数控机床几例特殊故障的检修

易贵辉 陈 滨

(中国工程物理研究院机械工艺制造研究所，四川 绵阳621900)

随着数控机床的日益广泛使用，如何提高数控机床的利用率，减少机床的故障停机时间就变得越来越重要了，同时也对数控人员维修的效率和质量提出越来越高的要求。在维修时通过排除数控机床所发生的显性故障和隐性故障，可以减少设备自身原因的意外停机和人为原因的事故停机。我们通过减少平均排除故障时间MTTR(Mean Time To Pepair)，增加平均无故障时间MTBF(Mean Time Between Failures)的方法，来提高数控机床的有效度A。下面通过一些检修实例来介绍是如何排除故障的。

1 伺服过电流有报警故障检修

实例1 某采用FANUC 0M 系统的加工中心，有一次在给机床的液压油箱加油后，给机床通电，X轴在运行过程中突然停下，同时另外两个轴也停止运行，液压电动机无法起动。

故障诊断 在现场看见机床屏幕上显示412#报警，由说明书查到412#报警是X轴检测错误。因为故障是在给液压油箱加油后出现的，先是怀疑是液压电动机是否有问题，经检查液压电动机的接线和电阻值都是正确的。打开电气柜，发现自动开关QF2跳闸，重新合上QF2，故障依旧。

故障现象分析 因为液压不能起动是在X轴进给停止后发生的，应是X轴不正常才引起液压不能起动的，所以重点应放在解决X轴不正常这个问题上。先检查外围:检查与X轴驱动相关的外围元器件，没有发现问题。接着检查X轴:在检查中发现X轴AC伺服放大器显示数字“3”，查机床说明书，数字“3”是伺服放大器报警，报警内容是(HCAL)高电流报警，机床正常时伺服放大器应该显示“0”。

报警的原因有:电动机动力线接错;数控系统侧的伺服板异常;电动机线圈内部短路;晶体管模块损坏。

分别对这4 点内容进行检查:(1)检查X轴伺服电动机的动力线及位置检测信号线都没发现问题，重新接线也依旧。(2)交换X轴和Y轴速度控制板的位置检测插头M34M37及电动机动力线UVW。交换后故障转移到Y轴上，Y轴变得不能移动了。因此排除了伺服电动机接线错误问题，故障点应该发生在X轴AC 伺服单元上。(3)拆除X轴AC 伺服电动机的动力线后，使TGLS 报警无效(对于M 系统将S23设定为短路)，合电源试通电，开机故障仍旧。说明故障点不在伺服电动机上，而是在伺服驱动单元。(4)取下并拆开X轴AC 伺服放大单元，逐一检查与电流有关的电流控制、SPWM 控制、主控制板基极驱动信号和变频逆变(大功率晶体管模块)等部分。这种故障应该是大功率晶体管模块出故障的可能性要大些，因此把重点放在检查大功率晶体管模块上。用万用表检查变频逆变部分的大功率晶体管模块TM，将6 个大功率晶体管模块的连接断开，用万用表的欧姆档对这6 个晶体管模块逐一检查，发现6 个中有一个晶体管模块TM1的C—E 间的阻值只有3.2 Ω。从电路板上焊下TM1，再测TM1的C—E 阻值还是只有3.2 Ω。正常时C—E的正向阻值应该是几百欧姆，反向阻值应该是无穷大。如果小于10 Ω 说明TM1内部有短路。查到故障元件，对故障原因进行分析:AC 伺服单元过电流的原因就是因为晶体管模块TM1被击穿，造成这一相的电流过大，大于其它两相的电流，使三相电流不平衡，控制电路便产生报警信号，关断了速度准备信号。SPWM(正弦波脉宽调制)的电流控制和逆变器的晶体管模块被迫停止工作，所以AC 伺服放大器没有输出，X轴也就不会移动了，确认电路板上没有其它短路的情况下，再经过对PCB 上晶体管驱动放大电路进行认真检查，检查没有问题后，再更换新的晶体管模块后，故障排除。

故障原因 晶体管模块被击穿的原因:(1)主要是伺服放大器中由大功率晶体管(现在很多是IGBT)组成的晶体管桥式逆变器，如果带感性负载(电动机就是感性负载)，当晶体管模块中的达林顿管由饱和导通转为截止的瞬间，电流变化值di/dt 及电压变化值du/dt 可达正常时的上百倍，如果达林顿管C-E 结不能承受这么高的电压，就会造成达林顿管二次击穿。还有当伺服电动机在起动瞬间，起动电流较大，伺服对电动机的电流变化值di/dt、最大电流起止控制如果失误都能造成过电流。为防止过电流，在逆变桥臂上要有限流电阻。所以为克服大功率晶体管的二次击穿，就要使其C-E 间的电压UCE上升速率变缓，让集电极电流IC下降速率加快。采用在大功率晶体管的C -E间并联快恢复的二极管和R C 吸收回路，以减缓UCE电压上升的速率。这样就可减小达林顿管损坏的几率。(2)还有晶体管模块被击穿的第二个原因是电动机在换向时电流很大，如果换向时间过短(存在死区)，死区时间小于晶体管的关断时间，就会造成逆变失败，过电流保护电路动作，显示报警。(3)电动机过负荷情况，电流过大，伺服驱动单元停止输出，显示过电流报警。(4)另外由于车间环境的灰尘、冷却水雾的影响，造成电路板的绝缘下降，也是使达林顿管损坏的原因之一。

故障排除方法:更换晶体管模块，清洁电路板的针型接插件。

2 气压不足有报警故障检修

实例2 某采用SIEMENS 810 控制系统的激光切割机出现高压无法接通，无法发出激光的故障。系统有报警，屏幕显示内容:

故障机理分析 发生故障是因为激光切割机的CO2激光器腔内压力不足(P ＜90 hPa)，而产生报警信号，造成高压无法接通。机床在通电后，要延时一会激光器主电源才能接通，接通后开始向激光器腔内充气加压。激光器腔内加的是N2、He、CO2气体。只有当腔内压力达到设定的压力值时(100 hPa)，高压才能接通。

故障诊断 在诊断过程中发现:①电源变压器T2的次级230 V 有一短接线接触不好有松动，重新接好此短接线。②机床横梁后面的气动控制站有一压力检测开关B50动作频繁，B50的压力检测值为0.14/0.17 MPa，检测的是整个气路的进口压力。当其压力小于检测值时，压力检测开关B50触点断开，产生报警信号，高压就无法接通。测量B50触点的电压，发现触点的24 V 电压时有时无(B50时通时断)。检查压力检测开关并无损坏。后来调节压力调节阀Y50，将压力值增大些，压力检测开关B50闭合恢复正常了。这时高压仍无法接通，要想使高压接通，还需使N2、He、CO2及空气的气压值满足要求，规定值为0.35 MPa。需要检查N2、He、CO2及空气的压力。③检查发现N2、He的气压值不正常。进气压力和出气压力都不对，需要调节。进气压力和出气压力的调节是很复杂的，它需要进气阀压力和出气阀压力一起配合调节(调它们的比值)。方法是先调N2的进气调节阀Y50调到0. 14/0.17 MPa。再调N2的出气调节阀Y51，调到0.35 MPa。它们的压差值为0.18/0.21 MPa。接下来调He的出气调节阀Y52，调到0.35 MPa。调前用螺纹刀往下按He和N2气阀，听到有嘶嘶的放气声，以保证气路未堵塞。经过反复调节N2和He的进气阀的进气气压和出气阀的出气压力(即反复调Y51和Y52，调节它们的进气压力和出气压力的压差值)，一直调到屏幕上显示100 hPa，与设定值相符且显示值稳定为止。通过以上步骤调节后压力正常。当腔内压力达到设定值100 hPa，报警信号消失，高压准备信号接通，可以加高压了。故障得以排除。

故障原因 因为加入激光器腔内的CO2、N2和He的气压不足，造成压力检测开关无法闭合，机床检测不到压力值，产生压力不足报警信号，出于高压保护的目的，高压就无法接通。

3 电源相序错误无报警故障检修

实例3 同样是上面的机床，有一次突然出现屏幕无显示故障。

故障诊断分析 在现场检查时，先是发现控制柜内有一自动开关QF3跳闸，合上此开关屏幕仍无显示。查机床说明书无此故障的任何说明，图纸也不全。给维修造成了一定的难度。经过对有关元器件逐一排查，查到有一个像接触器的器件K11，它的上端有三根线，标的是L1、L2、L3，下端有两根线，标的是15，18 。根据经验判断，它应该不是接触器或继电器。测L1、L2、L3任意两相间的电压为AC380 V，应是电源的进线。15、18 线间的电压为DC24 V，应是控制电压。调换L1、L2、L3中的任意两相，屏幕还是不显示，应该不是电源相序问题。经分析判断15、18 可能是一对常开触点，在通电时应该是闭合接通的。为了保险起见，用一1 A 的保险丝短接15 号线和18 号线，通电后屏幕有显示了。看来真是15 和18 未闭合导致的故障。查其它机床的资料知道有些进口机床为了防止电源相序错误，在电源进线上装有相序调节器，它可以用来调节电源电压的允许波动范围和调整相序。这个元件有可能是相序调节器。当相序正确(正相序)时，它内部的继电器通电，其常开触点闭合，DC24 V 控制电源输出到控制单元，整个数控系统才能通电。当相序不正确(相序反了)时，它内部的继电器就不通电，其常开触点断开，整个数控系统就不能通电。原来故障是由于相序调节器失效而造成的相序检测失误造成的。

故障原因 由于相序调节器内部的继电器失效，引起其常开触点不闭合，造成电源相序错误的失误。并产生报警信号，使得DC24 V 电压无法接通，屏幕就不能显示。相序调节器K11的作用就是当进线电源电压相序错误或超出电压允许波动范围时，此相序调节器动作，15、18 断开不能闭合，使控制回路的DC24 V电压无法接通。

相序调节器K11的接线图如图1。

故障排除 因为当时没有现成的备件替换，临时使用AC220 V 的中间继电器接在相线L1和零线N 之间，替换原来已失灵的相序调节器内部的继电器作为应急处理。

4 主轴不变速无报警故障检修

实例4 采用FANUC -0M 系统的某加工中心主轴无高速，在加工过程中主轴不能从低速档变换到高速档。

故障诊断 此加工中心的主轴转速范围15 ～4 000 r/min，低速S15 ～S893 r/min，高速S894 ～S4000 r/min。如果给出的主轴转速指令值低于S15 r/min 或高于S4000 r/min，PC 都将报警，主轴以前一个S 代码指令的转速运行。本机床只有低速和高速两档，对应的齿轮选择信号为GR10 和GR20。因主轴转速在主轴转速范围内，不会产生报警，诊断比较困难。主轴不变速故障的原因有:(1)电气变档信号没有输出;(2)主轴变速时压力不够;(3)变档电磁阀卡死;(4)变档液压缸拨叉脱落;(5)变档液压缸窜油或泄漏;(6)变档复合开关失灵;(7)变档液压缸卡死。按照以上原因一一排查，先检查电气变档信号是否输出。从系统诊断表中查到齿轮选择信号GR20 为0，怀疑是没有检测到高速挂档到位信号。高速挂档到位开关是PNP型接近开关，当从低速档变换到高速档时，此开关应输出+24 V。显然是高速挂档到位开关有问题，未检测到齿轮挂档已到位。拆下主轴上面的盖板，检查接近开关的好坏，用一薄铁片去感应接近开关，接近开关的指示灯有变化，接近开关应该没有问题。检查过程中发现主轴在从低速档换到高速档时，感应块到接近开关的距离总是不到位，造成接近开关感应的信号太弱，接近开关的三极管不能导通，也就没有挂档到位信号输出。

故障排除方法 调整感应块到接近开关的距离，此距离应在0.3 ～0.7 cm 之间调整，感应块与接近开关的接近面积应不小于1/2。调整好接近开关位置后，主轴能从低速档变换到高速档了，故障排除。

5 结语

数控机床是现代各种工业成果的集成，包括CNC、PLC、软件、精密机械、数字电子技术、大功率电力电子、伺服拖动、电动机和控制、液压和气动技术、精密测量和传感器等多项技术。因为数控机床故障具有特殊性，所以在维修数控机床时，要针对数控机床的故障机理，对数控机床的故障进行分类，找到它们的共同点和不同点。在判断故障时，要根据有无报警信息进行分类诊断，对有报警故障要先弄清楚报警的内容是什么，根据报警的内容来判断故障发生的部位。对无报警故障要对产生故障的原因进行分析，列出所有产生故障原因的可能性，对故障的可能性进行一一排查，从而缩小故障的维修范围。要利用机床本身具有的自诊断功能，这样能少走弯路，可以帮助我们判断故障，减少故障的维修时间。

［1］FANUC 0M 系统维修说明书［Z］.1989.

［2］ROFIN SINAR LASER 操作手册［Z］.1991.

［3］郭士义. 数控机床故障诊断与维修［M］. 北京:机械工业出版社，2005.

［4］朱仕学. 数控机床故障诊断与维修［M］. 北京:清华大学出版社，2007.