为机床工具企业提供深度市场分析                     

用户名:   密码:         免费注册  |   申请VIP  |  

English  |   German  |   Japanese  |   添加收藏  |  
沈阳机床
车床

车床 铣床 钻床 数控系统 加工中心 锻压机床 刨插拉床 螺纹加工机床 齿轮加工机床
磨床 镗床 刀具 功能部件 配件附件 检验测量 机床电器 特种加工 机器人

车床

电工电力 工程机械 航空航天 汽车 模具
仪器仪表 通用机械 轨道交通 船舶

搜索
热门关键字:

数控机床

 | 数控车床 | 数控系统 | 滚齿机 | 数控铣床 | 铣刀 | 主轴 | 立式加工中心 | 机器人
您现在的位置:车床网> 加工与维修> 数控机床故障诊断方法探讨及应用
数控机床故障诊断方法探讨及应用
2020-7-2  来源:首都航天机械有限公司   作者:关进良 喻晓浩 岳维超

  
     摘要:在了解数控机床组成和工作原理的基础上,针对数控机床各类复杂故障,提出了模块互换法、机电分离法、比较法、排除法以及PMC在线诊断法等五种典型的故障诊断方法,并结合实际维修经验,分别介绍了诊断方法的应用实例,最后总结了故障诊断的一般思路,具有较强的工作指导性和实用性。
  
     数控机床是集机、电、液、气为一体的典型机电系统,结构复杂且自动化程度高,在我国制造业尤其是装备制造业的发展中,起到了不可替代的作用。由于数控机床本身的复杂性和多样性,使得机床故障受机械、电气、控制系统以及检测装置等多因素影响,引起同一种故障的原因也可能是多种多样的,而且故障停机直接影响着设备利用率和业的生产制造能力,因此在理解工作原理的基础上,总结分析故障诊断方法,并从根本上寻找快速排除故障的途径尤为必要。本文结合工作实践中的具体案例,对典型故障诊断方法进行深入分析和探讨。

    1. 数控机床组成、工作原理
  
    采用数控技术进行控制的加工设备称为数控机床,其基本组成如图1所示,现代数控机床一般采用计算机或微型计算机作为控制系统,称之为计算机数控系统(简称CNC)。数控机床加工工件时,将工件图样上的几何信息、工艺信息数字化,用NC代码编写加工程序并存储到程序载体内,然后借助输入装置将程序输入到CNC单元,并由CNC单元对程序进行译码、运算等综合处理后,向伺服系统和其他辅助控制装置发出指令信号,以驱动各运动部件和辅助动作,从而完成工件加工任务。数控机床可实现一次装夹、多工序连续加工,同时具有自动化程度高、加工精度高以及生产效率高等特点。

    2.  数控机床故障诊断方法在实际维修中的应用

   (1)模块互换法。数控机床的某一个模块(一般指编码器、光栅尺、伺服放大器及其电缆等)出现故障导致机床报警或异常现象,把该模块与另外一个同类(尽量是同型号)正常的模块互换,再观察故障现象并与互换前对比,来帮助维修人员定位故障点。

   应用实例。故障现象:某数控龙门铣床在自动加工过程中,出现25000号报警:Y轴主动编码器硬件错误,下电重起后故障依旧。

  
  
图1 数控机床组成框图
  
   故障分析和方法应用:一般情况下,引起该报警的原因可能是光栅尺故障、编码器故障、反馈单元损坏以及中间连接电缆断裂或破损。若针对以上所有情况拆下逐一检查,则需耗费大量故障诊断时间。采用“互换”法,根据大量的维修记录得知,导致此报警最有可能的因素是光栅尺脏污或读数头损坏,现将Y 轴和X 轴光栅尺电缆线互换(电缆经测试正常,相当于把光栅尺互换),开机后X轴出现25000号报警,显然是Y 轴的光栅尺故障。进一步检测后发现,其读数头上一个“小钢珠”脱落,导致读数头在读取反馈数据时信号不稳定,更换读数头后故障排除。

   小结:该方法的核心是“互换”,应用比较简单,前提是在交换某一模块时,机床的其他部件不能同时交换,即保证互换前后对比判断的可靠性。当引发某一报警的因素较多时,暂时缺少备件,可逐一对“可疑因素”与正常机床上同型号部件互换。如:伺服模块、检测模块、主轴模块以及各种电气元件均可进行交换。

   (2)机电分离法。因数控机床是典型的高度机电一体化设备,故障原因可能是电气、机械甚至机电同时存在问题,很难直接判断故障点所在,可把机械部分和电气部分相对分离(脱开),再根据机电分离后的现象判断故障。

     应用实例 。故障现象 :

     V M C850立式加工中心空载时,数控系统负载监控界面显示主轴负载达到50%以上(过大,存在很大故障隐患),而正常值是5%左右,影响机床正常运行,不知是机械故障还是电气故障。故障分析和方法应用:该机床采用FANUC18-M数控系统,主轴和电动机使用同步带直连,示意图如图2所示,现采用“机电分离法”,将连接电动机与主轴的同步带拆掉,使机械部分(主轴本身)与电气部分(主轴电动机)完全脱开(见图3),手盘丝杠正常,再单独测试电动机,发现负载仍然是50%左右,从而判断是电动机本身问题,更换新电动机测试,负载显示是4%,故障排除。后续进一步检测电动机,发现根本原因是电动机轴承损坏,同时遥测定子绕组的绝缘电阻过小。

 
   
图2同步带直连示意图

    小结 :机电分离法“ 化整为零”思想在故障诊断中的应用。机电分离后,“隐藏”在整体中的故障直接显现出来,起到了化繁为简的作用。此方法可延伸为“分离法”,除机电分离外,还可将其他需要“分离”的部分单独脱开来帮助诊断故障,如:全闭环改为半闭环,把光栅尺从测量反馈系统中分离。

    (3)比较法。若机床的某一轴出现故障后,可通过测试本机床或同型号机床的同类型轴,加以对比发现问题的不同点,从而找出故障点并迅速排除故障。
 
     应用实例。故障现象:

    某数控龙门铣床在自动加工过程中,出现“A 轴电动机温度过热”报警而停机,停机2h后重起,报警仍旧存在。故障分析及方法应用:该机床采用西门子840D数控系统,有X 、Y 、Z 三个直线轴和A 、C两个旋转轴,一般情况下造成此报警的原因有3种:A轴3过载或过流导致电动机过热。电动机本身故障。温度传感器或其信号线损坏。首先,用温度仪测试电动机本身温度为室温,正常;然后分别测量A、C轴温度传感器的反馈线电阻,分别是60  000多Ω(接近断路状态)和650Ω,二者进行比较,A轴和C轴是同类型的旋转轴,二者阻值一般相差不大,但C 轴无报警,由此快速判A 轴温度传感器反馈线可能已经断路或破损,更换反馈线,故障排除。

    小结:比较法可把“定性分析”转化为“定量分析”,并借助现场实测数据来诊断故障。选取比较对象时,要首选“同类对象”,保证具备可比性。

    (4)排除法。引起某一故障有多项并列的原因,其中一项或几项均可导致相同的报警或故障现象。首先去掉所有可能的原因项,再依次单独接入电路,分别观察对应的现象,逐一排除“可
疑”项来诊断故障。

    应用实例 。 故障现象 :
  
    某数控镗铣床在执行加工程序过程中 , 突然出现 1 0 4 4 号报 警 ( M A C H I N E  I S  N O T READY),按复位键无法消除,同时电气柜中空开QF91跳闸,机床下电合上空开,重起机床约
5~10s后故障复现。
  
 
 

图3主轴与电动机脱开示意图
  

     故障分析及方法应用:该机床采用FANUC18i-MB数控系统,具有x、Y、Z、W四个直线轴和B 、C 两个旋转轴。针对空开跳闸现象查阅机床电气图样(见图4),空开Q F91(D Z47-60  C6)上端接
DC24V电源,下端经中间继电器KA103和KA105,分别通过KA11至KA14控制四个直线轴的伺服电动机刹车装置。由于四个刹车线圈电源都来源于同一个空开QF91,任何一路长时间过载或者短路都有可能导致Q F91跳闸。采用排除法,首先将四个直线轴的刹车(虚线方框中)全部退出电路,即拔掉11、12、13和14号线,再分别恢复刹车电路并单独测试,结果是Y、Z、W三个轴的刹车正常(每路电流均小于1A),X 轴刹车接入电路时约5~10s后跳闸,电流约12A,已远远超过正常值,排除正常电路,故障定位在X 轴刹车。经进一步检测,X 轴刹车线圈已烧毁(电阻约为2Ω),因过流导致空开跳闸,更换刹车装置后故障排除。

    小结 : 机床的刹车电路直接关乎到设备和人身安全,机床维护人员必须重点关注,一旦出现故障立即停车,切不可强制运行。除适用于上述一般电路外,排除法的适用范围可进一步延伸,如某些故障与CNC伺服模块或者PMC的I/O单元有关,每模块上接有多个插头(分别控制对应的功能),也可利用排除法,首先拔掉全部插头,再依次插上,逐个进行排除,当接上某一插头后故障复现,即可把故障定位于此。

    (5)PMC在线诊断法。在数控机床加工过程中,C N C和P M C 协调配合共同完成对机床的精确控制,其中PMC主要完成与逻辑运算有关的功能,如刀具更换、主轴起停、换向变速、冷却液开断、工作台交换等辅助动作。
   
    PMC梯形图能实时在线监测这些辅助动作,一旦某一动作在逻辑上出现问题,从梯形图中能及时显现出来,有助于故障的快速定位。

    应用实例 。 故障现象 :

    V M C 1 6 0 0 立式加工中心在刀库换 刀 过 程 中 , 出 现 1 0 1 2 # 报 警(MAGAZINE ORI. UP/DOWN ALARM)。按复位键报警消失,重新换刀仍然反复出现该报警。
 
  
  
图4 机床电气图
  

    故障分析及方法应用:此机床采用FANUC 0i-MC数控系统,刀库采用无机械手换刀方式,刀库的左、右和上、下移动由气缸驱动,旋转由调速马达驱动,自动换刀的一般步骤是:当数控系统接到换刀指令后主轴回到换刀位并准停→刀库向右移动到主轴处→主轴上的刀具进入刀盘卡槽→主轴松刀→刀库下移脱离主轴→刀库备刀(定位销抬起,刀盘旋转至指令对应的刀位)→刀库上移使刀具进入主轴锥孔内→刀具夹紧→刀库退回到原位。根据报警提示,在P M C中查询到1 0 1 2 # 报警对应的梯形图,如图5 所示,当刀盘转动之前,其定位销(固定刀盘,保证刀盘的定位精度)向上拔起,上端限位开关信号X7.6接通(X7.6→1),此时下端限位开关还未完全弹起(信号X7.7有一瞬间还处于1的状态),造成地址A1.4接通而报警,当按下复位键F1.1后,此时因下端限位开关已完全弹起(X7.7已由1→0),报警消失。经上述分析可知,故障原因显然是限位开关X7.7损坏失灵(内部锈蚀,弹起速度过慢),更换后故障排除。
 
  

图5PMC梯形图
  
    小结:加工中心换刀过程和P M C 程序比较复杂,逻辑性较强,利用P M C在线诊断法能直观地排查出“逻辑错误之处”,可快速从众多可能原因中找出故障点,达到捋清逻辑关系和追根溯源之目的。对于一些随机性、瞬间出现的故障,若梯形图中一些信号的“通断”(通断保持的时间极短)肉眼无法分辨,可使用PMC的信号跟踪功能(T R A C E),观测信号的时序和波形,来“捕捉”瞬间信号状态。
  
    3. 结语
  
    在对机床有一定认知的基础上,当数控机床故障出现时,进行诊断的一般思路是:大脑保持清醒,切不可手忙脚乱,根据报警提示或者故障现象,通过认真询问机床操作人员和查阅相关的机床资料,初步了解故障情况;大致判断出该故障可能和哪些因素有关,并根据自身的知识范围和工作经验,运用其中一种或综合运用几种诊断方法,做到有“法”可依并尽快定位故障点,

   排除故障;针对该故障或者这一类故障进行总结(包括故障类型、诊断方式、维修细节以及注意事项等),这一点特别重要,对快速提高机床维修人员(尤其是初学者)的技术水平有“事半功倍”的作用,即先认真了解、再分析解决,最后总结经验。



    投稿箱:
        如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表,或进行资讯合作,欢迎联系本网编辑部, 邮箱:skjcsc@vip.sina.com