数控机床的维护及故障分析

黄利华

（四川宏华石油设备有限公司，四川广汉 618300）

0 引言

四川宏华石油设备有限公司（以下简称“公司”）主要从事石油钻机设备的研发和生产，零部件加工中心是其专门为钻机配套生产各种机械部件的生产车间，现有数十台、多种类型的数控设备，其中以西门子系统为主。2006年至2016年，笔者一直负责该车间的电气维护工作，现将多年来在工作中处理过的数控设备的一些典型故障及解决措施整理、分享。根据数控设备的功能，这些常见故障一般为5类。

1 NC系统故障

NC（Numerical Control，数字控制）系统其实就是数控单元，NC系统出现硬件损坏时，需要快速判断其故障原因、查找故障点，这就要求维修人员必须熟悉该设备数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，尽快锁定故障部位，利用备件替换，减少设备故障停机时间。但是，数控设备的部件价格不菲，在没有现成备件的情况下，利用同一设备或是其他设备的相同部件替换，也可以准确定位故障点。

例1：天津精诚机床厂生产的YH6016数控弧齿锥齿铣齿机，在厂家到公司现场安装调试过程中出现了如下故障：通过NC系统PC功能输入的R参数，在加工中不起作用，不能更改加工程序中R参数的数值。通过对NC系统工作原理及故障现象的分析，认为PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）主板有问题，建议厂家采用相同部件替换。试运行一段时间后，证实为主板故障，机床厂联系西门子更换该PLC主板。

机床参数设置不当或者参数发生变化、混乱时，也会引发NC系统故障报警，重新调整好参数后故障自然消除。但有些偶然因数还可能造成NC系统处于死循环状态，这时必须采取强行启动的方法来恢复系统。

例2：齐重数控装备股份有限公司生产的SVT160/8Q-NC数控高速单柱立式车床（采用西门子802D系统），在加工过程中出现软限位失效、直接撞到硬限位开关的情况。检查发现，该系统中设定第一软限位有效（在PLC中指定），其X轴负方向和Z轴正方向的软限位值均为初始值。重新调试设置软限位（轴参数36100）后，设备恢复正常。另外，数控单元的外围电路也可能引发系统故障报警。

例3：自贡长征机床厂生产的GMCU2500龙门加工中心（1#）在自动加工过程中，系统突然断电，无法工作。经检查测量，其24 V直流供电电源非西门子标准的SITOP电源，输出电压约22 V，在车间供电电网电压向下波动时，该电压持续下降，导致NC系统采取保护措施，自动断电。后检查，该故障为该电源的整流桥堆二极管损坏所致。更换新的整流二极管后，故障排除。

2 伺服系统的故障

NC单元对机床的进给部分进行数字控制，而进给是由伺服单元控制伺服电机带动滚珠丝杠来实现的，由旋转编码器做位置反馈元件，形成闭环的位置控制系统。伺服系统的故障一般由伺服控制单元、伺服电机、测速电机、编码器等出现问题引起的。

例1：自贡长征机床有限责任公司生产的GMU2500高速数控龙门铣床（2#）（采用西门子840D系统），在加工过程出现驱动器报警，内容为X轴驱动器输出电流被限制。该轴驱动器故障指示灯亮，而检查时却发现连接各模块之间的600 V直流母线排的紧固螺栓已松动，并有电弧迹象。初步判断此处应为故障点。断电并确认放电结束后紧固螺栓，再次上电后故障仍旧存在，很明显由于母线排的接触不良产生的大电流已导致该驱动器损坏，换上同种型号的驱动器后故障排除。经检查驱动器内部线路，电流部分有2个并接的50 A，600 V的快速熔断器开路，更换后该驱动器恢复正常。

例2：齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920数控落地铣镗床（采用西门子840D系统），在加工过程中也曾出现和前面的龙门铣床类似问题，只不过该驱动器是因为内部输出线被大电流熔断。处理后故障排除。

例3：龙门铣床（2#）还发生过这样故障，开机后MMC（Man Machine Communication，人机通信）部分工作正常，但是出现了报警，内容为未发现驱动。查阅相关诊断说明后推断为硬件故障，作如下检查工作：首先检查各驱动器之间的设备总线是否连接可靠；由于所有的驱动器都没有进入正常的工作状态，故怀疑第一个轴即主轴与NC之间的接口是否正常或者主轴驱动器故障；由于厂内没有该驱动器配件，只有将龙门铣床（1#）的主轴驱动器控制板拆下替换后报警消除。后来采购同型号控制板，更换后设备恢复正常。

例4：沈阳数控机床有限责任公司生产的CK6136H-D6D数控车床，出现X轴驱动报警，而X轴驱动器并无报警指示。将X轴和Z轴的驱动线路互换后，出现Z轴驱动报警，此时可以判定问题出在伺服电机回路上，与驱动器无关。电机一启动，伺服单元产生过载报警，切断伺服电源，并反馈给NC系统，显示报警。仔细检查后发现，由于铁屑将排水孔堵死，电机与轴联接处被冷却液浸泡，电机内已严重进水，电机绝缘已被破坏。解体后清理、烘烤、浸绝缘漆，故障排除。

例5：天水星火机床厂生产的CKW61200数控车床（采用西门子840D系统），在加工过程中出现X轴主动编码器硬件出错，多次检查后判断为X轴直线测量系统故障（即光栅尺部分）。由于Y轴的光栅并未使用，将Y轴的光栅反馈线替换到X轴光栅后报警消除，初步判断X轴光栅反馈电缆因频繁往返运动折断导致接触不良。校线证实了该判断。处理断点，焊接并采取防折措施，机床恢复正常。

3 外围电路故障

数控技术不断发展完善，其可靠性和稳定性越来越高，故障概率不断降低，数控机床故障大多数是非系统故障，外围电路故障居多。这类故障是数控机床常见故障，多由检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件、机械装置等引起。机床厂根据不同故障内容编写相应的报警文本，通过报警信息，查找故障原因，但是有些机床厂家编写的报警文本并不完善，还是要靠维修人员根据机床原理，仔细分析、查找具体故障原因。

例1：天津精诚机床厂生产的YH6016数控弧齿锥齿轮铣齿机（采用西门子840D系统），在运行过程中多次出现Y轴伺服故障，经检查后排除驱动器故障。由于该设备仍处于保修期、不便作更大范围检修，通知厂家来人检修。但是该机床并非一直报警，给维修带来不便，所以厂家在数天内未找到真正的故障原因。后来该设备又多次出现报警，厂家只得联系西门子公司的技术人员来维修。该名工程师在详细检查了各项指标后也未发现异常，不过他很肯定地排除了系统故障的可能性。此后一段时间里该设备工作正常，直到最后一次。这次出现报警后，让操作工不要关掉电源（前几次操作工都是重新启动系统后，故障自动消除），仔细分析后发现，Y轴是机床的垂直进给轴，其机械结构与其他进给轴有明显不同，Y轴带有抱闸装置。在检查抱闸装置的外围线路中发现，在PLC的输出模块SM322的输出点Q40.4处，测得电压为+24 V，而由此控制的Y轴抱闸装置松开中间继电器KA05却并未正常工作。经查KA05线圈吸合不好，导致Y轴制动器工作不正常，使系统发出错误报警指令。更换中间继电器后故障排除，该设备至今没出现过类似现象。通过这次案例可以看出，有些故障虽有报警信息，但并不能反映出故障的根本原因，这时要根据报警信息、故障现象来分析，不能放过每一个细节，以更准确及时地发现和解决问题。

例2：天水星火机床厂生产的CKW61200数控车床（采用西门子840D系统）在加工过程中出现X轴不能回参考点的情况。由于加工的产品为“厘巴斯”绳槽滚筒，如果中途将工件卸下，重新装夹后调整基准比较困难，所以无法检修相应硬件，给维修带来较大困难。为了不耽误生产、确保进度，只有从软件上想办法，即修改轴通道参数，使NC不需回参考点便可启动。在工件加工完后将X轴刀架移开，检查发现是回参考点接近开关固定螺栓松动。调整接近开关后，故障排除。

例3：汉川机床厂生产的TK611C/I数控卧式铣镗床（采用西门子802D系统）在加工过程中也出现了类似于例2的问题，X轴在回参考点时出现撞击硬限位开关的情况。经检查回零开关损坏，更换后工作正常。

例4：宝鸡机床厂生产的SK50P国产简易数控车床（采用广州数控GSK980T系统），在运转过程中，电器控制箱的散热风扇损坏，导致电源部分24 V输出短路保护（散热风扇与系统共用24 V电源），引起系统报警，在断开风扇电路后系统随即恢复正常。该机床在换刀过程中曾出现过报警，报警内容为换刀时间过长。经检查，电动刀台的电机线断线，更换后故障排除。而后，刀台电机发出异响，用电流表检测三相电流并不平衡，拆下电机后发现，由于固定电机接线端子的螺钉过长与电机内定子线圈接触，造成线圈部分接地（该螺钉同时还固定了电机的接地线），导致刀台电机三相电流失去平衡而发热并发出异响。换下螺钉后，换刀功能恢复正常。

例5：齐重数控装备股份有限公司生产的SVT160/8Q-NC数控高速单柱立式车床（采用西门子802D系统）发生故障，设备上班开机启动不正常，界面显示PLC停止，反复重启多次后恢复正常。该现象在之前曾经发生过，并且都是在早上上班时。调出报警信息，查到报警号为400015 Profibus-DP I/O错误：记录地址9总线地址/槽口8/7。查阅西门子802D诊断说明后得知，该报警是由于PLC用户程序中使用的I/O地址不存在。可能的原因有：淤 Profibus-DP I/O模块没有电压提供；于客户端总线地址设置错误；盂Profibus连接出错；榆SDB Profibus配置不正确。根据以上分析，模块电压有较大嫌疑，检查发现24 V电源接插件松动。重新插接后恢复正常，之后未有此类现象发生。

4 数控系统的维护与调整

现代数控技术发展迅速，越来越先进的智能化控制对从事数控维修与维护的工程技术人员要求越来越高。很多数控设备在出现故障后，首先要对其进行准确判断，及时查找出故障点；在机械故障排除后，还应对系统进行必要的调整和维护。

例1：3#龙门铣床在加工过程中出现高低挡无法转换、挡位指示灯都不亮的现象。该系统并无主轴换挡开关，高低速转换是在用户程序中直接指定旋转方式（正/反）、转速；由系统自动识别并切换，经检查发现由ZF变速箱反馈回来的传感器信号表明主轴实际处在空挡上，即既不是高挡也不是低挡，因此系统无法识别，而机械液压部分、电器部分都未见明显异常。处理方法：在用户程序中直接指定转速如S100而不指定旋转方式，这样启动程序后系统将默认上一次也就是出故障前的挡位，回到正常挡位后故障排除。

例2：齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920数控落地铣镗床（采用西门子840D系统），回转台下漏油严重，并且曾多次出现带不动较大负载的现象，因此要求拆开回转工作台作彻底检查。而回转工作台中心安装了一个旋转编码器，拆下后由于其他因素未能继续分解工作台，按原有位置恢复后重新启动机床，回转台在回零过程中突然停止，系统出现B轴主动编码器硬件出错报警。再次重启系统后故障消除，而回转台现有零位与原始位置有一夹角。经调整B轴MD34200，MD34210，MD34090等参数后，机械零位恢复正常。

例3：很多数控设备在排查机械传动部分故障时都需要将相应的轴的测量系统进行屏蔽，使数控系统的全闭环控制转换为半闭环控制。天水星火机床厂生产的CKW61200数控车床（采用西门子840D系统）在维修过程中需对X轴的光栅尺进行屏蔽，对轴参数MD30200和MD30240进行修改，之后需重新启动系统。同时还应对PLC寅NCK（NC Realtime Kemal，西门子数控实时操作系统）的接口信号DB31.DBX1.5进行赋值，此时内置编码器生效，系统转入半闭环控制。

5 其他精大稀设备在生产过程中出现的较典型故障分析

例1：老旧设备的电磁干扰现象是一个困扰性问题，生产车间内各工种交叉作业，干扰源较多，本地电网电压波动较大且为三相四线制，部分早期设备的零线、地线未严格区分，因此在生产过程中经常碰到干扰现象。有一台数控车床遇到以下情况：平时数控系统工作正常，但每天总有一两次数控系统在工作中突然急停，屏幕显示报警为X轴编码器硬件故障，重新上电后机床又恢复正常。因此怀疑是位移编码器损坏或线路接触不良，但是检查了很长时间、采取了很多措施都未能消除这一现象。最终的检查发现，此现象与车间电压瞬间波动有明显关联。单独安装了一条质量很好的地线，并将电缆槽内的动力线与控制线按规范敷设，最终解决了问题。

例2：四川宏华石油设备有限公司购回的1台前苏联产落地镗床，经国内一家电气公司进行改造后于2005年正式投入使用。由于结构局限，该设备经常出现控制线路甚至部分电机主回路断线的问题，同时因为没有完备的数控系统，给准确判断故障带来一定困难。该镗床的主轴因过流多次报警，对直流调速器复位后故障消除，仔细观察后发现主轴转动速度不正常，与平时差别较大，特别是在停止过程中惯性太大，所以判断主轴电机速度反馈线故障。经检查为反馈线开路，用备用线更换后恢复正常。

6 结语

实际维修过程中，准确查找故障点是第一步，诊断数控机床的外部故障，过程可能会比较复杂，而一旦发现症结所在，所有问题自然迎刃而解。对外部故障的诊断有2点很重要：一是要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序；二是会熟练运用机床厂提供的PLC梯形图，并根据NC系统的状态显示功能或联机监测PLC的运行状态，根据梯形图的链锁关系查找故障点。有的机床厂家在系统内置了PLC编程软件，可直接在线诊断，为维修工作提供了极大便利。