關進良，劉萃倫，喻曉浩

（首都航天機械公司，北京 100076）

數(shù)控機床隨機故障的分析與處理

關進良，劉萃倫，喻曉浩

（首都航天機械公司，北京 100076）

針對數(shù)控機床隨機故障，結合維修實例從原理上分析引發(fā)隨機故障的常見原因，總結排查各類隨機故障的思路和解決方案，并給出相應的預防改進措施。

數(shù)控機床；隨機故障；PLC；故障排除

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.10.25

0 引言

數(shù)控機床高度融合了機械、電氣、液壓、氣動與計算機等多項專業(yè)技術，是典型的機電一體化設備。由于其結構復雜，導致故障種類繁多。實際工作中，有些故障現(xiàn)象時有時無且無任何規(guī)律，本文稱之為隨機故障。

1 維修實例

1.1 VMC1600加工中心A軸“時轉時不轉”故障

（1）故障現(xiàn)象。VMC1600加工中心采用FANUC 18-M數(shù)控系統(tǒng)，所有軸均為半閉環(huán)控制，在手動/自動加工方式下轉動A軸，A軸時轉時不轉，無任何報警，且故障間隔時間不定。

（2）故障分析及解決方案。A軸是機床的第四軸，能實現(xiàn)分度和旋轉功能，由電磁閥控制氣缸實現(xiàn)A軸抱閘的松開與夾緊。為了排除抱閘的故障可能性，將電機與A軸轉臺機械聯(lián)接部分脫開運行，故障依舊。

借助機床PMC梯形圖（圖1）進一步判斷故障點，手動運行A 軸時，進給軸方向選擇信號 G100.3（+J4）或 G102.3（-J4）、A 軸抱閘放松信號Y1004.6均已打通，但軸互鎖信號G130.3（*IT4）不通，原因是R104.5不通，由梯形圖可知是A軸抱閘放松壓力檢測信號地址X1004.1不通導致，檢查A軸放松對應的壓力傳感器，發(fā)現(xiàn)常開觸點在閉合時處于“虛接”狀態(tài)，導致A軸放松信號時有時無，引起上述故障。更換該壓力傳感器，故障排除。

（3）小結。采用機電分離法，判斷隨機故障在機械的抱閘側還是在電氣控制側，脫開后單試電機，現(xiàn)象依舊存在，排除機械側。采用原理分析法，轉動時A軸電機及伺服、負載、電流均正常；不轉時無任何過流、過載報警，基本可以判斷故障為外界信號不滿足所致。檢查PMC梯形圖，A軸電機互鎖信號G130.3（*IT4）隨機突變，從而確定故障點為壓力傳感器常開觸點虛接。

（4）后續(xù)處理。改進機床原PMC梯形圖，增加相應的報警文本，圖1中最后一段梯形圖為新增部分，在A軸運行時，如X1004.1斷開，則發(fā)出“A軸抱閘壓力異常”報警，方便故障判斷與維修。

1.2 CK5131B數(shù)控立式車床主軸失控故障

（1）故障現(xiàn)象。CK5131B數(shù)控立車采用NUM1040數(shù)控系統(tǒng)，在手動狀態(tài)下點動主軸正轉，主軸時轉時停；在沒有執(zhí)行主軸正轉時，主軸偶爾自行運轉，且無任何報警，故障頻率不確定。

圖1 PMC梯形圖

（2）故障分析及解決方案。參照圖2，按下“正轉”按鍵，Q502.5狀態(tài)變?yōu)?，繼電器K13.5得電，其常開觸點吸合，24 V電源信號給主軸變頻器，主軸開始正傳。主軸正反轉受機床PLC控制，當按下“正轉”按鍵時查看PLC輸出點Q502.5狀態(tài)由0變?yōu)?，PLC內(nèi)部控制正常。但此時主軸時轉時停。檢查繼電器K13.5，輕輕敲擊，主軸開始連續(xù)轉動，故障點確定為該繼電器，更換備件后故障排除。根本原因是繼電器內(nèi)部元件狀態(tài)不佳（如線圈老化或觸點粘連）導致機床故障時有時無。

（3）小結。對于失控類隨機故障，采用原理分析法，由于元器件本身（如主軸電機、變頻器等）屬于被控制的部分，是按照控制指令進行運轉的，在無報警和異常的情況下，故障點大多在控制側，控制繼電器的線圈、觸點、插槽虛接的可能性比較大。如線圈老化會導致觸點無法吸合，觸點產(chǎn)生氧化層或者粘連會導致信號無法按指令通斷等。遇此類隨機故障，可用敲擊法判斷，優(yōu)先檢查控制繼電器信號。

圖2 機床電氣原理圖

（4）后續(xù)處理。定期檢查繼電器，發(fā)現(xiàn)觸點打火或發(fā)黑，及時更換。

1.3 某國產(chǎn)五軸數(shù)控龍門銑床電主軸停轉故障

（1）故障現(xiàn)象。數(shù)控龍門銑床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，在執(zhí)行程序過程中電主軸突然停止轉動，程序設定電主軸轉速3000 r/min，各伺服軸繼續(xù)進給無任何報警，只顯示主軸使能為紅色，RESET鍵可以清除，復位后可繼續(xù)走程序，此現(xiàn)象短期內(nèi)多次出現(xiàn)。

（2）故障分析及解決方案。加工過程中主軸突然停止轉動，而進給軸仍繼續(xù)移動，這對任何機床來說都是非常危險的，輕則伺服軸過載報警而停下，刀具擠傷工件，工件報廢；重則電主軸軸承損毀或刀具、工件損壞飛濺造成人員傷害。

首先分析故障產(chǎn)生的原因。由于故障時無任何報警，只有主軸使能中斷，應從此入手進行排查。電主軸突然停止轉動，對于電主軸本身，主軸伺服及編碼器出現(xiàn)故障時都會有報警顯示，所以此故障外圍信號導致的可能性較大，排查控制主軸的外圍信號，導致主軸停止最有可能的就是主軸松緊刀信號。

該機床采用進口雙回轉擺動銑頭，通過力矩電機直接驅(qū)動實現(xiàn)A，C軸運動，機床的A軸擺動體內(nèi)安裝電主軸，電主軸松緊刀動作主要由流量計、K11-CONTROLLER模塊和PLC配合完成，三者信號傳遞關系見圖3。當松刀或者緊刀時，PLC輸出開關量信號給K11模塊來控制松緊刀電磁閥動作，流量計能夠檢測出液壓管路中流過油液的流量，并將其轉化為數(shù)字脈沖信號輸送給K11模塊，再由K11模塊把數(shù)字脈沖信號轉化為對應松刀到位、緊刀到位和無刀夾緊3個刀具位置的開關量信號輸送給PLC，PLC接收到具體信號后才能完成整套松緊刀動作。

圖3 信號傳遞關系框圖

由電主軸松緊刀控制過程可知，在其他外圍條件正常時，松緊刀故障主要和流量計、K11模塊、PLC以及中間連接電纜相關。由于機床PLC能正?？刂破渌鈬b置（如冷卻液啟停等），而且如果PLC有故障會引起相應的報警，基本可確定PLC正常。采用互換法，把該機床的K11模塊和流量計與另外一臺同類機床互換，該機床故障同樣時有時無，另一臺機床運行正常，說明硬件沒問題。在機床執(zhí)行程序過程中利用軟件監(jiān)控K11模塊的信號狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)在故障出現(xiàn)的瞬間K11模塊處于關機狀態(tài)隨后又自行啟動，這和斷電又通電的現(xiàn)象相同，監(jiān)控K11模塊的24 V電源（接在X1中的24 V電纜，見圖4）在機床移動過程中，會出現(xiàn)24 V電源供電不足現(xiàn)象（24 V～10 V），導致K11模塊沒有工作。因此確定電源電纜某一段處于破損狀態(tài)，導致故障時有時無，更換電源電纜后故障排除。

圖4 K11模塊電氣原理圖

（3）小結。對于此類電主軸停轉，進給不停的危險故障，應重點關注主軸松緊刀信號。此機床主軸信號控制較復雜，而對于一般機床，與主軸松緊刀相關的各傳感器信號也應特別留意。

（4）后續(xù)處理。原K11模塊的24 V輸入電源沒有報警檢測，給排除故障造成很大困難，現(xiàn)將該24 V電源來控制新加的繼電器K100線圈，繼電器常開觸點接入PLC，如果24 V斷電或虛接，K100常開觸點斷開，并引發(fā)相應報警（如K11輸入模塊電源異常）。

2 隨機故障原因及排查思路

從以上維修實例可以看出，隨機故障都是由于元器件狀態(tài)不穩(wěn)定所致，大致分為3種：①頻繁工作的電氣元件損壞（如中間繼電器觸點過流、打火造成粘連，接觸器觸點產(chǎn)生氧化層致使接觸不良）；②電纜插頭、接線端子不牢固和電纜虛接，尤其是多股細線電纜中某一根在機床運行過程中，處于破損狀態(tài)，與屏蔽層相連；③機床輔助元件損壞或安調(diào)不當，如壓力傳感器觸點虛接或虛斷，感應開關與被檢測元件的調(diào)整距離處于“臨界狀態(tài)”。其中，前兩種原因居多，約占該類故障的70%。另外，電機編碼器、光柵尺被污染等也可能導致這類故障的發(fā)生。

綜上，在排除隨機故障時，可以按照以下思路：①采用原理分析法將故障分割成幾塊，機電分離或者元器件替代，將故障定位在盡可能小的范圍。②耐心觀察，抓住機床故障復現(xiàn)的瞬間，仔細對比故障前后各類信號的變化（一般借助機床內(nèi)置PLC或其他檢測儀器觀察），找出導致故障產(chǎn)生的具體信號；③解決實際問題，并設法從根本上預防此類問題的發(fā)生。

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〔編輯 李 波〕