大型數控鏜銑床疑難故障診斷方法研究及應用

關進良，姜 濤，趙洪杰，張 澤，黃 成

（首都航天機械有限公司，北京 100076）

0 引言

制造業正處于由“大”變“強”的關鍵轉型階段，這對制造業的母機數控機床提出了更高的要求，如：制造精度高、加工范圍廣、工作效率高。大型數控鏜銑床基本符合以上要求，已廣泛應用于航空航天、車輛船舶、電力和冶金等領域。在大量實踐經驗的基礎上，總結出解決典型疑難故障的有效方案，基本達到了降低設備停機時間，提高故障診斷效率的目的。

1 大型數控鏜銑床的特點

大型數控鏜銑床有著較強的“加工柔性”，兼具“鏜”和“銑”的功能，尤其是在安裝上直角銑頭后，大大拓展了設備使用功能，能夠對大中型殼段類、艙體類等多種類型的產品進行鏜孔、鉆孔、攻螺紋、銑外型、銑內型（包括異形曲面）等工序的加工，是企業制造工藝中的關鍵重大設備。

大型數控鏜銑床有X、Y、Z、W、B、C（或A）共6 個伺服軸，加工殼段類產品時，可將C 軸豎直放置裝夾于B 軸水平回轉工作臺上，再配合中心架和工裝的方式進行操作。依據機床聯動軸數，分為6 軸4 聯動和6 軸5 聯動，或依據機床結構形式，分為臥式（如刨臺式臥式鏜銑床）（圖1）和立式（如數控龍門鏜銑床）兩種。

圖1 數控刨臺式臥式鏜銑床結構

2 典型疑難故障診斷方法及應用

2.1 某進口大型臥式鏜銑床主接觸器MCC 故障

故障現象：該設備采用FANUC Series 18i-MB 數控系統，待機時出現報警5136：FSSB：NUMBER OF AMPS IS SMALL和750：SPINDLE SERIAL LINK ERROR。同時機床液壓使能丟失，打開電氣柜發現標號空開CP1 跳閘，當重新開啟使能時，空開CP1 再次跳閘。

故障診斷分析及解決方案：該故障如果直接從報警內容入手，故障原因涉及面較廣（包括伺服模塊、主軸模塊、電源模塊以及相關電纜連接均有故障可能）。可從“空開CP1 跳閘”尋找突破口，該空開下端接有AC 200 V 的兩根電纜（線號分別為R200 與T200），從機床電氣原理（圖2）可知，T200 接入電源模塊POWER SUPPLY MODULE（PSM）的CX3 接口，再從該接口出來后接入主接觸器MCC 線圈的一端，線圈的另一端接的是R200，因此CP1 跳閘原因可能是空開下端存在短路等異常情況。根據以上的分析，使用多用表檢測出MCC 線圈的電阻接近0 Ω，其他方面未發現異常，更換該接觸器后故障排除，機床恢復正常運行。

圖2 機床電氣原理

當機床上電后，電源模塊自檢通過后，CX3 內部繼電器的“常開觸點”閉合，主接觸器MCC 線圈得電，因其短路致使CP1 跳閘，同時主軸模塊和各伺服模塊無法正常上電啟動，引起了5136#和750#兩個報警。可見，理解數控系統上電時序（圖3）對解決該故障有很大的幫助，即：當控制電源單相200 V 接入，急停信號釋放時，如果沒有MCC 斷開信號MCOFF，主接觸器MCC 吸合，三相200 V 動力電源接入，電源模塊就緒信號*CRDY 發出（* 表示低電平有效），如果伺服放大器已準備好，發出*DRDY 信號，伺服就緒SA 信號發出，完成一個完整的上電周期。

圖3 上電時序

2.2 某大型數控鏜銑床主軸故障

故障現象：某大型數控鏜銑床采用華中數控HNC-848i 系統，在執行加工程序過程中出現報警：主軸伺服電機電流超過驅動設置的最大值。關機重啟后報警消失，試運行一段時間后，報警復現，同時觀察到主軸空載時的負載不穩定，有突變現象，且主軸電機有異響。

故障診斷分析及解決方案：根據故障現象，首先檢查主軸電機、編碼器以及相關電纜，經檢查、測量后電機及電纜未發現異常，拆下編碼器發現內部進油污染。更換新的編碼器后，機床試運行約2 h，故障復現，再次檢查編碼器，沒有被油污染，可見還存在其他故障點。

通過華中數控的專業軟件對主軸負載、主軸速度等重要指標進行監控（圖4a）），發現主軸旋轉時空載電流值波動較大，正常時應在縱坐標軸0 附近，且機床出現報警的同時，發現主軸負載電流出現非常大的波動（圖4b）），導致報警停機。為進一步確定故障點，使用“機電分離法”，即把主軸電機和機械部分脫開，軟件監控情況與“機電分離”之前一致，基本排除了機械傳動部分的故障。故障點很可能在伺服驅動模塊上，更換該模塊后故障徹底排除，機床恢復正常運行。

圖4 主軸運行狀態監控

主軸伺服的報警原因比較復雜，可通過專業軟件檢測法、機床在線診斷法以及機電分離法等手段，對涉及的故障點逐個排除，并盡可能降低返修率。

2.3 某6 軸4 聯動數控鏜銑床B 軸故障

故障現象：某6 軸4 聯動數控鏜銑床采用FANUC 數控系統，B 軸（機床工作臺）在0°～360°旋轉時位置精度合格，但超過這個范圍運行時，位置精度超過允差值，不能正常使用，沒有任何報警提示。

故障分析及解決方案：此類故障沒有報警提示，首先檢查機械方面，校準B 軸機械零點和檢查反向間隙（在半閉環狀態下），以及液壓、潤滑等方面均正常。在電氣方面，可能與硬件、機床參數等有關，使用專業儀器檢測B 軸編碼器和回零開關及其相關電纜，無異常。

利用激光干涉儀檢測位置精度，設置每30°讀取一次數據（30°一打，一圈12 個點），由圖5a）可看出，在B 軸旋轉0°～1800°之間，0°～360°和360°～1800°定位精度誤差的規律差異較大。為便于對比觀察，在清空螺距補償數據后，再次檢測位置精度（圖5b）），發現其規律基本一致。經過對比發現，B 軸螺距補償數據只是在0°～360°之間生效，其他范圍內無效（誤差過大），由此聯想到檢查參數1006，該參數主要作用是設定伺服軸類別（直線軸或旋轉軸）以及各類坐標值的舍入方式，發現1006#0（ROTx）和1006#1（ROSx）均為0，查閱參數說明書可知，該參數設定B 軸“存儲型螺距誤差補償為直線軸類型”，于是將1006#0 由0 改為1，即設定B 軸“存儲型螺距誤差補償為旋轉軸類型”，再次使用激光干涉儀在0°～1800°之間檢測位置精度，誤差均在正常范圍內，故障徹底排除。

圖5 B 軸激光檢測

故障原因是參數設置錯誤，需要多次使用激光干涉儀檢測和數據分析，并要求對機床參數的功能及其設定方法有一定的了解，這也是排除此故障的關鍵所在。

3 結束語

大型數控鏜銑床因機械結構和電氣控制系統都比較復雜，技術人員需要對機床比較熟悉，并在日常工作中及時做好故障記錄和總結，排除故障一般步驟是：①結合故障現象或報警內容，認真詢問機床操作人員故障出現時的設備狀態，充分了解故障發生過程中的關鍵細節，為后續解決故障提供思路；②根據具體故障現象，在理解報警原理的前提下，靈活運用故障診斷方法，并充分利用機床資料進行研究分析，把故障原因逐步縮小，直至具體故障點；③根據故障點及時排除故障，可設計并實施故障預防措施，避免類似故障再次發生，發揮出數控鏜銑床的最大價值。