大型數(shù)控機(jī)床故障診斷研究
2020-9-23 來源： 首都航天機(jī)械有限公司 作者：關(guān)進(jìn)良，戰(zhàn)祥鑫，岳維超，劉松，張星等
摘要：本文介紹了大型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)，針對(duì)大型數(shù)控機(jī)床的三種典型故障實(shí)例，分別研究分析了導(dǎo)致故障的各種原因，運(yùn)用多種診斷方法進(jìn)行故障定位，給出了合理的解決方案，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的預(yù)防改進(jìn)措施，最后總結(jié)出了大型數(shù)控機(jī)床故障診斷的總體思路，提高了大型數(shù)控機(jī)床故障的診斷效率。
關(guān)鍵詞：大型數(shù)控機(jī)床；故障診斷；PMC；編碼器；電主軸
近年來，隨著“中國(guó)制造 2025”戰(zhàn)略計(jì)劃的不斷推進(jìn)與實(shí)施，國(guó)家正在從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)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(diǎn)
大型數(shù)控機(jī)床融合了機(jī)械、電氣、液壓、計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)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(dòng)坐標(biāo)軸多、造價(jià)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(diǎn)。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(shí)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(dòng)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(shí)，主軸不啟動(dòng)，機(jī)械上無異響，且無任何報(bào)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(dòng)與 PMC 地址信號(hào)狀態(tài)有關(guān)，伺服類故障常會(huì)伴隨有相應(yīng)報(bào)警，基本排除伺服方面原因，所以重點(diǎn)檢查與之有關(guān)的 PMC 梯形圖（見圖 1）。
圖 1 PMC 梯形圖
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(hào) 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(shí)具備 R126.0 為1 和 X3.6 為 0 兩個(gè)條件。查閱機(jī)床電氣圖紙知，當(dāng) X20.2 為1 時(shí)（如工廠低壓氣源壓力不足或氣壓壓力繼電器損壞）會(huì)引起 R126.0 為 1，當(dāng)液壓壓力傳感器 LS40 和 LS41 中任何一個(gè)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(diǎn)損壞，再檢查 LS40 和 LS41，發(fā)現(xiàn) LS41 嚴(yán)重松動(dòng)。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。
如刀具更換、主軸啟停、換向變速、工作臺(tái)交換等輔助動(dòng)作。梯形圖能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)這些輔助動(dòng)作，只要有些動(dòng)作在邏輯上存在問題，從梯形圖中能及時(shí)體現(xiàn)出來。②大型機(jī)床主軸不啟動(dòng)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(diǎn)，達(dá)到捋清邏輯關(guān)系和追根溯源之目的。③信號(hào) *SSTP 是低電平有效，正常情況下應(yīng)處于通的狀態(tài)，信號(hào)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(shí)（即兩者均有故障時(shí)），會(huì)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。現(xiàn)重新設(shè)計(jì) PMC 程序（見圖 2），R126.0 為 1“或”X3.6 為 0 時(shí)（即兩者之中有一方故障時(shí)），都可使主軸停轉(zhuǎn)，同時(shí)增加報(bào)警顯示功能（A5.0、A5.1），并在 PMC 的 MESSAGE 模塊中編寫相對(duì)應(yīng)的報(bào)警文本，以后再次出現(xiàn)類似故障時(shí)立刻在顯示器上彈出報(bào)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(shí)間。
圖 2 帶有報(bào)警顯示功能的 PMC 程序
2.2 某大型鏜銑中心測(cè)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(shí)，出現(xiàn)“C 軸主動(dòng)編碼器硬件故障”報(bào)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(dòng)大型數(shù)控機(jī)床，帶有 TS6、TS15、TS20 三個(gè)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(dòng)。C 軸是全閉環(huán)控制，該機(jī)床的反饋系統(tǒng)測(cè)量元件主要包括增量編碼器和磁柵尺，又根據(jù)報(bào)警提示知，屬于測(cè)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(dòng)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(tái)同類同型號(hào)機(jī)床上測(cè)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(bào)警，考慮到磁柵尺抗干擾性能較差，推測(cè)最有可能的原因是信號(hào)干擾，而影響信號(hào)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(dòng)力線電纜屏蔽層接地不良，且該動(dòng)力線和編碼器線走在同一管路中，而動(dòng)力線屬于強(qiáng)電，編碼器線屬于弱電，容易造成信號(hào)干擾。重新將動(dòng)力線電纜屏蔽層緊固接地，保證接地良好（圖 3）。經(jīng)測(cè)試，故障徹底排除。
圖 3 屏蔽層接地實(shí)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(shí)，有時(shí)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(gè)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(hào)干擾，如電磁波干擾、供電線路干擾、信號(hào)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(hào)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(dòng)力線和信號(hào)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 SIEMENS840D 數(shù)控系統(tǒng)，在給電主軸裝刀時(shí)，機(jī)械上有緊刀動(dòng)作，實(shí)際上刀具已經(jīng)安裝到主軸并夾緊，但“緊刀到位”信號(hào)燈不亮，進(jìn)而造成主軸缺少“使能”，造成機(jī)床不能正常運(yùn)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(dòng)銑頭，通過力矩電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn) A、C 旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，A 軸擺動(dòng)體內(nèi)安裝電主軸，電主軸松緊刀動(dòng)作主要是由流量計(jì)、K11 控制模塊和機(jī)床 PLC 配合完成的，三者信號(hào)傳遞關(guān)系見圖 4。當(dāng)主軸松刀或緊刀時(shí)，PLC 輸出開關(guān)量信號(hào)給 K11 模塊來控制松緊刀電磁閥動(dòng)作，流量計(jì)能夠檢測(cè)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(hào)輸送給 K11 模塊，再由 K11模塊把數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)松刀到位、緊刀到位和無刀夾緊三個(gè)刀具位置的開關(guān)量信號(hào)輸送給 PLC，PLC 接收到具
體信號(hào)后才能完成整套松緊刀動(dòng)作。
圖 4 信號(hào)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(jì)檢測(cè)的，這不同于傳統(tǒng)的“位置檢測(cè)”。緊刀到位信號(hào)燈不亮的主要原因可能是：①流量計(jì)沒有檢測(cè)到足夠的液壓流量；②流量計(jì)已經(jīng)將足夠的脈沖信號(hào)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(jì)檢測(cè)信號(hào)。為進(jìn)一步診斷故障，采取以下措施：主軸松緊刀由單獨(dú)的液壓站來驅(qū)動(dòng)，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(cè)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(shí)物圖
圖 6 專業(yè)軟件與 K11 模塊正常連接狀態(tài)
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(cè)試的數(shù)據(jù)不在上、下限值范圍內(nèi)，則出現(xiàn)信號(hào)輸出異常。
圖 7 參數(shù)優(yōu)化前測(cè)試結(jié)果為“short”
圖 8 參數(shù)優(yōu)化后測(cè)試結(jié)果為“OK”
首先進(jìn)行 10 次“有刀夾緊”測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見圖 7，結(jié)果均為 short（即：信號(hào)異常）。數(shù)據(jù)分析可得出以下結(jié)論：Short[Pulses] 和 Long[Pulses] 這兩個(gè)參數(shù)設(shè)置有誤，導(dǎo)致緊刀狀態(tài)信號(hào)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 A1 和最小值 A2，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(cè)試，結(jié)果全部成功（圖 8），且每次緊刀后，“緊刀到位”信號(hào)燈均正常亮，故障排除。
（3）小結(jié)。①在使用“K11-controller”專業(yè)軟件優(yōu)化參數(shù)時(shí)，每次輸入數(shù)值后，均需要點(diǎn)擊“F4：SEND”軟鍵，這時(shí)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(diǎn)擊“F5:SAVE”軟鍵，保存好數(shù)據(jù)。②對(duì)于主軸松緊刀這類故障，一般分為“無動(dòng)作且信號(hào)狀態(tài)異常”和“有動(dòng)作但信號(hào)狀態(tài)異常”兩類，前者重點(diǎn)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(hào)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(shí)向液壓站中加液壓油（油的牌號(hào)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(jì)正常檢測(cè)。
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(yàn)按照可能性大小依次排列。其次，在排除每類原因時(shí)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(cè)試法等。具體診斷故障時(shí)，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(cè)試才能確保故障徹底被排除，力爭(zhēng)“零返修”，并設(shè)法從根本上設(shè)計(jì)出有效的預(yù)防改進(jìn)方案。
4 結(jié)語
通過實(shí)際工作中攻克的典型故障診斷實(shí)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(shí)，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(jià)值。
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