浅谈数控机床的维护保养与故障排除

2010-02-13徐恩成

装备制造技术 2010年3期

徐恩成

（天津轻工职业技术学院，天津300131）

近年来，数控机床大量用于制造业中，成为企业生产的关键设备。数控机床技术集机械制造技术、控制技术、伺服驱动、精密测量、数据通信等各项技术于一体，是机加工领域中典型的机电一体化技术。由于数控机床能按程序自动加工零件，无须使用复杂和专用的工模夹具，能比较好地解决中小批量、多品种和复杂零件的自动化加工问题，生产率高，加工零件一致性好，质量稳定，便于产品的更新换代，同时具有柔性、高精、高速的特点，因而在机械制造业中的应用越来越广泛。但是，数控机床在使用过程中，不可避免地会出现一些故障。因此，数控机床的故障诊断与维修，是在使用过程中的重要组成部分，是长期可靠运行的重要保障。这也使数控机床维护保养工作要求较高,出现的故障种类增多,诊断较为困难。

1 数控机床的合理使用

1.1 工作场的选择

（1）避免阳光的直接照射和其他热辐射，避免太潮湿或粉尘过多的场所，尽量在空调环境中使用，保持室温20℃左右。由于我国处于温带气候，受季风影响，温度差异大，对于精度高、价格贵的数控机床，应置于有空调的房间中使用。

（2）要避免有腐蚀气体的场所。因腐蚀气体易使电子元件变质，或造成接触不良，或造成元件短路，影响机床的正常运行。

（3）要远离振动大的设备(如冲床、锻压设备等)。对于高精度的机床，还应采用防振措施(如防振沟等)。

（4）要远离强电磁干扰源，使机床工作稳定。

1.2 电源

数控系统对电源要求较严，一般要求工作电压为220V±10%。针对我国供电工况，对于有条件的企业，可为数控机床采取专线供电或增设稳压装置，以减少供电品质差的影响，为数控系统的正常运行提供有力保证。

1.3 配置合适的自动编程系统

手工编程对于外形不太复杂或编程量不大的零件程序，简单易行。当工件比较复杂时(如凸轮或多维空间曲面等)，手工编程周期长(数天或数周)，精度差，易出错。因此，快速、准确地编制程序，就成为提高数控机床使用率的重要环节。为此,有条件的用户，最好配置必要的自动编程系统，提高编程效率。

1.4 配置必要的附件和刀具

为了充分发挥数控机床的加工能力，必须配备必要的附件和刀具。切忌花了数十万元钱买来一台数控机床，因缺少一个数十元或数百元的附件或刀具，而影响整机的正常运行。由于单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价，因此有条件的企业尽量在购买主机时，一并购置易损部件及其他附件。

1.5 加工前的准备

加工前要审查工件的数控加工工艺性，应重视生产技术准备工作(包括工件数控加工工艺分析、加工程序编制、工装与刀具配置、原材料准备及试切加工等)，以缩短生产准备时间，充分提高数控机床的使用效率。合理安排适合在数控机床加工的各种工件，安排好数控机床加工运转所需的节拍。

1.6 为维修保养做好准备

建立一支高水平的维修队伍，保证设备的完好性。

2 数控机床的常见故障

2.1 故障发生阶段

故障是指设备或系统因自身原因而丧失规定功能的现象。发生故障具有相同的规律，一般分为3个区域:

（1）初期运行区。故障率较高，故障曲线呈上升趋势，此区故障多数属于设计制造和装配缺陷造成的。

（2）正常运行区。此时故障曲线趋近水平，故障率低，此区故障一般是由操作和维护不良造成的偶发事故。

（3）衰老区。此区故障率大，故障曲线上升快，主要原因是运行过久、机件老化和磨损过度造成。

2.2 故障分类和判断

按结构可分为机械和电气两类，按故障源分为机械故障和控制故障两类，就其数控系统而言，可分为硬件故障、软件故障、干扰故障3类。

要判断是机械方面故障还是控制系统故障，其分析方法是：先检查控制系统，看程序能否正常运行，显示和其他功能键是否正常，有无报警现象等；再检查电机和检测元件是否能正常运转，有无间歇或抖动现象，有无定位不准等问题。如果没有上述问题，则可初步判断故障原因在机械方面，着重检查传动环节。检查传动环节时，应使电机断电，用手动并配合打表检查机器。

3 数控系统常见故障分析

根据数控系统的构成、故障部位及故障现象、工作原理和特点，结合在维修中的经验，将常见的故障部位及故障现象分析如下：

（1）位置环。这是数控系统发出控制指令，并与位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节，具有很高的工作频度，并与外设相联接，所以容易发生故障。常见的故障有：

位控环报警，可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏。

不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件损坏。

测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报警可能的原因，是光栅测量元件内灯泡坏了，光栅或读头脏了，是光栅损坏。

（2）伺服驱动系统关联。伺服驱动系统与电源电网、机械系统等相关联，而且在工作中一直处于频繁的启动和运行状态，因而这也是故障较多的部分。

加工时工件表面达不到要求，走圆弧插补轴换向时出现凸台，或电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服系统调整不当，各轴增益系统不相等或与电机匹配不合适引起，解决办法是进行最佳化调节。

保险烧断或电机过热，以至烧坏，这类故障可能的原因一般是机械负载过大或卡死。

（3）电源部分。电源部分是维持系统正常工作的能源支持部分，其失效或故障的直接结果，是造成系统的停机或毁坏整个系统。一般在欧美发达国家，电力充足，电源质量比较好，这类问题比较少，因而在设计上这方面的因素考虑的不是很多。在中国由于电力紧张，造成电源波动较大，而且质量差，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，还有一些人为的因素，如突然拉闸断电等。

另外，数控系统部分运行数据、设定数据以及加工程序等，一般存贮在RAM存贮器内，系统断电后，靠电源的后备电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或存贮器，都可能造成数据丢失，使系统不能运行。

（4）可编程序控制器逻辑接口。数控系统的逻辑控制如刀库管理、液压启动等，主要由PLC来实现。要完成这些控制，就必须采集各控制点的状态信息，如断电器、伺服阀、指示灯等。因而，其与外界种类繁多的各种信号源和执行元件相连接，变化频繁，所以发生故障的可能性就比较多，而且故障类型亦千变万化。

（5）其他。由于环境条件，如干扰、温度、湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可能造成停机或故障。有一工厂的数控设备，开机后不久便失去数控准备好信号，系统无法工作，经检查发现机体温度很高，原因是通气过滤网已堵死，引起温度传感器动作。更换滤网后，系统正常工作。

不按操作规程拔插线路板，或无静电防护措施等，都可能造成停机故障甚至毁坏系统。

一般在数控系统的设计、使用和维修中，必须考虑对经常出现故障的部位给予报警。报警电路工作后，一方面在屏幕或操作面板上给出报警信息，另一方面发出保护性中断指令，使系统停止工作，以便查清故障和进行维修。

4 故障排除方法

(1)初始化复位法。一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，其系统工作存贮区由于掉电、拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意做好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。

(2)参数更改程序更正法。系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。

(3)最佳化调整法。调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。如在某军工厂维修中，其系统显示器画面混乱，经调节后正常，在山东某厂，其主轴在启动和制动时发生皮带打滑，原因是由于主轴负载转矩大，而驱动装置的斜升时间设定过小，经调节后正常。

最佳化调整，是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，办法很简单：用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系，通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到既有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，可采用一种经验的办法，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。

(4)备件替换法。用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板进行修理或返修，这是目前最常用的排故办法。

(5)改善电源质量法。目前我国的电源质量较差，解决这一问题的办法，一般采用稳压电源，来改善电源波动。对于高频干扰，可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。

(6)维修信息跟踪法。一些大的制造公司根据在实际工作中由于设计缺陷而造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式，不断提供给维修人员。这些信息可以做为故障排除的依据，以正确彻底排除故障。