數控機床機械與電器故障診斷分析

段樹民

（聊城大學東昌學院，山東聊城 252000）

0 引言

工業技術已經比較成熟，但是機械維修、故障診斷技術還未形成完善的技術體系。目前，數控機械結構越來越復雜，隨著制造性能的加強，維修方法也越來越多樣，智能化理念的深化，導致數控機床機械與電器維修理論、技術都發生了較大變化。探討數控機床機械與電器故障診斷方法，具有重要的現實意義。

1 常規檢測方法

數控機床出現的定位誤差，大多數情況因為機械結構變形、磨損而產生。以現有的技術條件，在具體加工過程中，并不能人為的對機械變形機械補償、調試。所以，需要將每一部分機械機構的變形、磨損力所能及的進行控制，這樣才能保障數控機床的加工精度，為機械加工表面質量提供保障。為減輕數控機床在生產中受到的磨損、形變，通常采用提高剛度的方法來應對，最為常見的方式，就是在機床主軸附近采用“三支撐”結構，同時采用角接觸向心推力軸承以及雙列短圓柱管子軸承，進一步減小數控機床的軸向、徑向變形。物理層面上的誤差以及故障診斷，當前已經有一個較為完善的故障應對、維修、診斷方法，但是數字控制、電氣線路方面的診斷方法仍舊不夠成熟。

1.1 直觀檢查法

直觀檢查法是故障分析基礎階段的必用方法，通過看、問、摸，來獲取設備的故障信息，對數控車床的故障情況有一個初步的認識。具體而言，“看”是目測數控機床電路板、電器柜有沒有出現常見故障[1]。比如“保險絲燒斷、元器件上有無燒焦痕跡、機床有無開裂現象、數控機床中有無異物”，多數數控機床，所有元件、模塊、電路板上都有故障指示燈、狀態指示燈，維修人員通過觀察指示燈的狀態，也能獲取一些信息。“問”是詢問工作人員，在工作人員處了解故障信息，然后再初步判斷故障類型。“摸”是指用手感知數控機床的溫度[2]。

1.2 儀器檢查法

利用萬用表，根據數控機床控制電路，可以檢查出各個電路有無斷路、虛接的情況，如果沒有上述情況，就可直接接入電源，觀察電路是否能夠正常運行，然后再測試電路的短路情況。這種檢測方法，能夠檢測出一些常見故障和較為明顯的故障[3]。此外，還有參數調整法、接口狀態檢查法、備件置換法、交叉換位法等監測方法。

2 故障維修

現場維修是找到數控機床的故障部位，采取相應的零備件進行更換，讓機床快速恢復正常工作。只有找到“病根”，維修人員才能夠對癥下藥。維修人員通過對系統以及外圍線路的監測，判斷出故障具體位置，甚至定位到數控機床中某個元器件。這是數控機床監測維修最主要的部分。

2.1 開關失靈、系統黑屏故障排除

如果在按下啟動按鈕之后，系統沒有反應，那么首先就需要檢查數控機床總開關，然后觀察電氣柜中指示燈狀態，以此來判斷電源盒的電壓輸出是否達標。如果維修人員發現電源盒中指示燈處于熄滅的狀態，就需要再次檢查電源電壓，如果電源電壓為220 V，若電源沒有24 V 電源輸出，那么就可基本判定為“電源損壞”。如果有24 V 電源輸出，則需要檢查系統是否有24 V 電源，在這個過程中如果電壓小于24 V 就有可能是短路，沒有電壓，則有可能是斷路，詳細需要查看數控機床的電路原理圖（圖1）進行判定。

2.2 啟動急停報警故障排除

啟動急停報警分為內部急停、外部急停，但是這兩種急停報警都會導致數控機床不能運行，通常情況下，啟動急停報警往往伴隨著其他報警信息，所以有著不同的解決辦法。首先，數控機床只出現“急停報警”而沒有其他報警信息，那么就應該檢查PLC 系統輸入、輸出狀態。如果有輸入和輸出，那么就需要結合電氣原理圖的急停電路一一排查，若電路沒有損壞，則要檢查開關故障狀態；其次，如果“急停報警”和“超程”同時出現，就需要判斷機床超程限位類型，硬限位超程需要在操作面板上進行操作，同時多次按動復位按鍵進行解除，軟限位超程則要手動調節，直到機床停止報警。

圖1 數控系統啟動電路原理

3 簡單數控系統案例

（1）在數控機床中，數控位置環是數控系統發布控制指令，完成控制任務的關鍵環節。數控位置環有著很高的工作頻率，并且和外置設備相接，數控機床在運行過程中，數控位置環容易出現故障。數控位置環報警：導致此故障的原因有可能是測量回路出現開路故障、測量系統損壞或者內部控制單元損壞。比如，數控車床“SPECHT500”經常出現電機驅動失敗和通信失敗的問題。具體體現為主軸電機正常工作、驅動模塊無異常，但編碼線、驅動模塊的插口松動，因為接觸不良導致報警。維修人員在排查的過程中，經常忽略此故障，而判斷為模塊故障、電機故障，如果因此更換了電機或者模塊，那么就會造成巨大的經濟損失。測量電器元件故障：該故障一般體現為反饋無信號、數控機床位置不能返回參考點、機床在高速運行狀態下發出報警。

（2）機械系統、伺服驅動系統、電網電源之間有著密切關聯，并且在工作中伺服系統也處于頻繁啟動、運行的狀態，導致這部分經常出現故障。①電力系統損壞：因為網絡電壓波動，產生電壓沖擊對電力系統造成損壞；②加工精度丟失：該故障主要體現為，走圓弧插補軸換向出現凸臺，電機低速運轉出現頻繁震動。這類故障主要是因為伺服系統調整有問題，各個軸增益系統和電機匹配度較低，常用的解決方法為“最佳調整法”。比如，SPN40 機床經常出現精度丟失的情況，加工的圓孔上出現顫紋，孔徑尺寸過大。而導致該故障的主要原因是X 軸移動和主軸單元顫動，維修人員可通過調節參數，解決這一問題。具體可從以下幾步入手：第一，1825 伺服環增益，4000→3500（確保Y 軸參數一致）；第二，2043 速度環積分增益67→55；2044 速度環比例增益600→500。經過調整之后，SPN40 機床精度丟失的問題可得到解決，機床恢復正常性能；③保險絲燒斷：這類故障是較為常見的故障，但是導致的問題較為嚴重，如果不能及時得到解決，就有可能導致電機過熱、燒毀。

（3）電源是維持數控車床工作的基本能源，如果電源失效，輕則導致車床停機，重則會毀壞整個系統。所以，一方面要加強對電源的維護、檢查；另一方面，則要做好系統數據備份。數控機床的刀庫管理、液壓啟動都需要依靠PLC 來實現，而完成這些控制就必須采集各個控制點的運行信息，比如指示燈、伺服閥、斷電器等。通過系統自帶的I/O 接口監控，維修人員就可輕易找到此類故障的根源。此外，外部環境或者工作人員操作不當，也會導致設備出現故障。

（4）數控車床中某一參數設定錯誤，有可能導致系統出現故障或者某一個功能失效。一般加工中心在停機后，一定要核對好機床中的R 參數，檢查R 參數是否和機床運行狀態相符，不然機床在實際運行的過程中就出現故障。經過長時間的使用，會導致數控車床加工精度下降，誤差范圍增大、過行程、運動不到位等報警次數會逐漸增多。針對這種情況，維護人員可更改系統的允許誤差，對機械部分進行物理調整，消除報警。

4 故障實例分析

以西門子TF2000HD 數控車床為例，該數控車床采用西門子840D 系統，在正常運行的過程中，該機床的腳踏板應該處于回縮的狀態，但是在實際使用的過程中，腳踏板卻出現異常，一直處于伸出狀態。

分析：如果該機床腳踏板不回縮，則應該查看腳踏板回縮控制電路以及電磁閥，電磁閥YV5412 是否通電。發現電磁閥并未通電，則要對其電路進行檢查。維修人員可利用儀器檢測法、常規檢查法，獲取故障的基本信息，如果在發現電磁閥YV5412 有發燙、過熱的情況，說明電磁閥的工作時間過長。通過分析電磁閥工作原理可知，電磁閥不能夠長時間處于工作狀態。然后，維護人員查看PLC 指示燈，觀察輸出端口的A36.1、A36.0，指示燈并無異常，處于常亮狀態。分析相關電路圖，發現腳踏板上下兩端有2 個限位開關來傳輸實際位置信號。隨后檢查下行程開關，下行程開關活動處被卡死，而開關處于異常接通的狀態，并且輸出信號給PLC 系統，檢修過程邏輯判斷如圖2 所示。

圖2 西門子TF2000HD 腳踏板故障檢修邏輯

行程開關處于接通狀態，導致PLC 檢測到兩個行程開關信號，出現信號紊亂的情況，當發出回縮指令的時候，檢測到腳踏板已經回縮的信號，而發出伸出指令時，檢測到腳踏板已經伸出的信號。這就導致控制中心邏輯判斷失誤，腳踏板得不到有效控制。最后采取更換行程開關、調節電磁閥、調節信號、開機重啟等措施，故障消除，數控機床正常運行。

5 結束語

數控技術目前已經應用到制造業的方方面面，隨著高新技術的不斷發展，數控技術水平也在不斷提高。數控機床檢修人員，應該不斷更新自己的維修知識，掌握新的技術方法手段，這樣才能確保制造企業的正常生產。