数控机床中几种无报警故障的修理

数控机床中几种无报警故障的修理(中） 故障一中捷THY5640立式加工中心，在工作中发现主轴转速在500r/min以下时主轴及变速箱等处有异常声音，观察电机的功率表发现电机的输出功率不稳定，指针摆动很大。但使用1201r/min以上时异常声音又消失。开机后，在无旋转指令情况下，电机的功率表会自行摆动，同时电机漂移自行转动，正常运转后制动时间过长，机床无报警。 根据查看到的现象，引起该故障的原因可能有主轴控制器失控，机械变速器或电机上的原因也不能排除。由于拆卸机械部分检查的工作量较大，因此先对电气部分的主轴控制器进行检查，控制器为西门子6SC-6502。首先检查控制器中预设的参数，再检查控制板，都无异常，经查看电路板较脏，按要求对电路板进行清洗，但装上后开机故障照旧。因此控制器内的故障原因暂时可排除。为确定故障在电机还是在机械传动部分，必须将电机和机械脱离，脱离后开机试车发现给电机转速指令接近450r/min时开始出现不间断的异常声音，但给1201r/min指令时异常声音又消失。为此我们对主轴部分进行了分析，原来低速时给定的450r/min指令和高速时的4500r/min指令对电机是一样在最高转速，只是低速时通过齿轮进行了减速，所以故障在电机部分基本上可以确定。经分析，异常声音可能是轴承不良引起。将电机拆卸进行检查，发现轴承确已坏，在高速时轴承被卡造成负载增大使功率表摆动不定，出现偏转。而在停止后电机漂移和制动过慢，经检查是编码器的光盘划破，更换轴承和编码器后所有故障全部排除。 该故障主要是主轴旋转时有异常声音，因此在排除时应查清声源，再进行检查。有异常声音常见为机械上相擦，卡阻和轴承损坏。 故障二加工中心主轴定向不准或错位。 加工中心主轴的定向通常采用三种方式，磁传感器，编码器和机械定向。使用磁传感器和编码器时，除了通过调整元件的位置外，还可通过对机床参数调整。发生定向错误时大都无报警，只能在换刀过程中发生中断时才会被发现。有一次在一台改装过的加工中心上出现了定向不准的故障，开始时机床在工作中经常出现中断，但出现的次数不很多，重新开机又能工作，故障反复出现。经在故障出现后对机床进行了仔细观察，才发现故障的真正原因是主轴在定向后发生位置偏移，奇怪的是主轴在定向后如用手碰一下(和工作中在换刀时当刀具插入主轴时的情况相近)主轴会产生向相反方向漂移，检查电气部分无任何报警，机械部分又很简单。该机床的定向使用编码器，所以从故障的现象和可能发生的部位来看，电气部分的可能性比较小，机械上最主要的是联接。所以决定检查机械联接部分，在检查到编码器的联接时发现编码器上联接套的紧定螺钉松动，使联接套后退造成与主轴的联接部分间隙过大使旋转不同步。将紧定螺钉按要求固定好后故障消除。 发生主轴定向方面的故障应根据机床的具体结构进行分析处理，先检查电气部分，如确认正常后再考虑机械部分。 数控机床加工精度异常故障的维护生产中经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。此类故障隐蔽性强、诊断难度大。导致此类故障的原因主要有五个方面:(1)机床进给单位被改动或变化。(2)机床各轴的零点偏置(NULL OFFSET)异常。(3)轴向的反向间隙(BACKLASH)异常。(4)电机运行状态异常，即电气及控制部分故障。(5)机械故障，如丝杆、轴承、轴联器等部件。此外，加工程序的编制、刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。 1. 系统参数发生变化或改动 系统参数主要包括机床进给单位、零点偏置、反向间隙等等。例如SIEMENS、FANUC数控系统，其进给单位有公制和英制两种。机床修理过程中某些处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕应作适时地调整和修改;另一方面，由于机械磨损严重或连结松动也可能造成参数实测值的变化，需对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。 2. 机械故障导致的加工精度异常 一台THM6350卧式加工中心，采用FANUC 0i-MA数控系统。一次在铣削汽轮机叶片的过程中，突然发现Z轴进给异常，造成至少1mm的切削误差量(Z向过切)。调查中了解到:故障是突然发生的。机床在点动、MDI操作方式下各轴运行正常，且回参考点正常;无任何报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。分析认为，主要应对以下几方面逐一进行检查。 1)检查机床精度异常时正运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿、加工坐标系(G54G59)的校对及计算。 2)在点动方式下，反复运动Z轴，经过视、触、听对其运动状态诊断，发现Z向运动声音异常，特别是快速点动，噪声更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。 3)检查机床Z轴精度。用手脉发生器移动Z轴，(将手脉倍率定为1100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm)，配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段:机床运动距离d1d=0.1mm(斜率大于1);表现出为d=0.1mmd2d3(斜率小于1);机床机构实际未移动，表现出最标准的反向间隙;机床运动距离与手脉给定值相等(斜率等于1)，恢复到机床的正常运动。 无论怎样对反向间隙(参数1851)进行补偿，其表现出的特征是:除第阶段能够补偿外，其他各段变化仍然存在，特别是第阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，第段的移动距离也越大。 分析上述检查认为存在几点可能原因:一是电机有异常;二是机械方面有故障;三是存在一定的间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。电机运行正常;在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感。而正常情况下，应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经拆检发现其轴承确已受损，且有一颗滚珠脱落。更换后机床恢复正常。 3. 机床电气参数未优化电机运行异常 一台数控立式铣床，配置FANUC 0-MJ数控系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定现象。用手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较严重，启停时不太明显，JOG方式下较明显。 分析认为，故障原因有两点，一是机械反向间隙较大;二是X轴电机工作异常。利用FANUC系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行了补偿;调整伺服增益参数及N脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常。 4. 机床位置环异常或控制逻辑不妥 一台TH61140镗铣床加工中心，数控系统为FANUC 18i，全闭环控制方式。加工过程中，发现该机床Y轴精度异常，精度误差最小在0.006mm左右，最大误差可达到1.400mm。检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在MDI方式下，以G54坐标系运行一段程序即“G90 G54 Y80 F100;M30;”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，记录下该值。然后在手动方式下，将机床Y轴点动到其他任意位置，再次在MDI方式下执行上面的语句，待机床停止后，发现此时机床机械坐标数显值为“-1046.992”，同第一次执行后的数显示值相比相差了0.387mm。按照同样的方法，将Y轴点动到不同的位置，反复执行该语句，数显的示值不定。用百分表对Y轴进行检测，发现机械位置实际误差同数显显示出的误差基本一致，从而认为故障原因为Y轴重复定位误差过大。对Y轴的反向间隙及定位精度进行仔细检查，重新作补偿，均无效果。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题，但为什么产生如此大的误差，却未出现相应的报警信息呢?进一步检查发现，该轴为垂直方向的轴，当 Y轴松开时，主轴箱向下掉，造成了超差。 对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在Y轴松开时，先把Y轴使能加载，再把Y轴松开;而在夹紧时，先把轴夹紧后，再把Y轴使能去掉。调整后机床故障得以解决。 数控机床故障诊断与调试几例由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，而大部分故障主要是由系统参数的设置，伺服电机和驱动单元的本身质量，以及强电元件、机械防护等出现问题而引起的。 设备调试和用户维修服务是数控设备故障的两个多发阶段。设备调试阶段是对数控机床控制系统的设计、编制、系统参数的设置、调整和优化阶段。用户维修服务阶段，是对强电元件、伺服电机和驱动单元、机械防护的进一步考核，以下是数控机床调试和维修的几个例子 : 例 1一台数控车床采用 80 2 5控制系统，、轴使用半闭环控制，在用户中运行半年后发现轴每次回参考点，总有 2、3的误差，而且误差没有规律，调整控制系统参数后现象仍没消失，更换伺服电机后现象依然存在，后来仔细分析后估计是丝杠末端没有备紧，经过螺母备紧后现象消失。 例 2一台数控机床采用 81 0系统，机床在中作中程序突然消失，经过检查发现保存系统电池已经没电，更换电池，将传到系统后，机床可以正常运行。由于 81 0系统没有电池方面的报警信息，因此， 81 0系统在用户中广泛存在这种故障。 例 3 一台数控车床配 -系统，在调试中时常出现闪烁、发亮，没有字符出现的现象，我们发现造成的原因主要有 :亮度与灰度旋钮在运输过程中出现震动。系统在出厂时没有经过初始化调整。系统的主板和存储板有质量问题。解决办法可按如下步骤进行 :首先，调整的亮度和灰度旋钮，如果没有反应，请将系统进行初始化一次，同时按键和键，进行系统启动，如果仍没有正常显示，则需要更换系统的主板或存储板。 例 4一台加工中心6 2 40，采用80 55控制系统，在调试中轴精度有很大偏差，机械精度经过检查没有发现问题，经过技术人员的调试发现直线轴与旋转轴的伺服参数的计算有很大区别，经过重新计算伺服参数后，轴回参考点，运行精度一切正常。对于数控机床的调试和维修，重要的是吃透控制系统的梯形图和系统参数的设置，出现问题后，应首先判断是强电问题还是系统问题，是系统参数问题还是梯形图问题，要善于利用系统自身的报警信息和诊断画面，一般只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障都可以及时排除。 浅谈数控机床故障排除的一般办法(二) 四、交换法所谓交换法就是在分析出故障大致起因的情况下，利用备用的印刷线路板、模板、集成电路芯片或元件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷线路板或芯片一级。例 4:63 50加工中心旋转工作台抬起后旋转不止，且无减速，无任何报警信号出现。对这种故障，可能是由于旋转工件台的简易位控器故障造成的，为进一步证实故障部位，考虑到该加工中心的刀库的简易位控器与转台的基本一样。于是采用交换法进行检查，交换刀库与转台的位控器后，并按转台位控器的设定对刀库位控器进行了重新设定，交换后，刀库则出现旋转不止，而转台运行正常，证实了故障确实出在转台的位控器上。 五、原理分析法根据组成原理，从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数，从系统各部件的工作原理着手进行分析和判断，确定故障部位的维修方法。这种方法的运用，要求维修人员对整个系统或每个部件的工作原理都有清楚的、较深的了解，才可能对故障部位进行定位。例 5:71 0数控车床出现轴进给失控，无论是点动或是程序进给，导轨一旦移动起来就不能停下来，直到按下紧急停止为止。根据数控系统位置控制的基本原理，可以确定故障出在轴的位置环上，并很可能是位置反馈信号丢失，这样，一旦数控装置给出进给量的指令位置，反馈的实际位置始终为零，位置误差始终不能消除，导致机床进给的失控，拆下位置测量装置脉冲编码器进行检查，发现编码器里灯丝已断，导致无反馈输入信号，更换轴编码器后，故障排除。 六、参数检查法数控系统发现故障时应及时核对系统参数，系统参数的变化会直接影响到机床的性能，甚至使机床不能正常工作，出现故障，参数通常存放在磁泡存储器或由电池保持的中，一旦外界干扰或电池电压不足，会使系统参数丢失或发生变化而引起混乱现象，通过核对，修正参数，就能排除故障。例 6:1 84数控磨床，数控系统是1 1系统，故障现象使机床不能工作，显示器无任何报警信息。检查机床各部分，发现装置及与各接口的连接单元都是好的，最后分析是由于外部干扰引起磁泡存储器内存储数据混乱而造成的，因此，对磁泡存储器存储内容进行了全部清除，重新按手册送入数控系统各种参数后，数控机床即恢复正常。除了上面介绍的几种检查方法外，还有测量比较法、敲击法、局部升温法，电压拉编法及开环检测法等，这些方法各有特点，维修时应根据故障现象，常常同时采用几种方法，灵活运用，对故障进行综合分析逐步缩小故障范围，以达到排除故障的目的。 浅谈数控机床故障排除的一般办法(一) 数控机床是一种高效的自动化机床，他综合了计算机技术，自动化技术，伺服驱动，精密测量和精密机械等各个领域的新的技术成果，是一门新兴的工业控制技术。由于其经济性能好，生产效益高，在生产上处于越来越重要的地位。为了提高机床的使用率，提高系统的有效度，结合工作实际浅谈一下数控系统故障处置和维修的一般方法。以提高数控机床的维修技术。 一、直观法维修人员通过故障发生时的各种光、声、味等异常现象的观察，认真察看系统的各个部分，将故障范围缩小到一个模块或一块印刷线路板。例 1 :数控机床加工过程中，突然出现停机。打开数控柜检查发现轴电机主电路保险管烧坏，经仔细观察，检查与轴有关的部件，最后发现轴电机动力线外皮被硬物划伤，损伤处碰到机床外壳上，造成短路烧断保险，更换轴电机动力线后，故障消除，机床恢复正常。 二、自诊断功能法数控系统的自诊断功能，已经成为衡量数控系统性能特性的重要指标，数控系统的自诊断功能随时监视数控系统的工作状态。一旦发生异常情况，立即在上显示报警信息或用发光二极管指示故障的大致起因，这是维修中最有效的一种方法。例 2 :AX15Z数控车床，配置FANUC1 0TEF系统，故障显示 :FS10TE1399ROMTEST：ENDRAMTEST：的显示表明测试通过，测试未能通过。测试未能通过，不一定是故障，可能是中参数丢失或电池接触不良一起的参数丢失，经检查故障原因是由于更换电池后电池接触不良，所以一开机就出现上述故障现象。 三、功能程序测试法功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和特殊功能用手工编程或自动编程的方法，编制成一个功能测试程序，送入数控系统，然后让数控系统运行这个测试程序，借以检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能原因。例 3 :采用ANUC 6系统的一台数控铣床，在对工件进行曲线加工时出现爬行现象，用自编的功能测试程序，机床能顺利运行完成各种预定动作，说明机床数控系统工作正常，于是对所用曲线加工程序进行检查，发现在编程时采用了61指令，即每加工一段就要进行 1次到未停止检查，从而使机床出现爬行现象，将61指令改用64(连续切削方式 )指令代替之后，爬行现象就消除了 数控系统特殊故障排除三例从美国何丁兄弟公司进口的 5台2精密数控车床，均配日本6系统。在使用中曾出现下列特殊故障。(1 )在调试新程序过程中，当系统执行到换刀指令时，和轴同时向正方向快速移动约 1 0，且位置显示不变，改用其它程序无此现象，故确定为程序问题。经检查发现换刀指令前一段程序中同时使用了50和96指令，将50和96顺序对掉后，再运行，故障消失。(2 )在调试新程序过程中，当系统执行到主轴运转指令时，和轴同时正向快速移动约 40，且位置显示不变。检查程序发现在主轴运转指令之前执行了换刀指令，将其改成先启动主轴再换刀，故障消失。(3 )在加工过程中，系统的执行速度明显减慢，如非运行指令3 0、98等，也需要执行 1min，且无规律，但进给速度不变，只是每将进给之间停留时间变长，改用以前用过的程序，故障依旧。经检查机床参数发现 1 2 4# 参数轴伺服环产生的漂移补偿量变大，将其置 0后，再开机，故障消失，但几天后故障重现，检查 1 2 4# 参数再次增大。估计轴偏移过大，用诊断方式检查 800# 参数，发现其值在 0 +15之间跳动，调整轴偏移电位器使其在 0 1之间跳动，再将 1 2 4# 参数置 0，关机再开机后故障消失，经一年使用未再发生此故障 数控机床故障诊断与维修几例 由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，而大部分故障的发生则是非系统本身原因引起的。系统外部的故障主要指由于检测开关、液压元件、气动元件、电气执行元件、机械装置等出现问题而引起的。数控设备的外部故障可以分为软故障和外部硬件损坏引起的硬故障。软故障是指由于操作、调整处理不当引起的，这类故障多发生在设备使用前期或设备使用人员调整时期。对于数控系统来说，另一个易出故障的地方为伺服单元。由于各轴的运动是靠伺服单元控制伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。用旋转编码器作速度反馈，用光栅尺作位置反馈。一般易出故障的地方为旋转编码器与伺服单元的驱动模块。也有个别的是由于电源原因而引起的系统混乱。特别是对那些带计算机硬盘保存数据的系统。例如，德国西门子系统840C。例1：一数控车床刚投入使用的时候，在系统断电后重新启动时，必须要返回到参考点。即当用手动方式将各轴移到非干涉区外后，再使各轴返回参考点。否则，可能发生撞车事故。所以，每天加工完后，最好把机床的轴移到安全位置。此时再操作或断电后就不会出现问题。外部硬件操作引起的故障是数控修理中的常见故障。一般都是由于检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件、机械装置出现问题引起的。这类故障有些可以通过报警信息查找故障原因。对一般的数控系统来讲都有故障诊断功能或信息报警。维修人员可利用这些信息手段缩小诊断范围。而有些故障虽有报警信息显示，但并不能反映故障的真实原因。这时需根据报警信息和故障现象来分析解决。例2：我厂一车削单元采用的是SINUMERIK840C系统。机床在工作时突然停机。显示主轴温度报警。经过对比检查，故障出现在温度仪表上，调整外围线路后报警消失。随即更换新仪表后恢复正常。例3：同样是这台车削中心，工作时CRT显示9160报警“9160 NO PART WITH GRIPPER 1 CLOSED VERIFY V14-5”。这是指未抓起工件报警。但实际上抓工件的机械手已将工件抓起，却显示机械手未抓起工件报警。查阅PLC图，此故障是测量感应开关发出的。经查机械手部位，机械手工作行程不到位，未完全压下感应开关引起的。随后调整机械手的夹紧力，此故障排除。例4：一台立式加工中心采用FANUC-OM控制系统。机床在自动方式下执行到X轴快速移动时就出现414和410报警。此报警是速度控制OFF和X轴伺服驱动异常。由于此故障出现后能通过重新启动消除，但每执行到X轴快速移动时就报警。经查该伺服电机电源线插头因电弧爬行而引起相间短路，经修整后此故障排除。例5：操作者操作不当也是引起故障的重要原因。如我厂另一台采用840C系统的数控车床，第一天工作时完全正常，而第二天上班时却无论如何也开不了机，工作方式一转到自动方式下就报警“EMPTYING SELECTED MOOE SELECTOR”。加工完工件后，主轴不停，机械手就去抓取工件，后来仔细检查各部位都无毛病，而是自动工作条件下的一个模式开关位置错了。所以，当有些故障原因不明的报警出现的话，一定要检查各工作方式下的开关位置。还有些故障不产生故障报警信息，只是动作不能完成，这时就要根据维修经验、机床的工作原理和PLC运行状况来分析判断了。对于数控机床的修理，重要的是发现问题。特别是数控机床的外部故障。有时诊断过程比较复杂，但一旦发现问题所在，解决起来比较简单。对外部故障诊断应遵从以下两条原则。首先要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序。其次，要会利用PLC梯形图。NC系统的状态显示功能或机外编程器监测PLC的运行状态，一般只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障都会及时排除。 机床主轴制动控制方式的改进设计 1引言通常机床主轴电动机制动时，采用的是能耗制动方式，使电动机AB相输入直流电源。采用能耗制动方式使主轴电动机停止，主轴在低档位低速旋转时，大约需要0.5s，在高档位高速旋转时，大约需要2.5s。目前，采用的主轴电动机制动方法如图1所示，先断开KM1，再闭合开关KM2，从而断开三相交流电源，接通直流电源，延时2.5s，认定主轴电动机停止旋转，然后进行换刀或其它动作。主轴以不同的速度旋转时，采用能耗制动方式使主轴停止所需要的时间不同，采用同样的能耗制动时间，延长无意义的加工辅助时间，降低了机床工作效率。另外，一旦开关KM2不能可靠闭合，或者直流电源保险断开不能正常提供直流电，则主轴电动机只能在摩擦力的作用下减速，制动时间需要很长，但延时2.5s后，机床数控系统仍然认定主轴电动机已经停止旋转，此时机床进行换刀或其它动作容易造成事故。因此，我们对机床主轴制动控制方式进行了改进设计，判断主轴旋转状态，不采用延时2.5s，即认定主轴电动机停止旋转的控制方式，而是实时监控主轴旋转状态，当主轴旋转低于一定转速时，立即发出主轴停止完了信号。 2主轴转速监测方案在电动机的同步传动轴上安装一块条形铁片，和电动机同步旋转，由接近开关对其检测，每转检测到两个脉冲信号，通过对脉冲信号的检测而得知其转速。检测脉冲信号有两种方案。第一方案：在一定周期Tp内读取脉冲信号的个数N，PLC是一种顺序控制器，它的程序是由前到后一步一步执行，每执行完一遍为一个扫描周期，然后从头开始循环执行。假如程序有2000步，每步执行时间周期为30s，则程序的扫描周期约60ms，扫描频率约16Hz，能够准确检测出的脉冲频率应低于8Hz，当转速的脉冲频率大于16Hz，即转速n480r/min时，PLC受其扫描频率的影响，不能准确检测出脉冲的个数，情况不好时，会出现高速时检测的脉冲个数很少，误判为电动机基本停止而进行下面动作，造成事故。此种方案只适用于主轴低速旋转状态的监测。第二种方案：检测脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T，当n60r/min时，发出主轴停止完了信号。由于PLC程序执行过程的延时，数控系统收到主轴停止信号，并执行下面动作时，主轴已完全停止旋转，n=60r/min所对应脉冲信号持续为“0”或“1”的时间T为0.25s，因此我们把检测脉冲信号的计时器设定为0.25s。同样高速时也会出现脉冲测不准的情况，但不管情况多坏，在0.25s的时间内“0”或“1”至少变化一次，因此可以准确地判断主轴是否停止旋转。此方案可以适用于主轴高速或低速旋转时主轴制动状态的检测。在实际应用中，我们采用了此方案。 3PLC实现主轴能耗制动的控制方法PLC设计程序中，X20.0为转速脉冲信号的输入，M05为主轴停止信号，Y50.0为主轴停止完了信号。两个计时器TM1、TM2分别判断X20.0脉冲信号持续为“0”或“1”的时间是否达到设定的时间，只要有一个时间到达，即R100.1或R100.2变“1”，导致R100.3变“1”，此时M05为“1”，导致Y50.0输出“1”，则发出主轴制动完了信号，实现了主轴停止的准确判断。 4结束语我们采用改进的控制方式用PLC控制机床主轴的制动，能够可靠地判别机床主轴的旋转状态，避免了机床的误动作，节约了主轴加工的辅助时间，使机床的保护性能更趋于完善。 作者单位潘月斗（天津大学自动化学院工业电气自动化教研室，邮编：300072）许镇琳（天津大学）喻志火（北京机床研究所）曹振涛（北京机床研究所）