浅谈现代数控机床的电气故障诊断及维修实例

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浅谈现代数控机床的电气故障诊断及维修实例 一、故障的基本概念

　　数控机床是高度机电一体化的技术装备，它与传统的机械装备相比，内容上虽然也包括机械、电气、液压与气动方面的故障，但就其维修和诊断方面的重要性来说，则是侧重于电子系统、机械、液压、气动乃至光学等方面装置的交节点上。由于数控系统种类繁多、结构各异、形式多变，给测试和监控带来了许多困难。
　　所谓系统故障诊断技术，就是在系统运行中或基本不拆卸的情况下，即可掌握系统现行状态的信息，查明产生故障部位和原因，或预知系统的异常和故障的动向，采取必要的措施和对策的技术。诊断的目的就是要确定故障的原因和部位，以便维修人员或操作人员尽快地进行故障的修复。

　　二、故障的分类

　　（一）从故障的起因分类
　　从故障的起因上看，数控系统故障分为关联性和非关联性故障。非关联性故障是指与数控系统本身的结构和制造无关的故障。故障的发生是由诸如运输、安装、撞击等外部因素人为造成的。关联性故障是指由于数控系统设计、结构或性能等缺陷造成的故障。关联性故障又分为固有性故障和随机性故障。一般随机性故障由于存在着较大的偶然性，给故障的诊断和排除带来了较大的困难。
　　（二）从故障的时间分类
　　从故障出现的时间上看，数控系统故障又分为随机故障和有规则故障。随机故障的发生时间是随机的。有规则故障的发生是指有一定的规律性。
3 s' t' W$ G. Y$ A+ `9 u; E7 ]% u　　（三）从故障的发生状态分类
6 g1 L2 z% j, z+ d2 I　　从故障发生的过程来看，数控系统故障又分为突然故障和渐变故障。突然故障是指数控系统在正常是使用过程中，事先并无任何故障征兆出现，而突然出现的故障。渐变故障是指数控系统在发生故障前的某一时期内，已经出现故障的征兆，数控机床还能够正常使用，并不影响加工产品的质量。渐变故障与材料的磨损、腐蚀及蠕变等过程有密切的关系。
, X* R+ {0 e; [- w  G8 y7 L　　（四）按故障的影响程度分类
  v* y7 {; j9 U8 P　　从故障的影响程度来看，数控系统故障分为完全失效和部分失效故障。完全失效是指数控机床出现故障后，不能在进行正常加工工件，只有等故障排除后才能让数控机床恢复正常工作的情况。部分失效是指数控机床丧失了某种或部分系统功能，而数控机床在不使用该部分功能的情况下，仍然能够正常加工工件，这种故障就是部分失效故障。
" ]6 Z& j' p1 g9 [% C　　（五）按故障的严重程度分类
　　从故障出现的严重程度上看，数控系统故障又分为危险性故障和安全性故障。危险性故障是指数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时因故障失去保护作用，造成了人身伤亡或机床故障。安全性故障是指机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床不能启动。
, ?/ T' j6 [0 [" K　　（六）按故障的性质分类
1 Z6 n4 b! o: u. ]. r- C8 }0 o　　从故障发生的性质上看，数控系统故障又分为软件故障。硬件故障和干扰故障三种。其中，软件故障是指由程序编制错误、机床操作失误、参数设定不正确等引起的故障。软件故障可通过认真消化、理解随机资料、掌握正确的操作方法和编程方法，就可避免和消除。硬件故障是指由CNC电子元器件、润滑系统、换刀系统、限位机构、机床本体等硬件因素造成的故障。干扰故障则表现为内部干扰和外部干扰，是指由于系统工艺、线路设计、点源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生的故障。

　　三、数控机床维修的重要性

　　数控机床是一种高投入的高效自动化机床。由于其投资比普通机床高的多，因此降低数控机床故障率，缩短故障修复时间，提高机床利用率是十分重要的工作。
　　任何一台数控设备都是一种过程控制设备，它要求实时控制每一时刻都能准确无误地工作。任何部分的故障和失效，都会使机床停机，从而造成生产的停顿，因而掌握和熟悉数控系统的工作原理、组成结构是做好维修工作的基础，并显得十分重要。此外，尤其对引进的数控设备，大都花费了几十万甚至上千万美元，在许多行业中，这些设备均处于关键工作岗位上的关键工序，若在出现故障后不能及时得到维修，将会给生产单位造成很大的损失。
　　虽然现年带CNC系统的可靠性不断提高，但在运行过程中因操作失误，外部环境的变化等仍免不了出现故障。为此，数控机床应具有自诊断能力，能采取良好的故障显示、检测方法，及时发现并能很快确定故障部位和原因，令操作人员或维修人员及时排除故障，尽快恢复工作。

　　四、故障诊断常用的几种检查方法及维修实例

　　随着人们对数控机床功能要求的提高，各种数控系统厂家也相继开发出不通功能的数控系统来满足人们的需要。各厂家的系统一般都采用人机对话形式，大都具有自诊断功能，这对维修人员提供了很大的帮助，但这些自诊断信息有时带有很大的片面性。人们若按此思考取解决问题，有时会陷入死胡同，不利于解决问题。以下是常见的几种检查方法和我在工作中遇到的一些实际问题，仅供参考。
: T$ f0 r3 T: h1 S6 Y' d) f　　（一）常规检查法
　　外观检查是指依靠人的五官等感觉器官并借助于一些简单的仪器来寻找机床故障的原因。这种方法在维修中是常用的，也是首先采用的。“先外后内”的维修原则要求维修人员在遇到故障时应先采取看、闻、嗅等方法由外向内逐一进行检查。
1．数控铣床XKA5750同时出现
% F. a1 k' F, v　　21612：通道1轴C正在运动时VDI信号“调节器使能”被复位
　　21612：通道1轴Z正在运动时VDI信号“调节器使能”被复位
3 m3 L/ k) n( B/ p! E9 M' X/ v　　700000：伺服未准备好
6 ~6 X1 f' c6 B0 F/ Z& v: s　　700042：Z轴抱闸未打开。
, |2 C, A2 O2 ]% ^3 H. G3 Y. k　　检查伺服使能的外围电路是否有虚接的地方，检查是发现系统模块上663和9端子之间有短接线有些松动，然后又把电源模块上的外接电线重新拧紧。下午继续工作，结果到11日上午上班十分钟后又出现报警，说明其他地方有问题。后检查外围电路发现伺服电机在伺服系统上的接线非常松，于是拧紧。其他外围电路并未发现松动的地方，检查的也是我们平时能够想得到的地方。然后上电试车，报警消除。
% H  E9 b6 J/ R5 ^/ d3 w% m; e　　2．数控车CAK6150D，出现当转动主轴时配电柜内断路器跳闸，后检查配电箱内电路，发现KM1衔铁处于半吸合状态，于是更换接触器，29日更换接触器，故障依旧，后经反复测量发现主轴电机相间电阻均为1.7Ω，而对地电阻几乎为零。又将电机线U1、V1、W1合U1A、V1A、W1A脱开，各个动作均有，后拆下电机后，发现接线盘脱落，接线柱碰到了接线盒盖，重新进行固定后试车，发现只有1、2档，没有3、4档，于是进一步查电路，发现控制3、4档的中间继电器KA5.KA6、KA6.KA7均吸合，但KM1A并没有吸合，检查KM1A的线圈，发现它与KM1B线圈并联，而此时KM1B已经吸合，检查KM1A线圈213线未接好，重新接上线后试车，机床故障排除。
　　3．数控车床CAK9006150Di，出现手动时刀架第二到第三把刀不能换刀，将因刀架误差，将刀架拆开，从而把刀架编码盘拆下，8月14日上午装刀架编码盘，调整上压板到合适位置，达到任何一把刀都能随意交换。装上上盖，再试就不行了，出现连续转动并且刀号显示不完整，于是不知如何办，把电工叫下来再拆开上盖看，发现刀架编码器上有铁削，清理干净后，故障排除。
. O" K" I- w3 ]8 y* Q1 @; ^　　（二）备件替换法
　　现代数控系统大都采用模块化设计，电路的集成度越高，技术也就越来越复杂，按照常规检查方法很难把故障定位在一个很小的区域，而一旦系统发生故障用此方法可大大缩短维修时间，快速找到故障。
　　1．数控铣床XKA5750，在加工过程中显示屏突然黑屏，但程序继续运行直到零件加工完毕。整个系统再上电，显示屏仍然黑屏，使能加不上。
) h* R! W3 ~3 j% z/ m& `% I5 F; |8 j    查找故障原因过程：
8 |- }  {2 C$ _+ B　　Ⅰ.打开操作面板后盖，测量显示器（OP031）电源输入端，为直流24V。MMC103主板上数码管显示数字“8”。显示屏黑屏，无文字显示。但从显示屏后面看屏幕四周边缘有亮线，说明背景灯没问题。
　　Ⅱ.进而测量电源模块的输出电压为直流27V，但实际应为直流600V，使能灯不亮。后将电源模块上9号端子和48号端子短接强制使能，上电后操作面板任何按钮未动，使能灯亮起，但显示屏仍然无显示。
　　Ⅲ.经分析OP031和MMC103故障可能性最大。将MMC103和OP031拆下，将另一台设备上的与该模块进行替换，发现电源模块出现故障，立即更换电源，安装新的电源问题显示屏黑屏问题得到解决，随即使能可以加上。
　　2．数控车床CAK13506150Di, X轴伺服电机震动，产生很大的噪音。曾怀疑是否是丝杠的原因，把电机拆下，即将电机和丝杠之间的联轴器拆下，震动依然没有消除。后又发现上电状态下电机应该处于刹车状态，但电机用手就可以盘动，于是又想是不是制动电阻有问题，将同一台机床上的Z轴电制动电阻拆下换到X轴上，重新上电仍然不行。于是想到把伺服电机拆下换到另一台好的机床上验证一下伺服电机是否出现故障，将电机拆下换到另一台机床上发现可以正常工作，状态非常平稳，排除电机没有问题（在23日曾经试验过一次出现过一次报警为电池电压低），是不是伺服控制器出了问题，还是想用替换法试验是否有问题，将X轴伺服控制器拆下换到另一台好的机床上上电出现报警，必须重新设置参考点，我们就按照说明书上所介绍的重新设置参考点的方法找回来参考点。但找到参考点以后机械坐标和相对坐标绝对坐标不一样了，于是把1815.3和1815.4都改成1就可以了。当时我们在按照说明书设置参考点时发现两位不能同时为1，故障排除。
　　（三）参数检查法
　　数控机床的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据。比如工作范围、轴动态参数，数据需要根据具体的控制对象进行修改。
　　1．数控铣床XKA5750开机返参考点，X轴Y轴正常返参考点，而Z轴却朝着相反的方向移动。手摇或直接按按键动作Z轴动作均正常，但设备无法返参考点，不能工作。于是看Z轴回零限位I32.2（常开）的状态，果然不对（正常情况下应该为0），拆开限位断电状态下测量1L+和42的接线为接通状态，实际应为断开状态，拆下线测量，发现常开点损坏。拆下线上电试验，能够正常返参考点，限位开关上有两组多余的限位接线端子，将好的一组换过来，故障解除。
) i+ A3 l. ~6 i# g! R' l8 K/ n1 @　　2．数控孔磨MK2115,出现70000报警，为砂轮冷却水故障，在PLC输入端子I32.7上接有砂轮水冷正常限位开关（接常开点）将接线拆下后测量限位开关触点，使用的一组常开触点损坏，将2L+和32.7两根接线换到另一组触点上，故障消除。
　　（四）测量比较法
) q1 H6 z- K$ `- v7 d6 n　　这种方法是利用印制线路板上预先设置的检查用端子，确定该部分电路工作是否正常，甚至可在正常线路板上人为的制造一些故障，以判断真正的故障原因。
! V3 K. A: d( n& J9 u& J4 U　　数控铣床XKA5750出现25201报警，解释为：主轴驱动故障，即上电后，按复位键就出现25201的报警，同时伴有SF指示灯红灯亮起，打开配电柜后闻到有糊味，后发现连接在主轴风机上的浪涌吸收器被烧坏，将其拆下，检查主轴电机没问题，主轴断路器QF5没问题，再加电后，仍然闻到有糊味，检查驱动模块，通过监测（用万用表二极管档）U、V、W与P600、M600判定有一管子被击穿。拆下驱动模块，拆开后发现一电阻被烧焦。其他地方未发现异常，将模块进行维修，故障消除。

　　五、电气部分的维护保养

　　为降低机床故障率，提升数控机床工作效率，要求我们对数控机床做好日常维护和定期保养。电气部分包括动力电源输入线路、继电器、接触器、控制电路等及部分。具体检查可按如下步骤进行：①检查三相电源的电压值是否正常，有无偏向，如果输入的电压超出允许范围则进行相应调整。②检查所有电气连接是否良好；③检查各类开关是否有效，可借助于数控系统CRT显示的诊断画面及可编程控制器、输入输出模块上的LED指示灯检查确认，若不良应更换；④检查各继电器、接触器是否工作正常，触电是否完好，可利用数控编程语言编辑一个功能测试程序，通过运行该程序确认各控制器件是否完好有限；⑤检查热继电器、电弧抑制器等保护期间是否有效，等等。以上电气保养应由车间电工实施，每年检查调整一次。