數控機床的維護及故障分析

黃利華

（四川宏華石油設備有限公司，四川廣漢 618300）

0 引言

四川宏華石油設備有限公司（以下簡稱“公司”）主要從事石油鉆機設備的研發和生產，零部件加工中心是其專門為鉆機配套生產各種機械部件的生產車間，現有數十臺、多種類型的數控設備，其中以西門子系統為主。2006年至2016年，筆者一直負責該車間的電氣維護工作，現將多年來在工作中處理過的數控設備的一些典型故障及解決措施整理、分享。根據數控設備的功能，這些常見故障一般為5類。

1 NC系統故障

NC（Numerical Control，數字控制）系統其實就是數控單元，NC系統出現硬件損壞時，需要快速判斷其故障原因、查找故障點，這就要求維修人員必須熟悉該設備數控系統的工作原理及各線路板的功能，然后根據故障現象進行分析，盡快鎖定故障部位，利用備件替換，減少設備故障停機時間。但是，數控設備的部件價格不菲，在沒有現成備件的情況下，利用同一設備或是其他設備的相同部件替換，也可以準確定位故障點。

例1：天津精誠機床廠生產的YH6016數控弧齒錐齒銑齒機，在廠家到公司現場安裝調試過程中出現了如下故障：通過NC系統PC功能輸入的R參數，在加工中不起作用，不能更改加工程序中R參數的數值。通過對NC系統工作原理及故障現象的分析，認為PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）主板有問題，建議廠家采用相同部件替換。試運行一段時間后，證實為主板故障，機床廠聯系西門子更換該PLC主板。

機床參數設置不當或者參數發生變化、混亂時，也會引發NC系統故障報警，重新調整好參數后故障自然消除。但有些偶然因數還可能造成NC系統處于死循環狀態，這時必須采取強行啟動的方法來恢復系統。

例2：齊重數控裝備股份有限公司生產的SVT160/8Q-NC數控高速單柱立式車床（采用西門子802D系統），在加工過程中出現軟限位失效、直接撞到硬限位開關的情況。檢查發現，該系統中設定第一軟限位有效（在PLC中指定），其X軸負方向和Z軸正方向的軟限位值均為初始值。重新調試設置軟限位（軸參數36100）后，設備恢復正常。另外，數控單元的外圍電路也可能引發系統故障報警。

例3：自貢長征機床廠生產的GMCU2500龍門加工中心（1#）在自動加工過程中，系統突然斷電，無法工作。經檢查測量，其24 V直流供電電源非西門子標準的SITOP電源，輸出電壓約22 V，在車間供電電網電壓向下波動時，該電壓持續下降，導致NC系統采取保護措施，自動斷電。后檢查，該故障為該電源的整流橋堆二極管損壞所致。更換新的整流二極管后，故障排除。

2 伺服系統的故障

NC單元對機床的進給部分進行數字控制，而進給是由伺服單元控制伺服電機帶動滾珠絲杠來實現的，由旋轉編碼器做位置反饋元件，形成閉環的位置控制系統。伺服系統的故障一般由伺服控制單元、伺服電機、測速電機、編碼器等出現問題引起的。

例1：自貢長征機床有限責任公司生產的GMU2500高速數控龍門銑床（2#）（采用西門子840D系統），在加工過程出現驅動器報警，內容為X軸驅動器輸出電流被限制。該軸驅動器故障指示燈亮，而檢查時卻發現連接各模塊之間的600 V直流母線排的緊固螺栓已松動，并有電弧跡象。初步判斷此處應為故障點。斷電并確認放電結束后緊固螺栓，再次上電后故障仍舊存在，很明顯由于母線排的接觸不良產生的大電流已導致該驅動器損壞，換上同種型號的驅動器后故障排除。經檢查驅動器內部線路，電流部分有2個并接的50 A，600 V的快速熔斷器開路，更換后該驅動器恢復正常。

例2：齊齊哈爾第二機床廠生產的TK6920數控落地銑鏜床（采用西門子840D系統），在加工過程中也曾出現和前面的龍門銑床類似問題，只不過該驅動器是因為內部輸出線被大電流熔斷。處理后故障排除。

例3：龍門銑床（2#）還發生過這樣故障，開機后MMC（Man Machine Communication，人機通信）部分工作正常，但是出現了報警，內容為未發現驅動。查閱相關診斷說明后推斷為硬件故障，作如下檢查工作：首先檢查各驅動器之間的設備總線是否連接可靠；由于所有的驅動器都沒有進入正常的工作狀態，故懷疑第一個軸即主軸與NC之間的接口是否正?；蛘咧鬏S驅動器故障；由于廠內沒有該驅動器配件，只有將龍門銑床（1#）的主軸驅動器控制板拆下替換后報警消除。后來采購同型號控制板，更換后設備恢復正常。

例4：沈陽數控機床有限責任公司生產的CK6136H-D6D數控車床，出現X軸驅動報警，而X軸驅動器并無報警指示。將X軸和Z軸的驅動線路互換后，出現Z軸驅動報警，此時可以判定問題出在伺服電機回路上，與驅動器無關。電機一啟動，伺服單元產生過載報警，切斷伺服電源，并反饋給NC系統，顯示報警。仔細檢查后發現，由于鐵屑將排水孔堵死，電機與軸聯接處被冷卻液浸泡，電機內已嚴重進水，電機絕緣已被破壞。解體后清理、烘烤、浸絕緣漆，故障排除。

例5：天水星火機床廠生產的CKW61200數控車床（采用西門子840D系統），在加工過程中出現X軸主動編碼器硬件出錯，多次檢查后判斷為X軸直線測量系統故障（即光柵尺部分）。由于Y軸的光柵并未使用，將Y軸的光柵反饋線替換到X軸光柵后報警消除，初步判斷X軸光柵反饋電纜因頻繁往返運動折斷導致接觸不良。校線證實了該判斷。處理斷點，焊接并采取防折措施，機床恢復正常。

3 外圍電路故障

數控技術不斷發展完善，其可靠性和穩定性越來越高，故障概率不斷降低，數控機床故障大多數是非系統故障，外圍電路故障居多。這類故障是數控機床常見故障，多由檢測開關、液壓系統、氣動系統、電氣執行元件、機械裝置等引起。機床廠根據不同故障內容編寫相應的報警文本，通過報警信息，查找故障原因，但是有些機床廠家編寫的報警文本并不完善，還是要靠維修人員根據機床原理，仔細分析、查找具體故障原因。

例1：天津精誠機床廠生產的YH6016數控弧齒錐齒輪銑齒機（采用西門子840D系統），在運行過程中多次出現Y軸伺服故障，經檢查后排除驅動器故障。由于該設備仍處于保修期、不便作更大范圍檢修，通知廠家來人檢修。但是該機床并非一直報警，給維修帶來不便，所以廠家在數天內未找到真正的故障原因。后來該設備又多次出現報警，廠家只得聯系西門子公司的技術人員來維修。該名工程師在詳細檢查了各項指標后也未發現異常，不過他很肯定地排除了系統故障的可能性。此后一段時間里該設備工作正常，直到最后一次。這次出現報警后，讓操作工不要關掉電源（前幾次操作工都是重新啟動系統后，故障自動消除），仔細分析后發現，Y軸是機床的垂直進給軸，其機械結構與其他進給軸有明顯不同，Y軸帶有抱閘裝置。在檢查抱閘裝置的外圍線路中發現，在PLC的輸出模塊SM322的輸出點Q40.4處，測得電壓為+24 V，而由此控制的Y軸抱閘裝置松開中間繼電器KA05卻并未正常工作。經查KA05線圈吸合不好，導致Y軸制動器工作不正常，使系統發出錯誤報警指令。更換中間繼電器后故障排除，該設備至今沒出現過類似現象。通過這次案例可以看出，有些故障雖有報警信息，但并不能反映出故障的根本原因，這時要根據報警信息、故障現象來分析，不能放過每一個細節，以更準確及時地發現和解決問題。

例2：天水星火機床廠生產的CKW61200數控車床（采用西門子840D系統）在加工過程中出現X軸不能回參考點的情況。由于加工的產品為“厘巴斯”繩槽滾筒，如果中途將工件卸下，重新裝夾后調整基準比較困難，所以無法檢修相應硬件，給維修帶來較大困難。為了不耽誤生產、確保進度，只有從軟件上想辦法，即修改軸通道參數，使NC不需回參考點便可啟動。在工件加工完后將X軸刀架移開，檢查發現是回參考點接近開關固定螺栓松動。調整接近開關后，故障排除。

例3：漢川機床廠生產的TK611C/I數控臥式銑鏜床（采用西門子802D系統）在加工過程中也出現了類似于例2的問題，X軸在回參考點時出現撞擊硬限位開關的情況。經檢查回零開關損壞，更換后工作正常。

例4：寶雞機床廠生產的SK50P國產簡易數控車床（采用廣州數控GSK980T系統），在運轉過程中，電器控制箱的散熱風扇損壞，導致電源部分24 V輸出短路保護（散熱風扇與系統共用24 V電源），引起系統報警，在斷開風扇電路后系統隨即恢復正常。該機床在換刀過程中曾出現過報警，報警內容為換刀時間過長。經檢查，電動刀臺的電機線斷線，更換后故障排除。而后，刀臺電機發出異響，用電流表檢測三相電流并不平衡，拆下電機后發現，由于固定電機接線端子的螺釘過長與電機內定子線圈接觸，造成線圈部分接地（該螺釘同時還固定了電機的接地線），導致刀臺電機三相電流失去平衡而發熱并發出異響。換下螺釘后，換刀功能恢復正常。

例5：齊重數控裝備股份有限公司生產的SVT160/8Q-NC數控高速單柱立式車床（采用西門子802D系統）發生故障，設備上班開機啟動不正常，界面顯示PLC停止，反復重啟多次后恢復正常。該現象在之前曾經發生過，并且都是在早上上班時。調出報警信息，查到報警號為400015 Profibus-DP I/O錯誤：記錄地址9總線地址/槽口8/7。查閱西門子802D診斷說明后得知，該報警是由于PLC用戶程序中使用的I/O地址不存在?？赡艿脑蛴校河?Profibus-DP I/O模塊沒有電壓提供；于客戶端總線地址設置錯誤；盂Profibus連接出錯；榆SDB Profibus配置不正確。根據以上分析，模塊電壓有較大嫌疑，檢查發現24 V電源接插件松動。重新插接后恢復正常，之后未有此類現象發生。

4 數控系統的維護與調整

現代數控技術發展迅速，越來越先進的智能化控制對從事數控維修與維護的工程技術人員要求越來越高。很多數控設備在出現故障后，首先要對其進行準確判斷，及時查找出故障點；在機械故障排除后，還應對系統進行必要的調整和維護。

例1：3#龍門銑床在加工過程中出現高低擋無法轉換、擋位指示燈都不亮的現象。該系統并無主軸換擋開關，高低速轉換是在用戶程序中直接指定旋轉方式（正/反）、轉速；由系統自動識別并切換，經檢查發現由ZF變速箱反饋回來的傳感器信號表明主軸實際處在空擋上，即既不是高擋也不是低擋，因此系統無法識別，而機械液壓部分、電器部分都未見明顯異常。處理方法：在用戶程序中直接指定轉速如S100而不指定旋轉方式，這樣啟動程序后系統將默認上一次也就是出故障前的擋位，回到正常擋位后故障排除。

例2：齊齊哈爾第二機床廠生產的TK6920數控落地銑鏜床（采用西門子840D系統），回轉臺下漏油嚴重，并且曾多次出現帶不動較大負載的現象，因此要求拆開回轉工作臺作徹底檢查。而回轉工作臺中心安裝了一個旋轉編碼器，拆下后由于其他因素未能繼續分解工作臺，按原有位置恢復后重新啟動機床，回轉臺在回零過程中突然停止，系統出現B軸主動編碼器硬件出錯報警。再次重啟系統后故障消除，而回轉臺現有零位與原始位置有一夾角。經調整B軸MD34200，MD34210，MD34090等參數后，機械零位恢復正常。

例3：很多數控設備在排查機械傳動部分故障時都需要將相應的軸的測量系統進行屏蔽，使數控系統的全閉環控制轉換為半閉環控制。天水星火機床廠生產的CKW61200數控車床（采用西門子840D系統）在維修過程中需對X軸的光柵尺進行屏蔽，對軸參數MD30200和MD30240進行修改，之后需重新啟動系統。同時還應對PLC寅NCK（NC Realtime Kemal，西門子數控實時操作系統）的接口信號DB31.DBX1.5進行賦值，此時內置編碼器生效，系統轉入半閉環控制。

5 其他精大稀設備在生產過程中出現的較典型故障分析

例1：老舊設備的電磁干擾現象是一個困擾性問題，生產車間內各工種交叉作業，干擾源較多，本地電網電壓波動較大且為三相四線制，部分早期設備的零線、地線未嚴格區分，因此在生產過程中經常碰到干擾現象。有一臺數控車床遇到以下情況：平時數控系統工作正常，但每天總有一兩次數控系統在工作中突然急停，屏幕顯示報警為X軸編碼器硬件故障，重新上電后機床又恢復正常。因此懷疑是位移編碼器損壞或線路接觸不良，但是檢查了很長時間、采取了很多措施都未能消除這一現象。最終的檢查發現，此現象與車間電壓瞬間波動有明顯關聯。單獨安裝了一條質量很好的地線，并將電纜槽內的動力線與控制線按規范敷設，最終解決了問題。

例2：四川宏華石油設備有限公司購回的1臺前蘇聯產落地鏜床，經國內一家電氣公司進行改造后于2005年正式投入使用。由于結構局限，該設備經常出現控制線路甚至部分電機主回路斷線的問題，同時因為沒有完備的數控系統，給準確判斷故障帶來一定困難。該鏜床的主軸因過流多次報警，對直流調速器復位后故障消除，仔細觀察后發現主軸轉動速度不正常，與平時差別較大，特別是在停止過程中慣性太大，所以判斷主軸電機速度反饋線故障。經檢查為反饋線開路，用備用線更換后恢復正常。

6 結語

實際維修過程中，準確查找故障點是第一步，診斷數控機床的外部故障，過程可能會比較復雜，而一旦發現癥結所在，所有問題自然迎刃而解。對外部故障的診斷有2點很重要：一是要熟練掌握機床的工作原理和動作順序；二是會熟練運用機床廠提供的PLC梯形圖，并根據NC系統的狀態顯示功能或聯機監測PLC的運行狀態，根據梯形圖的鏈鎖關系查找故障點。有的機床廠家在系統內置了PLC編程軟件，可直接在線診斷，為維修工作提供了極大便利。