數控機床保養維修技術(shù)技巧
隨著(zhù)電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數控技術(shù)的應用越來(lái)越廣泛。以微處理器為基礎，以大規模集成電路為標志的數控設備，已在我國批量生產(chǎn)、大量引進(jìn)和推廣應用，它們給機械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng )造了條件，并帶來(lái)很大的效益。但同時(shí)，由于它們的先進(jìn)性、復雜性和智能化高的特點(diǎn)，在維修理論、技術(shù)和手段上都發(fā)生了飛躍的變化。
數控維修技術(shù)不僅是保障正常運行的前提，對數控技術(shù)的發(fā)展和完善也起到了巨大的推動(dòng)作用，因此，目前它已經(jīng)成為一門(mén)專(zhuān)門(mén)的學(xué)科。
另外任何一臺數控設備都是一種過(guò)程控制設備，這就要求它在實(shí)時(shí)控制的每一時(shí)刻都準確無(wú)誤地工作。任何部分的故障與失效，都會(huì )使機床停機，從而造成生產(chǎn)停頓。因而對數控系統這樣原理復雜、結構精密的裝置進(jìn)行維修就顯得十分必要了。尤其對引進(jìn)的CNC機床，大多花費了幾十萬(wàn)到上千萬(wàn)美元。在許多行業(yè)中，這些設備均處于關(guān)鍵的工作崗位，若在出現故障后不及時(shí)維修排除故障，就會(huì )造成較大的經(jīng)濟損失。
我們現有的維修狀況和水平，與國外進(jìn)口設備的設計與制造技術(shù)水平還存在很大的差距。造成差距的原因在于：人員素質(zhì)較差，缺乏數字測試分析手段，數域和數域與頻域綜合方面的測試分析技術(shù)等有待提高等等。
下面我們從現代數控系統的基本構成入手，探討數控系統的診斷與維修。
1、數控系統的構成與特點(diǎn)
目前世界上的數控系統種類(lèi)繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點(diǎn)。這些結構特點(diǎn)來(lái)源于系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點(diǎn)位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對于T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用于回轉體零件加工，后者適合于異形非回轉體的零件加工。對于不同的生產(chǎn)廠(chǎng)家來(lái)說(shuō)，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，美國Dynapath系統采用小板結構，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統則趨向大板結構，使之有利于系統工作的可靠性，促使系統的平均無(wú)故障率不斷提高。然而無(wú)論哪種系統，它們的基本原理和構成是十分相似的。一般整個(gè)數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統?？刂葡到y按加工工件程序進(jìn)行插補運算，發(fā)出控制指令到伺服驅動(dòng)系統；伺服驅動(dòng)系統將控制指令放大，由伺服電機驅動(dòng)機械按要求運動(dòng)；測量系統檢測機械的運動(dòng)位置或速度，并反饋到控制系統，來(lái)修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環(huán)控制的數控系統。
控制系統主要由總線(xiàn)、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數據輸入/輸出接口等組成。最新一代的數控系統還包括一個(gè)通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部數據通訊和外部高次網(wǎng)絡(luò )的連接。伺服驅動(dòng)系統主要包括伺服驅動(dòng)裝置和電機。位置測量系統主要是采用長(cháng)光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。
數控系統的主要特點(diǎn)是：可靠性要求高：因為一旦數控系統發(fā)生故障，即造成巨大經(jīng)濟損失；有較高的環(huán)境適應能力，因為數控系統一般為工業(yè)控制機，其工作環(huán)境為車(chē)間環(huán)境，要求它具有在震動(dòng)，高溫，潮濕以及各種工業(yè)干擾源的環(huán)境條件下工作的能力；接口電路復雜，數控系統要與各種數控設備及外部設備相配套，要隨時(shí)處理生產(chǎn)過(guò)程中的各種情況，適應設備的各種工藝要求，因而接口電路復雜，而且工作頻繁。
2、現代數控系統維修工作的基本條件
2.1 維修工作人員的基本條件
維修工作開(kāi)展得好壞首先取決于人員條件。維修工作人員必須具備以下要求：
（1）高度的責任心與良好的職業(yè)道德；
（2）知識面廣，掌握計算機技術(shù)、模擬與數字電路基礎、自動(dòng)控制與電機拖動(dòng)、檢測技術(shù)及機械加工工藝方面的基礎知識與一定的外語(yǔ)水平；
（3）經(jīng)過(guò)良好的技術(shù)培訓，掌握有關(guān)數控、驅動(dòng)及PLC的工作原理，懂得CNC編程和編程語(yǔ)言；
（4）熟悉結構，具有實(shí)驗技能和較強的動(dòng)手操作能力；
（5）掌握各種常用（尤其是現場(chǎng)）的測試儀器、儀表和各種工具。
2.2 在維修手段方面應具備的條件
（1）準備好常用備品、配件；
（2）隨時(shí)可以得到微電子元器件的實(shí)際支援或供應；
（3）必要的維修工具、儀器、儀表、接線(xiàn)、微機。最好有小型編程系統或編程器，用以支援設備調試；
（4）完整資料、手冊、線(xiàn)路圖、維修說(shuō)明書(shū)（包括CNC操作說(shuō)明書(shū)）以及接口、調整與診斷、驅動(dòng)說(shuō)明書(shū)，PLC說(shuō)明書(shū)（包括PLC用戶(hù)程序單），元器件表格等。
2.3 維修前的準備
接到用戶(hù)的直接要求后，應盡可能直接與用戶(hù)聯(lián)系，以便盡快地獲取現場(chǎng)信息、現場(chǎng)情況及故障信息。如數控機床的進(jìn)給與主軸驅動(dòng)型號、報警指示或故障現象、用戶(hù)現場(chǎng)有無(wú)備件等。據此預先分析可能出現的故障原因與部位，而后在出發(fā)到現場(chǎng)之前，準備好有關(guān)的技術(shù)資料與維修服務(wù)工具、儀器備件等，做到有備而去。
3、現場(chǎng)維修
現場(chǎng)維修是對數控機床出現的故障（主要是數控部分）進(jìn)行診斷，找出故障部位，以相應的正常備件更換，使機床恢復正常運行。這過(guò)程的關(guān)鍵是診斷，即對系統或外圍線(xiàn)路進(jìn)行檢測，確定有無(wú)故障，并對故障定位指出故障的確切位置。從整機定位到插線(xiàn)板，在某些場(chǎng)合下甚至定位到元器件。這是整個(gè)維修工作的主要部分。
3.1 數控系統的故障診斷
（1）初步判別
通常在資料較全時(shí)，可通過(guò)資料分析判斷故障所在，或采取接口信號法根據故障現象判別可能發(fā)生故障的部位，而后再按照故障與這一部位的具體特點(diǎn)，逐個(gè)部位檢查，初步判別。在實(shí)際應用中，可能用一種方法即可查到故障并排除，有時(shí)需要多種方法并用。對各種判別故障點(diǎn)的方法的掌握程度主要取決于對故障設備原理與結構掌握的深度。
（2）報警處理
① 系統報警的處理：數控系統發(fā)生故障時(shí)，一般在顯示屏或操作面板上給出故障信號和相應的信息。通常系統的操作手冊或調整手冊中都有詳細的報警號，報警內容和處理方法。由于系統的報警設置單一、齊全、嚴密、明確、維修人員可根據每一警報后面給出的信息與處理辦法自行處理。
② 機床報警和操作信息的處理：機床制造廠(chǎng)根據機床的電氣特點(diǎn)，應用PLC程序，將一些能反映機床接口電氣控制方面的故障或操作信息以特定的標志，通過(guò)顯示器給出，并可通過(guò)特定鍵，看到更詳盡的報警說(shuō)明。這類(lèi)報警可以根據機床廠(chǎng)提供的排除故障手冊進(jìn)行處理，也可以利用操作面板或編程器根據電路圖和PLC程序，查出相應的信號狀態(tài)，按邏輯關(guān)系找出故障點(diǎn)進(jìn)行處理。
（3）無(wú)報警或無(wú)法報警的故障處理
當系統的PLC無(wú)法運行，系統已停機或系統沒(méi)有報警但工作不正常時(shí)，需要根據故障發(fā)生前后的系統狀態(tài)信息，運用已掌握的理論基礎，進(jìn)行分析，做出正確的判斷。下面闡述這種故障診斷和排除辦法。
故障診斷方法
常規檢查法
目測 目測故障板，仔細檢查有無(wú)保險絲燒斷，元器件燒焦，煙熏，開(kāi)裂現象，有無(wú)異物斷路現象。以此可判斷板內有無(wú)過(guò)流，過(guò)壓，短路等問(wèn)題。
手摸 用手摸并輕搖元器件，尤其是阻容，半導體器件有無(wú)松動(dòng)之感，以此可檢查出一些斷腳，虛焊等問(wèn)題。
通電 首先用萬(wàn)用表檢查各種電源之間有無(wú)斷路，如無(wú)即可接入相應的電源，目測有無(wú)冒煙，打火等現象，手摸元器件有無(wú)異常發(fā)熱，以此可發(fā)現一些較為明顯的故障，而縮小檢修范圍。
例如：在哈爾濱某工廠(chǎng)排除故障時(shí)，機床的數控系統和PLC運行正常，但機床的液壓系統無(wú)法啟動(dòng)，用編程器檢查PLC程序運行正常，各所需信號狀態(tài)均滿(mǎn)足開(kāi)機條件。進(jìn)一步檢查中發(fā)現，PLC信號狀態(tài)與圖紙和設備上的標記不一致，停機拔出電路板檢查，發(fā)現PLC兩塊輸出板編址不對，與另兩塊位置搞錯，經(jīng)交換后，機床正常運轉。對于發(fā)生這個(gè)故障的機床所采用的SIMATIC S5—150K可編程控制器，只要編址正確，無(wú)論將線(xiàn)路板的位置怎樣排列，系統均能正常運轉，但相應地執行元件和信號源必須正確地對應，一旦對應錯誤就會(huì )發(fā)生故障，甚至毀壞機床。另外，根據用戶(hù)提供的故障現象，結合自己的現場(chǎng)觀(guān)察，運用系統工作原理亦可迅速做出正確判斷。
儀器測量法
當系統發(fā)生故障后，采用常規電工檢測儀器，工具，按系統電路圖及機床電路圖對故障部分的電壓，電源，脈沖信號等進(jìn)行實(shí)測判斷故障所在。如電源的輸入電壓超限，引起電源監控可用電壓表測網(wǎng)絡(luò )電壓，或用電壓測試儀實(shí)時(shí)監控以排除其它原因。如發(fā)生位置控制環(huán)故障可用示波器檢查測量回路的信號狀態(tài)，或用示波器觀(guān)察其信號輸出是否缺相，有無(wú)干擾。例如，上海某廠(chǎng)在排除故障中，系統報警，位置環(huán)硬件故障，用示波器檢查發(fā)現有干擾信號，我們在電路中用接電容的方法將其濾掉使系統工作正常。如出現系統無(wú)法回基準點(diǎn)的情況，可用示波器檢查是否有零標記脈沖，若沒(méi)有可考慮是測量系統損壞。
用可編程控制器進(jìn)行PLC中斷狀態(tài)分析：可編程序控制器發(fā)生故障時(shí)，其中斷原因以中斷堆棧的方式記憶。使用編程器可以在系統停止狀態(tài)下，調出中斷堆棧和塊堆棧，按其所指示的原因，查明故障所在。在可編程序控制器的維修中這是最常用有效和快速的辦法。
接口信號檢查：通過(guò)用可編程序控制器檢查機床控制系統的接口信號，并與接口手冊的正確信號相對比，亦可查出相應的故障點(diǎn)。
診斷備件替換法：現代數控系統大都采用模塊化設計，按功能不同劃分不同模塊，隨著(zhù)現代技術(shù)的發(fā)展，電路的集成規模越來(lái)越大技術(shù)也越來(lái)越復雜，按常規方法，很難把故障定位到一個(gè)很小的區域，而一旦系統發(fā)生故障，為了縮短停機時(shí)間，我們可以根據模塊的功能與故障現象，初步判斷出可能的故障模塊，用診斷備件將其替換，這樣可迅速判斷出有故障的模塊。在沒(méi)有診斷備件的情況下可以采用現場(chǎng)相同或相容的模塊進(jìn)行替換檢查，對于現代數控的維修，越來(lái)越多的情況采用這種方法進(jìn)行診斷，然后用備件替換損壞模塊，使系統正常工作。盡最大可能縮短故障停機時(shí)間，使用這種方法在操作時(shí)注意一定要在停電狀態(tài)下進(jìn)行，還要仔細檢查線(xiàn)路板的版本，型號，各種標記，跨接是否相同，對于有關(guān)的機床數據和電位計的位置應做好記錄，拆線(xiàn)時(shí)應做好標志。
利用系統的自診斷功能判斷：現代數控系統尤其是全功能數控具有很強的自診斷能力，通過(guò)實(shí)施時(shí)監控系統各部分的工作，及時(shí)判斷故障，給出報警信息，并做出相應的動(dòng)作，避免事故發(fā)生。然而有時(shí)當硬件發(fā)生故障時(shí)，就無(wú)法報警，有的數控系統可通過(guò)發(fā)光管不同的閃爍頻率或不同的組合做出相應的指示，這些指示配合使用就可幫助我們準確地診斷出故障模板的位置。如SINUMERIK 8系統根據MS100 CPU板上四個(gè)指示燈和操作面板上的FAULT燈的亮滅組合就可判斷出故障位置。
上述診斷方法，在實(shí)際應用時(shí)并無(wú)嚴格的界限，可能用一種方法就能排除故障，亦可能需要多種方法同時(shí)進(jìn)行。其效果主要取決于對系統原理與結構的理解與掌握的深度，以及維修經(jīng)驗的多少。
3.2 數控系統的常見(jiàn)故障分析
根據數控系統的構成，工作原理和特點(diǎn)，結合我們在維修中的經(jīng)驗，將常見(jiàn)的故障部位及故障現象分析如下。
（1）位置環(huán)
這是數控系統發(fā)出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進(jìn)一步完成控制任務(wù)的關(guān)鍵環(huán)節。它具有很高的工作頻度，并與外設相聯(lián)接，所以容易發(fā)生故障。
常見(jiàn)的故障有：①位控環(huán)報警：可能是測量回路開(kāi)路；測量系統損壞，位控單元內部損壞。②不發(fā)指令就運動(dòng)，可能是漂移過(guò)高，正反饋，位控單元故障；測量元件損壞。③測量元件故障，一般表現為無(wú)反饋值；機床回不了基準點(diǎn)；高速時(shí)漏脈沖產(chǎn)生報警可能的原因是光柵或讀頭臟了；光柵壞了。
（2）伺服驅動(dòng)系統
伺服驅動(dòng)系統與電源電網(wǎng)，機械系統等相關(guān)聯(lián)，而且在工作中一直處于頻繁的啟動(dòng)和運行狀態(tài)，因而這也是故障較多的部分。
其主要故障有：①系統損壞。一般由于網(wǎng)絡(luò )電壓波動(dòng)太大，或電壓沖擊造成。我國大部分地區電網(wǎng)質(zhì)量不好，會(huì )給機床帶來(lái)電壓超限，尤其是瞬間超限，如無(wú)專(zhuān)門(mén)的電壓監控儀，則很難測到，在查找故障原因時(shí)，要加以注意，還有一些是由于特殊原因造成的損壞。如華北某廠(chǎng)由于雷擊中工廠(chǎng)變電站并竄入電網(wǎng)而造成多臺機床伺服系統損壞。②無(wú)控制指令，而電機高速運轉。這種故障的原因是速度環(huán)開(kāi)環(huán)或正反饋。如在東北某廠(chǎng)，引進(jìn)的西德WOTAN公司轉子銑床在調試中，機床X軸在無(wú)指令的情況下，高速運轉，經(jīng)分析我們認為是正反饋造成的。因為系統零點(diǎn)漂移，在正反饋情況下，就會(huì )迅速累加使電機在高速下運轉，而我們按標簽檢查線(xiàn)路后完全正確，機床廠(chǎng)技術(shù)人員認為不可能接錯，在充分分析與檢測后我們將反饋線(xiàn)反接，結果機床運轉正常。機床廠(chǎng)技術(shù)人員不得不承認德方工作失誤。還有一例子，我們在天津某廠(chǎng)培訓講學(xué)時(shí)，應廠(chǎng)方要求對他們廠(chǎng)一臺自進(jìn)廠(chǎng)后一直無(wú)法正常工作的精密磨床進(jìn)行維修，其故障是：機床一啟動(dòng)電機就運轉，而且越來(lái)越快，直至最高轉速。我們分析認為是由于速度環(huán)開(kāi)路，系統漂移無(wú)法抑制造成。經(jīng)檢查其原因是速度反饋線(xiàn)接到了地線(xiàn)上造成。③加工時(shí)工件表面達不到要求，走圓弧插補軸換向時(shí)出現凸臺，或電機低速爬行或振動(dòng)，這類(lèi)故障一般是由于伺服系統調整不當，各軸增益系統不相等或與電機匹配不合適引起，解決辦法是進(jìn)行最佳化調節。④保險燒斷，或電機過(guò)熱，以至燒壞，這類(lèi)故障一般是機械負載過(guò)大或卡死。
（3）電源部分
電源是維持系統正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統的停機或毀壞整個(gè)系統。一般在歐美國家，這類(lèi)問(wèn)題比較少，在設計上這方面的因素考慮的不多，但在中國由于電源波動(dòng)較大，質(zhì)量差，還隱藏有如高頻脈沖這一類(lèi)的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監控或損壞。另外，數控系統部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內，系統斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來(lái)保持。因而，停機時(shí)間比較長(cháng)，拔插電源或存貯器都可能造成數據丟失，使系統不能運行。
（4）可編程序控制器邏輯接口
數控系統的邏輯控制，如刀庫管理，液壓?jiǎn)?dòng)等，主要由PLC來(lái)實(shí)現，要完成這些控制就必須采集各控制點(diǎn)的狀態(tài)信息，如斷電器，伺服閥，指示燈等。因而它與外界種類(lèi)繁多的各種信號源和執行元件相連接，變化頻繁，所以發(fā)生故障的可能性就比較多，而且故障類(lèi)型亦千變萬(wàn)化。
（5）其他
由于環(huán)境條件，如干擾，溫度，濕度超過(guò)允許范圍，操作不當，參數設定不當，亦可能造成停機或故障。有一工廠(chǎng)的數控設備，開(kāi)機后不久便失去數控準備好信號，系統無(wú)法工作，經(jīng)檢查發(fā)現機體溫度很高，原因是通氣過(guò)濾網(wǎng)已堵死，引起溫度傳感器動(dòng)作，更換濾網(wǎng)后，系統正常工作。不按操作規程拔插線(xiàn)路板，或無(wú)靜電防護措施等，都可能造成停機故障甚至毀壞系統。
一般在數控系統的設計、使用和維修中，必須考慮對經(jīng)常出現故障的部位給予報警，報警電路工作后，一方面在屏幕或操作面板上給出報警信息，另一方面發(fā)出保護性中斷指令，使系統停止工作，以便查清故障和進(jìn)行維修。
3.3 故障排除方法
（1）初始化復位法 一般情況下，由于瞬時(shí)故障引起的系統報警，可用硬件復位或開(kāi)關(guān)系統電源依次來(lái)清除故障，若系統工作存貯區由于掉電，拔插線(xiàn)路板或電池欠壓造成混亂，則必須對系統進(jìn)行初始化清除，清除前應注意作好數據拷貝記錄，若初始化后故障仍無(wú)法排除，則進(jìn)行硬件診斷。
（2）參數更改，程序更正法 系統參數是確定系統功能的依據，參數設定錯誤就可能造成系統的故障或某功能無(wú)效。例如，在哈爾濱某廠(chǎng)轉子銑床上采用了測量循環(huán)系統，這一功能要求有一個(gè)背景存貯器，調試時(shí)發(fā)現這一功能無(wú)法實(shí)現。檢查發(fā)現確定背景存貯器存在的數據位沒(méi)有設定，經(jīng)設定后該功能正常。有時(shí)由于用戶(hù)程序錯誤亦可造成故障停機，對此可以采用系統的塊搜索功能進(jìn)行檢查，改正所有錯誤，以確保其正常運行。
（3）調節，最佳化調整法 調節是一種最簡(jiǎn)單易行的辦法。通過(guò)對電位計的調節，修正系統故障。如某軍工廠(chǎng)維修中，其系統顯示器畫(huà)面混亂，經(jīng)調節后正常。在山東某廠(chǎng)，其主軸在啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)發(fā)生皮帶打滑，原因是其主軸負載轉矩大，而驅動(dòng)裝置的斜升時(shí)間設定過(guò)小，經(jīng)調節后正常。
最佳化調整是系統地對伺服驅動(dòng)系統與被拖動(dòng)的機械系統實(shí)現最佳匹配的綜合調節方法，其辦法很簡(jiǎn)單，用一臺多線(xiàn)記錄儀或具有存貯功能的雙蹤示波器，分別觀(guān)察指令和速度反饋或電流反饋的響應關(guān)系。通過(guò)調節速度調節器的比例系數和積分時(shí)間，來(lái)使伺服系統達到即有較高的動(dòng)態(tài)響應特性，而又不振蕩的最佳工作狀態(tài)。在現場(chǎng)沒(méi)有示波器或記錄儀的情況下，根據經(jīng)驗，即調節使電機起振，然后向反向慢慢調節，直到消除震蕩即可。
（4）備件替換法 用好的備件替換診斷出壞的線(xiàn)路板，并做相應的初始化啟動(dòng)，使機床迅速投入正常運轉，然后將壞板修理或返修，這是目前最常用的排故辦法。
（5）改善電源質(zhì)量法 目前一般采用穩壓電源，來(lái)改善電源波動(dòng)。對于高頻干擾可以采用電容濾波法，通過(guò)這些預防性措施來(lái)減少電源板的故障。
（6）維修信息跟蹤法 一些大的制造公司根據實(shí)際工作中由于設計缺陷造成的偶然故障，不斷修改和完善系統軟件或硬件。這些修改以維修信息的形式不斷提供給維修人員。以此做為故障排除的依據，可正確徹底地排除故障。
3.4 維修中應注意的事項
（1）從整機上取出某塊線(xiàn)路板時(shí)，應注意記錄其相對應的位置，連接的電纜號，對于固定安裝的線(xiàn)路板，還應按前后取下相應的壓接部件及螺釘作記錄。拆卸下的壓件及螺釘應放在專(zhuān)門(mén)的盒內，以免丟失，裝配后，盒內的東西應全部用上，否則裝配不完整。
（2）電烙鐵應放在順手的前方，遠離維修線(xiàn)路板。烙鐵頭應作適當的修整，以適應集成電路的焊接，并避免焊接時(shí)碰傷別的元器件。
（3）測量線(xiàn)路間的阻值時(shí)，應斷電源，測阻值時(shí)應紅黑表筆互換測量?jì)纱?，以阻值大的為參考值?
（4）線(xiàn)路板上大多刷有阻焊膜，因此測量時(shí)應找到相應的焊點(diǎn)作為測試點(diǎn)，不要鏟除焊膜，有的板子全部刷有絕緣層，則只有在焊點(diǎn)處用刀片刮開(kāi)絕緣層。
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