数控机床电气设备故障的维修与保养分析

李 健，张凤江

（天津天钢联合特钢有限公司，天津 301500）

1 数控机床技术特征

1.1 高效化

现代数控机床技术不仅可以降低加工成本，并且具有较高的加工效率，而且可以保证零件的表面质量和精度。在目前的机床加工中，车铣的加工速度每分钟可达到5000m～8000m，主轴转速超过30，000rpm。以前为精密加工，而现在逐步发展成为超级精密加工（可达纳米级），应用范围得到了极大的扩展。在纳米级超精密加工中，主轴的旋转精度可以达到0.02nm左右，表面粗糙度Ra=0.003nm。目前数控机床表现出高效化、网络化的发展态势，数控机床制造商和销售商，也逐步提高数控机床的的可靠性要求。零件的加工和生产一般在处理、安装和降低速度上花费大量时间，为了减少在此过程中的时间，目前人们越来越重视复合功能型机床的研制[1]。

1.2 多轴化

目前数控加工技术中，编程软件和五轴联动技术已逐渐成熟，在自由曲面加工中，使用五轴联动控制和数控编程技术，能够使工件三维表面在铣削过程中，控制在合理的切削速度范围内，大幅度提高了工件表面的加工精度，满足了现代高精度试件的加工要求。与三轴联动控制相比，五轴联动技术有着明显的优势，已成为大型机床制造商开发研究的关键技术。

1.3 智能化

当前的制造技术逐步实现智能化，在模糊控制、神经网络控制和数字网络技术等方面开发了智能处理，通过模拟人工在处理过程中的智能活动，解决了处理过程中的一些不确定性和人为因素诸多因素的干预。数控机床的智能化主要体现在以下三个方面：第一，连接性能和驱动性能逐步实现智能控制；第二，加工过程中逐步实现智能化，自动生成加工工艺参数，使加工质量和加工效率明显提高；第三，数控机床运行状态和故障诊断方面逐步实现智能化；第四，在数控编程技术下，人机操作界面更加合理智能，使操作过程简单可靠。此外，使用计算机建立网络连接，首先使用生产站点和企业的内部 LAN，然后使用Internet连接到企业外部，实现数控机床的网络化操作、监控。随着网络技术的不断成熟，，已经提出了数字制造的未来发展理念，使用现代化信息技术后，数控机床的通讯服务等功能也逐渐引起人们的重视。

1.4 绿色化

数控机床的发展也需要充分重视环境保护和节能减排，不断促进我国机械加工制造行业朝着绿色化方向发展[2]。

2 数控机床电气故障的诊断原则

2.1 电气故障的诊断原则

2.1.1 先外部后内部

经过不断的技术更新，数控机床各方面性能已经非常完善，基本很少发生故障。另外，通常情况下，工厂会组织专业技术人员进行运行前检查，而一些机床运行故障并非电气系统损坏引起的。因此，在发现故障后，技术人员应先对机床外部零部件进行仔细检查，在确定是由内部损坏导致故障的前提下，才能进行拆解，避免因拆分而使其性能降低。

2.1.2 先主机后电气

主机通过专业设备进行检测，容易查出是否损坏，而数控装置和电气装置检测故障的难度比较大。很多机床发生故障的原因都是主机部分损坏，因此，在对数控装置和电气装置进行故障检测前，一定要先对主机进行检测，达到事半功倍的效果[3]。

河流和陆上融化的冰川给北冰洋带来的源源不断的淡水加剧了这一区域的脆弱性，因为淡水更难中和二氧化碳酸化效应。有研究者指出，北欧的海洋酸化范围非常广，其表层的海水酸化最快，深层的海水则更慢一些。科学家表示，流入北冰洋地区的大型河流因其流量大会形成巨大的集水区域。由于淡水和海水的混合较慢，因此在一些地方产生了淡水覆盖在海水上层的情况。淡水降低了能够缓和PH值变化的离子的浓度。海洋冰川相当于是北冰洋面的一个盖子，所以冰的融化将加速海水吸收二氧化碳。

2.1.3 先静态后动态

遇到洪涝等灾害时，数控机床可能会浸泡在水中，企业配电系统如遭受损害会导致突然停电，在这些情况下，很有可能会导致机床主机、电气装置等构件损坏。因此，在维修人员对断电状态下的机床进行检修时，应仔细观察、测试机床是否存在故障，对机床进行系统检查后，确认通电运行不会造成事故，才能通电。还要对机床的运行状态进行动态检测，确保其从静态到动态不会出现故障隐患。

2.2 数控机床电气故障的诊断步骤

①故障分析，是指维修人员根据数控机床的故障特点，结合工作经验对故障发生的位置进行预判，排除最不可能发生故障的构件，为下一个环节的工作提供支撑。②电气设备检测，指在预判故障的基础上，通过一些辅助仪器，对设备进行更仔细的检测。③故障原因确定，指技术人员参考机床图纸利用辅助仪器进行检测，确定机床上哪个零部件损坏，并对其进行拆卸，拆卸零部件应按安装图纸进行，并做好标记，避免产生其他故障或修好后部件安装不当对机床造成伤害。④线路检测，指对机床主机部分、数控装置和电气装置一些电荷载较大的线路进行检测，发现有老化迹象应及时更换，避免发生安全问题。⑤性能检测，数控机床结构非常精密，在对其进行维修时，难以避免要拆分，但维修好之后要按图纸将零部件安装回原位，而多数机床是用于加工一些细小精密的产品，对机床拆分组合会使机床的精确程度发生改变，这就需要拆分和组装机床时，必须严格按图纸的程序及要求组装，防止因维修导致机床生产的产品有质量问题。

3 数控机床电气故障的诊断方法

3.1 常规检查法

常规检查法是通过问、看、摸与试等来对机床电气装置故障进行分析判断。①问。这个过程是指维修人员到达事故现场后，要对流水线上的操作工人进行仔细询问，让操作工人描述故障特点，维修人员利用这些信息对机床电气故障进行大致判断，为进一步检查提供参考。②看。这个过程是在询问现场操作工人后，对数控机床进行整体检查，对容易发生故障的位置进行仔细的检查，例如主轴、刀库、机械手与主机等部位部件的线路连接是否正常，电子元件是否有损坏迹象。③摸。这个过程是指在查看过机床容易发生故障的部件后，通过触摸的方式判断故障原因，例如一些部件短路后会出现表面温度过高的情况，可以利用这些特点，找出原因。④试。这个过程是指通过一些辅助仪器对部件进行检测，查看有无短路和断路的情况，机床在运转期间有无异常声响，一旦发现立即断电维修。

3.2 参数检查恢复法

由于数控机床不断更新换代，具备强大的适应能力，数控系统可以通过修改参数来适用不同型号的机床，这些参数也可以反映机床零部件的功能和信息，为机床维修后的顺利组装提供重要的数据依据。数控系统参数的变化会给后期维修工作造成极大困难。参数检查恢复法就是维修人员运用过硬的技术和丰富的维修经验来对数控系统参数进行调整，检查数控系统是否发生故障，这一过程中一定要注意参数的恢复，对于机床而言，改变其参数会影响机床性能，要避免因为维修数控系统而破坏机床性能。

3.3 自诊断功能法

自诊断法是指依靠数控系统检测故障、分析故障的能力对机床故障进行快速收集和处理，并且诊断出故障位置。目前数控自诊断功能有两种，分别为：①开机自诊断，是指每次机床开机进入运行状态时，数控系统都会对CPU、总线、电路板等进行自检，只有确认没有故障时才能正常运行。②故障信息，如果是数控系统故障，在显示屏上会显示编号和内容，维修人员可以根据机床说明书或图纸说明来判断故障原因。

3.4 诊断备件替换法

当机床故障原因集中于一个印制电路板上时，数控机床电路板构造异常复杂，电路板上具体故障原因的检查难度非常大，为了提高检修效率，可以先用预备电路板代替，然后再对故障电路板进行仔细检查，避免因为个别部件故障妨碍工厂生产。但是，在更换预备部件电路板时应该注意如下问题：①为了确保维修人员人身安全，在更换电路板期间一定要将机床电源断开。②在更换电路板时，维修人员要将预备电路板调试成和被更换电路板相同的开关位置和设定状态，并且要准确记录，避免因为忘记调试而导致机床报警停用。③一些机床生产的是特殊产品，在更换电路板时，要根据机床使用说明书或图纸说明，对其参数进行记录与调试，必须确保机床的性能达到最佳状态。

3.5 仪器测量法

仪器检查法就是在数控机床电气发生故障后，使用电工仪表对各组交、直流电源电压及相关直流和脉冲信号等进行测量，根据电流电压信息推断出可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，对某些电路板上设置的相关信号状态测量点进行测量，用示波器观察相关脉动信号的幅值、相位，用PLC编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。

4 某钢厂轧辊加工机床电气设备故障处理实例

该钢厂中型型钢热连轧生产线轧辊加工机床包括两台数控机床和若干台普通机床。数控机床其控制系统采用西门子伺服驱动器SIMODRIVE 611控制X轴向伺服电机和Z轴向伺服电机，其操作面板为西门子SINUMERIK 802D PCU。

某年8月15日夜间数控机床在加工轧辊过程中多次自动停车。

8月16 日上午，电气维修人员到现场观察捕捉故障现象，发现机床横向（Z轴）运行一段时间后报故障，报故障停车多发生在加工轧辊过程中（其中只有一次在空转时报故障停车）。西门子802D面板显示报警内容为380500↓Profibus-DP：驱动Z1，代码608数值0时间1956628。更换802D编程器内一个DP网头，更换后故障仍然发生。上网查阅资料，伺服电机控制器（西门子SIMODRIVE 611装置）报代码为608故障为过负荷运行。

8月16 日夜间，电气维修人员对X轴和Z轴西门子611伺服控制器的逆变器进行互换（倒换X轴和Z轴控制板，编码器线路，主轴测速发电机线路和负荷线）互换后运行X轴，一段时间后报故障，Z轴能够正常运行，排除611控制器故障。之后机械维修人员调整了Z轴丝杠间隙，对机械部分进行润滑维护；电气维修人员再次互换X轴和Z轴611控制器的逆变器。

8月17 日上午，电气维修人员试车发现Z轴伺服电机无法转车，启车后立即报608故障，摘开电机连接轴，电机出现振颤现象，仍然报608故障。互换装置后，故障现象依旧，因此怀疑Z轴伺服电机有问题。

8月18 日，到相关技术部门对Z轴电机进行检查。

8月21 日，反馈信息为此伺服电机内部有一插排松动，现已修复，并可以正常转车。安装电机后，电机依然报608故障。

8月22 日上午，电气维修人员进行现场故障排查，最后将Z轴伺服电机负荷线U相和W相进行互换，Z轴伺服电机可正常运行，将电机与丝杠连接好后可以正常加工轧辊，一直将故障发生前的轧辊加工完毕，未报故障[4]。

综上所述，随着我国科学技术的发展，数控机床电气设备维修技术也在不断革新与完善。传统电气维修技术的缺点阻碍了工作的顺利开展，因此，要根据实际情况和维修人员积累的工作经验对维修技术进行革新，适当优化及改进维修方法，使电气设备更加高效安全，避免机床故障导致商品生产受阻，使企业生产稳定、健康发展。