數控機床故障分析與診斷方法

中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 郭渝萍 王德林 卜怡生

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數控機床故障分析與診斷方法

中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司 郭渝萍 王德林 卜怡生

【摘要】本文主要以數控機床故障診斷方法為研究對象，介紹了數控機床的常見故障的診斷過程與分析方法，歸納總結了數控機床故障診斷與維修方法，為從事數控設備維修工作者提供技術儲備及寶貴經驗。

【關鍵詞】數控機床；診斷方法

1 數控機床的概念及工作原理

1.1 數控機床及數控系統

用數字化信息進行自動控制的技術稱為數控技術，數控機床是采用數控系統控制，即裝備了數控系統的機械加工設備。

當前數控機床采用的數控系統種類很多，國內外很多公司及本公司的數控機床主要配置德國西門子和日本發那科兩大數控系統。

1.2 數控機床的結構組成

數控機床一般由CNC系統，輸入/輸出設備，伺服系統，驅動執行機構裝置，可編程控制器（PLC），機床本體和測量反饋元件組成。如圖1所示。

圖1　數控機床的構成

2 數控機床的診斷方法

2.1 故障診斷的基本概念

數控系統故障診斷技術，是在系統中，在不拆卸機床的情況下，通過數控系統顯示的現行狀態，明確機床故障產生的原因及部位，采取相應的解決方法和相應的預防措施的技術。

2.2 機床故障的診斷原則

1)首先外部然后內部；現代數控機床是集機械、液壓、電氣一體化的設備，這就要求維修人員以此為原則，在維修數控設備時采用望、聽、聞等方法，由機床外部向內部逐一進行排查。

2)首先機械然后電氣；數控機床是技術復雜自動化程度高的機械加工設備，一般情況下，機床機械部分的故障比較容易發現，而數控系統及電氣故障的分析難度就比較大。

3)首先靜然后動；維修人員本身要做到先靜后動，不可盲目動手。應先向設備操作者詢問故障是如何發生的，當時設備的加工狀態等。查閱機床電氣圖紙及相關資料，大致確定故障原因后，方可動手檢查和處理故障。

4)首先公用然后專用；影響全局大多數是公用問題，影響局部往往只是專用部分。

5)首先簡單然后復雜；當一臺數控機床出現故障時，往往有幾個報警信息，此時應先處理容易的問題，然后再處理較大難度的問題。

6)首先一般然后特殊；在維修設備故障時，應首先排查最常見的故障原因，再逐步分析平時極少發生的特殊原因。

2.3 機床故障的診斷方法

1)外觀檢查法：觀察機床的外觀及硬件連接部分，對可檢測的部分進行在線監控。對系統軟件及參數數據等，經常用到的常規檢查方法是：a)目測；b)手摸；c)通電。

2)儀表測量法：當數控設備發生故障時，常用電工檢測工具和儀表，根據該設備的電氣原理圖對發生故障部分的電壓，脈沖信號和電源指示等，實行現場測量。如：用萬用表測量電網電壓三相是否均衡、接地是否牢固。還可用示波器檢查位置測量信號的反饋回路的信號狀態等。

3)PLC程序法：查看PLC程序是維修人員分析設備故障的常有方法。

4)接口信號法：如數控設備發生故障時，維修人員從PLC和NC信號交換的知識出發，結合數控機床外部條件的I/O接口信號的狀態，確定故障點。

5)控制模塊交換法：大多數數控系統都采用模塊化設計，機床的各個伺服軸的控制單元大都采用相同型號的模塊。例如，機床X軸控制模塊報警，可以把X軸與Y軸的相同型號的控制板互換，如果相同故障從X軸轉移到Y軸，就能快速判斷是X軸控制板發生了故障。

6)修改參數法：當某軸進給發生故障時，為確定是否為伺服電動機故障和光柵尺，讀輸頭故障。可以通過修改系統參數的方法，將該軸由全閉環控制改為半閉環控制，用以脫開位置環，檢查速度環。

3 數控機床常見故障診斷與分析

3.1 數控機床主軸常見故障

1)主軸變速齒輪掛擋故障，原因：a)主軸換檔定向控制電路出現故障；b)齒輪錯位，掛擋位置與正確位置出現角度偏差，發生“頂齒”，因而造成掛不上擋的故障。

2)主軸不定向或定向位置不準確，首先檢測電纜線和連接部分是否接接觸不良或短線，再檢查主軸編碼器的固定螺栓如連接器上螺釘是否良好、緊固，最后檢查脈沖編碼器是否進水或損壞。

3)主軸轉動時振動和噪聲太大，這種現象大多數是機械方面的原因，例如：軸承預緊力不夠，使主軸產生軸向竄動；主軸輪承損壞；主軸與主軸電機的連接皮帶過緊；潤滑不良；主軸負荷太大等。

3.2 數控機床進給伺服軸的常見故障分析

數控機床給伺服軸發生故障時，大致有三種表現形式：一是在操作面板（CRT）上顯示故障報警信息，二是在機床進給軸的伺服驅動模塊上有故障燈，顯示報警號，三是機床進給軸運動異常或不運動，然而機床無任何信息顯示。歸納總結進給伺服系統的常見故障：1)軸超程；2)過載；3)竄動；4)爬行；5)振動；6)伺服電動機不轉；7)位置誤差；8)漂移；9)回參考點故障；10)伺服單元及風扇故障；11)連接電纜及檢測回路故障。

3.3 數控機床返回參考點故障及診斷方法

目前企業中的數控設備大多數采用的是增量式測量裝置，因此，機床開機必須進行各軸返回參考點的操作，發生故障的幾率就非常大。故障發生的原因主要有：一是機床返回參考點的檢測的零點開關損壞或撞塊松動，二是數控系統與檢測元件的連接電纜接觸不良或斷開，三是系統回零軸的控制板故障。診斷方法主要根據機床回零軸接口地址信號有無0、1變化，及測量電纜線的通斷來判斷是屬于機床零點開關、撞塊、還是數控系統軸控制板的故障。

3.4 數控機床操作軟件故障及診斷方法

軟件故障是由軟件變化或丟失而形成的，可能有：1)操作失誤，操作者在在調試加工程序時更改了機床參數或軟件內容，造成數控系統軟件故障；2)保持系統參數的電池電量不足，使數控系統丟失軟件和參數，使機床顯示軟件報警。值得注意的是，數控機床更好電池時，必須帶電進行。開關系統電源是清除軟件故障的常用方法。

4 數控機床故障診斷技術的展望

數控機床故障診斷技術的發展方向有以下幾個方面：1)通信診斷；2)自修復系統；3)具有人工智能功能的專家故障診斷系統；4)基于因特網的遠程故障診斷系統；5)應用人工神經網絡進行診斷；6)多傳感器融合技術；7)小波理論在機械檢測中的應用。數控機床技術的迅速發展，使世界制造業的競爭日益激烈，先進的數控機床故障診斷技術將成為取勝的關鍵，因此，深入研究世界先進的故障診斷技術具有深遠的現實意義。

參考文獻

[1]任建平主編.現代數控機床故障診斷及維修[M].國防工業出版社.

[2]黃衛主編.數控機床及故障診斷技術[M].機械工業出版社.

[3]李虹主編.數控機床電氣控制與維修[M].電子工業出版社.

郭渝萍，女，大學本科，高級工程師，中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司四級技術專家，從事數控設備維修研究。

作者簡介：