關(guān)進(jìn)良，戰(zhàn)祥鑫，岳維超，劉松，張星，靳立冬

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

近年來，隨著“中國制造2025”戰(zhàn)略計劃的不斷推進(jìn)與實施，國家正在從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床在一定程度上被稱為制造業(yè)的母機(jī)，尤其是大型數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。大型數(shù)控機(jī)床可加工大尺寸、復(fù)雜形狀和精度要求高的關(guān)鍵零部件，現(xiàn)已普遍用在了航空航天、船舶、能源等重要領(lǐng)域，其故障率也直接影響著企業(yè)的科研生產(chǎn)完成情況，本文通過研究探索大型數(shù)控機(jī)床的故障診斷方法，達(dá)到了提高故障診斷和設(shè)備利用率的目的。

1 大型數(shù)控機(jī)床的特點

大型數(shù)控機(jī)床融合了機(jī)械、電氣、液壓、計算機(jī)以及自動控制等多種專業(yè)技術(shù)，且與普通的中小型機(jī)床存在明顯的不同，機(jī)床整體結(jié)構(gòu)龐大、控制系統(tǒng)復(fù)雜、聯(lián)動坐標(biāo)軸多、造價較高、故障診斷難度大，而且在企業(yè)制造生產(chǎn)中往往承擔(dān)著重要產(chǎn)品的加工，有“不可替代性”的特點。大型數(shù)控機(jī)床以四軸（X、Y、Z、B）或五軸（X、Y、Z、A、C）機(jī)床為主，且進(jìn)口設(shè)備較多，如大型加工中心、鏜銑中心、五軸數(shù)控龍門銑床等。

2 基于實例的典型故障分析及預(yù)防改進(jìn)措施

2.1 某大型臥式加工中心主軸不啟動故障

（1）故障現(xiàn)象。某大型臥式加工中心采用FANUC 0i-MD數(shù)控系統(tǒng)，當(dāng)執(zhí)行主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)時，主軸不啟動，機(jī)械上無異響，且無任何報警。

（2）故障分析及解決方案。導(dǎo)致該故障的原因一般和伺服驅(qū)動與PMC 地址信號狀態(tài)有關(guān)，伺服類故障常會伴隨有相應(yīng)報警，基本排除伺服方面原因，所以重點檢查與之有關(guān)的PMC 梯形圖（見圖1）。利用機(jī)床PMC 在線診斷法，進(jìn)入機(jī)床梯形圖步驟是SYSTEM →+（擴(kuò)展鍵）→PMCLAD，經(jīng)查看，當(dāng)按下主軸正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)鍵后，主軸停止信號G29.6（*SSTP）不通，依據(jù)是R100.2 通→R46.2 不通→R46.0 不通→G29.6 不通，而導(dǎo)致R100.2 打通要同時具備R126.0 為1 和X3.6 為0 兩個條件。查閱機(jī)床電氣圖紙知，當(dāng)X20.2 為1 時（如工廠低壓氣源壓力不足或氣壓壓力繼電器損壞）會引起R126.0 為1，當(dāng)液壓壓力傳感器LS40 和LS41 中任何一個壓力不足或者傳感器本身硬件損壞，均可導(dǎo)致X3.6 為0。首先檢查氣源壓力是正常的，但壓力繼電器觸點損壞，再檢查LS40 和LS41，發(fā)現(xiàn)LS41 嚴(yán)重松動。更換氣壓壓力繼電器，重新調(diào)整LS41 的位置并緊固，故障徹底排除。

圖1 PMC 梯形圖

（3）小結(jié)。①機(jī)床PMC 主要完成與邏輯控制有關(guān)的動作，如刀具更換、主軸啟停、換向變速、工作臺交換等輔助動作。梯形圖能實時在線監(jiān)測這些輔助動作，只要有些動作在邏輯上存在問題，從梯形圖中能及時體現(xiàn)出來。②大型機(jī)床主軸不啟動原因多而且邏輯關(guān)系復(fù)雜，利用PMC 在線診斷法能快速地從復(fù)雜的邏輯關(guān)系和眾多可能原因中找出故障點，達(dá)到捋清邏輯關(guān)系和追根溯源之目的。③信號*SSTP 是低電平有效，正常情況下應(yīng)處于通的狀態(tài)，信號為“1”。

（4）預(yù)防改進(jìn)措施。原PMC 程序中，R126.0 為1“且”X3.6 為0 時（即兩者均有故障時），會引起主軸不轉(zhuǎn)故障，很難進(jìn)行精確的故障定位，且有一定的安全隱患?，F(xiàn)重新設(shè)計PMC 程序（見圖2），R126.0 為1“或”X3.6 為0 時（即兩者之中有一方故障時），都可使主軸停轉(zhuǎn)，同時增加報警顯示功能（A5.0、A5.1），并在PMC 的MESSAGE 模塊中編寫相對應(yīng)的報警文本，以后再次出現(xiàn)類似故障時立刻在顯示器上彈出報警內(nèi)容，直接定位到具體的元器件，節(jié)省大量的故障診斷時間。

圖2 帶有報警顯示功能的PMC 程序

2.2 某大型鏜銑中心測量反饋系統(tǒng)故障

（1）故障現(xiàn)象。某大型鏜銑中心采用西門子840D sl系統(tǒng)，每當(dāng)使用附件頭TS6 時，出現(xiàn)“C 軸主動編碼器硬件故障”報警，重啟機(jī)床故障復(fù)現(xiàn)。

（2）故障分析及解決方案。該機(jī)床是五軸聯(lián)動大型數(shù)控機(jī)床，帶有TS6、TS15、TS20 三個附件頭，X、Y、Z 是直線軸，A、B、C 為旋轉(zhuǎn)軸，其中C 軸是某一附件頭上自帶的旋轉(zhuǎn)軸，可參與聯(lián)動。C 軸是全閉環(huán)控制，該機(jī)床的反饋系統(tǒng)測量元件主要包括增量編碼器和磁柵尺，又根據(jù)報警提示知，屬于測量反饋系統(tǒng)故障，此故障一般情況下與C 軸磁柵尺、伺服驅(qū)動模塊、連接電纜以及機(jī)床參數(shù)設(shè)置等有關(guān)，首先檢查相關(guān)參數(shù)正常，并更換伺服模塊和連接電纜，故障復(fù)現(xiàn)，又把該C 軸在另一臺同類同型號機(jī)床上測試，結(jié)果正常，說明編碼器本身正常。上述常規(guī)的可能原因均以排除，從整體上進(jìn)行分析，有可能其他原因間接導(dǎo)致該報警，考慮到磁柵尺抗干擾性能較差，推測最有可能的原因是信號干擾，而影響信號的干擾因素有電纜屏蔽線是否良好、接地線是否虛接等。重新檢查電氣柜發(fā)現(xiàn)，C 軸電機(jī)的動力線電纜屏蔽層接地不良，且該動力線和編碼器線走在同一管路中，而動力線屬于強(qiáng)電，編碼器線屬于弱電，容易造成信號干擾。重新將動力線電纜屏蔽層緊固接地，保證接地良好（圖3）。經(jīng)測試，故障徹底排除。

圖3 屏蔽層接地實物圖

（3）小結(jié)。①數(shù)控機(jī)床自診斷功能能幫助技術(shù)人員判斷故障方向，但也不盡然。在進(jìn)行故障診斷時，有時需要“發(fā)散性思維”，盡可能從整體上考慮故障原因，不能漏掉任何一個可疑因素。②大型機(jī)床控制系統(tǒng)復(fù)雜（尤其是電氣部分），容易受到信號干擾，如電磁波干擾、供電線路干擾、信號傳輸干擾，應(yīng)采取有效措施盡量避免。

（4）預(yù)防改進(jìn)措施。①為預(yù)防供電線路干擾（主要是強(qiáng)電部分），電源端安裝交流穩(wěn)壓器、電源濾波器和帶屏蔽層的隔離變壓器，且數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)離具有中高頻電源的設(shè)備。②為預(yù)防機(jī)床控制中的信號線路干擾（主要是弱電部分），應(yīng)保證“接地”良好和采用電磁屏蔽、靜電屏蔽技術(shù)等措施，且動力線和信號線分開走線。

2.3 某大型五軸數(shù)控龍門銑床電主軸松緊刀故障

（1）故障現(xiàn)象。該五軸數(shù)控龍門銑床采用SIEMENS 840D 數(shù)控系統(tǒng)，在給電主軸裝刀時，機(jī)械上有緊刀動作，實際上刀具已經(jīng)安裝到主軸并夾緊，但“緊刀到位”信號燈不亮，進(jìn)而造成主軸缺少“使能”，造成機(jī)床不能正常運行。

（2）故障分析及解決方案。在分析具體故障原因之前，須清楚電主軸松緊刀基本原理。該機(jī)床采用雙回轉(zhuǎn)擺動銑頭，通過力矩電機(jī)驅(qū)動實現(xiàn)A、C 旋轉(zhuǎn)軸運動，A 軸擺動體內(nèi)安裝電主軸，電主軸松緊刀動作主要是由流量計、K11 控制模塊和機(jī)床PLC 配合完成的，三者信號傳遞關(guān)系見圖4。當(dāng)主軸松刀或緊刀時，PLC 輸出開關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為對應(yīng)松刀到位、緊刀到位和無刀夾緊三個刀具位置的開關(guān)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4 信號傳遞關(guān)系示意框圖

由以上電主軸松緊刀控制原理知，電主軸松緊刀是否到位是由流量計檢測的，這不同于傳統(tǒng)的“位置檢測”。緊刀到位信號燈不亮的主要原因可能是：①流量計沒有檢測到足夠的液壓流量；②流量計已經(jīng)將足夠的脈沖信號傳遞給K11模塊，但K11 模塊內(nèi)部參數(shù)設(shè)置有誤。③液壓管路中進(jìn)入空氣，影響流量計檢測信號。為進(jìn)一步診斷故障，采取以下措施：主軸松緊刀由單獨的液壓站來驅(qū)動，先檢查液壓站中油量是否充足，保證油量滿足需求；利用專用排氣工具保證管路中空氣排盡。再次進(jìn)行松緊刀測試，故障復(fù)現(xiàn)。由排除法知，故障原因最有可能是K11 模塊（見圖5）參數(shù)設(shè)置問題，以下將進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。

圖5 K11 模塊實物圖

借助“K11-controller”專業(yè)軟件監(jiān)控K11 模塊狀態(tài)，圖6 是專業(yè)軟件與機(jī)床K11 模塊正常連接后狀態(tài)，查看CLAMP →Short[Pulses]和Long[Pulses]中數(shù)據(jù)依次為262、304，分別代表“有刀夾緊”狀態(tài)的上、下限值，如果測試的數(shù)據(jù)不在上、下限值范圍內(nèi)，則出現(xiàn)信號輸出異常。首先進(jìn)行10 次“有刀夾緊”測試，測試數(shù)據(jù)見圖7，結(jié)果均為short（即：信號異常）。數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：Short[Pulses]和Long[Pulses]這兩個參數(shù)設(shè)置有誤，導(dǎo)致緊刀狀態(tài)信號輸出有誤，需要進(jìn)一步優(yōu)化。記錄有刀加緊狀態(tài)的最大值A(chǔ)1 和最小值A(chǔ)2，可設(shè)置Short:A2-10、Long:A1+10（如果數(shù)據(jù)變化幅度較大，可設(shè)置A1/A2±20），即Short 設(shè)置為243、Long 設(shè)置為266。優(yōu)化完成后，再進(jìn)行10 次測試，結(jié)果全部成功（圖8），且每次緊刀后，“緊刀到位”信號燈均正常亮，故障排除。

圖6 專業(yè)軟件與K11 模塊正常連接狀態(tài)

（3）小結(jié)。①在使用“K11-controller”專業(yè)軟件優(yōu)化參數(shù)時，每次輸入數(shù)值后，均需要點擊“F4：SEND”軟鍵，這時輸入的數(shù)據(jù)才能被傳入K11 模塊中，切記全部設(shè)置完成后要點擊“F5:SAVE”軟鍵，保存好數(shù)據(jù)。②對于主軸松緊刀這類故障，一般分為“無動作且信號狀態(tài)異常”和“有動作但信號狀態(tài)異?！眱深悾罢咧攸c排查機(jī)械方面（液壓控制閥、油量是否充足以及執(zhí)行元件等），后者主要檢查電氣方面（信號傳感器、PLC 程序以及相關(guān)參數(shù)設(shè)置等）。

（4）預(yù)防改進(jìn)措施。①定期優(yōu)化K11 模塊參數(shù)，以免由參數(shù)問題造成其他故障。②及時向液壓站中加液壓油（油的牌號要嚴(yán)格按照說明書要求選用，不得擅自更換），避免空氣進(jìn)入，影響流量計正常檢測。

圖7 參數(shù)優(yōu)化前測試結(jié)果為“short”

圖8 參數(shù)優(yōu)化后測試結(jié)果為“OK”

3 大型數(shù)控機(jī)床故障診斷一般思路總結(jié)

首先，由于大型機(jī)床故障原因多而雜，將故障原因大致分類，根據(jù)工作經(jīng)驗按照可能性大小依次排列。其次，在排除每類原因時要充分使用一些診斷方法，一般包括互換法、排除法、PMC(或PLC)在線診斷法、專業(yè)軟件測試法等。具體診斷故障時，要深入理解“控制原理”，從原理上進(jìn)行診斷才能“以不變應(yīng)萬變”，并且要把故障原因逐步“由多變少”，直到故障確切定位。最后，故障排除后，須經(jīng)多次測試才能確保故障徹底被排除，力爭“零返修”，并設(shè)法從根本上設(shè)計出有效的預(yù)防改進(jìn)方案。

4 結(jié)語

通過實際工作中攻克的典型故障診斷實例，分析了引發(fā)故障的具體原因以及診斷方案，在徹底排除故障的同時，又從根本上做出了預(yù)防改進(jìn)措施，最后總結(jié)出故障診斷的一般思路，提高了大型數(shù)控機(jī)床故障診斷和維修效率，在行業(yè)內(nèi)具有較強(qiáng)的可借鑒性和推廣價值。