主要針對大型數控機床在生產使用過程中，容易出現的故障，分析如何快速進行診斷和排除。通過典型實例闡述了怎樣利用專業技術理論，快速準確地找到不同類型故障點的方法，針對各種情況制訂出不同的解決方案，可以在實際的維修過程中起到事半功倍的作用，以提高大型數控機床維修工作中故障的診斷、排除速度和質量，有效提高生產效率，充分滿足生產的需求。
有關數控機床維修的文章在雜志或網絡有很多，但大多是一些小型機床通用性的故障檢修方法。大型的數控機床由于機床軸數和檢測點位多，并具有完善的保護系統，而控制系統復雜，各部分功能相互關聯性強，因此在出現故障時，維修人員往往感到束手無策而無從下手。本文主要針對一些系統龐大、控制復雜的大型數控機床的故障進行綜合性的探究。
隨著數控機床的普及， 特別是一些大型的數控機床，在企業生產中起著關鍵性的作用，同時對機床維修人員的要求越來越高，不但要具備較高的數控專業知識，而且還要具有一定的機械和液壓的理論基礎，熟知機床的結構特點。在實際維修過程中就可以起到事半功倍的效果。由于我公司的大型數控機床較多，在日常維修和保養中積累了一定的維修方法，在此分享出來，可以提高維修工作中故障的診斷、排除的速度和質量。
1. 數控系統基本故障的分析診斷
（1）基礎故障的分析。當數控機床出現故障時，首先要求操作工不要對機床進行任何操作，保持原有的故障狀態。同時要詢問產生故障的背景、故障現象以及故障的指示等情況。然后通過仔細地觀察，聽、摸、聞、看等檢查是否能夠發現一些表面異常情況，包括各坐標軸位置、主軸狀態、刀庫以及機械手柄位置等是否處于正常狀態；根據故障情況對照機床的圖樣、資料，判斷故障原因或根據經驗查找出現故障幾率較高的部位；再就是一些特殊故障，可以直接檢查所懷疑的故障點。此方法需要平時記錄修理過程，遇到一些常規的類似故障現象，查閱修理記錄解決。
也可以應用常規的電阻法、電壓法、替換法和短接法（用于低電壓、小電流回路中）進行診斷。
必要時借助專業的儀器儀表幫助分析。故障解決的快慢主要取決于對機床的結構以及對控制系統理解的層次。
（2）出現報警的分析。①系統故障報警通常出現在數字驅動、數控系統產生故障時，系統內部的自診斷程序會對系統內部的關鍵硬件以及系統的控制軟件進行自我診斷，有問題時發出報警，一般會在顯示屏或操作面板上顯示，能夠顯示故障代碼，還有具體的英文或中文信息提示。
一般比較直觀，查找相關手冊中對具體的報警代碼的詳細解釋，具體問題進行具體的處理。②機床生產廠家根據自己機床的結構特點，往往會對機床的液壓系統、冷卻系統及潤滑系統等的一些壓力、液位和流量，機械系統的床身、立柱、工作臺及刀架等接近或處在極限限位、放松夾緊等狀態進行檢測其工作狀態；還有一些電磁閥、離合器等進行了位置檢測，通過系統控制的PLC邏輯程序，可以在顯示器比較直觀地顯示出機床外部接口的報警信息。一旦這部分出現故障而引起報警時，可對照機床生產廠家提供的手冊，也可根據PLC邏輯程序追蹤檢測，很快就能夠定位故障點。
（3）偶發性停機或無報警的分析。機床有時候會出現偶發性停機，但無報警。此種情況可能是由于機床的軟件設計存在某種bug，常常出現于某種功能在個別操作的組合時產生，一般情況下斷電再上電就會消除故障；還有一種情況是受到外界因素（電網質量、強電磁場、粉塵、溫度及濕度等）的影響，而且還會引起NC、PLC通信中斷造成PLC停機，操作面板所有指示燈不停的閃爍。這種情況不但會造成系統停機，而且還有可能損壞系統，需要引起注意。
2. 常見故障的快速診斷和維修方法
（1）系統供電電源。系統供電包含控制系統供電和伺服驅動供電，它是整個控制系統的能量之源，一旦發生故障，不但會造成系統停機， 而且可能會引起數據丟失， 嚴重時還會損壞系統的局部甚至全部。大型數控機床的數控系統通常采用的是WINDOWS操作平臺，突然斷電還會引起系統數據丟失、加工數據丟失等問題。因此在供電電源出現故障時，需要系統保護性停機，同時給予故障報警，這在數控系統設計時一般都有。一般老企業的供電電網的電源質量普遍較差， 可能大量使用變頻、伺服、可控硅、高感抗電動機及電焊機等，又未采取濾波吸收等措施，因此電網存在高次諧波、多次諧波以及電壓波動較大等情況， 對系統的電源部分影響較大，如果處理不好極易引發電源故障。
例如，北京第一機床廠生產的XKA2125數控龍門鏜銑床，有一段時期經常出現急停故障，停機后片刻就會自動恢復，而且連續出現同樣現象。分析電氣原理圖并對照PLC程序，檢查急停鏈控制電路未發現異常，在觀察機床工作狀態時，發現出現故障時繼電器KA905未吸合，而KA905是監控24V4電源的（見圖1），正常情況下應該是吸合狀態，其常開觸點為PLC輸入I32.0，PLC程序未檢測到其輸入信號而觸發系統報警。然而過幾分鐘后KA905又自動吸合，報警消失。此現象反復出現，繼而連續測量24V4電源輸出電壓，發現電源正常工作一段時間后就無輸出電壓了。進一步檢查供電電源，發現其表面溫度很高，判斷有可能當溫升到一定程度其電源內部自身的保護電路動作，關斷輸出電壓，避免因溫度過高而燒毀電源。故將電源拆下打開檢查，發現其內部散熱風扇損壞，終于發現問題所在，更換風扇后故障排除。
圖1 控制電源監測
此類故障時，由于24V電源過熱保護而引起的系統停機，故障頻繁出現，系統時好時壞，為了判斷出電源是否工作可靠，就要對電源進行長時間監控，才能發現問題的所在。
（2）坐標軸的伺服驅動。伺服驅動系統包括伺服驅動器和伺服電動機，是數控機床的執行動作部分，根據數控系統的指令軌跡，把有效的電能轉換為機械動能來完成工件加工，不但工作于大電流狀態，而且具有頻繁變速和啟停的特性，因此也是容易產生故障的。
青海機床廠生產的CK61250重型數控臥車會在開機啟動后，剛加載使能后就出現報警“X軸變頻器出錯” ， 復位后顯示報警“X軸伺服故障”，且無法復位。檢查發現報警時X 軸驅動器故障燈亮， 逐一檢查光柵尺和讀數頭未發現問題， 排除位置測量系統故障， 把問題轉向SIMODRIVE611D驅動器，仔細觀察發現驅動器電源模塊直流母線附件的外殼有輕微發黑跡象，打開直流母線蓋板發現聯接母線的螺釘松動造成接觸不良，并有燒黑跡象， 處理母線重新聯接好，開機試車一切正常，未再出現上述報警。
總結維修經過，分析此故障引起的原因為驅動器直流電源因接觸不良引起驅動器供電異常，但此現象隱蔽性比較強，不易被發現， 經過認真分析和仔細觀察，才能發現問題所在，不但可以為今后的工作中處理類似問題提供了一定的思路，而且能夠增加自身的維修經驗。
（3）坐標軸的測量反饋。大型數控機床大多采用SIEMENSE840D數控系統，各坐標軸基本上都是全閉環結構，用光柵編碼器進行角度測量，長度光柵尺進行直線測量，共同完成速度和位置的控制， 這也是數控機床進行加工精度和定位精度的重要保障。而這些元件的安裝位置，又很容易受到外界環境的干擾、玷污等，往往會造成信號出錯或丟失，嚴重時可能損壞，進而引發停機等故障。測量反饋系統的故障在實際中也是經常出現的，以下通過實例進行說明快速查找和處理的方法。
北京第一機床廠生產的XKAU2765雙定梁數控龍門鏜銑床， 在工作中出現報警“X1軸主動編碼器出錯” 。為了區分故障部位， 首先將X1軸更改為半閉環方式運行， 具體操作方法是： 在主菜單中選擇“ 診斷”→“PLC”，打開PLC狀態列表， 在列表中輸入DB99.DBX1.1和DB99.DBX1.2，分別將其值改為“1”和“0”，并按“接受”鍵，此時X1軸已被改為半閉環工作狀態，主動編碼器已無效，這時出現報警提示“X1軸從動編碼器出錯”，但X1軸已能開動。說明故障原因出在第二測量系統上，也就是光柵尺位置測量系統，該機床使用了海德漢LB382C直線光柵尺，檢查光柵尺讀數頭連接電纜未發現問題，最后拆下讀數頭發現其光學系統有油污， 清理干凈后裝上， 并將X1軸改回為全閉環方式，即在PLC狀態列表中將DB99.DBX1.1和DB99.DBX1.2分別置“0”和“1”，試車后一切正常未再出現報警。
此類因測量系統引起的報警大多發生在光柵尺讀數頭被油污和其他雜質污染所致，還有一部分是來自其連接電纜出現斷線或接觸不良引起的。針對具體情況可以用排除法或替換法來進行診斷和處理。
（4）PLC的I/O連接。大型數控機床的PLC邏輯控制均集成于數控系統內部，通過MPI總線與外部I/O模塊、特殊模塊等進行通信鏈接，這些模塊通過采集來自機床外部的壓力、流量、編碼、位置等各類狀態的實時信息，以及連接控制部分的各類繼電器、電磁閥和離合器等執行元件。它是數控系統與機床床身的紐帶和橋梁。實現信息的雙向傳輸，幾乎連接所有的控制元件，由于種類以及功能性較多，數量龐大，分布于床身的各個部位，所以相對出現的故障率較高，而且有著千差萬別的故障種類。針對此類故障可以通過“ 診斷” 區中的“PLC”列表狀態結合電氣原理圖來診斷，必要時則需要用電腦與系統聯機，利用STEP7軟件對PLC程序實時監控來進行診斷。
以下通過檢修實例進行說明：
北京第一機床廠生產的XKAU2890雙動梁數控龍門鏜銑床， 在開機時面板所有指示燈閃爍不停，HMI啟動后出現一系列報警：3000（急停）\2000（PLC運行信息監控）和810004（ 停止/ 中斷事件， 必須通過STEP7進行故障分析）。PLC出現錯誤報警，MMC與PLC通信中斷。
根據故障現象首先檢查了PCU上的MPI總線插頭，未發現問題。因為出現了PLC運行監控報警，用電腦聯機STEP7軟件上傳程序進行在線診斷，發現PLC報錯，進入PLC硬件診斷緩沖區，根據信息提示發現FC69功能塊出現錯誤（見圖2）。
圖2 STEP7硬件診斷緩沖區
通過查詢資料得知此功能塊為附件頭識碼開關檢測，因為在該機床上安裝有識碼開關讀碼器，用以識別不同的附件頭，經總線與NCK的X102連接。檢查讀碼器時發現指示燈狀態不對，24V電源正常，PROFIBUS線正常。左側指示燈狀態：PWR、ERR、S TA、RDY、RUN和INPUT均不亮，右側HEAD1～4全亮（見圖3）。
圖3 讀碼器顯示異常
指示燈顯示讀碼器工作異常，由于此讀碼器與NCK經總線連接，且工作異常，造成PLC程序在調用FC69時出錯，因此PLC運行監控、機床出現急停報警的故障。在OB1里將FC69功能塊取消調用后機床重啟，未再出現上述報警，系統暫時恢復正常；最后更換讀碼器后，故障徹底解除。
此類PLC接口部分引起的報警，大多是由于安裝在床身的元件出現問題所致，本例中的故障比較特殊，引發一系列的報警，讓人感到無從下手。其實只要從關鍵點入手， 問題就能迎刃而解。大多數的PLC接口故障報警比較直觀，如壓力、流量及限位等，如果機床廠家有完整的報警信息，可以直接切入重點問題，并快速解決；如果機床廠家報警信息不夠完善，就要根據PLC程序進行具體問題具體分析，可以用替換法來進行診斷和處理，也能快速找到故障點。
3. 結語
對于維修大型的數控機床，一方面要具有自動控制系統的理論基礎，還要全面地理解NC、PLC、數字驅動、編程及總線等數控專業知識，這就需要不斷地學習相關的基礎理論。由于相關資料多數都是英文資料，所以提高自己的英語水平也是至關重要的；另一方面要多參與各種設備維修，不斷積累和豐富實際工作經驗和邏輯推斷能力； 深入了解對機床的結構、性能以及加工工藝特點，這樣在實際維修過程中，多數的故障根源就會快速找到，并迎刃而解。
-End-
?本文發表于《金屬加工（冷加工）》2023年16期60-62頁，作者：中信重型機械公司設備工具研究所 楊少卿。
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