數(shù)控機(jī)床維修與排故技術(shù)
數(shù)控機(jī)床的電氣故障可按故障的性質(zhì)、表象、原因或后果等分類。
(1)以故障發(fā)生的部位，分為硬件故障和軟件故障。硬件故障是指電子、電器件、印制電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態(tài)甚至損壞，這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟件故障一般是指plc邏輯控制程序中產(chǎn)生的故障，需要輸入或修改某些數(shù)據(jù)甚至修改plc程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬于軟件故障。最嚴(yán)重的軟件故障則是數(shù)控系統(tǒng)軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產(chǎn)廠商或其服務(wù)機(jī)構(gòu)聯(lián)系解決了。
(2)以故障出現(xiàn)時(shí)有無指示，分為有診斷指示故障和無診斷指示故障。當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有完美的自診斷程序，時(shí)實(shí)監(jiān)控整個系統(tǒng)的軟、硬件性能，一旦 發(fā)現(xiàn)故障則會立即報(bào)警或者還有簡要文字說明在屏幕上顯示出來，結(jié)合系統(tǒng)配備的診斷手冊不僅可以找到故障發(fā)生的原因、部位，而且還有排除的方法提示。機(jī)床制 造者也會針對具體機(jī)床設(shè)計(jì)有相關(guān)的故障指示及診斷說明書。上述這兩部分有診斷指示的故障加上各電氣裝置上的各類指示燈使得絕大多數(shù)電氣故障的排除較為容 易。無診斷指示的故障一部分是上述兩種診斷程序的不完整性所致(如開關(guān)不閉合、接插松動等)。這類故障則要依靠對產(chǎn)生故障前的工作過程和故障現(xiàn)象及后果， 并依靠維修人員對機(jī)床的熟悉程度和技術(shù)水平加以分析、排除。
(3)以故障出現(xiàn)時(shí)有無破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對于破壞性故障，損壞工 件甚至機(jī)床的故障，維修時(shí)不允許重演，這時(shí)只能根據(jù)產(chǎn)生故障時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的檢查、分析來排除之，技術(shù)難度較高且有一定風(fēng)險(xiǎn)。如果可能會損壞工件，則可 卸下工件，試著重現(xiàn)故障過程，但應(yīng)十分小心。
(4)以故障出現(xiàn)的或然性，分為系統(tǒng)性故障和隨機(jī)性故障。系統(tǒng)性故障是指只要滿足一定的 條件則一定會產(chǎn)生的確定的故障；而隨機(jī)性故障是指在相同的條件下偶爾發(fā)生的故障，這類故障的分析較為困難，通常多與機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的局部松動錯位、部分電氣 工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內(nèi)部溫度過高有關(guān)。此類故障的分析需經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、綜合判斷才可能排除。
(5)以機(jī)床的運(yùn)動品質(zhì)特性來衡量，則是機(jī)床運(yùn)動特性下降的故障。在這種情況下，機(jī)床雖 能正常運(yùn)轉(zhuǎn)卻加工不出合格的工件。例如機(jī)床定位精度超差、反向死區(qū)過大、坐標(biāo)運(yùn)行不平穩(wěn)等。這類故障必須使用檢測儀器確診產(chǎn)生誤差的機(jī)、電環(huán)節(jié)，然后通過 對機(jī)械傳動系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的最佳化調(diào)整來排除。
此處故障的分類是為了便于故障的分析排除，而一種故障的產(chǎn)生往往是多種類型的混合，這 就要求維修人員具體分析，參照上述分類采取相應(yīng)的分析、排除法。
2.故障的調(diào)查與分析
這是排故的第一階段，是非常關(guān)鍵的階段，主要應(yīng)作好下列工作：
?、僭儐栒{(diào)查 在接到機(jī)床現(xiàn)場出現(xiàn)故障要求排除的信息時(shí)，首先應(yīng)要求操作者盡量保持現(xiàn)場 故障狀態(tài)，不做任何處理，這樣有利于迅速精確地分析故障原因。同時(shí)仔細(xì)詢問故障指示情況、故障表象及故障產(chǎn)生的背景情況，依此做出初步判斷，以便確定現(xiàn)場 排故所應(yīng)攜帶的工具、儀表、圖紙資料、備件等，減少往返時(shí)間。
?、诂F(xiàn)場檢查 到達(dá)現(xiàn)場后，首先要驗(yàn)證操作者提供的各種情況的準(zhǔn)確性、完整性，從而核實(shí) 初步判斷的準(zhǔn)確度。由于操作者的水平，對故障狀況描述不清甚至完全不準(zhǔn)確的情況不乏其例，因此到現(xiàn)場后仍然不要急于動手處理，重新仔細(xì)調(diào)查各種情況，以免 破壞了現(xiàn)場，使排故增加難度。
③故障分析 根據(jù)已知的故障狀況按上節(jié)所述故障分類辦法分析故障類型，從而確定排故原 則。由于大多數(shù)故障是有指示的，所以一般情況下，對照機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)診斷手冊和使 用說明書，可以列出產(chǎn)生該故障的多種可能的原因。
?、艽_定原因 對多種可能的原因進(jìn)行排查從中找出本次故障的真正原因，這時(shí)對維修人員是 一種對該機(jī)床熟悉程度、知識水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和分析判斷能力的綜合考驗(yàn)。
?、菖殴蕼?zhǔn)備 有的故障的排除方法可能很簡單，有些故障則往往較復(fù)雜，需要做一系列的準(zhǔn) 備工作，例如工具儀表的準(zhǔn)備、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采購甚至排故計(jì)劃步驟的制定等等。
數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障的調(diào)查、分析與診斷的過程也就是故障的排除過程，一旦查明了原因 ，故障也就幾乎等于排除了。因此故障分析診斷的方法也就變得十分重要了。下面把電氣故障的常用診斷方法綜列于下。
(1)直觀檢查法 這是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的檢查。
①詢問 向故障現(xiàn)場人員仔細(xì)詢問故障產(chǎn)生的過程、故障表象及故障后果，并且在整個分析 判斷過程中可能要多次詢問。
?、谀恳暋】傮w查看機(jī)床各部分工作狀態(tài)是否處于正常狀態(tài)(例如各坐標(biāo)軸位置、主軸狀態(tài)、 刀庫、機(jī)械手位置等)，各電控裝置(如數(shù)控系統(tǒng)、溫控裝置、潤滑裝置等)有無報(bào)警指示，局部查看有無保險(xiǎn)燒煅，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 。
?、塾|摸 在整機(jī)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(如伺服與電機(jī)接觸器接線)的聯(lián)接狀況等來發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)故障的原因。
?、芡姟∵@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(jī)和元件存在而通電，一旦發(fā)現(xiàn)立即斷電分析。
(2)儀器檢查法 使用常規(guī)電工儀表，對各組交、直流電源電壓，對相關(guān)直流及脈沖信號等 進(jìn)行測量，從中找尋可能的故障。例如用萬用表檢查各電源情況，及對某些電路板上設(shè)置的 相關(guān)信號狀態(tài)測量點(diǎn)的測量，用示波器觀察相關(guān)的脈動信號的幅值、相位甚至有無，用plc 編程器查找plc程序中的故障部位及原因等。
(3)信號與報(bào)警指示分析法
①硬件報(bào)警指示 這是指包括數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)在內(nèi)的各電子、電器裝置上的各種狀態(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(bào)警指示 如前所述的系統(tǒng)軟件、plc程序與加工程序中的故障通常都設(shè)有報(bào)警顯示，依據(jù)顯示的報(bào)警號對照相應(yīng)的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。
(4)接口狀態(tài)檢查法 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多將plc集成于其中，而cnc與plc之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯(lián)接。有些故障是與接口信號錯誤或丟 失相關(guān)的，這些接口信號有的可以在相應(yīng)的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示，有的可以通過簡單操作在crt屏幕上顯示，而所有的接口信號都可以用plc 編程器調(diào)出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機(jī)床的接口信號，又要熟悉plc編程器的應(yīng)用。
(5)參數(shù)調(diào)整法 數(shù)控系統(tǒng)、plc及伺服驅(qū)動系統(tǒng)都設(shè)置許多可修改的參數(shù)以適應(yīng)不同機(jī)床、 不同工作狀態(tài)的要求。這些參數(shù)不僅能使各電氣系統(tǒng)與具體機(jī)床相匹配，而且更是使機(jī)床各項(xiàng)功能達(dá)到最佳化所必需的。因此，任何參數(shù)的變化(尤其是模擬量參 數(shù))甚至丟失都是不允許的；而隨機(jī)床的長期運(yùn)行所引起的機(jī)械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態(tài)和最佳化狀態(tài)。此類故障多指故障分類一節(jié)中后一類故障， 需要重新調(diào)整相關(guān)的一個或多個參數(shù)方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的，不僅要對具體系統(tǒng)主要參數(shù)十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較 豐富的電氣調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。
(6)備件置換法 當(dāng)故障分析結(jié)果集中于某一印制電路板上時(shí)，由于電路集成度的不斷擴(kuò)大而要把故障落實(shí)于其上某一區(qū)域乃至某一元件是十分困難的，為了縮短停機(jī)時(shí)間，在有相同備件的條件下可以先將備件換上，然后再去檢查修復(fù)故障板。備件板的更換要注意以下問題。
?、俑鼡Q任何備件都必須在斷電情況下進(jìn)行。
?、谠S多印制電路板上都有一些開關(guān)或短路棒的設(shè)定以匹配實(shí)際需要，因此在更換備件板上一 定要記錄下原有的開關(guān)位置和設(shè)定狀態(tài)，并將新板作好同樣的設(shè)定，否則會產(chǎn)生報(bào)警而不能工作。
③某些印制電路板的更換還需在更換后進(jìn)行某些特定操作以完成其中軟件與參數(shù)的建立。這 一點(diǎn)需要仔細(xì)閱讀相應(yīng)電路板的使用說明。
?、苡行┯≈齐娐钒迨遣荒茌p易拔出的，例如含有工作存儲器的板，或者備用電池板，它會丟 失有用的參數(shù)或者程序。必須更換時(shí)也必須遵照有關(guān)說明操作。
鑒于以上條件，在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細(xì)閱讀相關(guān)資料，弄懂要求和操作步驟 之后再動手，以免造成更大的故障。
(7)交叉換位法 當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障板或者不能確定是否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(biāo)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(dá)不到目的，反而會產(chǎn)生 新的故障造成思維的混亂，一定要事先考慮周全，設(shè)計(jì)好軟、硬件交換方案，準(zhǔn)確無誤再行交換檢查。
(8)特殊處理法 當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)已進(jìn)入pc基、開放化的發(fā)展階段，其中軟件含量越來越豐富，有系統(tǒng)軟件、機(jī)床制造者軟件、甚至還有使用者自己的軟 件，由于軟件邏輯的設(shè)計(jì)中不可避免的一些問題，會使得有些故障狀態(tài)無從分析，例如死機(jī)現(xiàn)象。對于這種故障現(xiàn)象則可以采取特殊手段來處理，比如整機(jī)斷電，稍 作停頓后再開機(jī)，有時(shí)則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實(shí)踐中摸索其規(guī)律或者其他有效的方法。
3.電氣維修與故障的排除
這是排故的第二階段，是實(shí)施階段。
如前所述，電氣故障的分析過程也就是故障的排除過程，因此電氣故障的一些常用排除方法 在上一節(jié)的分析方法中已綜合介紹過了，本節(jié)則列舉幾個常見電氣故障做一簡要介紹，供維修者參考。
(1)電源 電源是維修系統(tǒng)乃至整個機(jī)床正常工作的能量來源，它的失效或者故障輕者會丟 失數(shù)據(jù)、造成停機(jī)。重者會毀壞系統(tǒng)局部甚至全部。西方國家由于電力充足，電網(wǎng)質(zhì)量高，因此其電氣系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)考慮較少，這對于我國有較大波動和高次諧波的電力供電網(wǎng)來說就略顯不足，再加上某些人為的因素，難免出現(xiàn)由電源而引起的故障。我們在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)盡量做到：
①提供獨(dú)立的配電箱而不與其他設(shè)備串用。
②電網(wǎng)供電質(zhì)量較差的地區(qū)應(yīng)配備三相交流穩(wěn)壓裝置。
③電源始端有良好的接地。
?、苓M(jìn)入數(shù)控機(jī)床的三相電源應(yīng)采用三相五線制，中線(n)與接地(pe)嚴(yán)格分開。
⑤電柜內(nèi)電器件的布局和交、直流電線的敷設(shè)要相互隔離。
(2)數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)故障
?、傥恢铆h(huán)報(bào)警?？赡苁俏恢脺y量回路開路；測量元件損壞；位置控制建立的接口信號不存在等。
?、谧鴺?biāo)軸在沒有指令的情況下產(chǎn)生運(yùn)動。可能是漂移過大；位置環(huán)或速度環(huán)接成正反饋；反饋接線開路；測量元件損壞。
(3)機(jī)床坐標(biāo)找不到零點(diǎn)?？赡苁橇惴较蛟谶h(yuǎn)離零點(diǎn)；編碼器損壞或接線開路；光柵零點(diǎn)標(biāo) 記移位；回零減速開關(guān)失靈。
(4)機(jī)床動態(tài)特性變差，工件加工質(zhì)量下降，甚至在一定速度下機(jī)床發(fā)生振動。這其中有很 大一種可能是機(jī)械傳動系統(tǒng)間隙過大甚至磨損嚴(yán)重或者導(dǎo)軌潤滑不充分甚至磨損造成的；對于電氣控制系統(tǒng)來說則可能是速度環(huán)、位置環(huán)和相關(guān)參數(shù)已不在最佳匹配狀態(tài)，應(yīng)在機(jī)械故障基本排除后重新進(jìn)行最佳化調(diào)整。
(5)偶發(fā)性停機(jī)故障。這里有兩種可能的情況：一種情況是如前所述的相關(guān)軟件設(shè)計(jì)中的問
題造成在某些特定的操作與功能運(yùn)行組合下的停機(jī)故障，一般情況下機(jī)床斷電后重新通電便會消失；另一種情況是由環(huán)境條件引起的，如強(qiáng)力干擾(電網(wǎng)或周邊設(shè)
備)、溫度過高、濕度過大等。這種環(huán)境因素往往被人們所忽視，例如南方地區(qū)將機(jī)床置于普通廠房甚至靠近敞開
的大門附近，電柜長時(shí)間開門運(yùn)行，附近有大量產(chǎn)生粉塵、金屬屑或水霧的設(shè)備等等。這些因素不僅會造成故障，嚴(yán)重的還會損壞系統(tǒng)與機(jī)床，務(wù)必注意改善。
本文由于篇幅所限不做更多的介紹，讀者可參閱數(shù)控機(jī)床的隨機(jī)資料及其他專門介紹各種故障的文章。
4.維修排故后的總結(jié)提高工作
對數(shù)控機(jī)床電氣故障進(jìn)行維修和分析排除后的總結(jié)與提高工作是排故的第三階段，也是十分重要的階段，應(yīng)引起足夠重視。
總結(jié)提高工作的主要內(nèi)容包括：
?、僭敿?xì)記錄從故障的發(fā)生、分析判斷到排除全過程中出現(xiàn)的各種問題，采取的各種措施，涉 及到的相關(guān)電路圖、相關(guān)參數(shù)和相關(guān)軟件，其間錯誤分析和排故方法也應(yīng)記錄并記錄其無效的原因。除填入維修檔案外，內(nèi)容較多者還要另文詳細(xì)書寫。
②有條件的維修人員應(yīng)該從較典型的故障排除實(shí)踐中找出常有普遍意義的內(nèi)容作為研究課題 進(jìn)行理論性探討，寫出論文，從而達(dá)到提高的目的。特別是在有些故障的排除中并未經(jīng)由認(rèn)真系統(tǒng)地分析判斷而是帶有一定地偶然性排除了故障，這種情況下的事后總結(jié)研究就更加必要。
③總結(jié)故障排除過程中所需要的各類圖樣、文字資料，若有不足應(yīng)事后想辦法補(bǔ)濟(jì)，而且在 隨后的日子里研讀，以備將來之需。
④從排故過程中發(fā)現(xiàn)自己欠缺的知識，制定學(xué)習(xí)計(jì)劃，力爭盡快補(bǔ)課。
?、菡页龉ぞ?、儀表、備件之不足，條件允許時(shí)補(bǔ)齊。
總結(jié)提高工作的好處是：
?、傺杆偬岣呔S修者的理論水平和維修能力。
?、谔岣咧貜?fù)性故障的維修速度。
③利于分析設(shè)備的故障率及可維修性，改進(jìn)操作規(guī)程，提高機(jī)床壽命和利用率。
?、芸筛倪M(jìn)機(jī)床電氣原設(shè)計(jì)之不足。
⑤資源共享。總結(jié)資料可作為其他維修人員的參數(shù)資料、學(xué)習(xí)培訓(xùn)教材。
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