加工中心的故障诊断与维修实例

陈永久 刘临江 闫东清

(吉林大学应用技术学院，吉林 长春 130012)

尽管设备生产厂家在各地都建立了很多培训和维修中心，经过严格培训的服务人员随时为客户提供专业的机床维修和保养服务。但是，当加工中心这类高端机床出现故障时，能否及时排除故障以及维修费用仍然是很多企业，尤其是中小型的企业所关心的问题。所有企业希望自己的维修人员能够在第一时间排除故障，以提高设备的利用率，创造更多的经济价值。笔者结合多年工作经验，对配备美国DYNAPATA 数控系统的CNC 加工中心在实际使用过程中常见故障现象进行了分析，给出了诊断过程，并分析产生故障的原因以及解决问题的办法。

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1.1 故障现象

加工中心在启动几个小时后，显示器的图象波动较大，无法看清加工程序。

1.2 故障分析及诊断过程

依据故障现象判断，一是显示器自身的质量问题，二是显示管损坏，三是显示器的供电电压有问题。

打开系统柜，清除灰尘，仔细观察，各导线及接头完好，没有松动及虚接现象，各控制板上的电子元件无烧毁现象。使用仪器检测，发现显示器及发光管完好;但是，在显示器波动时发现供电电压只有15 V。按照技术要求，显示器正常供电电压应是24 V。经过维修电源板，更换了损坏的集成电路PBYS3035PT(飞利浦)及肖特基二极管MBR3045PT，使显示器的供电电压恢复到24 V。开机运行，机床显示恢复正常。显然，造成此次故障的原因极有可能是长期使用导致电子元件老化造成的。

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2.1 故障现象

加工中心在执行加工程序时，第一把刀加工正常，但在换完第二把刀后，加工时主轴与工件发生碰撞，碰撞后机床不能移动。

2.2 故障分析及诊断过程

上述现象与驱动控制板、电源及行程开关都可能有关系。打开控制柜，清理灰尘，仔细检查导线、接头及元件各部分是否有异常。检测后发现，X、Y、Z 轴驱动板上的功率晶体管GTK457 烧坏。更换损坏的功率管后，X、Y、Z 轴三个方向可以进行移动，手动换刀也能进行，但是在执行加工程序命令中换刀动作不能执行。机床回零后第一把刀具可以换，但在加工过程中还是不能执行换刀。依据经验，依次做下列检测:

(1)TM4 伺服检测发现，Z 轴显示±0.028，正常应显示X 为0.009～0.000 mm、Y 为0.009～0.000 mm、Z为0.009～0.000 mm 之间。此显示说明机床在第一把刀加工后换第二把刀前机床没有回到零点，即Z 坐标值不在0.009～0.000 mm 之间。后经更改Z 轴检测精度参数(也叫机床定位精度)，设定Z=0.050 mm，机床能正常工作。但是第二天机床重新上电后，发现机床显示X 轴正负、Y 轴正负及Z 轴正负均超程。

(2)检查机床急停按钮线路及回路，工作正常;检查所有保险管，发现FU4(强电箱里)保险管烧坏，更换后上电显示还是X 轴、Y 轴、Z 轴均超程。检查电源板的24 V 电压，输出正常，但是在检查Z 轴行程开关时，没有24 V 电压输入。检查后发现，在前步更换保险管时，保险管有松动现象，紧固保险管后机床上电显示正常，但是在工作中还是不换刀。依据经验，将机床断电5 min 后重新上电，使系统复位，同时更改刀具号，机床换刀正常。

2.3 分析原因及解决方法

综合以上维修过程后，总结出此故障的排除方法如下:

(1)在机床换刀发生碰撞后，首先检查并更换X、Y、Z 轴控制板上损坏的元件，保证机床各部分能够单独工作正常。不换刀的主要原因是机床在换第二把刀时没有回到原点，因此不能执行换刀动作。

(2)机床3 个轴同时显示超程，说明控制轴的行程开关回路没有电，信号无法反馈到控制部分，因此机床显示超程报警。

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3.1 故障现象

加工中心在工作时，机床突然停止执行自动加工程序，显示器显示报警，报警号为:31-TOOL MAGAZINE NOT IN POSITION 和38-MAGAZINE NOT IN UP POSITION(意思为:刀库向上位置不到位或者是刀库向上的位置没有输出信号)。

3.2 故障分析及诊断过程

根据故障现象判断，出现此类现象可能和以下两种情况有关:

(1)可能控制刀库向上运动的气缸行程开关有问题;

(2)可能连接刀库向上行程开关的联线，由于长时间使用导致线路老化，造成信号断路。

首先检查控制刀库向上运动的气缸行程开关，开关工作正常。其次用万用表检查开关到带有J1B 插头的控制板之间的联线，编号为89 的联接线也正常，这说明这种故障与行程开关及联线没有关系。根据经验，也可能是带有J1B 插头的CNC 板的问题。用带有J1A 插头的CNC 板和它对调(这两块板是一样的)试机，故障现象依然存在，可以排除CNC 控制板的问题。结合以往故障现象及维修经验，我们用一根新的信号线直接联到向上的行程开关，另一端直接联到离J1B插头最近的编号为89 端子板上，试机后31 号和38 号报警不再显示，机床恢复正常。通过此次试验确定是由于这段信号线存在问题才引起机床的报警。更换新的信号线，报警消失，机床工作正常。

3.3 分析原因及解决方法

在刀库上有两个带有编号的接线端子板，两个端子板之间用信号线连接。由于这两个端子板之间的信号线经常和刀库一起往复运动，造成信号线磨损及老化，致使信号断路或虚接现象。更换新的信号线后故障自动消除。经过此次故障，使我们认识到在机床上经常运动的部位，不论机械件还是连接线，由于长期运动很容易出现磨损，导致故障发生，在以后的维修中首先应注意这几个部位的检查。

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4.1 故障现象

加工中心工作时，机床不能执行自动加工程序。当打到手动时，刀库也不能换刀，机床也不能运动。

4.2 故障分析及诊断过程

根据该加工中心相似故障判断，极有可能是控制刀库转动的直流电动机或控制运动的信号线出现问题造成的。采用“分开法”单独检测控制刀库转动的直流电动机，工作正常;使用万用表进一步检查经常和刀库一起运动的各部位信号连线，发现带动刀库旋转的直流电动机控制信号线断路。更换新的信号线后，机床恢复正常。

4.3 分析原因及解决方法

这种故障应该是控制直流电动机转动的控制信号线，因经常与刀库一起做往复运动，造成信号线磨损及老化，导致信号断路或虚接现象。更换新的信号线后故障自动消除。

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5.1 故障现象

加工中心在换刀时，换刀拉杆工作不正常，有时不能够完成换刀动作。

5.2 故障分析及诊断过程

换刀拉杆运动不到位导致无法完成换刀动作，应该是换刀气缸本身故障造成的。依据该气缸的结构及运动轨迹分析，主要原因可能是气缸密封垫破损，或者是拉杆碟形弹簧垫片破损导致拉杆运动不到位，造成无法完成换刀动作。卸下气缸，将其拆解开。仔细检查后发现，气缸里的多数密封圈破损，更换新的密封圈，试机后换刀正常，故障排除。

5.3 分析原因及解决方法

加工中心要完成很多不同表面的加工，必须频繁地更换刀具，这些换刀动作都需要换刀气缸的往复运动来完成。长时间的使用导致密封部件磨损，拉杆运动不到位，也是设备使用过程中机械部件破损的主要原因。只需修复或更换破损的部件，故障就会排除。

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加工中心在加工工件时，Z 轴上下窜动，所加工工件的端面有波纹，Z 轴窜动时有时无。

7 结语

在实际使用中，由于加工中心这种高精度设备工作强度大，工作时间长，加之设备本身结构复杂，出现故障的概率非常高，而且故障种类千差万别，给设备维修带来很大的困难。为了减少故障的发生，提高平均无故障时间，要求企业及设备维修人员采用多种维修方法，以保证机床正常运行。其一，可以依靠数控设备厂家提供的售后维修服务，尽早修复数控设备;其二，企业自己要培养高水平的维修人员，同时对故障设备要及时做好设备的维修记录，为以后出现类似故障时提供必要的技术资料。其三，对于一些易于损坏且只能更换的关键部件，需要准备备份件，以缩短维修时间;其四，由于数控机床的正常使用与日常维护和保养有密切的联系，正常的使用和日常严格的维修保养制度可以避免80%的意外故障，能延长平均无故障时间1 倍以上。所以，做好数控系统日常维护和保养，建立完善的3 级保养制度及6S 管理，并结合实际状况，吸收国外先进的设备管理——TPM(全员生产维修)，制订自己的生产设备维修保养体系，可以延长元器件的寿命和零件的磨损周期，使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证设备的安全运行。通过TPM，可以综合提高数控机床的综合效率及利用率［2］。

［1］王平.数控机床与编程实用教程［M］.北京:化学工业出版社，2007.

［2］张志军.数控机床故障诊断及维修［M］.北京:北京理工大学出版社，2010.