傅子霞

（長沙職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410217）

數(shù)控機床一般由數(shù)控系統(tǒng)、包含伺服電動機和檢測反饋裝置組成的伺服系統(tǒng)、強電控制柜、機床本體和各種輔助裝置組成。驅(qū)動控制單元及驅(qū)動部件組成了驅(qū)動系統(tǒng)，機械部件與驅(qū)動部件則構(gòu)成了機械驅(qū)動系統(tǒng)，傳感系統(tǒng)是由傳感部件、反饋電路組成。在數(shù)據(jù)時代背景下，數(shù)控系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，系統(tǒng)的自我診斷能力也較高。比如，就傳輸錯誤與檢測系統(tǒng)錯誤，系統(tǒng)可迅速地自我診斷，及時報告故障原因。進給系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)誤差主要是由機械誤差構(gòu)成，由于電氣系統(tǒng)有保護裝置，不能從外部直接觀察，部分故障不能通過自我診斷來驗證。故障的原因非常復(fù)雜，難以確定，維護難度大、耗時長，影響生產(chǎn)加工。本文通過分析常見的進給系統(tǒng)故障，為故障的快速診斷提供有效參考。同時，借助相應(yīng)的維修案例，通過引入先進的設(shè)備，實現(xiàn)故障檢測質(zhì)量和故障診斷效率的提升，為進一步實施智能化故障診斷打下堅實的基礎(chǔ)。

1 數(shù)控機床故障常見診斷方法

數(shù)控機床(CNC machine tools)是一種機電一體化產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用在機械加工領(lǐng)域內(nèi)，具有精度相對較高、效率高、適應(yīng)性強等特點。在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，數(shù)控機床是大批量生產(chǎn)的，很多數(shù)控機床都被引進和推廣，這為數(shù)控機床的發(fā)展提供了條件，同時，也為相應(yīng)的行業(yè)帶來了較大的經(jīng)濟效益。數(shù)控機床進給系統(tǒng)采用的是伺服控制系統(tǒng)，需要計算機技術(shù)的支持，該系統(tǒng)的操作較為復(fù)雜，在運行階段對機床的精度有較高的要求。操作難度與維護難度較大，對技術(shù)人員的專業(yè)水平和技術(shù)素質(zhì)要求較高。準(zhǔn)確有效的維護工作，能夠?qū)崿F(xiàn)機床工作效率與工作質(zhì)量的提升，可切實將數(shù)控機床的作用發(fā)揮出來。操作人員要掌握數(shù)控機床的維護和維修方法，了解其機械結(jié)構(gòu)、電氣控制原理、操作系統(tǒng)、編程方法等。數(shù)控機床本身具備較強的先進性、智能化，內(nèi)部較復(fù)雜，當(dāng)出現(xiàn)一些錯誤或故障，尤其是進給系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，數(shù)控機床就會停止工作，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷。因此，及時、準(zhǔn)確地診斷和排除數(shù)控機床進給系統(tǒng)中的故障應(yīng)引起廣泛關(guān)注。

1.1 自診功能法

現(xiàn)代的數(shù)控機床系統(tǒng)通常具有自診斷功能。根據(jù)警告信息和LED指示，可以大致確定故障原因。使用自我診斷功能修復(fù)數(shù)控機床的關(guān)鍵是在正常運行時捕獲診斷系統(tǒng)的狀態(tài)信息，并顯示系統(tǒng)與主機之間的信號是否正常，以確定是否引起故障。該方法得到了廣泛的應(yīng)用，可以實現(xiàn)有效的故障維護。

1.2 備件替換法

現(xiàn)代數(shù)控機床系統(tǒng)選擇的是模塊化方案，其功能可劃分為不同的模塊，電路集成的規(guī)模較大，使系統(tǒng)技術(shù)也愈發(fā)復(fù)雜。傳統(tǒng)的診斷技術(shù)很難在小面積內(nèi)發(fā)現(xiàn)缺陷，為實現(xiàn)停機時間的縮短，要結(jié)合故障模塊的功能，或者是結(jié)合真實的故障現(xiàn)象，提前進行故障判斷，查看備件是否更換，從而快速確定故障原因。此方法應(yīng)在電源關(guān)閉時運行，還要確保組件的類型相同。機床的相關(guān)數(shù)據(jù)和電位器的位置必須標(biāo)注并記錄。

1.3 功能程序測試法

通過編寫數(shù)控機床系統(tǒng)的功能代碼，比如，圓弧的插補、螺紋的切削、定位、循環(huán)用戶宏等，能夠測試功能程序。通過運行“宏”功能，可以執(zhí)行任務(wù)，確保系統(tǒng)操作的可靠性與精準(zhǔn)性，及時地將錯誤原因確定出來。

1.4 參數(shù)檢查法

通過查看系統(tǒng)參數(shù)，可及時地判斷系統(tǒng)的情況，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)儲存其中。當(dāng)電池電量不足或外部干擾時，各個參數(shù)可能會丟失或更改。此外，由于運動中的機械零件的磨損，電子部件性能的變化和其他原因，相關(guān)參數(shù)將無法適應(yīng)，并且系統(tǒng)將變得混亂或無法正常運行。此時，可以通過檢查和更正參數(shù)來消除故障。尤其是機器長時間閑置，系統(tǒng)無故啟動，出現(xiàn)異常故障，并不提示報警，需結(jié)合參數(shù)，開展檢查，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)開展分析。

1.5 維修信息跟蹤法

數(shù)控機床系統(tǒng)本身較復(fù)雜，設(shè)計缺陷不可避免。也正因如此，需要不斷地進行系統(tǒng)修正，定期改進系統(tǒng)的軟硬件，定期盤查故障。這些任務(wù)主要由制造商執(zhí)行，并以維護信息的形式不斷提供給維護人員，這是故障排除的基本基礎(chǔ)。因此，有必要加強與制造商的聯(lián)系和溝通。

2 進給系統(tǒng)可靠性分析與常見故障

根據(jù)近年來對數(shù)控機床維修的最新統(tǒng)計，在2250多起維修案例中，有660項與進給系統(tǒng)故障密切相關(guān)，其發(fā)生率為29.30%。深入剖析可得知，機械傳動故障率較低，但是，維修的所需時間較長，且維修的難度也比較大。

機械傳動系統(tǒng)常見的故障包括滾珠絲杠噪音、導(dǎo)軌錯誤運動等。在實際維修中，機械傳動系統(tǒng)存在缺陷，跑道潤滑不當(dāng)，以及跑道過緊，導(dǎo)致跑道爬行。隨著使用時間的延長，軸承的預(yù)緊力和螺母、螺釘?shù)呐ぞ貢档?，傳動鏈中會出現(xiàn)一些問題。傳動鏈過長，傳動軸直徑過小，支架和支架座剛度不足，導(dǎo)致加工精度差。發(fā)出的異常噪音可能是由于軸承、絲杠、組件磨損等。在進行故障的維修期間，要實現(xiàn)故障的快速診斷，并及時地進行故障器件更換，及時更換損壞部件。在進行機械故障的維修期間，要注意觀察，確保故障的及時發(fā)現(xiàn)，及時恢復(fù)。雖然傳動系統(tǒng)有相對較高的故障率，但這些故障很容易診斷。常見的故障為驅(qū)動故障與電機故障，一般是系統(tǒng)自我診斷所得。該故障的發(fā)生率較高，大部分故障也比較容易檢測到，因為運動監(jiān)測報警、零故障、光柵尺、編碼器等傳感器元件都會引起振動和系統(tǒng)抖動，這一故障的排除流程也相對簡單。

3 故障實例分析

3.1 故障情況

三軸立式加工中心，選擇的系統(tǒng)為FANUC0I數(shù)控系統(tǒng)，實施的是半閉環(huán)伺服控制方案。操作包括：先銑削一個圓，在機床象限的X軸方向上有明顯的過切削，加工一遍，導(dǎo)致零件加工質(zhì)量差。紅線則是順時針旋轉(zhuǎn)所得的路徑，綠線則是逆時針旋轉(zhuǎn)所得的路徑。主要是因為在x軸上有明顯的反應(yīng)，使用激光干涉儀實時檢測x軸，結(jié)果表明，在x軸上有45μm的方向間隙。補償后，激光干涉儀再次檢測到X軸，定位精度為13μm，間隙減小為8μm。但二次使用該儀器設(shè)備時，機床的圓度并未顯著提升。機床的圓度為42.5m，通過分析結(jié)果可知，X軸的間隙較小，但是，其反向偏差逐步增加，在30μm左右，使機床的圓度控制較差。造成這種錯誤的一個常見原因是驅(qū)動絲杠的間隙，可以通過鎖定后軸承螺母來固定該間隙。

3.2 分析步驟

當(dāng)數(shù)控機床出現(xiàn)故障，維修人員要先仔細(xì)認(rèn)真地觀察，結(jié)合實際的故障情況，開展全面細(xì)致的分析，并確定故障原因，找到故障點，然后有計劃、有目的地逐步探查。故障診斷流程主要包括：第一，觀察。結(jié)合機床出現(xiàn)的故障，掌握故障發(fā)生的原因及實際情況，初步檢查數(shù)控機床，關(guān)注控制柜面顯示的內(nèi)容，結(jié)合各類提示燈進行相應(yīng)的判斷。第二，分析。深入分析故障，根據(jù)故障因素認(rèn)知，分析故障原因，確定故障方位，并制定排除故障的方案。第三，搜索。按照從外到內(nèi)的順序，從容易到困難，即先檢查可以直接訪問或?qū)偛鹜甑牧慵M行檢查，再對可以分批拆的零件進行檢查，接著進行深入檢查。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步與發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也愈發(fā)完善，技術(shù)體系也愈發(fā)成熟，很多先進技術(shù)存在，比如，通信診斷技術(shù)、自我修復(fù)技術(shù)等。通過不斷地開發(fā)新技術(shù)，并投入應(yīng)用，能夠為機床故障診斷提供切實有效的方法與手段。

3.3 診斷結(jié)果

結(jié)合上述故障情況，按照故障分析步驟實施診斷。反復(fù)確定精度，X軸的運動值與理論值吻合即可。在經(jīng)過2～3個單運動后，X軸的運動值與理論值開始存在誤差，且隨著時間的推移，誤差的數(shù)值也開始增加，達(dá)到最大值45μm。在移動7或8個單元后，實驗可以在任何時間重復(fù)數(shù)次，情況不變。這意味著45μm是運動誤差，而不是對x軸運動的響應(yīng)。通過綜合分析，可以提前確定缺陷是否由x軸驅(qū)動機構(gòu)引起，可能是絲杠翹曲或變形引起的，也可能是電纜磨損引起的螺栓變形。因此，在松開后軸承螺母后，會突然運動，并推斷螺桿產(chǎn)生了變形。機床的x軸滾珠絲杠由安裝在兩端的角接觸球軸承與深溝球軸承形成支撐，可增加主軸的傳動剛度，針對主軸的熱變形，表現(xiàn)得極為敏感。軸承磨損、床身變形、螺桿變形等都可能使機床進給系統(tǒng)出現(xiàn)故障。

4 結(jié)語

數(shù)控機床進給系統(tǒng)故障類型多，涉及機械、電氣、數(shù)控系統(tǒng)等方面。隨著制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)控機床的智能化水平也在不斷提升，因此，對其故障診斷和維護的技術(shù)水平和要求也越來越高。常規(guī)的故障診斷方法已經(jīng)越來越不能滿足廣大數(shù)控機床維修人員的實際需求。對數(shù)控機床進給系統(tǒng)的故障診斷與維護，需要不斷地結(jié)合實際情況，引入智能化故障診斷技術(shù)，同時，積累更多的故障診斷經(jīng)驗，達(dá)到對故障的快速診斷和維修維護。