浅析数控机床进给系统故障诊断与维护

傅子霞

（长沙职业技术学院，湖南 长沙 410217）

数控机床一般由数控系统、包含伺服电动机和检测反馈装置组成的伺服系统、强电控制柜、机床本体和各种辅助装置组成。驱动控制单元及驱动部件组成了驱动系统，机械部件与驱动部件则构成了机械驱动系统，传感系统是由传感部件、反馈电路组成。在数据时代背景下，数控系统得到了飞速的发展，系统的自我诊断能力也较高。比如，就传输错误与检测系统错误，系统可迅速地自我诊断，及时报告故障原因。进给系统内的相关误差主要是由机械误差构成，由于电气系统有保护装置，不能从外部直接观察，部分故障不能通过自我诊断来验证。故障的原因非常复杂，难以确定，维护难度大、耗时长，影响生产加工。本文通过分析常见的进给系统故障，为故障的快速诊断提供有效参考。同时，借助相应的维修案例，通过引入先进的设备，实现故障检测质量和故障诊断效率的提升，为进一步实施智能化故障诊断打下坚实的基础。

1 数控机床故障常见诊断方法

数控机床(CNC machine tools)是一种机电一体化产品，被广泛应用在机械加工领域内，具有精度相对较高、效率高、适应性强等特点。在工业发达国家，数控机床是大批量生产的，很多数控机床都被引进和推广，这为数控机床的发展提供了条件，同时，也为相应的行业带来了较大的经济效益。数控机床进给系统采用的是伺服控制系统，需要计算机技术的支持，该系统的操作较为复杂，在运行阶段对机床的精度有较高的要求。操作难度与维护难度较大，对技术人员的专业水平和技术素质要求较高。准确有效的维护工作，能够实现机床工作效率与工作质量的提升，可切实将数控机床的作用发挥出来。操作人员要掌握数控机床的维护和维修方法，了解其机械结构、电气控制原理、操作系统、编程方法等。数控机床本身具备较强的先进性、智能化，内部较复杂，当出现一些错误或故障，尤其是进给系统出现故障时，数控机床就会停止工作，导致生产中断。因此，及时、准确地诊断和排除数控机床进给系统中的故障应引起广泛关注。

1.1 自诊功能法

现代的数控机床系统通常具有自诊断功能。根据警告信息和LED指示，可以大致确定故障原因。使用自我诊断功能修复数控机床的关键是在正常运行时捕获诊断系统的状态信息，并显示系统与主机之间的信号是否正常，以确定是否引起故障。该方法得到了广泛的应用，可以实现有效的故障维护。

1.2 备件替换法

现代数控机床系统选择的是模块化方案，其功能可划分为不同的模块，电路集成的规模较大，使系统技术也愈发复杂。传统的诊断技术很难在小面积内发现缺陷，为实现停机时间的缩短，要结合故障模块的功能，或者是结合真实的故障现象，提前进行故障判断，查看备件是否更换，从而快速确定故障原因。此方法应在电源关闭时运行，还要确保组件的类型相同。机床的相关数据和电位器的位置必须标注并记录。

1.3 功能程序测试法

通过编写数控机床系统的功能代码，比如，圆弧的插补、螺纹的切削、定位、循环用户宏等，能够测试功能程序。通过运行“宏”功能，可以执行任务，确保系统操作的可靠性与精准性，及时地将错误原因确定出来。

1.4 参数检查法

通过查看系统参数，可及时地判断系统的情况，并将相应的数据储存其中。当电池电量不足或外部干扰时，各个参数可能会丢失或更改。此外，由于运动中的机械零件的磨损，电子部件性能的变化和其他原因，相关参数将无法适应，并且系统将变得混乱或无法正常运行。此时，可以通过检查和更正参数来消除故障。尤其是机器长时间闲置，系统无故启动，出现异常故障，并不提示报警，需结合参数，开展检查，并对相应的数据开展分析。

1.5 维修信息跟踪法

数控机床系统本身较复杂，设计缺陷不可避免。也正因如此，需要不断地进行系统修正，定期改进系统的软硬件，定期盘查故障。这些任务主要由制造商执行，并以维护信息的形式不断提供给维护人员，这是故障排除的基本基础。因此，有必要加强与制造商的联系和沟通。

2 进给系统可靠性分析与常见故障

根据近年来对数控机床维修的最新统计，在2250多起维修案例中，有660项与进给系统故障密切相关，其发生率为29.30%。深入剖析可得知，机械传动故障率较低，但是，维修的所需时间较长，且维修的难度也比较大。

机械传动系统常见的故障包括滚珠丝杠噪音、导轨错误运动等。在实际维修中，机械传动系统存在缺陷，跑道润滑不当，以及跑道过紧，导致跑道爬行。随着使用时间的延长，轴承的预紧力和螺母、螺钉的扭矩会降低，传动链中会出现一些问题。传动链过长，传动轴直径过小，支架和支架座刚度不足，导致加工精度差。发出的异常噪音可能是由于轴承、丝杠、组件磨损等。在进行故障的维修期间，要实现故障的快速诊断，并及时地进行故障器件更换，及时更换损坏部件。在进行机械故障的维修期间，要注意观察，确保故障的及时发现，及时恢复。虽然传动系统有相对较高的故障率，但这些故障很容易诊断。常见的故障为驱动故障与电机故障，一般是系统自我诊断所得。该故障的发生率较高，大部分故障也比较容易检测到，因为运动监测报警、零故障、光栅尺、编码器等传感器元件都会引起振动和系统抖动，这一故障的排除流程也相对简单。

3 故障实例分析

3.1 故障情况

三轴立式加工中心，选择的系统为FANUC0I数控系统，实施的是半闭环伺服控制方案。操作包括：先铣削一个圆，在机床象限的X轴方向上有明显的过切削，加工一遍，导致零件加工质量差。红线则是顺时针旋转所得的路径，绿线则是逆时针旋转所得的路径。主要是因为在x轴上有明显的反应，使用激光干涉仪实时检测x轴，结果表明，在x轴上有45μm的方向间隙。补偿后，激光干涉仪再次检测到X轴，定位精度为13μm，间隙减小为8μm。但二次使用该仪器设备时，机床的圆度并未显著提升。机床的圆度为42.5m，通过分析结果可知，X轴的间隙较小，但是，其反向偏差逐步增加，在30μm左右，使机床的圆度控制较差。造成这种错误的一个常见原因是驱动丝杠的间隙，可以通过锁定后轴承螺母来固定该间隙。

3.2 分析步骤

当数控机床出现故障，维修人员要先仔细认真地观察，结合实际的故障情况，开展全面细致的分析，并确定故障原因，找到故障点，然后有计划、有目的地逐步探查。故障诊断流程主要包括：第一，观察。结合机床出现的故障，掌握故障发生的原因及实际情况，初步检查数控机床，关注控制柜面显示的内容，结合各类提示灯进行相应的判断。第二，分析。深入分析故障，根据故障因素认知，分析故障原因，确定故障方位，并制定排除故障的方案。第三，搜索。按照从外到内的顺序，从容易到困难，即先检查可以直接访问或对刚拆完的零件进行检查，再对可以分批拆的零件进行检查，接着进行深入检查。

随着科学技术的不断进步与发展，数控技术也愈发完善，技术体系也愈发成熟，很多先进技术存在，比如，通信诊断技术、自我修复技术等。通过不断地开发新技术，并投入应用，能够为机床故障诊断提供切实有效的方法与手段。

3.3 诊断结果

结合上述故障情况，按照故障分析步骤实施诊断。反复确定精度，X轴的运动值与理论值吻合即可。在经过2～3个单运动后，X轴的运动值与理论值开始存在误差，且随着时间的推移，误差的数值也开始增加，达到最大值45μm。在移动7或8个单元后，实验可以在任何时间重复数次，情况不变。这意味着45μm是运动误差，而不是对x轴运动的响应。通过综合分析，可以提前确定缺陷是否由x轴驱动机构引起，可能是丝杠翘曲或变形引起的，也可能是电缆磨损引起的螺栓变形。因此，在松开后轴承螺母后，会突然运动，并推断螺杆产生了变形。机床的x轴滚珠丝杠由安装在两端的角接触球轴承与深沟球轴承形成支撑，可增加主轴的传动刚度，针对主轴的热变形，表现得极为敏感。轴承磨损、床身变形、螺杆变形等都可能使机床进给系统出现故障。

4 结语

数控机床进给系统故障类型多，涉及机械、电气、数控系统等方面。随着制造技术的飞速发展，数控机床的智能化水平也在不断提升，因此，对其故障诊断和维护的技术水平和要求也越来越高。常规的故障诊断方法已经越来越不能满足广大数控机床维修人员的实际需求。对数控机床进给系统的故障诊断与维护，需要不断地结合实际情况，引入智能化故障诊断技术，同时，积累更多的故障诊断经验，达到对故障的快速诊断和维修维护。