三、維修與排故技術

　　1.常見電氣故障分類


　　數控機床的電氣故障可按故障的性質、表象、原因或后果等分類。


　　(1)以故障發生的部位，分為硬件故障和軟件故障。硬件故障是指電子、電器件、印制電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態甚至損壞，這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟件故障一般是指PLC邏輯控制程序中產生的故障，需要輸入或修改某些數據甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬于軟件故障。最嚴重的軟件故障則是數控系統軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產廠商或其服務機構聯系解決了。



　　(2)以故障出現時有無指示，分為有診斷指示故障和無診斷指示故障。當今的數控系統都設計有完美的自診斷程序，時實監控整個系統的軟、硬件性能，一旦發現故障則會立即報警或者還有簡要文字說明在屏幕上顯示出來，結合系統配備的診斷手冊不僅可以找到故障發生的原因、部位，而且還有排除的方法提示。機床制造者也會針對具體機床設計有相關的故障指示及診斷說明書。上述這兩部分有診斷指示的故障加上各電氣裝置上的各類指示燈使得絕大多數電氣故障的排除較為容易。無診斷指示的故障一部分是上述兩種診斷程序的不完整性所致(如開關不閉合、接插松動等)。這類故障則要依靠對產生故障前的工作過程和故障現象及后果，并依靠維修人員對機床的熟悉程度和技術水平加以分析、排除。



　　(3)以故障出現時有無破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對于破壞性故障，損壞工 件甚至機床的故障，維修時不允許重演，這時只能根據產生故障時的現象進行相應的檢查、分析來排除之，技術難度較高且有一定風險。如果可能會損壞工件，則可卸下工件，試著重現故障過程，但應十分小心。



　　(4)以故障出現的或然性，分為系統性故障和隨機性故障。系統性故障是指只要滿足一定的 條件則一定會產生的確定的故障；而隨機性故障是指在相同的條件下偶爾發生的故障，這類故障的分析較為困難，通常多與機床機械結構的局部松動錯位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內部溫度過高有關。此類故障的分析需經反復試驗、綜合判斷才可能排除。



　　(5)以機床的運動品質特性來衡量，則是機床運動特性下降的故障。在這種情況下，機床雖 能正常運轉卻加工不出合格的工件。例如機床定位精度超差、反向死區過大、坐標運行不平穩等。這類故障必須使用檢測儀器確診產生誤差的機、電環節，然后通過對機械傳動系統、數控系統和伺服系統的最佳化調整來排除。



　　此處故障的分類是為了便于故障的分析排除，而一種故障的產生往往是多種類型的混合，這 就要求維修人員具體分析，參照上述分類采取相應的分析、排除法。



2.故障的調查與分析



　　這是排故的第一階段，是非常關鍵的階段，主要應作好下列工作：



　　①詢問調查　在接到機床現場出現故障要求排除的信息時，首先應要求操作者盡量保持現場 故障狀態，不做任何處理，這樣有利于迅速精確地分析故障原因。同時仔細詢問故障指示情況、故障表象及故障產生的背景情況，依此做出初步判斷，以便確定現場排故所應攜帶的工具、儀表、圖紙資料、備件等，減少往返時間。



　　②現場檢查　到達現場后，首先要驗證操作者提供的各種情況的準確性、完整性，從而核實 初步判斷的準確度。由于操作者的水平，對故障狀況描述不清甚至完全不準確的情況不乏其例，因此到現場后仍然不要急于動手處理，重新仔細調查各種情況，以免破壞了現場，使排故增加難度。



　　③故障分析　根據已知的故障狀況按上節所述故障分類辦法分析故障類型，從而確定排故原 則。由于大多數故障是有指示的，所以一般情況下，對照機床配套的數控系統診斷手冊和使 用說明書，可以列出產生該故障的多種可能的原因。



　　④確定原因　對多種可能的原因進行排查從中找出本次故障的真正原因，這時對維修人員是 一種對該機床熟悉程度、知識水平、實踐經驗和分析判斷能力的綜合考驗。



　　⑤排故準備　有的故障的排除方法可能很簡單，有些故障則往往較復雜，需要做一系列的準 備工作，例如工具儀表的準備、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采購甚至排故計劃步驟的制定等等。



　　數控機床電氣系統故障的調查、分析與診斷的過程也就是故障的排除過程，一旦查明了原因 ，故障也就幾乎等于排除了。因此故障分析診斷的方法也就變得十分重要了。下面把電氣故障的常用診斷方法綜列于下。



　　(1)直觀檢查法 這是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的檢查。



　　①詢問 向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障后果，并且在整個分析 判斷過程中可能要多次詢問。



　　②目視　總體查看機床各部分工作狀態是否處于正常狀態(例如各坐標軸位置、主軸狀態、 刀庫、機械手位置等)，各電控裝置(如數控系統、溫控裝置、潤滑裝置等)有無報警指示，局部查看有無保險燒煅，元器件燒焦、開裂、電線電纜脫落，各操作元件位置正確與否等等 。



　　③觸摸　在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、 各功率及信號導線(如伺服與電機接觸器接線)的聯接狀況等來發現可能出現故障的原因。



　　④通電　這是指為了檢查有無冒煙、打火、有無異常聲音、氣味以及觸摸有無過熱電動機和元件存在而通電，一旦發現立即斷電分析。



　　(2)儀器檢查法 使用常規電工儀表，對各組交、直流電源電壓，對相關直流及脈沖信號等 進行測量，從中找尋可能的故障。例如用萬用表檢查各電源情況，及對某些電路板上設置的 相關信號狀態測量點的測量，用示波器觀察相關的脈動信號的幅值、相位甚至有無，用PLC 編程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。



　　(3)信號與報警指示分析法



　　①硬件報警指示　這是指包括數控系統、伺服系統在內的各電子、電器裝置上的各種狀態和故障指示燈，結合指示燈狀態和相應的功能說明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法。



　　②軟件報警指示　如前所述的系統軟件、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示，依據顯示的報警號對照相應的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。



　　(4)接口狀態檢查法　現代數控系統多將PLC集成于其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的，這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示，有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示，而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機床的接口信號，又要熟悉PLC編程器的應用。



　　(5)參數調整法　數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同機床、 不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配，而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此，任何參數的變化(尤其是模擬量參數)甚至丟失都是不允許的；而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障多指故障分類一節中后一類故障，需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的，不僅要對具體系統主要參數十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較豐富的電氣調試經驗。



　　(6)備件置換法　當故障分析結果集中于某一印制電路板上時，由于電路集成度的不斷擴大而要把故障落實于其上某一區域乃至某一元件是十分困難的，為了縮短停機時間，在有相同備件的條件下可以先將備件換上，然后再去檢查修復故障板。備件板的更換要注意以下問題。



　　①更換任何備件都必須在斷電情況下進行。



　　②許多印制電路板上都有一些開關或短路棒的設定以匹配實際需要，因此在更換備件板上一 定要記錄下原有的開關位置和設定狀態，并將新板作好同樣的設定，否則會產生報警而不能工作。



　　③某些印制電路板的更換還需在更換后進行某些特定操作以完成其中軟件與參數的建立。這 一點需要仔細閱讀相應電路板的使用說明。



　　④有些印制電路板是不能輕易拔出的，例如含有工作存儲器的板，或者備用電池板，它會丟 失有用的參數或者程序。必須更換時也必須遵照有關說明操作。



　　鑒于以上條件，在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細閱讀相關資料，弄懂要求和操作步驟 之后再動手，以免造成更大的故障。



　　(7)交叉換位法　當發現故障板或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下，可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查，例如兩個坐標的指令板或伺服板的交換從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應特別注意，不僅硬件接線的正確交換，還要將一系列相應的參數交換，否則不僅達不到目的，反而會產生新的故障造成思維的混亂，一定要事先考慮周全，設計好軟、硬件交換方案，準確無誤再行交換檢查。



　　(8)特殊處理法　當今的數控系統已進入PC基、開放化的發展階段，其中軟件含量越來越豐富，有系統軟件、機床制造者軟件、甚至還有使用者自己的軟件，由于軟件邏輯的設計中不可避免的一些問題，會使得有些故障狀態無從分析，例如死機現象。對于這種故障現象則可以采取特殊手段來處理，比如整機斷電，稍作停頓后再開機，有時則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實踐中摸索其規律或者其他有效的方法。



　　3.電氣維修與故障的排除



　　這是排故的第二階段，是實施階段。



　　如前所述，電氣故障的分析過程也就是故障的排除過程，因此電氣故障的一些常用排除方法 在上一節的分析方法中已綜合介紹過了，本節則列舉幾個常見電氣故障做一簡要介紹，供維修者參考。



　　(1)電源　電源是維修系統乃至整個機床正常工作的能量來源，它的失效或者故障輕者會丟 失數據、造成停機。重者會毀壞系統局部甚至全部。西方國家由于電力充足，電網質量高，因此其電氣系統的電源設計考慮較少，這對于我國有較大波動和高次諧波的電力供電網來說就略顯不足，再加上某些人為的因素，難免出現由電源而引起的故障。我們在設計數控機床的供電系統時應盡量做到：



　　①提供獨立的配電箱而不與其他設備串用。



　　②電網供電質量較差的地區應配備三相交流穩壓裝置。



　　③電源始端有良好的接地。



　　④進入數控機床的三相電源應采用三相五線制，中線(N)與接地(PE)嚴格分開。



　　⑤電柜內電器件的布局和交、直流電線的敷設要相互隔離。



　　(2)數控系統位置環故障



　　①位置環報警。可能是位置測量回路開路；測量元件損壞；位置控制建立的接口信號不存在等。



　　②坐標軸在沒有指令的情況下產生運動。可能是漂移過大；位置環或速度環接成正反饋；反饋接線開路；測量元件損壞。



　　(3)機床坐標找不到零點。可能是零方向在遠離零點；編碼器損壞或接線開路；光柵零點標 記移位；回零減速開關失靈。



　　(4)機床動態特性變差，工件加工質量下降，甚至在一定速度下機床發生振動。這其中有很 大一種可能是機械傳動系統間隙過大甚至磨損嚴重或者導軌潤滑不充分甚至磨損造成的；對于電氣控制系統來說則可能是速度環、位置環和相關參數已不在最佳匹配狀態，應在機械故障基本排除后重新進行最佳化調整。



　　(5)偶發性停機故障。這里有兩種可能的情況：一種情況是如前所述的相關軟件設計中的問 題造成在某些特定的操作與功能運行組合下的停機故障，一般情況下機床斷電后重新通電便會消失；另一種情況是由環境條件引起的，如強力干擾(電網或周邊設備)、溫度過高、濕度過大等。這種環境因素往往被人們所忽視，例如南方地區將機床置于普通廠房甚至靠近敞開 的大門附近，電柜長時間開門運行，附近有大量產生粉塵、金屬屑或水霧的設備等等。這些因素不僅會造成故障，嚴重的還會損壞系統與機床，務必注意改善。



　　本文由于篇幅所限不做更多的介紹，讀者可參閱數控機床的隨機資料及其他專門介紹各種故 障的文章。



　　4.維修排故后的總結提高工作



　　對數控機床電氣故障進行維修和分析排除后的總結與提高工作是排故的第三階段，也是十分重要的階段，應引起足夠重視。



　　總結提高工作的主要內容包括：



　　①詳細記錄從故障的發生、分析判斷到排除全過程中出現的各種問題，采取的各種措施，涉 及到的相關電路圖、相關參數和相關軟件，其間錯誤分析和排故方法也應記錄并記錄其無效的原因。除填入維修檔案外，內容較多者還要另文詳細書寫。



　　②有條件的維修人員應該從較典型的故障排除實踐中找出常有普遍意義的內容作為研究課題 進行理論性探討，寫出論文，從而達到提高的目的。特別是在有些故障的排除中并未經由認真系統地分析判斷而是帶有一定地偶然性排除了故障，這種情況下的事后總結研究就更加必要。



　　③總結故障排除過程中所需要的各類圖樣、文字資料，若有不足應事后想辦法補濟，而且在 隨后的日子里研讀，以備將來之需。



　　④從排故過程中發現自己欠缺的知識，制定學習計劃，力爭盡快補課。



　　⑤找出工具、儀表、備件之不足，條件允許時補齊。



　　總結提高工作的好處是：



　　①迅速提高維修者的理論水平和維修能力。



　　②提高重復性故障的維修速度。



　　③利于分析設備的故障率及可維修性，改進操作規程，提高機床壽命和利用率。



　　④可改進機床電氣原設計之不足。



　　⑤資源共享。總結資料可作為其他維修人員的參數資料、學習培訓教材。