數控機床故障診斷與排除研究

摘要：集多種技術于一體的機械加工機電設備數控機床，是集技術密集和知識密集的自動化設備，運行過程難避會發生故障，嚴重影響數控機床開動率，造成設備閑置和資源浪費，因此要加強對其故障原因的分析，加強對故障的診斷。文章重點介紹了數控機床故障的常見類型，分析了其故障診斷的主要方法及基本思路，并例舉案例對數控機床的維護進行了有意義的研究。

關鍵詞：數控機床；故障診斷；故障排除

中圖分類號：TG519 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2012） 14-0206-02

數控機床技術起源于美國的機電一體化設備，它集計算機、精密測量、自動控制、數據通信和現代機械制造等技術于一體，最初是用于解決航空航天復雜零件的制造問題，運作高效，能按程序自動加工零件，而無需使用復雜和特殊的工裝夾具，質量穩定，生產效率高，可以以一個更好的方式來自動化批量加工品種多樣的復雜的零件，保持加工零件的一致性，便于產品的升級換代，同時具有機動靈活、精度高、速度快的特點，必須有強大的可靠性和可用性。然而隨著數控機床因而在機械制造業中的比例越來越大，數控機床在使用過程中發生故障的可能性大大增強，診斷故障并維修排除才能保障數控機床長期可靠運行。

一、常見的數控機床故障分類

數控機床發生故障的原因比較多且復雜，涉及的知識面廣，技術難度大，診斷與排除故障往往存在很大的困難，根據數控機床的故障性質、起因、有無診斷顯示、裝備情況和是否具有破壞性及部件故障等分為以下幾種分類：

（一）電源故障。電源發生故障，既無法啟動，對于其維修，需對照原理圖進行。

（二）有無診斷顯示故障。根據故障有無診斷顯示可以分為有、無診斷顯示故障。無診斷顯示的故障只能根據出現故障前后的情況來分析判斷， 較難排除。有診斷顯示的故障相對來說比較容易排除，此種故障的經常是軟件報警顯示的故障與硬件報警顯示兩種類型。其中硬件報警顯示故障可以通過各單元裝置上的指示燈找到，一般以報警號的形式出現軟件報警顯示故障往往可以在數控系統顯示器上顯示。系統無報警顯示故障，比較復雜和困難的診斷，通常是由硬件故障造成。

（三）數控裝置故障。由裝置設備問題引起的故障，分為硬件故障與軟件故障兩種。

（四）有無破壞性故障。有無破壞性故障又稱為非破壞性故障和破壞性故障兩類，是按故障發生的性質是否具有破壞性來分類的。非破壞性故障容易辨別，也危害較小，可以經過重演故障、多次試驗檢驗來分析故障的原因，較易排除；破壞性故障危害較大，維修難度大且有一定風險，比如由于伺服系統失控造成飛車、短路燒保險等故障引起的破壞性故障對整個體統都將是致命的破壞。

（五）PLC部分出現故障。不報警的機床故障由于PLC編程有問題、編程不好等問題的出現而產生。

（六）機械故障和電氣故障。根據機械運動部件發生故障的不同來分，分為機械故障和電氣故障。由于機械部分的安裝、潤滑、調試、液壓系統、冷卻、氣動、排屑、使用和維護操作不當造成的機械變速箱故障和導軌運動摩擦產生的故障稱為機械故障，主要集中在主軸停止、噪音大，導致切削振動炮塔不轉，加工精度不穩定。電氣故障是往往是由于松動的部件焊接，電器元件的品質因數的下降，連接器接觸不良或由其他因素造成的發生在系統設備、伺服驅動裝置和機床電器控制等部分的故障，具有一定的損害。

（七）檢測元件故障。整個數控機床和檢測元件是一個閉環的系統，檢測元件是其中的數控機床的重要組成部分，經常會在機械暴走、機械振蕩等方面體現出故障。

二、數控機床故障診斷方法

（一）直觀診斷法。是最常用也是最簡單的一種方法，是指利用人的感覺器官如手、眼、鼻、耳等縮小故障的檢查范圍，找出故障具體原因。

（二）狀態診斷法。該種方法主要是動、靜態的監測伺服進給系統、電源模塊等部件的主要參數，或監測數控系統輸入輸出信號的狀態，檢測各元件的工作狀態，從而來找出故障原因的方法。

（三）儀器診斷法。儀器診斷法是指運用一些常用儀器測量數控機床系統的相關直流與脈沖信號，進而查找可能的故障，比如運用常規的電工儀表、直流電源電壓等來查找故障。

（四）系統的自我診斷功能。這種方法主要是使用數控機床系統內的自我診斷方法找到故障原因。這些軟件或程序的測試離線和在線監測、開機自診斷等等。異常報警指示燈將通過硬件或軟件報警指示報警。此外，數控機床系統的自診斷功能經常被用來作為衡量數控機床的性能的一個重要的指標。

（五）參數調整法。維修人員通曉數控機床的工作狀態和作用主要是通過具體系統的主要參數來判斷，主要考慮到不同的數控機床、不同的工作狀態對數控系統、PLC及其伺服驅動系統的參數要求不盡相同，通過調整一個或多個相關參數來對其故障進行排除。

三、數控機床的維護與排除

合理的日常維護措施可以減少正常磨損、延緩劣化、預防和降低數控機床發生故障的概率，保證其安全運行，因此，做好數控機床的日常維護、保養是做好數控機床的維護重中之重和關鍵所在，一方面要講究具體的方式方法，另一方面要遵循具體的措施原則和立場，主要有以下幾個方面。

（一）具體的數控機床故障維修與排除手段及方法

1.復位、初始化法

由于編程或者瞬時故障引起的CNC系統報警使數控機床停止運行的情況出現時，往往按復位按鈕或復位鍵進行復位來清除故障，也可用強行關閉硬件電源；若系統存儲器欠壓、連接線路接觸不良、掉電造成系統出現故障，則先做好系統初始化前應注意作好數據備份，再對CNC系統進行復位。

2.模塊替換法

模塊替換法是目前最常用解決故障的方法，主要方法是診斷出壞的系統模塊（電器元件），然后再選擇好的模塊將其替換，設定好相應的參數，并做相應的初始化啟動，使機床迅速投入正常運行。

3.設置參數

有正確的數控系統參數設置是確保系統功能正常的前提，許多數控機床不能工作或功能是無效的主要原因是由于數控系統的參數設置存在問題，也可以塊搜索功能數控系統檢查用戶編程錯誤引起的故障報警或停機，糾錯參數設置，以確保數控機床的正常運行。

例如，實際速度與設定速度主軸啟動是不一致，因為主軸轉速模擬電壓控制功能處于激活狀態，主軸轉速S碼輸入設置一個固定的主軸轉速（轉/分）S代碼時的值不會改變，稱為恒線速控制（G97模式）2種方式，工具相對于圓柱形工件的切向速度（米/分）S代碼來設置恒線速控制（G96模式），恒線速控制方式下，切削進給時的主軸轉速隨著編程軌跡X軸絕對CNC輸出給主軸變頻器0-10V控制電壓受驅動裝置的控制。

4.修調法

數控機床數控系統參數設置正確，在過程中發現進一步調整某些參數，如數控系統的LCD顯示屏幕亮度，低維護，調整屏幕電源12V電壓正常。

最好地實現數控系統及其他電子系統的控制，微調是非常關鍵的。主軸轉速模擬電壓控制模式，與主軸倍率微調至實際速度主軸倍率修剪主軸的最大速度在當前檔位的限制，由恒定表面速度控制模式的最小主軸轉速限制值和最高主軸主軸的實際速度限速值限制。數控系統提供了8主軸倍率（50％？120％，每級變化10％），實際的定義系列的主軸倍率階梯，應使用機床制造商的指示為準功能低于標準梯形說明的，例如，標準定義的PLC梯形圖GSK980TDa主軸，共有8級，實際主軸轉速主軸倍率的速度范圍為50％到120％的實時修整主軸倍率斷電記憶中的指令覆蓋的關鍵。

（二）遵循具體的措施原則和立場

強化管理是數控機床的維護的關鍵所在。做好日常維護工作，需遵循具體的措施原則和立場，嚴格執行操作規程、充分利用數控機床、加強人員培訓，掌握日常使用與維護的知識，做好有效、及時的總結，這些必要的流程措施是數控機床有效運行的重要保證。

四、故障診斷與排除的系列案例

上述分析發現，作為一個用戶級的維修人員，不僅要有電子技術、自動化技術，還要有計算機技術、機械原理、檢測技術及機械加工、液壓傳動等知識，同時在其中應該有一個分析問題和解決問題的能力，文中例舉了幾個案例，形象說明如何及時排除故障提高數控機床的開動率。

案例一：在高校教學實踐和企業生產實際中，數控機床已多次出現故障后，維修人員掌握一定的知識后，逐一進行排查，故障很快得到解決。例如，購買、投入使用GSK980T數控車床，操作人員經驗不豐富，數控機床、按鈕的功能和操作的結構性不熟練，就可以直接轉移到的程序，周期起動工件，幾乎引起了車刀和工件碰撞運營商急于緊急停止按鈕的作用。隨后回零，CRT顯示準備不是線程報警字樣。出現操作人員對新設備缺乏足夠了解的情況下旋開急停按鈕，按下復位鍵再回零后，反而輕而易舉把故障排除了。

案例二：數控機床機械零件有時會產生故障。例如，配置FAGOR8055系統TH5660加工中心的有不換刀現象。加工中心執行換刀指令時，主軸能夠移動到換刀和準確的定位，但沒有換刀動作，檢查I / O端口跟蹤，發現該系統沒有收到主軸定位應答信號，在調查到終端，終端響應信號線松動，緊固之后工作處于正常。

案例三：伺服驅動系統是數控機床的主要故障源之一。由于各軸的運動是靠伺服單元控制伺服電機驅動滾珠絲杠和旋轉編碼器速度反饋反饋光柵的位置，一般故障的驅動器旋轉編碼器與伺服單元模塊。例如FANUCO-MD系統XK5025數控銑床，發生434報警，問題出在數控系統722的診斷參數的第7 位為1，說明Z-軸伺服過載，作進一步調查了解到是主軸轉向發生錯誤，改變主軸轉向就可以排除故障。數控機床的造價較高，維護成本也高。

案例四：設備的操作使用前的調整過程不當也是引起故障參數修改。例如，XK5025數控銑床FANUCO-MD系統引導程序顯示混亂，機器不能正常工作，出現系統的傳輸過程中的101報警、內存溢出，在解除報警系統DELET按鍵上出現參數設置為重寫的狀態，有可能是操作不熟練，錯按電源上的RESET按鈕，產生的參數發生變化，如果重新輸入備份參數，機床就處于工作狀態了。如果機器出現故障，操作人員應正確地記錄、描述的情況，在發生故障時，并方便維護人員及時和正確的調整。

參考文獻：

[1]王茲宜.現代數控維修[M].北京：中央廣播電視大學出版社，2004.

[2]鄧三鵬.數控機床結構及維修[M].北京：國防工業出版社，2008.

[3]龔中華.數控機床維修技術與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2003.

[4]李大慶.PLC的數控機床故障診斷[J].煤礦機械，2007.

[5]李雪梅.數控機床[M].北京：電子工業出版社，2005.

[作者簡介]林常劼（1983.3-），男，福建省福州市人，單位：國際汽車底盤公司（雷諾汽車的子公司），研究方向：生產優化，老舊生產線的更新和再利用。