數(shù)控機床幾例特殊故障的檢修

易貴輝，陳濱

(中國工程物理研究院機械制造研究所，四川綿陽 621900)

數(shù)控機床幾例特殊故障的檢修

易貴輝，陳濱

(中國工程物理研究院機械制造研究所，四川綿陽 621900)

通過檢修實例分別介紹FANUC 0M系統(tǒng)加工中心的X軸故障原因及排除故障的方法、SIEMENS 810控制系統(tǒng)的激光切割機高壓無法接通故障的原因及排除故障的方法。這些故障有些是在無資料的情況下做的一些嘗試，供大家參考。

數(shù)控機床;特殊故障

隨著數(shù)控機床的日益廣泛使用，如何增加數(shù)控機床的加工時間、減少機床的故障停機時間就變得越來越重要了，同時也對數(shù)控人員的維修效率和質(zhì)量提出越來越高的要求。在維修時，通過排除數(shù)控機床所發(fā)生的顯性故障和隱性故障，可以減少因設(shè)備自身原因的意外停機和人為原因的事故停機。作者通過減少平均排除故障時間MTTR(Mean Time To Pepair)、增加平均無故障時間MTBF(Mean Time Between Failures)的方法，來提高數(shù)控機床的有效度A。下面通過一些檢修實例來介紹是如何排除故障的。

1 伺服過電流有報警故障檢修

某采用FANUC 0M系統(tǒng)的加工中心，有一次在給機床的液壓油箱加油后，給機床通電，X軸在運行過程中突然停下，同時另外兩個軸也停止運行，液壓電機無法起動。

故障診斷。在現(xiàn)場看見機床屏幕上顯示412#報警，由說明書查到412#報警是X軸檢測錯誤。因為故障是在給液壓油箱加油后出現(xiàn)的，先是懷疑液壓電機是否有問題。經(jīng)檢查，液壓電機的接線和電阻值都是正確的。打開電氣柜，發(fā)現(xiàn)自動開關(guān)QF2跳閘，重新合上QF2，故障依舊。

故障現(xiàn)象分析。因為液壓不能起動是在X軸進給停止后發(fā)生的，應(yīng)是X軸不正常才引起液壓不能起動的，所以重點應(yīng)放在解決X軸不正常這個問題上。先檢查外圍，檢查與X軸驅(qū)動相關(guān)的外圍元器件，沒有發(fā)現(xiàn)問題;接著檢查X軸，在檢查中發(fā)現(xiàn)X軸AC伺服放大器顯示數(shù)字“3”，查機床說明書，數(shù)字“3”是伺服放大器報警，報警內(nèi)容是 (HCAL)高電流報警，機床正常時伺服放大器應(yīng)該顯示“0”。報警的原因有:(1)電動機動力線接錯;(2)數(shù)控系統(tǒng)側(cè)的伺服板異常;(3)電動機線圈內(nèi)部短路; (4)晶體管模塊損壞。分別對這4點內(nèi)容進行檢查: (1)檢查X軸伺服電機的動力線及位置檢測信號線都沒發(fā)現(xiàn)問題，重新接線也不行。(2)交換X軸和Y軸速度控制板的位置檢測插頭M34、M37及電機動力線U、V、W。交換后故障轉(zhuǎn)移到Y(jié)軸上，Y軸變得不能移動了。因此排除了伺服電機接線錯誤問題，故障點應(yīng)該發(fā)生在X軸AC伺服單元上。(3)拆除X軸AC伺服電機的動力線后，使TGLS報警無效 (對于M系統(tǒng)將S23設(shè)定為短路)，合電源試通電，開機故障仍舊。說明故障點不在伺服電機上，而是在伺服驅(qū)動單元。(4)取下并拆開X軸AC伺服放大單元，逐一檢查與電流有關(guān)的電流控制、SPWM控制、主控制板基極驅(qū)動信號和變頻逆變 (大功率晶體管模塊)等部分。這種故障應(yīng)該是大功率晶體管模塊出故障的可能性要大些，把重點放在檢查大功率晶體管模塊上。當用萬用表檢查變頻逆變部分的大功率晶體管模塊TM時，將6個大功率晶體管模塊的連接斷開，用萬用表的歐姆檔對這6個晶體管模塊逐一檢查，發(fā)現(xiàn)6個中有1個晶體管模塊TM1的C－E間的阻值只有3.2 Ω。從電路板上焊下TM1，再測TM1的C－E阻值還是只有3.2 Ω。正常時C－E間的正向阻值應(yīng)該是幾百歐姆，反向阻值應(yīng)該是無窮大。如果小于10 Ω說明TM1內(nèi)部短路。查到故障元件，對故障原因進行分析:AC伺服單元過電流的原因就是因為晶體管模塊TM1被擊穿，造成這一相的電流過大，大于其他兩相的電流，使三相電流不平衡，控制電路便產(chǎn)生報警信號，關(guān)斷了速度準備信號，SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)的電流控制和逆變器的晶體管模塊被迫停止工作，所以AC伺服放大器沒有輸出，X軸也就不會移動了。確認電路板上沒有其他短路的情況下，再對PCB上晶體管驅(qū)動放大電路進行認真檢查，檢查沒有問題后，更換新的晶體管模塊，故障排除。

故障原因。晶體管模塊被擊穿的原因是:(1)主要原因是伺服放大器中由大功率晶體管 (現(xiàn)在很多是IGBT)組成的晶體管橋式逆變器，如果帶感性負載 (電機就是感性負載)，當晶體管模塊中的達林頓管由飽和導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止的瞬間，電流變化值di/dt及電壓變化值du/dt可達正常時的上百倍，如果達林頓管C－E結(jié)不能承受這么高的電壓，就會造成達林頓管二次擊穿。還有當伺服電機在起動瞬間，起動電流較大，伺服對電動機的電流變化值di/dt、最大電流起止控制如果失誤都能造成過電流。為防止過電流，在逆變橋臂上要有限流電阻。所以為克服大功率晶體管的二次擊穿，就要使其C－E間的電壓UCE上升速率變緩，讓集電極電流IC下降速率加快。采用在大功率晶體管的C－E間并聯(lián)快恢復(fù)的二極管和RC吸收回路，以減緩UCE電壓上升的速率。這樣就可減小達林頓管損壞的概率。(2)晶體管模塊被擊穿的第二個原因是:電動機在換向時電流很大，如果換向時間過短 (存在死區(qū))，死區(qū)時間小于晶體管的關(guān)斷時間，就會造成逆變失敗，過電流保護電路動作，顯示報警。(3)電動機過負荷，電流過大，伺服驅(qū)動單元停止輸出，顯示過電流報警。(4)另外由于車間環(huán)境的灰塵、冷卻水霧的影響，造成電路板的絕緣下降，也是使達林頓管損壞的原因之一。

故障排除方法:更換晶體管模塊，清潔電路板的針型接插件。

2 氣壓不足有報警故障檢修

某采用SIEMENS 810控制系統(tǒng)的激光切割機出現(xiàn)高壓無法接通、無法發(fā)出激光的故障。系統(tǒng)有報警，屏幕顯示內(nèi)容:

故障機制分析。發(fā)生故障是因為激光切割機的CO2激光器腔內(nèi)壓力不足 (p＜90 hPa)，而產(chǎn)生報警信號，造成高壓無法接通。機床在通電后，要延時一會激光器主電源才能接通，接通后開始向激光器腔內(nèi)充氣加壓。激光器腔內(nèi)加的是N2、He、CO2氣體。只有當腔內(nèi)壓力達到設(shè)定的壓力值時 (100 hPa)，高壓才能接通。

故障診斷。在診斷過程中發(fā)現(xiàn):(1)電源變壓器T2的次級230 V有一短接線接觸不好有松動，重新接好此短接線。(2)機床橫梁后面的氣動控制站有一壓力檢測開關(guān)B50動作頻繁，B50的壓力檢測值為0.14/0.17 MPa，檢測的是整個氣路的進口壓力。當其壓力小于檢測值時，壓力檢測開關(guān)B50觸點斷開，產(chǎn)生報警信號，高壓就無法接通。測量B50觸點的電壓，發(fā)現(xiàn)觸點的24 V電壓時有時無 (B50時通時斷)。檢查壓力檢測開關(guān)并無損壞。后來調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥Y50，將壓力值增大些，壓力檢測開關(guān)B50閉合恢復(fù)正常了。這時高壓仍無法接通，要想使高壓接通，還需使N2、He、CO2及空氣的氣壓值滿足要求，規(guī)定值為0.35 MPa。需要檢查 N2、He、CO2及空氣的壓力。(3)檢查發(fā)現(xiàn)N2、He的氣壓值不正常。進氣壓力和出氣壓力都不對，需要調(diào)節(jié)。進氣壓力和出氣壓力的調(diào)節(jié)是很復(fù)雜的，它需要進氣閥壓力和出氣閥壓力一起配合調(diào)節(jié) (調(diào)它們的比值)。方法是:先調(diào)N2的進氣調(diào)節(jié)閥Y50調(diào)到0.14/0.17 MPa。再調(diào)N2的出氣調(diào)節(jié)閥Y51，調(diào)到0.35 MPa。它們的壓差值為0.18/ 0.21 MPa。接下來調(diào) He的出氣調(diào)節(jié)閥 Y52，調(diào)到0.35 MPa。調(diào)前用改刀往下按He和 N2氣閥，聽到有嘶嘶的放氣聲，以保證氣路未堵塞。經(jīng)過反復(fù)調(diào)節(jié)N2和He的進氣閥的進氣氣壓和出氣閥的出氣壓力(即反復(fù)調(diào)Y51和Y52，調(diào)節(jié)它們的進氣壓力和出氣壓力的壓差值)，一直調(diào)到屏幕上顯示100 hPa，與設(shè)定值相符且顯示值穩(wěn)定為止。通過以上步驟調(diào)節(jié)后，壓力正常。當腔內(nèi)壓力達到設(shè)定值100 hPa，報警信號消失，高壓準備信號接通，可以加高壓了。故障得以排除。

故障原因。因為加入激光器腔內(nèi)的CO2、N2和He的氣壓不足，造成壓力檢測開關(guān)無法閉合，機床檢測不到壓力值，產(chǎn)生壓力不足報警信號，出于高壓保護的目的，高壓就無法接通。

3 電源相序錯誤無報警故障檢修

同樣是上面的機床，有一次突然出現(xiàn)屏幕無顯示故障。故障診斷分析。在現(xiàn)場檢查時，先是發(fā)現(xiàn)控制柜內(nèi)有一自動開關(guān)QF3跳閘，合上此開關(guān)屏幕仍無顯示，查機床說明書無此故障的任何說明，圖紙也不全，給維修造成了一定的難度。經(jīng)過對有關(guān)的元器件逐一排查，查到一個像接觸器的器件K11，它的上端有3根線，標的是L1、L2、L3，下端有2根線，標的是15、18。根據(jù)經(jīng)驗判斷，它應(yīng)該不是接觸器或繼電器。測L1、L2、L3任意兩相間的電壓為AC 380 V，應(yīng)是電源的進線。15、18線間的電壓為DC 24 V，應(yīng)是控制電壓。調(diào)換L1L2L3中的任意兩相，屏幕還是不顯示，應(yīng)該不是電源相序問題。經(jīng)分析判斷15、18可能是一對常開觸點，在通電時應(yīng)該是閉合接通的。為了保險起見，用1 A的保險絲短接15號線和18號線，通電后屏幕有顯示了?？磥碚媸?5和18未閉合導(dǎo)致的故障。查其他機床的資料知道:有些進口機床為了防止電源相序錯誤，在電源進線上裝有相序調(diào)節(jié)器，用來調(diào)節(jié)電源電壓的允許波動范圍和調(diào)整相序。這個元件有可能是相序調(diào)節(jié)器。當相序正確(正相序)時，它內(nèi)部的繼電器通電，其常開觸點閉合，DC 24 V控制電源輸出到控制單元，整個數(shù)控系統(tǒng)才能通電;當相序不正確 (相序反了)時，它內(nèi)部的繼電器就不通電，其常開觸點斷開，整個數(shù)控系統(tǒng)就不能通電。因此故障是由于相序調(diào)節(jié)器失效導(dǎo)致的相序檢測失誤造成的。

故障原因。由于相序調(diào)節(jié)器內(nèi)部的繼電器失效，引起其常開觸點不閉合，造成電源相序錯誤，并產(chǎn)生報警信號，使得DC 24 V電壓無法接通，屏幕就不能顯示。相序調(diào)節(jié)器K11的作用就是當進線電源電壓相序錯誤或超出電壓允許波動范圍時，此相序調(diào)節(jié)器動作，15、18斷開不能閉合，使控制回路的DC 24 V電壓無法接通。

圖1是相序調(diào)節(jié)器K11的接線圖。

圖1 相序調(diào)節(jié)器K11的接線圖

故障排除因為當時沒有現(xiàn)成的備件替換，臨時使用AC 220 V的中間繼電器接在相線L1和零線N之間，替換原來以失靈的相序調(diào)節(jié)器內(nèi)部的繼電器作為應(yīng)急處理。

4 主軸不變速無報警故障檢修

北京生產(chǎn)的采用FANUC–0M系統(tǒng)的某加工中心主軸無高速，在加工過程中主軸不能從低速擋變換到高速擋。

故障診斷。此加工中心的主軸轉(zhuǎn)速范圍 15～4 000 r/min，低速S15～S893，高速S894～S4000。如果給出的主軸轉(zhuǎn)速指令值低于S15或高于S4000，PC都將報警，主軸以前一個S代碼指令的轉(zhuǎn)速運行。該機床只有低速和高速兩擋，對應(yīng)的齒輪選擇信號為GR10和GR20。因主軸轉(zhuǎn)速在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，不會產(chǎn)生報警，診斷比較困難。主軸不變速故障的原因有:(1)電氣變擋信號沒有輸出;(2)主軸變速時壓力不夠;(3)變擋電磁閥卡死;(4)變擋液壓缸撥叉脫落;(5)變擋液壓缸竄油或泄漏;(6)變擋復(fù)合開關(guān)失靈;(7)變擋液壓缸卡死。按照以上原因一一排查，先檢查電氣變擋信號是否輸出，從系統(tǒng)診斷表中查到齒輪選擇信號GR20為0，懷疑是沒有檢測到高速掛擋到位信號。高速掛擋到位開關(guān)是PNP型接近開關(guān)，當從低速擋變換到高速擋時，此開關(guān)應(yīng)輸出+24 V。顯然是高速掛擋到位開關(guān)有問題，未檢測到齒輪掛擋已到位。拆下主軸上面的蓋板，檢查接近開關(guān)的好壞，用一薄鐵片去感應(yīng)接近開關(guān)，接近開關(guān)的指示燈有變化，接近開關(guān)應(yīng)該沒有問題。檢查過程中發(fā)現(xiàn)主軸在從低速擋換到高速擋時，感應(yīng)塊到接近開關(guān)的距離總是不到位，造成接近開關(guān)感應(yīng)的信號太弱，接近開關(guān)的三極管不能導(dǎo)通，也就沒有掛擋到位信號輸出。

故障排除方法。調(diào)整感應(yīng)塊到接近開關(guān)的距離，此距離應(yīng)在0.3～0.7 cm內(nèi)，感應(yīng)塊與接近開關(guān)的接近面積應(yīng)不小于1/2。調(diào)整好接近開關(guān)位置后，主軸能從低速擋變換到高速擋了，故障排除。

5 結(jié)束語

數(shù)控機床是現(xiàn)代各種工業(yè)的集成，包括CNC、PLC、軟件、精密機械、數(shù)字電子技術(shù)、大功率電力電子、伺服拖動、電動機和控制、液壓和氣動技術(shù)、精密測量和傳感器等多項技術(shù)。因為數(shù)控機床故障具有特殊性，所以在維修數(shù)控機床時，要針對數(shù)控機床的故障機制，對數(shù)控機床的故障進行分類，找到它們的共同點和不同點。在判斷故障時，要根據(jù)有無報警信息進行分類診斷，對有報警故障要先弄清楚報警的內(nèi)容是什么，根據(jù)報警的內(nèi)容來判斷故障發(fā)生的部位;對無報警故障，要對產(chǎn)生故障的原因進行分析，列出所有可能的故障原因，一一排查，從而縮小故障的維修范圍。要學(xué)會利用機床本身具有的自診斷功能，這樣能少走彎路，可以幫助人們判斷故障，減少故障的維修時間。

【1】郭士義.數(shù)控機床診斷與維修［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

【2】韓鴻鸞，榮維芝.數(shù)控原理與維修技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

【3】數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)與實例編委會.數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)維修技術(shù)與實例［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2001.

【4】ROFIN SINAR LASER數(shù)控切割機維修說明書［M］.

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1001－3881(2014)8－151－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.08.048

2013－03－15

易貴輝 (1962—)，男，技師，從事電工維修工作。E－mail:Yiguihui2013@163.com。