數(shù)控機(jī)床幾例特殊故障的檢修

易貴輝 陳 濱

(中國工程物理研究院機(jī)械工藝制造研究所，四川 綿陽621900)

隨著數(shù)控機(jī)床的日益廣泛使用，如何提高數(shù)控機(jī)床的利用率，減少機(jī)床的故障停機(jī)時(shí)間就變得越來越重要了，同時(shí)也對(duì)數(shù)控人員維修的效率和質(zhì)量提出越來越高的要求。在維修時(shí)通過排除數(shù)控機(jī)床所發(fā)生的顯性故障和隱性故障，可以減少設(shè)備自身原因的意外停機(jī)和人為原因的事故停機(jī)。我們通過減少平均排除故障時(shí)間MTTR(Mean Time To Pepair)，增加平均無故障時(shí)間MTBF(Mean Time Between Failures)的方法，來提高數(shù)控機(jī)床的有效度A。下面通過一些檢修實(shí)例來介紹是如何排除故障的。

1 伺服過電流有報(bào)警故障檢修

實(shí)例1 某采用FANUC 0M 系統(tǒng)的加工中心，有一次在給機(jī)床的液壓油箱加油后，給機(jī)床通電，X軸在運(yùn)行過程中突然停下，同時(shí)另外兩個(gè)軸也停止運(yùn)行，液壓電動(dòng)機(jī)無法起動(dòng)。

故障診斷 在現(xiàn)場看見機(jī)床屏幕上顯示412#報(bào)警，由說明書查到412#報(bào)警是X軸檢測(cè)錯(cuò)誤。因?yàn)楣收鲜窃诮o液壓油箱加油后出現(xiàn)的，先是懷疑是液壓電動(dòng)機(jī)是否有問題，經(jīng)檢查液壓電動(dòng)機(jī)的接線和電阻值都是正確的。打開電氣柜，發(fā)現(xiàn)自動(dòng)開關(guān)QF2跳閘，重新合上QF2，故障依舊。

故障現(xiàn)象分析 因?yàn)橐簤翰荒芷饎?dòng)是在X軸進(jìn)給停止后發(fā)生的，應(yīng)是X軸不正常才引起液壓不能起動(dòng)的，所以重點(diǎn)應(yīng)放在解決X軸不正常這個(gè)問題上。先檢查外圍:檢查與X軸驅(qū)動(dòng)相關(guān)的外圍元器件，沒有發(fā)現(xiàn)問題。接著檢查X軸:在檢查中發(fā)現(xiàn)X軸AC伺服放大器顯示數(shù)字“3”，查機(jī)床說明書，數(shù)字“3”是伺服放大器報(bào)警，報(bào)警內(nèi)容是(HCAL)高電流報(bào)警，機(jī)床正常時(shí)伺服放大器應(yīng)該顯示“0”。

報(bào)警的原因有:電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線接錯(cuò);數(shù)控系統(tǒng)側(cè)的伺服板異常;電動(dòng)機(jī)線圈內(nèi)部短路;晶體管模塊損壞。

分別對(duì)這4 點(diǎn)內(nèi)容進(jìn)行檢查:(1)檢查X軸伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線及位置檢測(cè)信號(hào)線都沒發(fā)現(xiàn)問題，重新接線也依舊。(2)交換X軸和Y軸速度控制板的位置檢測(cè)插頭M34M37及電動(dòng)機(jī)動(dòng)力線UVW。交換后故障轉(zhuǎn)移到Y(jié)軸上，Y軸變得不能移動(dòng)了。因此排除了伺服電動(dòng)機(jī)接線錯(cuò)誤問題，故障點(diǎn)應(yīng)該發(fā)生在X軸AC 伺服單元上。(3)拆除X軸AC 伺服電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力線后，使TGLS 報(bào)警無效(對(duì)于M 系統(tǒng)將S23設(shè)定為短路)，合電源試通電，開機(jī)故障仍舊。說明故障點(diǎn)不在伺服電動(dòng)機(jī)上，而是在伺服驅(qū)動(dòng)單元。(4)取下并拆開X軸AC 伺服放大單元，逐一檢查與電流有關(guān)的電流控制、SPWM 控制、主控制板基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)和變頻逆變(大功率晶體管模塊)等部分。這種故障應(yīng)該是大功率晶體管模塊出故障的可能性要大些，因此把重點(diǎn)放在檢查大功率晶體管模塊上。用萬用表檢查變頻逆變部分的大功率晶體管模塊TM，將6 個(gè)大功率晶體管模塊的連接斷開，用萬用表的歐姆檔對(duì)這6 個(gè)晶體管模塊逐一檢查，發(fā)現(xiàn)6 個(gè)中有一個(gè)晶體管模塊TM1的C—E 間的阻值只有3.2 Ω。從電路板上焊下TM1，再測(cè)TM1的C—E 阻值還是只有3.2 Ω。正常時(shí)C—E的正向阻值應(yīng)該是幾百歐姆，反向阻值應(yīng)該是無窮大。如果小于10 Ω 說明TM1內(nèi)部有短路。查到故障元件，對(duì)故障原因進(jìn)行分析:AC 伺服單元過電流的原因就是因?yàn)榫w管模塊TM1被擊穿，造成這一相的電流過大，大于其它兩相的電流，使三相電流不平衡，控制電路便產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，關(guān)斷了速度準(zhǔn)備信號(hào)。SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)的電流控制和逆變器的晶體管模塊被迫停止工作，所以AC 伺服放大器沒有輸出，X軸也就不會(huì)移動(dòng)了，確認(rèn)電路板上沒有其它短路的情況下，再經(jīng)過對(duì)PCB 上晶體管驅(qū)動(dòng)放大電路進(jìn)行認(rèn)真檢查，檢查沒有問題后，再更換新的晶體管模塊后，故障排除。

故障原因 晶體管模塊被擊穿的原因:(1)主要是伺服放大器中由大功率晶體管(現(xiàn)在很多是IGBT)組成的晶體管橋式逆變器，如果帶感性負(fù)載(電動(dòng)機(jī)就是感性負(fù)載)，當(dāng)晶體管模塊中的達(dá)林頓管由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的瞬間，電流變化值di/dt 及電壓變化值du/dt 可達(dá)正常時(shí)的上百倍，如果達(dá)林頓管C-E 結(jié)不能承受這么高的電壓，就會(huì)造成達(dá)林頓管二次擊穿。還有當(dāng)伺服電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間，起動(dòng)電流較大，伺服對(duì)電動(dòng)機(jī)的電流變化值di/dt、最大電流起止控制如果失誤都能造成過電流。為防止過電流，在逆變橋臂上要有限流電阻。所以為克服大功率晶體管的二次擊穿，就要使其C-E 間的電壓UCE上升速率變緩，讓集電極電流IC下降速率加快。采用在大功率晶體管的C -E間并聯(lián)快恢復(fù)的二極管和R C 吸收回路，以減緩UCE電壓上升的速率。這樣就可減小達(dá)林頓管損壞的幾率。(2)還有晶體管模塊被擊穿的第二個(gè)原因是電動(dòng)機(jī)在換向時(shí)電流很大，如果換向時(shí)間過短(存在死區(qū))，死區(qū)時(shí)間小于晶體管的關(guān)斷時(shí)間，就會(huì)造成逆變失敗，過電流保護(hù)電路動(dòng)作，顯示報(bào)警。(3)電動(dòng)機(jī)過負(fù)荷情況，電流過大，伺服驅(qū)動(dòng)單元停止輸出，顯示過電流報(bào)警。(4)另外由于車間環(huán)境的灰塵、冷卻水霧的影響，造成電路板的絕緣下降，也是使達(dá)林頓管損壞的原因之一。

故障排除方法:更換晶體管模塊，清潔電路板的針型接插件。

2 氣壓不足有報(bào)警故障檢修

實(shí)例2 某采用SIEMENS 810 控制系統(tǒng)的激光切割機(jī)出現(xiàn)高壓無法接通，無法發(fā)出激光的故障。系統(tǒng)有報(bào)警，屏幕顯示內(nèi)容:

故障機(jī)理分析 發(fā)生故障是因?yàn)榧す馇懈顧C(jī)的CO2激光器腔內(nèi)壓力不足(P ＜90 hPa)，而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，造成高壓無法接通。機(jī)床在通電后，要延時(shí)一會(huì)激光器主電源才能接通，接通后開始向激光器腔內(nèi)充氣加壓。激光器腔內(nèi)加的是N2、He、CO2氣體。只有當(dāng)腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定的壓力值時(shí)(100 hPa)，高壓才能接通。

故障診斷 在診斷過程中發(fā)現(xiàn):①電源變壓器T2的次級(jí)230 V 有一短接線接觸不好有松動(dòng)，重新接好此短接線。②機(jī)床橫梁后面的氣動(dòng)控制站有一壓力檢測(cè)開關(guān)B50動(dòng)作頻繁，B50的壓力檢測(cè)值為0.14/0.17 MPa，檢測(cè)的是整個(gè)氣路的進(jìn)口壓力。當(dāng)其壓力小于檢測(cè)值時(shí)，壓力檢測(cè)開關(guān)B50觸點(diǎn)斷開，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，高壓就無法接通。測(cè)量B50觸點(diǎn)的電壓，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)的24 V 電壓時(shí)有時(shí)無(B50時(shí)通時(shí)斷)。檢查壓力檢測(cè)開關(guān)并無損壞。后來調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥Y50，將壓力值增大些，壓力檢測(cè)開關(guān)B50閉合恢復(fù)正常了。這時(shí)高壓仍無法接通，要想使高壓接通，還需使N2、He、CO2及空氣的氣壓值滿足要求，規(guī)定值為0.35 MPa。需要檢查N2、He、CO2及空氣的壓力。③檢查發(fā)現(xiàn)N2、He的氣壓值不正常。進(jìn)氣壓力和出氣壓力都不對(duì)，需要調(diào)節(jié)。進(jìn)氣壓力和出氣壓力的調(diào)節(jié)是很復(fù)雜的，它需要進(jìn)氣閥壓力和出氣閥壓力一起配合調(diào)節(jié)(調(diào)它們的比值)。方法是先調(diào)N2的進(jìn)氣調(diào)節(jié)閥Y50調(diào)到0. 14/0.17 MPa。再調(diào)N2的出氣調(diào)節(jié)閥Y51，調(diào)到0.35 MPa。它們的壓差值為0.18/0.21 MPa。接下來調(diào)He的出氣調(diào)節(jié)閥Y52，調(diào)到0.35 MPa。調(diào)前用螺紋刀往下按He和N2氣閥，聽到有嘶嘶的放氣聲，以保證氣路未堵塞。經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)N2和He的進(jìn)氣閥的進(jìn)氣氣壓和出氣閥的出氣壓力(即反復(fù)調(diào)Y51和Y52，調(diào)節(jié)它們的進(jìn)氣壓力和出氣壓力的壓差值)，一直調(diào)到屏幕上顯示100 hPa，與設(shè)定值相符且顯示值穩(wěn)定為止。通過以上步驟調(diào)節(jié)后壓力正常。當(dāng)腔內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值100 hPa，報(bào)警信號(hào)消失，高壓準(zhǔn)備信號(hào)接通，可以加高壓了。故障得以排除。

故障原因 因?yàn)榧尤爰す馄髑粌?nèi)的CO2、N2和He的氣壓不足，造成壓力檢測(cè)開關(guān)無法閉合，機(jī)床檢測(cè)不到壓力值，產(chǎn)生壓力不足報(bào)警信號(hào)，出于高壓保護(hù)的目的，高壓就無法接通。

3 電源相序錯(cuò)誤無報(bào)警故障檢修

實(shí)例3 同樣是上面的機(jī)床，有一次突然出現(xiàn)屏幕無顯示故障。

故障診斷分析 在現(xiàn)場檢查時(shí)，先是發(fā)現(xiàn)控制柜內(nèi)有一自動(dòng)開關(guān)QF3跳閘，合上此開關(guān)屏幕仍無顯示。查機(jī)床說明書無此故障的任何說明，圖紙也不全。給維修造成了一定的難度。經(jīng)過對(duì)有關(guān)元器件逐一排查，查到有一個(gè)像接觸器的器件K11，它的上端有三根線，標(biāo)的是L1、L2、L3，下端有兩根線，標(biāo)的是15，18 。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，它應(yīng)該不是接觸器或繼電器。測(cè)L1、L2、L3任意兩相間的電壓為AC380 V，應(yīng)是電源的進(jìn)線。15、18 線間的電壓為DC24 V，應(yīng)是控制電壓。調(diào)換L1、L2、L3中的任意兩相，屏幕還是不顯示，應(yīng)該不是電源相序問題。經(jīng)分析判斷15、18 可能是一對(duì)常開觸點(diǎn)，在通電時(shí)應(yīng)該是閉合接通的。為了保險(xiǎn)起見，用一1 A 的保險(xiǎn)絲短接15 號(hào)線和18 號(hào)線，通電后屏幕有顯示了?？磥碚媸?5 和18 未閉合導(dǎo)致的故障。查其它機(jī)床的資料知道有些進(jìn)口機(jī)床為了防止電源相序錯(cuò)誤，在電源進(jìn)線上裝有相序調(diào)節(jié)器，它可以用來調(diào)節(jié)電源電壓的允許波動(dòng)范圍和調(diào)整相序。這個(gè)元件有可能是相序調(diào)節(jié)器。當(dāng)相序正確(正相序)時(shí)，它內(nèi)部的繼電器通電，其常開觸點(diǎn)閉合，DC24 V 控制電源輸出到控制單元，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)才能通電。當(dāng)相序不正確(相序反了)時(shí)，它內(nèi)部的繼電器就不通電，其常開觸點(diǎn)斷開，整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)就不能通電。原來故障是由于相序調(diào)節(jié)器失效而造成的相序檢測(cè)失誤造成的。

故障原因 由于相序調(diào)節(jié)器內(nèi)部的繼電器失效，引起其常開觸點(diǎn)不閉合，造成電源相序錯(cuò)誤的失誤。并產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，使得DC24 V 電壓無法接通，屏幕就不能顯示。相序調(diào)節(jié)器K11的作用就是當(dāng)進(jìn)線電源電壓相序錯(cuò)誤或超出電壓允許波動(dòng)范圍時(shí)，此相序調(diào)節(jié)器動(dòng)作，15、18 斷開不能閉合，使控制回路的DC24 V電壓無法接通。

相序調(diào)節(jié)器K11的接線圖如圖1。

故障排除 因?yàn)楫?dāng)時(shí)沒有現(xiàn)成的備件替換，臨時(shí)使用AC220 V 的中間繼電器接在相線L1和零線N 之間，替換原來已失靈的相序調(diào)節(jié)器內(nèi)部的繼電器作為應(yīng)急處理。

4 主軸不變速無報(bào)警故障檢修

實(shí)例4 采用FANUC -0M 系統(tǒng)的某加工中心主軸無高速，在加工過程中主軸不能從低速檔變換到高速檔。

故障診斷 此加工中心的主軸轉(zhuǎn)速范圍15 ～4 000 r/min，低速S15 ～S893 r/min，高速S894 ～S4000 r/min。如果給出的主軸轉(zhuǎn)速指令值低于S15 r/min 或高于S4000 r/min，PC 都將報(bào)警，主軸以前一個(gè)S 代碼指令的轉(zhuǎn)速運(yùn)行。本機(jī)床只有低速和高速兩檔，對(duì)應(yīng)的齒輪選擇信號(hào)為GR10 和GR20。因主軸轉(zhuǎn)速在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，診斷比較困難。主軸不變速故障的原因有:(1)電氣變檔信號(hào)沒有輸出;(2)主軸變速時(shí)壓力不夠;(3)變檔電磁閥卡死;(4)變檔液壓缸撥叉脫落;(5)變檔液壓缸竄油或泄漏;(6)變檔復(fù)合開關(guān)失靈;(7)變檔液壓缸卡死。按照以上原因一一排查，先檢查電氣變檔信號(hào)是否輸出。從系統(tǒng)診斷表中查到齒輪選擇信號(hào)GR20 為0，懷疑是沒有檢測(cè)到高速掛檔到位信號(hào)。高速掛檔到位開關(guān)是PNP型接近開關(guān)，當(dāng)從低速檔變換到高速檔時(shí)，此開關(guān)應(yīng)輸出+24 V。顯然是高速掛檔到位開關(guān)有問題，未檢測(cè)到齒輪掛檔已到位。拆下主軸上面的蓋板，檢查接近開關(guān)的好壞，用一薄鐵片去感應(yīng)接近開關(guān)，接近開關(guān)的指示燈有變化，接近開關(guān)應(yīng)該沒有問題。檢查過程中發(fā)現(xiàn)主軸在從低速檔換到高速檔時(shí)，感應(yīng)塊到接近開關(guān)的距離總是不到位，造成接近開關(guān)感應(yīng)的信號(hào)太弱，接近開關(guān)的三極管不能導(dǎo)通，也就沒有掛檔到位信號(hào)輸出。

故障排除方法 調(diào)整感應(yīng)塊到接近開關(guān)的距離，此距離應(yīng)在0.3 ～0.7 cm 之間調(diào)整，感應(yīng)塊與接近開關(guān)的接近面積應(yīng)不小于1/2。調(diào)整好接近開關(guān)位置后，主軸能從低速檔變換到高速檔了，故障排除。

5 結(jié)語

數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代各種工業(yè)成果的集成，包括CNC、PLC、軟件、精密機(jī)械、數(shù)字電子技術(shù)、大功率電力電子、伺服拖動(dòng)、電動(dòng)機(jī)和控制、液壓和氣動(dòng)技術(shù)、精密測(cè)量和傳感器等多項(xiàng)技術(shù)。因?yàn)閿?shù)控機(jī)床故障具有特殊性，所以在維修數(shù)控機(jī)床時(shí)，要針對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障機(jī)理，對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障進(jìn)行分類，找到它們的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)。在判斷故障時(shí)，要根據(jù)有無報(bào)警信息進(jìn)行分類診斷，對(duì)有報(bào)警故障要先弄清楚報(bào)警的內(nèi)容是什么，根據(jù)報(bào)警的內(nèi)容來判斷故障發(fā)生的部位。對(duì)無報(bào)警故障要對(duì)產(chǎn)生故障的原因進(jìn)行分析，列出所有產(chǎn)生故障原因的可能性，對(duì)故障的可能性進(jìn)行一一排查，從而縮小故障的維修范圍。要利用機(jī)床本身具有的自診斷功能，這樣能少走彎路，可以幫助我們判斷故障，減少故障的維修時(shí)間。

［1］FANUC 0M 系統(tǒng)維修說明書［Z］.1989.

［2］ROFIN SINAR LASER 操作手冊(cè)［Z］.1991.

［3］郭士義. 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［4］朱仕學(xué). 數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修［M］. 北京:清華大學(xué)出版社，2007.