涂小華 曹昌林 胡文偉

(江西旅游商貿(mào)職業(yè)學(xué)院，江西 南昌 330100)

一、引言

在故障診斷時應(yīng)掌握幾個原則：

1.先外部后內(nèi)部

由于數(shù)控機床是集機械、液壓、電氣為一體的機床，其故障的發(fā)生也會由這三者綜合反映出來。維修人員應(yīng)先由外向內(nèi)逐一進行排查。盡量避免隨意地啟封、拆卸，否則會擴大故障，使機床喪失精度、降低性能。系統(tǒng)外部的故障主要是由于檢測開關(guān)、液壓元件、氣動元件、電氣執(zhí)行元件、機械裝置等出現(xiàn)問題而引起的。

2.先機械后電氣

一般來說，機械故障較易發(fā)覺，而數(shù)控系統(tǒng)及電氣故障的診斷難度較大。在故障檢修之前，首先注意排除機械性的故障。

3.先靜態(tài)后動態(tài)

先在機床斷電的靜止狀態(tài)，通過了解、觀察、測試、分析，確認通電后不會造成故障擴大、發(fā)生事故后，方可給機床通電。在運行狀態(tài)下，進行動態(tài)的觀察、檢驗和測試，查找故障。而對通電后會發(fā)生破壞性故障的，必須先排除危險后，方可通電。

4.先簡單后復(fù)雜

當出現(xiàn)多種故障互相交織，一時無從下手時，應(yīng)先解決容易的問題，后解決難度較大的問題。往往簡單問題解決后，難度大的問題也可能變得容易。

二、數(shù)控機床故障診斷

這里僅對一些常用的一般性方法作以介紹，這些方法互相聯(lián)系，在實際的故障診斷中，對這些方法要綜合運用。

1.根據(jù)報警進行故障診斷

計算機數(shù)控系統(tǒng)大都具有很強的自診斷功能。當機床發(fā)生故障時，可對整個機床包括數(shù)控系統(tǒng)自身進行全面的檢查和診斷，并將診斷到的故障或錯誤以報警或錯誤代碼的形式顯示在CRT上。

報警(錯誤代碼)一般包括下列幾方面的故障(或錯誤)信息：

(1)程序編制錯誤或操作錯誤；

(2)存儲器工作不正常；

(3)伺服系統(tǒng)故障；

(4)可編程控制器故障；

(5)連接故障；

(6)溫度、壓力、液位等不正常；

(7)行程開關(guān)(或接近開關(guān))狀態(tài)不正確。

利用報警進行故障診斷是數(shù)控機床故障診斷的主要方法之一。如果機床發(fā)生了故障，且有報警顯示于CRT上，首先就要根據(jù)報警的內(nèi)容進行相應(yīng)的分析與診斷。當然，報警多數(shù)情況下并不能直接指出故障源之所在，而是指出了一種現(xiàn)象，維修人員就可以根據(jù)所指出的現(xiàn)象進行分析，縮小檢查的范圍，有目的地進行某個方面的檢查。

2.根據(jù)控制系統(tǒng)LED燈或數(shù)碼管的指示進行故障診斷

控制系統(tǒng)的LED(發(fā)光二極管)或數(shù)碼管指示是另一種自診斷指示方法。如果和故障報警同時報警，綜合二者的報警內(nèi)容，可更加明確地指示出故障的位置。在CRT上的報警未出現(xiàn)或CRT不亮?xí)r，LED或數(shù)碼管指示就是唯一的報警內(nèi)容了。

3.根據(jù)PC狀態(tài)或梯形圖進行故障診斷

現(xiàn)在的數(shù)控機床上幾乎毫無例外地使用了PLC控制器，只不過有的與NC系統(tǒng)合并起來，統(tǒng)稱為CNC部分。但在大多數(shù)數(shù)控機床上，二者還是相互獨立的，二者通過接口相聯(lián)系。無論其形式如何，PLC控制器的作用卻是相同的，主要進行開關(guān)量的管理與控制。控制對象一般是換刀系統(tǒng)，工作臺板轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，液壓、潤滑、冷卻系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)具有大量的開關(guān)量測量反饋元件，發(fā)生故障的概率較大。特別是在偶發(fā)故障期，NC部分及各電路板的故障較少，上述各部分發(fā)生的故障可能會成為主要的診斷維修目標。因此，對這部分內(nèi)容要熟悉。首先要熟悉各測量反饋元件的位置、作用及發(fā)生故障時的現(xiàn)象與后果。對PLC控制器本身也要有所了解，特別是梯形圖或邏輯圖要盡量弄明白。這樣，一旦發(fā)生故障，可幫助你從更深的層次認識故障的實質(zhì)。

4.根據(jù)機床參數(shù)進行故障診斷

機床參數(shù)也稱為機床常數(shù)，是通用的數(shù)控系統(tǒng)與具體的機床相匹配時所確定的一組數(shù)據(jù)，它實際上是NC程序中未定的數(shù)據(jù)或可選擇的方式。機床參數(shù)通常存于RAM中，由廠家根據(jù)所配機床的具體情況進行設(shè)定，部分參數(shù)還要通過調(diào)試來確定。機床參數(shù)大都隨機床以參數(shù)表或參數(shù)紙帶的形式提供給用戶。

5.用診斷程序進行故障診斷

絕大部分數(shù)控系統(tǒng)都有診斷程序。所謂診斷程序就是對數(shù)控機床各部分包括數(shù)控系統(tǒng)本身進行狀態(tài)或故障檢測的軟件，當數(shù)控機床發(fā)生故障時，可利用該程序診斷出故障源所在范圍或具體位置。診斷程序一般分為三套，即啟動診斷、在線診斷或稱后臺診斷和離線診斷。啟動診斷指從每次通電開始至進入正常的運行準備狀態(tài)止，CNC內(nèi)部診斷程序自動執(zhí)行的診斷，一般情況下數(shù)秒之內(nèi)即告完成，其目的是確認系統(tǒng)的主要硬件可否正常工作。主要檢查的硬件包括：CPU、存儲器、I/O單元等印刷板或模塊；CRT/MDI單元、閱讀機、軟盤單元等裝置或外設(shè)。若被檢測內(nèi)容正常，則CRT顯示表明系統(tǒng)已進入正常運行的基本畫面(一般是位置顯示畫面)。否則，將顯示報警信息。在線診斷是指在系統(tǒng)通過啟動診斷進入運行狀態(tài)后由內(nèi)部診斷程序?qū)NC及與之相連接的外設(shè)、各伺服單元和伺服電機等進行的自動檢測和診斷。

三、數(shù)控機床的常見故障排除方法

由于數(shù)控機床故障比較復(fù)雜，同時數(shù)控系統(tǒng)自診斷能力還不能對系統(tǒng)的所有部件進行測試，往往是一個報警指示出眾多的故障原因，使人難以入手。下面介紹生產(chǎn)實踐中常用的排除故障方法。

1.直觀檢查法

直觀檢查法是維修人員根據(jù)對故障發(fā)生時的各種異常現(xiàn)象的觀察，確定故障范圍，可將故障范圍縮小到一個模塊或一塊電路板上，然后再進行排除。一般包括：

(1)詢問：向故障現(xiàn)場人員仔細詢問故障產(chǎn)生的過程、故障表象及故障后果等；

(2)目視：總體查看機床各部分工作狀態(tài)是否處于正常狀態(tài)，各電控裝置有無報警指示，局部查看有無保險燒斷，元器件燒焦、開裂、電線電纜脫落，各操作元件位置正確與否等等；

(3)觸摸：在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、各功率及信號導(dǎo)線的聯(lián)接狀況以及用手摸并輕搖元器件，尤其是大體積的阻容、半導(dǎo)體器件有無松動之感，以此可檢查出一些斷腳、虛焊、接觸不良等故障；

(4)通電：是指為了檢查有無冒煙、打火，有無異常聲音、氣味以及觸摸有無過熱電動機和元件存在而通電，一旦發(fā)現(xiàn)立即斷電分析。如果存在破壞性故障，必須排除后方可通電。

2.初始化復(fù)位法

一般情況下，由于瞬時故障引起的系統(tǒng)報警，可用硬件復(fù)位或開關(guān)系統(tǒng)電源依次來清除故障。若系統(tǒng)工作存貯區(qū)由于掉電、撥插線路板或電池欠壓造成混亂，則必須對系統(tǒng)進行初始化清除，清除前應(yīng)注意作好數(shù)據(jù)拷貝記錄，若初始化后故障仍無法排除，則進行硬件診斷。

3.自診斷法

數(shù)控系統(tǒng)已具備了較強的自診斷功能，并能隨時監(jiān)視數(shù)控系統(tǒng)的硬件和軟件的工作狀態(tài)。利用自診斷功能，能顯示出系統(tǒng)與主機之間的接口信息的狀態(tài)，從而判斷出故障發(fā)生在機械部分還是數(shù)控部分，并顯示出故障的大體部位(故障代碼)。

(1)硬件報警指示：是指包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)在內(nèi)的各電氣裝置上的各種狀態(tài)和故障指示燈，結(jié)合指示燈狀態(tài)和相應(yīng)的功能說明便可獲知指示內(nèi)容及故障原因與排除方法；

(2)軟件報警指示：系統(tǒng)軟件、PLC程序與加工程序中的故障通常都設(shè)有報警顯示，依據(jù)顯示的報警對照相應(yīng)的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及排除方法。

4.功能程序測試法

功能程序測試法是將數(shù)控系統(tǒng)的G、M、S、T、F功能用編程法編成一個功能試驗程序，并存儲在相應(yīng)的介質(zhì)上，如紙帶和磁帶等。在故障診斷時運行這個程序，可快速判定故障發(fā)生的可能起因。

功能程序測試法常應(yīng)用于以下場合：

(1)機床加工造成廢品而一時無法確定是編程操作不當、還是數(shù)控系統(tǒng)故障引起；

(2)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)隨機性故障，一時難以區(qū)別是外來干擾，還是系統(tǒng)穩(wěn)定性個好；

(3)閑置時間較長的數(shù)控機床在投入使用前或?qū)?shù)控機床進行定期檢修時。

5.備件替換法

用好的備件替換診斷出壞的線路板，即在分析出故障大致起因的情況下，維修人員可以利用備用的印刷電路板、集成電路芯片或元器件替換有疑點的部分，從而把故障范圍縮小到印刷線路板或芯片一級。并做相應(yīng)的初始化起動，使機床迅速投入正常運轉(zhuǎn)。對于現(xiàn)代數(shù)控的維修，越來越多的情況采用這種方法進行診斷，然后用備件替換損壞模塊，使系統(tǒng)正常工作。盡最大可能縮短故障停機時間，使用這種方法在操作時注意一定要在停電狀態(tài)下進行，還要仔細檢查線路板的版本、型號、各種標記、跨接是否相同，若不一致則不能更換。拆線時應(yīng)做好標志和記錄。一般不要輕易更換CPU板、存儲器板及電地，否則有可能造成程序和機床參數(shù)的丟失，使故障擴大。

6.交叉換位法

當發(fā)現(xiàn)故障板或者個能確定是否是故障板而又沒有備件的情況下，可以將系統(tǒng)中相同或相兼容的兩個板互換檢查，例如兩個坐標的指令板或伺服板的交換，從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應(yīng)特別注意，不僅要硬件接線的正確交換，還要將一系列相應(yīng)的參數(shù)交換，否則不僅達不到目的，反而會產(chǎn)生新的故障造成思維混亂，一定要事先考慮周全，設(shè)計好軟、硬件交換方案，準確無誤再行交換檢查。

7.參數(shù)檢查法

系統(tǒng)參數(shù)是確定系統(tǒng)功能的依據(jù)，參數(shù)設(shè)定錯誤就可能造成系統(tǒng)的故障或某功能無效。發(fā)生故障時應(yīng)及時核對系統(tǒng)參數(shù)，參數(shù)一般存放在磁泡存儲器或存放在需由電池保持的CMOS RAM中，一旦電池電量不足或由于外界的干擾等因素，使個別參數(shù)丟失或變化，發(fā)生混亂，使機床無法正常工作。此時，可通過核對、修正參數(shù)，將故障排除。

8.測量比較法

CNC系統(tǒng)生產(chǎn)廠在設(shè)計印刷線路板時，為了調(diào)整和維修方便，在印刷線路板上設(shè)計了一些檢測端子。維修人員通過測量這些檢測端子的電壓或波形，可檢查有關(guān)電路的工作狀態(tài)是否正常。但利用檢測端子進行測量之前，應(yīng)先熟悉這些檢測端子的作用及有關(guān)部分的電路或邏輯關(guān)系。

9.敲擊法

當系統(tǒng)故障表現(xiàn)為有時正常有時不正常時，基本可以斷定為元器件接觸不良或焊點開焊，利用敲擊法檢查時，當敲擊到虛焊或接觸不良的故障部位時，故障就會出現(xiàn)。

10.局部升溫法

數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過長期運行后元件均要老化，性能變壞。當它們尚未完全損壞時，出現(xiàn)的故障就會時有時無。這時用電烙鐵或電吹風(fēng)對被懷疑的元件進行局部加溫，會使故障快速出現(xiàn)。操作時，要注意元器件的溫度參數(shù)等，注意不要損壞好的元器件。

11.原理分析法

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的組成原理，可從邏輯上分析各點的邏輯電平和特性參數(shù)，如電壓值和波形，使用儀器儀表進行測量、分析、比較，從而確定故障部位。除以上常用的故障檢測方法之外，還可以采用拔插板法、電壓拉偏法、開環(huán)檢測法等?？傊?，根據(jù)不同的故障現(xiàn)象，可以同時選用幾個方法靈活應(yīng)用、綜合分析，才能逐步縮小故障范圍，較快地排除故障。

四、數(shù)控機床故障診斷實例

功能程序測試法是通過某些特殊的操作或編制專門的測試程序段，確認故障原因的一種方法。如通過手動單步執(zhí)行自動換刀、自動交換工作臺動作，執(zhí)行單一功能的加工指令等方法進行動作與功能的檢測。通過這種方法，可以具體判定故障發(fā)生的原因與部件，檢查程序編制的正確性。

例：現(xiàn)有一毛坯：?30mm×100mm的棒料，要加工出圖1所示零件。現(xiàn)用數(shù)控仿真系統(tǒng)檢測工件坐標系建立的指定功能。

G00、G92、G50和G54在數(shù)控車床中的運用。

G00——快速點定位；

G92、G50——建立工件坐標系；

G54——建立工件第一坐標系。

圖1 棒料毛坯

1.選擇機床

選擇廣州數(shù)控GSK—980T：標準(車床身前置刀架)。

2.定義毛坯和選擇刀具

定義毛坯：材料(45號鋼)、尺寸(?30mm×150mm)等。選擇刀具：主偏角為95°的外圓車刀等。

3.對刀和編寫程序

因為是前置刀架，所示對刀過程中，車端面時，Z軸的坐標值是181.127，則將對應(yīng)的Z軸刀補也輸入181.127。車外圓柱面時，X軸的坐標值是237.029，再減去測量中半徑為14.526的兩倍(即其直徑值)。就可以完成對刀的過程，如：

先用G00編寫程序：

T0101；

M03 S600；

G00 X100.0 Z100.0；

X32.0 Z0；

G01 X-1.0 F80；

G00 Z2.0；

X28.0；

G01 Z-40.0

X32.0；

Z2.0；

X22.0；

Z0；

X26.0 Z-2.0；

Z-20.0；

X32.0；

Z0；

G00 X100.0 Z100.0；

M05；

M30。

加工效果，與預(yù)期完全相同，如圖2所示。

圖2 數(shù)控GSK-980T加工效果

其次用G50和G92進行編程：

就是將第一個G00 X100.0 Z100.0，改寫為G50/G92 X100.0 Z100.0。通過對其加工效果與零件進行比較，發(fā)現(xiàn)G92是可以達到預(yù)期的的效果。而G50卻

與達不到加工效果，即可為機床不認可，或使用G50時的對刀方式，與G92和G00不同。

最后用G54進行編程：

就是將第一個G00 X100.0 Z100.0，改寫為G54 X100.0 Z100.0。通過對其加工效果與零件進行比較，發(fā)現(xiàn)G54也是可以達到預(yù)期的的效果。當然除了用操作時的實際路線來檢測各指令的功能外，還可根據(jù)報警進行故障診斷。例如上述實例在加工中用G50建立工件坐標系時，加工過程中就會出現(xiàn)路徑出錯，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)如圖3所示的報警“提示信息”。當使用G50過程中，刀具與工件沒有發(fā)生碰撞。機床是不會提示錯誤信息的，此時就要看個人對程序的理解力了。

圖3 系統(tǒng)出錯提示

綜上所述，當機床出現(xiàn)不認可某個程序指令時，若機床自身能提示報警信息就好一點，如若不提示，就要操作人員清楚操作的機床的性能。

五、結(jié)束語

目前，柔性制造系統(tǒng)(FMS)和計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)正逐步成為制造業(yè)企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)的主流，而在這些制造系統(tǒng)中不可避免地存在著一些難以預(yù)料的故障，必須對其進行一一的診斷。

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