主要針對大型數(shù)控機床在生產(chǎn)使用過程中，容易出現(xiàn)的故障，分析如何快速進行診斷和排除。通過典型實例闡述了怎樣利用專業(yè)技術(shù)理論，快速準確地找到不同類型故障點的方法，針對各種情況制訂出不同的解決方案，可以在實際的維修過程中起到事半功倍的作用，以提高大型數(shù)控機床維修工作中故障的診斷、排除速度和質(zhì)量，有效提高生產(chǎn)效率，充分滿足生產(chǎn)的需求。
有關數(shù)控機床維修的文章在雜志或網(wǎng)絡有很多，但大多是一些小型機床通用性的故障檢修方法。大型的數(shù)控機床由于機床軸數(shù)和檢測點位多，并具有完善的保護系統(tǒng)，而控制系統(tǒng)復雜，各部分功能相互關聯(lián)性強，因此在出現(xiàn)故障時，維修人員往往感到束手無策而無從下手。本文主要針對一些系統(tǒng)龐大、控制復雜的大型數(shù)控機床的故障進行綜合性的探究。
隨著數(shù)控機床的普及， 特別是一些大型的數(shù)控機床，在企業(yè)生產(chǎn)中起著關鍵性的作用，同時對機床維修人員的要求越來越高，不但要具備較高的數(shù)控專業(yè)知識，而且還要具有一定的機械和液壓的理論基礎，熟知機床的結(jié)構(gòu)特點。在實際維修過程中就可以起到事半功倍的效果。由于我公司的大型數(shù)控機床較多，在日常維修和保養(yǎng)中積累了一定的維修方法，在此分享出來，可以提高維修工作中故障的診斷、排除的速度和質(zhì)量。
1. 數(shù)控系統(tǒng)基本故障的分析診斷
（1）基礎故障的分析。當數(shù)控機床出現(xiàn)故障時，首先要求操作工不要對機床進行任何操作，保持原有的故障狀態(tài)。同時要詢問產(chǎn)生故障的背景、故障現(xiàn)象以及故障的指示等情況。然后通過仔細地觀察，聽、摸、聞、看等檢查是否能夠發(fā)現(xiàn)一些表面異常情況，包括各坐標軸位置、主軸狀態(tài)、刀庫以及機械手柄位置等是否處于正常狀態(tài)；根據(jù)故障情況對照機床的圖樣、資料，判斷故障原因或根據(jù)經(jīng)驗查找出現(xiàn)故障幾率較高的部位；再就是一些特殊故障，可以直接檢查所懷疑的故障點。此方法需要平時記錄修理過程，遇到一些常規(guī)的類似故障現(xiàn)象，查閱修理記錄解決。
也可以應用常規(guī)的電阻法、電壓法、替換法和短接法（用于低電壓、小電流回路中）進行診斷。
必要時借助專業(yè)的儀器儀表幫助分析。故障解決的快慢主要取決于對機床的結(jié)構(gòu)以及對控制系統(tǒng)理解的層次。
（2）出現(xiàn)報警的分析。①系統(tǒng)故障報警通常出現(xiàn)在數(shù)字驅(qū)動、數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，系統(tǒng)內(nèi)部的自診斷程序會對系統(tǒng)內(nèi)部的關鍵硬件以及系統(tǒng)的控制軟件進行自我診斷，有問題時發(fā)出報警，一般會在顯示屏或操作面板上顯示，能夠顯示故障代碼，還有具體的英文或中文信息提示。
一般比較直觀，查找相關手冊中對具體的報警代碼的詳細解釋，具體問題進行具體的處理。②機床生產(chǎn)廠家根據(jù)自己機床的結(jié)構(gòu)特點，往往會對機床的液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)及潤滑系統(tǒng)等的一些壓力、液位和流量，機械系統(tǒng)的床身、立柱、工作臺及刀架等接近或處在極限限位、放松夾緊等狀態(tài)進行檢測其工作狀態(tài)；還有一些電磁閥、離合器等進行了位置檢測，通過系統(tǒng)控制的PLC邏輯程序，可以在顯示器比較直觀地顯示出機床外部接口的報警信息。一旦這部分出現(xiàn)故障而引起報警時，可對照機床生產(chǎn)廠家提供的手冊，也可根據(jù)PLC邏輯程序追蹤檢測，很快就能夠定位故障點。
（3）偶發(fā)性停機或無報警的分析。機床有時候會出現(xiàn)偶發(fā)性停機，但無報警。此種情況可能是由于機床的軟件設計存在某種bug，常常出現(xiàn)于某種功能在個別操作的組合時產(chǎn)生，一般情況下斷電再上電就會消除故障；還有一種情況是受到外界因素（電網(wǎng)質(zhì)量、強電磁場、粉塵、溫度及濕度等）的影響，而且還會引起NC、PLC通信中斷造成PLC停機，操作面板所有指示燈不停的閃爍。這種情況不但會造成系統(tǒng)停機，而且還有可能損壞系統(tǒng)，需要引起注意。
2. 常見故障的快速診斷和維修方法
（1）系統(tǒng)供電電源。系統(tǒng)供電包含控制系統(tǒng)供電和伺服驅(qū)動供電，它是整個控制系統(tǒng)的能量之源，一旦發(fā)生故障，不但會造成系統(tǒng)停機， 而且可能會引起數(shù)據(jù)丟失， 嚴重時還會損壞系統(tǒng)的局部甚至全部。大型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)通常采用的是WINDOWS操作平臺，突然斷電還會引起系統(tǒng)數(shù)據(jù)丟失、加工數(shù)據(jù)丟失等問題。因此在供電電源出現(xiàn)故障時，需要系統(tǒng)保護性停機，同時給予故障報警，這在數(shù)控系統(tǒng)設計時一般都有。一般老企業(yè)的供電電網(wǎng)的電源質(zhì)量普遍較差， 可能大量使用變頻、伺服、可控硅、高感抗電動機及電焊機等，又未采取濾波吸收等措施，因此電網(wǎng)存在高次諧波、多次諧波以及電壓波動較大等情況， 對系統(tǒng)的電源部分影響較大，如果處理不好極易引發(fā)電源故障。
例如，北京第一機床廠生產(chǎn)的XKA2125數(shù)控龍門鏜銑床，有一段時期經(jīng)常出現(xiàn)急停故障，停機后片刻就會自動恢復，而且連續(xù)出現(xiàn)同樣現(xiàn)象。分析電氣原理圖并對照PLC程序，檢查急停鏈控制電路未發(fā)現(xiàn)異常，在觀察機床工作狀態(tài)時，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)故障時繼電器KA905未吸合，而KA905是監(jiān)控24V4電源的（見圖1），正常情況下應該是吸合狀態(tài)，其常開觸點為PLC輸入I32.0，PLC程序未檢測到其輸入信號而觸發(fā)系統(tǒng)報警。然而過幾分鐘后KA905又自動吸合，報警消失。此現(xiàn)象反復出現(xiàn)，繼而連續(xù)測量24V4電源輸出電壓，發(fā)現(xiàn)電源正常工作一段時間后就無輸出電壓了。進一步檢查供電電源，發(fā)現(xiàn)其表面溫度很高，判斷有可能當溫升到一定程度其電源內(nèi)部自身的保護電路動作，關斷輸出電壓，避免因溫度過高而燒毀電源。故將電源拆下打開檢查，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部散熱風扇損壞，終于發(fā)現(xiàn)問題所在，更換風扇后故障排除。
圖1 控制電源監(jiān)測
此類故障時，由于24V電源過熱保護而引起的系統(tǒng)停機，故障頻繁出現(xiàn)，系統(tǒng)時好時壞，為了判斷出電源是否工作可靠，就要對電源進行長時間監(jiān)控，才能發(fā)現(xiàn)問題的所在。
（2）坐標軸的伺服驅(qū)動。伺服驅(qū)動系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動器和伺服電動機，是數(shù)控機床的執(zhí)行動作部分，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令軌跡，把有效的電能轉(zhuǎn)換為機械動能來完成工件加工，不但工作于大電流狀態(tài)，而且具有頻繁變速和啟停的特性，因此也是容易產(chǎn)生故障的。
青海機床廠生產(chǎn)的CK61250重型數(shù)控臥車會在開機啟動后，剛加載使能后就出現(xiàn)報警“X軸變頻器出錯” ， 復位后顯示報警“X軸伺服故障”，且無法復位。檢查發(fā)現(xiàn)報警時X 軸驅(qū)動器故障燈亮， 逐一檢查光柵尺和讀數(shù)頭未發(fā)現(xiàn)問題， 排除位置測量系統(tǒng)故障， 把問題轉(zhuǎn)向SIMODRIVE611D驅(qū)動器，仔細觀察發(fā)現(xiàn)驅(qū)動器電源模塊直流母線附件的外殼有輕微發(fā)黑跡象，打開直流母線蓋板發(fā)現(xiàn)聯(lián)接母線的螺釘松動造成接觸不良，并有燒黑跡象， 處理母線重新聯(lián)接好，開機試車一切正常，未再出現(xiàn)上述報警。
總結(jié)維修經(jīng)過，分析此故障引起的原因為驅(qū)動器直流電源因接觸不良引起驅(qū)動器供電異常，但此現(xiàn)象隱蔽性比較強，不易被發(fā)現(xiàn)， 經(jīng)過認真分析和仔細觀察，才能發(fā)現(xiàn)問題所在，不但可以為今后的工作中處理類似問題提供了一定的思路，而且能夠增加自身的維修經(jīng)驗。
（3）坐標軸的測量反饋。大型數(shù)控機床大多采用SIEMENSE840D數(shù)控系統(tǒng)，各坐標軸基本上都是全閉環(huán)結(jié)構(gòu)，用光柵編碼器進行角度測量，長度光柵尺進行直線測量，共同完成速度和位置的控制， 這也是數(shù)控機床進行加工精度和定位精度的重要保障。而這些元件的安裝位置，又很容易受到外界環(huán)境的干擾、玷污等，往往會造成信號出錯或丟失，嚴重時可能損壞，進而引發(fā)停機等故障。測量反饋系統(tǒng)的故障在實際中也是經(jīng)常出現(xiàn)的，以下通過實例進行說明快速查找和處理的方法。
北京第一機床廠生產(chǎn)的XKAU2765雙定梁數(shù)控龍門鏜銑床， 在工作中出現(xiàn)報警“X1軸主動編碼器出錯” 。為了區(qū)分故障部位， 首先將X1軸更改為半閉環(huán)方式運行， 具體操作方法是： 在主菜單中選擇“ 診斷”→“PLC”，打開PLC狀態(tài)列表， 在列表中輸入DB99.DBX1.1和DB99.DBX1.2，分別將其值改為“1”和“0”，并按“接受”鍵，此時X1軸已被改為半閉環(huán)工作狀態(tài)，主動編碼器已無效，這時出現(xiàn)報警提示“X1軸從動編碼器出錯”，但X1軸已能開動。說明故障原因出在第二測量系統(tǒng)上，也就是光柵尺位置測量系統(tǒng)，該機床使用了海德漢LB382C直線光柵尺，檢查光柵尺讀數(shù)頭連接電纜未發(fā)現(xiàn)問題，最后拆下讀數(shù)頭發(fā)現(xiàn)其光學系統(tǒng)有油污， 清理干凈后裝上， 并將X1軸改回為全閉環(huán)方式，即在PLC狀態(tài)列表中將DB99.DBX1.1和DB99.DBX1.2分別置“0”和“1”，試車后一切正常未再出現(xiàn)報警。
此類因測量系統(tǒng)引起的報警大多發(fā)生在光柵尺讀數(shù)頭被油污和其他雜質(zhì)污染所致，還有一部分是來自其連接電纜出現(xiàn)斷線或接觸不良引起的。針對具體情況可以用排除法或替換法來進行診斷和處理。
（4）PLC的I/O連接。大型數(shù)控機床的PLC邏輯控制均集成于數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部，通過MPI總線與外部I/O模塊、特殊模塊等進行通信鏈接，這些模塊通過采集來自機床外部的壓力、流量、編碼、位置等各類狀態(tài)的實時信息，以及連接控制部分的各類繼電器、電磁閥和離合器等執(zhí)行元件。它是數(shù)控系統(tǒng)與機床床身的紐帶和橋梁。實現(xiàn)信息的雙向傳輸，幾乎連接所有的控制元件，由于種類以及功能性較多，數(shù)量龐大，分布于床身的各個部位，所以相對出現(xiàn)的故障率較高，而且有著千差萬別的故障種類。針對此類故障可以通過“ 診斷” 區(qū)中的“PLC”列表狀態(tài)結(jié)合電氣原理圖來診斷，必要時則需要用電腦與系統(tǒng)聯(lián)機，利用STEP7軟件對PLC程序?qū)崟r監(jiān)控來進行診斷。
以下通過檢修實例進行說明：
北京第一機床廠生產(chǎn)的XKAU2890雙動梁數(shù)控龍門鏜銑床， 在開機時面板所有指示燈閃爍不停，HMI啟動后出現(xiàn)一系列報警：3000（急停）\2000（PLC運行信息監(jiān)控）和810004（ 停止/ 中斷事件， 必須通過STEP7進行故障分析）。PLC出現(xiàn)錯誤報警，MMC與PLC通信中斷。
根據(jù)故障現(xiàn)象首先檢查了PCU上的MPI總線插頭，未發(fā)現(xiàn)問題。因為出現(xiàn)了PLC運行監(jiān)控報警，用電腦聯(lián)機STEP7軟件上傳程序進行在線診斷，發(fā)現(xiàn)PLC報錯，進入PLC硬件診斷緩沖區(qū)，根據(jù)信息提示發(fā)現(xiàn)FC69功能塊出現(xiàn)錯誤（見圖2）。
圖2 STEP7硬件診斷緩沖區(qū)
通過查詢資料得知此功能塊為附件頭識碼開關檢測，因為在該機床上安裝有識碼開關讀碼器，用以識別不同的附件頭，經(jīng)總線與NCK的X102連接。檢查讀碼器時發(fā)現(xiàn)指示燈狀態(tài)不對，24V電源正常，PROFIBUS線正常。左側(cè)指示燈狀態(tài)：PWR、ERR、S TA、RDY、RUN和INPUT均不亮，右側(cè)HEAD1～4全亮（見圖3）。
圖3 讀碼器顯示異常
指示燈顯示讀碼器工作異常，由于此讀碼器與NCK經(jīng)總線連接，且工作異常，造成PLC程序在調(diào)用FC69時出錯，因此PLC運行監(jiān)控、機床出現(xiàn)急停報警的故障。在OB1里將FC69功能塊取消調(diào)用后機床重啟，未再出現(xiàn)上述報警，系統(tǒng)暫時恢復正常；最后更換讀碼器后，故障徹底解除。
此類PLC接口部分引起的報警，大多是由于安裝在床身的元件出現(xiàn)問題所致，本例中的故障比較特殊，引發(fā)一系列的報警，讓人感到無從下手。其實只要從關鍵點入手， 問題就能迎刃而解。大多數(shù)的PLC接口故障報警比較直觀，如壓力、流量及限位等，如果機床廠家有完整的報警信息，可以直接切入重點問題，并快速解決；如果機床廠家報警信息不夠完善，就要根據(jù)PLC程序進行具體問題具體分析，可以用替換法來進行診斷和處理，也能快速找到故障點。
3. 結(jié)語
對于維修大型的數(shù)控機床，一方面要具有自動控制系統(tǒng)的理論基礎，還要全面地理解NC、PLC、數(shù)字驅(qū)動、編程及總線等數(shù)控專業(yè)知識，這就需要不斷地學習相關的基礎理論。由于相關資料多數(shù)都是英文資料，所以提高自己的英語水平也是至關重要的；另一方面要多參與各種設備維修，不斷積累和豐富實際工作經(jīng)驗和邏輯推斷能力； 深入了解對機床的結(jié)構(gòu)、性能以及加工工藝特點，這樣在實際維修過程中，多數(shù)的故障根源就會快速找到，并迎刃而解。
-End-
?本文發(fā)表于《金屬加工（冷加工）》2023年16期60-62頁，作者：中信重型機械公司設備工具研究所 楊少卿。
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