其他程序均顯示程序、參數正常。關掉電源后警報立即解除，通過初始復位的方法對系統進行數據和功能重置，電壓不足的問題可能會在重新啟動時自行解決。當然，初始復位法主要適用于系統的臨時故障或者瑕疵問題，并不能解決因零部件質量、操作失誤等產生的重大故障，并且在關閉電源和系統清理前還要提前拷貝好重要的數據，避免數據資料丟失。

2.4 換件診斷法

隨著現代制造技術的不斷更新升級，數控機床通常都采用模塊設計的方式，按照不同的功能和區域劃分成為若干個模塊，各個模塊之間既相互聯系，但在硬件層面又獨立存在。因此，在故障檢測和診斷過程中，必須要由大及小、由表及里，逐漸將故障點從數控機床的整體定位到相對精確的模塊甚至電路板塊，從而為后續的維修工作提供指導[4]。然而，由于數控機床的零部件非常多，電路的復雜性也非常強，導致直接進行故障定位存在較大的難度。此時，檢測人員可以通過對故障所在區域的零部件進行逐件更換的方式，或者對同一型號的相同零部件進行相互交換的方式，更加準確地定位到具體的電路板或者其他零部件。例如，當數控機床的某一個軸承不能正常運行時，操作人員可以對其周邊的零部件進行逐個替換，當某個元件被替換后故障立即消除時，就可以確定其為故障的點位，進而進行相應的維修或者換件。

3 數控機床的主要維修處理策略

3.1 運用PLC 控制技術，實現對數控機床維修處理的統籌把控

PLC 控制技術，是基于現代計算機和通信網絡技術，依托專業的數控機床管理軟件，按照既定的管理流程和操作程序，運用循環掃描技術實施各種操作行為，從而更加規范且精準地對數控機床進行管理和控制。PLC 控制技術的有效應用，可以切實解決人工檢測和維修的難點，實現全方位、不限時、自動化的控制和管理，增強對潛在故障檢測的精準性和及時性。在對數控機床進行維修前，維修人員可以根據以往數控機床使用和維修的經驗，提前對容易出現故障的部位設置相應的監測點和預警值，當PLC 數控裝置通過相關部位監測點傳輸回的數據和信號，發現某項參數超出預警值時，就觸發故障報警裝置，從而引導維修人員及時、準確地進行維修。在維修過程中，PLC 控制技術通過程序的執行，可以為維修人員提供數控機床運行的各類參數尤其是故障點位的參數，使維修人員在接觸機器設備之前就能夠對設備狀態和故障問題進行初步的檢測和判斷，從而為后續的精準檢測和維修夯實基礎。維修人員可以結合程序反饋的相關信息，提前制定設備維修的方案以及應急處理方案，從而有效提高機床維修的效率，還可以防范在維修中對非必要設備的影響。數控機床PLC 執行程序過程如圖4 所示。

圖4 數控機床PLC 執行程序過程示意圖

3.2 加強重點檢查和處置，切實解決數控機床的刀架故障維修處理

在數控機床的常見故障中，刀架故障特別是電動刀架無法正常停止轉動時，會導致操作人員不能對刀架進行更換，進而影響了生產制造活動。對此，維修人員應當結合數控機床上的報警裝置以及操作人員的情況說明，重點對系統的串行通信端口進行電壓檢測，從而發現是否存在硬件方面的電路問題。如果檢測發現存在輸出電壓，那么就需要對電壓故障進行排除；如果沒有檢測到輸出電壓，那么就可以推斷為主板的系統故障，需要對主板進行維修甚至更換。在運動故障中，由于數控機床的質量往往要高于參數設定，因而在使用和維修過程中很有可能會脫離機械手的控制，進而造成維修時的安全問題。對此，必須要嚴格限定維修工具的標準，并且在維修操作過程中盡量擰緊工具，并保證彈簧的有效釋放，從而提高維修的質量和安全性。當然，刀架的連接問題也可能會引發故障，此時就必須要對原連接處進行焊接修復或者進行其他處理。以刀架為代表的運動故障，是數控機床常見故障中發生最頻繁、影響最明顯的故障，通常情況下維修處理策略是進行故障部件的更換。需要注意的是，更換部件必須要審核新部件的型號、參數等與原件是否一致，最好選用原部件同一品牌、同一廠家乃至同一批次的零部件，以避免部件之間磨合不暢影響數控機床的使用質效和使用壽命。

3.3 做好日常維護和保養，盡量降低數控機床的故障發生率

由于數控機床的結構十分復雜、成本十分高昂，因此對于企業來說應當堅持“預防為主、防修結合”的方針，做好對數控機床的日常維護，定期進行必要的保養，并適時進行整體檢測和重點監控，從而減少數控機床發生故障的可能性，使企業的生產效能實現最大化。基于此，要做到以下幾點：①定期對主機、主軸等重要部位、節點進行檢查。結合PLC 數控裝置進行實時監測，確保各個部件都處于良好運行的狀態。②適時進行相關部件特別是連接部位的潤滑。對數控機床的進油管、自動泵、油分離器等設備進行定期檢查和清理，發現異常情況立即進行潤滑處理，從而保證設備正常運行。③及時檢查報警裝置。對于報警異常的情況要分析機床運行中的參數變化和信號原因，必要時可以結合初始復位法觀察開啟和關閉狀態下的設備情況，從而更加及時、精準地進行問題排查和故障維修。

4 結束語

數控機床的常見故障雖然有著不同的成因和表現，但其對數控機床的設備管理與運行使用或多或少有著直接或間接的影響，甚至可能造成經濟損失、人員傷亡的重要后果。因此，必須要嚴格按照數控機床的操作規范進行日常生產，加強日常的故障風險點監測、預警和保養，一旦發生故障，立即進行排除和維修，從而減少對設備使用壽命和生產活動的負面影響，為企業的良性發展奠定堅實的基礎。