大型数控镗铣床疑难故障诊断方法研究及应用

关进良，姜 涛，赵洪杰，张 泽，黄 成

（首都航天机械有限公司，北京 100076）

0 引言

制造业正处于由“大”变“强”的关键转型阶段，这对制造业的母机数控机床提出了更高的要求，如：制造精度高、加工范围广、工作效率高。大型数控镗铣床基本符合以上要求，已广泛应用于航空航天、车辆船舶、电力和冶金等领域。在大量实践经验的基础上，总结出解决典型疑难故障的有效方案，基本达到了降低设备停机时间，提高故障诊断效率的目的。

1 大型数控镗铣床的特点

大型数控镗铣床有着较强的“加工柔性”，兼具“镗”和“铣”的功能，尤其是在安装上直角铣头后，大大拓展了设备使用功能，能够对大中型壳段类、舱体类等多种类型的产品进行镗孔、钻孔、攻螺纹、铣外型、铣内型（包括异形曲面）等工序的加工，是企业制造工艺中的关键重大设备。

大型数控镗铣床有X、Y、Z、W、B、C（或A）共6 个伺服轴，加工壳段类产品时，可将C 轴竖直放置装夹于B 轴水平回转工作台上，再配合中心架和工装的方式进行操作。依据机床联动轴数，分为6 轴4 联动和6 轴5 联动，或依据机床结构形式，分为卧式（如刨台式卧式镗铣床）（图1）和立式（如数控龙门镗铣床）两种。

图1 数控刨台式卧式镗铣床结构

2 典型疑难故障诊断方法及应用

2.1 某进口大型卧式镗铣床主接触器MCC 故障

故障现象：该设备采用FANUC Series 18i-MB 数控系统，待机时出现报警5136：FSSB：NUMBER OF AMPS IS SMALL和750：SPINDLE SERIAL LINK ERROR。同时机床液压使能丢失，打开电气柜发现标号空开CP1 跳闸，当重新开启使能时，空开CP1 再次跳闸。

故障诊断分析及解决方案：该故障如果直接从报警内容入手，故障原因涉及面较广（包括伺服模块、主轴模块、电源模块以及相关电缆连接均有故障可能）。可从“空开CP1 跳闸”寻找突破口，该空开下端接有AC 200 V 的两根电缆（线号分别为R200 与T200），从机床电气原理（图2）可知，T200 接入电源模块POWER SUPPLY MODULE（PSM）的CX3 接口，再从该接口出来后接入主接触器MCC 线圈的一端，线圈的另一端接的是R200，因此CP1 跳闸原因可能是空开下端存在短路等异常情况。根据以上的分析，使用多用表检测出MCC 线圈的电阻接近0 Ω，其他方面未发现异常，更换该接触器后故障排除，机床恢复正常运行。

图2 机床电气原理

当机床上电后，电源模块自检通过后，CX3 内部继电器的“常开触点”闭合，主接触器MCC 线圈得电，因其短路致使CP1 跳闸，同时主轴模块和各伺服模块无法正常上电启动，引起了5136#和750#两个报警。可见，理解数控系统上电时序（图3）对解决该故障有很大的帮助，即：当控制电源单相200 V 接入，急停信号释放时，如果没有MCC 断开信号MCOFF，主接触器MCC 吸合，三相200 V 动力电源接入，电源模块就绪信号*CRDY 发出（* 表示低电平有效），如果伺服放大器已准备好，发出*DRDY 信号，伺服就绪SA 信号发出，完成一个完整的上电周期。

图3 上电时序

2.2 某大型数控镗铣床主轴故障

故障现象：某大型数控镗铣床采用华中数控HNC-848i 系统，在执行加工程序过程中出现报警：主轴伺服电机电流超过驱动设置的最大值。关机重启后报警消失，试运行一段时间后，报警复现，同时观察到主轴空载时的负载不稳定，有突变现象，且主轴电机有异响。

故障诊断分析及解决方案：根据故障现象，首先检查主轴电机、编码器以及相关电缆，经检查、测量后电机及电缆未发现异常，拆下编码器发现内部进油污染。更换新的编码器后，机床试运行约2 h，故障复现，再次检查编码器，没有被油污染，可见还存在其他故障点。

通过华中数控的专业软件对主轴负载、主轴速度等重要指标进行监控（图4a）），发现主轴旋转时空载电流值波动较大，正常时应在纵坐标轴0 附近，且机床出现报警的同时，发现主轴负载电流出现非常大的波动（图4b）），导致报警停机。为进一步确定故障点，使用“机电分离法”，即把主轴电机和机械部分脱开，软件监控情况与“机电分离”之前一致，基本排除了机械传动部分的故障。故障点很可能在伺服驱动模块上，更换该模块后故障彻底排除，机床恢复正常运行。

图4 主轴运行状态监控

主轴伺服的报警原因比较复杂，可通过专业软件检测法、机床在线诊断法以及机电分离法等手段，对涉及的故障点逐个排除，并尽可能降低返修率。

2.3 某6 轴4 联动数控镗铣床B 轴故障

故障现象：某6 轴4 联动数控镗铣床采用FANUC 数控系统，B 轴（机床工作台）在0°～360°旋转时位置精度合格，但超过这个范围运行时，位置精度超过允差值，不能正常使用，没有任何报警提示。

故障分析及解决方案：此类故障没有报警提示，首先检查机械方面，校准B 轴机械零点和检查反向间隙（在半闭环状态下），以及液压、润滑等方面均正常。在电气方面，可能与硬件、机床参数等有关，使用专业仪器检测B 轴编码器和回零开关及其相关电缆，无异常。

利用激光干涉仪检测位置精度，设置每30°读取一次数据（30°一打，一圈12 个点），由图5a）可看出，在B 轴旋转0°～1800°之间，0°～360°和360°～1800°定位精度误差的规律差异较大。为便于对比观察，在清空螺距补偿数据后，再次检测位置精度（图5b）），发现其规律基本一致。经过对比发现，B 轴螺距补偿数据只是在0°～360°之间生效，其他范围内无效（误差过大），由此联想到检查参数1006，该参数主要作用是设定伺服轴类别（直线轴或旋转轴）以及各类坐标值的舍入方式，发现1006#0（ROTx）和1006#1（ROSx）均为0，查阅参数说明书可知，该参数设定B 轴“存储型螺距误差补偿为直线轴类型”，于是将1006#0 由0 改为1，即设定B 轴“存储型螺距误差补偿为旋转轴类型”，再次使用激光干涉仪在0°～1800°之间检测位置精度，误差均在正常范围内，故障彻底排除。

图5 B 轴激光检测

故障原因是参数设置错误，需要多次使用激光干涉仪检测和数据分析，并要求对机床参数的功能及其设定方法有一定的了解，这也是排除此故障的关键所在。

3 结束语

大型数控镗铣床因机械结构和电气控制系统都比较复杂，技术人员需要对机床比较熟悉，并在日常工作中及时做好故障记录和总结，排除故障一般步骤是：①结合故障现象或报警内容，认真询问机床操作人员故障出现时的设备状态，充分了解故障发生过程中的关键细节，为后续解决故障提供思路；②根据具体故障现象，在理解报警原理的前提下，灵活运用故障诊断方法，并充分利用机床资料进行研究分析，把故障原因逐步缩小，直至具体故障点；③根据故障点及时排除故障，可设计并实施故障预防措施，避免类似故障再次发生，发挥出数控镗铣床的最大价值。