淺談數控維修中的故障自診斷技術研究
2022-7-18 來源： 山東技師學院 作者：李銀濤
摘要：伴隨信息技術的高速發展，數控維修診斷趨于智能化、自動化，特別是近年來故障自診斷技術，成為人們關注的焦點，其作為數控核心性能評判指標之一。微處理技術發展更對數控自診斷能力提升奠定了基礎，由原有簡易化單一診斷逐步趨于自動化方向，僅一個報警器類型就增加至千種。數控系統一旦出現故障，可通過應用系統自診斷功能，精準、及時明確故障類型以及因素。所以，維修人員掌握自診斷功能十分關鍵。本文依托實際方案，分別介紹了自診斷在維修中的實際應用，力爭為數控快速維修奠定基礎。
關鍵詞：開機自診斷；運行自診斷；脫機自診斷
自診斷技術作為數控系統核心技術，其為系統性能系統性評估提供助力。利用自診斷功能，可將系統與主機間接口信號狀況進行展示，從而判定故障發生的具體部位，是當前維修行之有效的方式之一。數控機床結合多個模塊于一身，不僅包含機械、電氣，而且涉及液、氣，結構復雜且自動化程度較高，在我國制造業發展中扮演重要角色。由于數控機床自身的復雜性及多樣性，使其各系統以及檢測裝置受到影響，引起同一種故障成因呈現多元化，對設備利用率造成影響，因此，需積極應用故障自診斷技術，確保數控維修中準確識別故障點，以此確保機床穩定運行。
1、數控機床故障規律及診斷步驟
1.1 數控機床故障規律
數控機床與普通設備相比，其發生故障與使用時間密切相關，可利用浴盆曲線表示。整個使用生命周期中，根據調查數據表明，數控機床發生故障的頻次，將其可歸納為三個階段，即早期故障、偶然性故障以及損耗故障。首先，針對數控機床而言，出現故障概率較高，是該階段最凸顯特征之一，且隨著數控機床使用磨合，其故障率逐漸趨于下降；其次，偶發故障期。數控機床粒徑各類調整、磨合后，逐漸進入正常穩定運行階段，該階段中數控機床發生故障概率較低，且具有一定的穩定性，可將其視為常數，偶然性故障形成核心因素是各類突發性因素；最后，損耗故障期。在數控機床使用末尾階段常見，隨著機床使用時間不斷推移，其故障發生概率呈上升態勢。該階段數控機床出現故障，主要成因是由于機床持續性工作，零部件間磨損較為嚴重，加之部分操作人員未規范性操作機床，未給予系統性養護，使其快速進入疲勞期，不同程度縮短機床使用時間，最終造成故障頻發。
1.2 數控機床故障診斷一般步驟
數控機床不管處于哪個故障階段，其故障診斷一般步驟均相同，當數控機床發生故障時，除危險及數控機床或人身安全緊急狀況，通常建議無須切斷電源，需盡量保持機床與原來狀態不變，并針對出現信號及現象做好全面記錄，主要包含：（1）數控機床發生故障現象，應全面記錄；（2）明確機床發生故障時，給予維修人員的相關提示信號以及顯示內容；（3）發生故障時機床處于狀態及具體位置。
數控機床一旦發生故障，需嚴格根據以下程序及要求實施：首先，全面掌握故障狀況。譬如，機床發生故障時，全部軸承均存在此種現象，還是定位于某一軸承；若最終定位于特定軸承，應明確處于全過程還是特定部位。為全方位掌握故障狀況，應對數控機床各部分進行檢查，并進行審核故障提示信號。若故障現場條件允許，建議開機試驗確認，便于快速、準確定位故障發生部位以及形成故障成因。
其次，根據現場數控機床實際狀況，鎖定故障范圍，明確故障源措施及趨勢。針對既形成的故障現象分析，通過現象看本質，從淺入深，最終確定故障發生具體部位。需特別注意的是，部分數控機床發生故障后，故障點與其他部分聯系缺乏緊密性，增加故障查找及確定難度，由于部分故障形成因素可能較多，無法通過常規方式，最終確定故障類型及部位，要求維修人員應全面查找機床相關資料。構建完善的故障形成鏈，確定鏈條上可疑的故障因素，最終從多途徑實施查找，將其
可疑因素逐一排除。
最后，遵循由表及里確定故障源。故障查找應從簡單至難，從最外部逐漸深入內部。難易程度主要包含兩方面：一方面，需考量維修技術的復雜程度；另一方面，需考量故障確定過程中，對數控機床裝卸裝配方面難易程度。
2、數控機床自診斷方法
2.1 開機自診斷
將數控機床接入電源，確保其處于通電狀態，系統內部啟動自診斷軟件核心模塊診斷，如硬件控制等，最終將檢測數據信息反饋于相關顯示屏上，為人們操作數控機床提供便捷。若檢測系統中部分信息未通過，可通過顯示屏將其故障信息及部位顯示，待開機全部項目通過診斷達標后，方可進入正常階段，通常軟件開機自診斷時間持續在 1 分鐘。但需特別注意的是，部分由硬盤驅動的數控系統，其可能自診斷耗損時間較長。上述開機診斷，常見故障部位是電路板或芯片上，通常可將故障發生范圍確定，維修人員通過維修手冊，提出可能出現故障的若干個因素，并將其因素逐一排除，最終確定故障因素及發生部位。
譬如，日本東芝機械公司TOSNUC-600 系統，將其接入電源后，逐次實施自診斷檢測，并將其檢測結果反饋于顯示屏上。顯示屏上持續性停留于某一行上，無法進入下一環節，表示該項自診斷無法通過。診斷內容主要包含多個方面：（1）顯示主 CPU 軟件版本；（2）CRT 及鍵盤檢查，診斷 ZDC2 電路板是否正常；（3）磁泡存儲器檢查，診斷 ZBM1 電路板是否正常；（4）參數過載。針對數控系統進行維修時，維修人員應掌握該系統自診斷能力，確保遇見故障報警時，需將數控機床進行關機重啟，系統再次實施自診斷技術，檢查其核心部分是否處于正常。
譬如，日本數控火焰切割機，采用 FANUC-6M 系統。故障現象：每次通電進行自診斷時，CRT 顯示“SYSTEM ERRER901”, 主板上發光管處于異常，系統難以正常運作。分析診斷：維修手冊中，900-908 號報警磁泡驅動器故障，其中 901 號報警主要承擔開啟電源之后，沒有立即檢測磁泡初始點。針對磁泡驅動類故障可將其存儲器進行初始化，無須將其驅動電路板進行調換。根據上述實際維修案例，開機自診斷是數控機床核心部分重要保障措施，一旦檢測重要部位出現故障，系統立即切斷電源停止工作。
2.2 運行自診斷
運行自診斷主要指，數控機床處于正常狀態時，其內部診斷程序對自身多個模塊進行自行檢測，檢測其是否處于正常狀態，如 PLC 等，若一旦內部模塊發生故障，將其相關故障信息顯示。此種診斷核心特征是，未將系統與電源切斷，此種診斷持續性實施。現代數控系統，具有良好的運行自診斷，不僅可將故障信息顯示于 CRT 上，而且可以診斷地址或數據為用戶提供各類機床信息。此類狀態信息涵蓋內容較多，如 CNC 系統與機床間接口信號狀態、CNC 與 PLC 間信號狀態等。
20 世紀 80 年代以來，我國積極將 PLC 應用于數控系統中，并增設相應的裝置，將內部模塊發生故障以梯形圖直觀顯示，切實為維修人員準確、快速維修提供便捷。如日本東芝公司制造的 MPA-45120 型數控龍門銑床，主要由于數控系統和直流主軸調速單元構成。故障現象：機床實際工作過程中，突發性停止工作，并在 CRT 顯示 PC4-00 號報警。將系統關機后，且持續片刻后，將系統重新正常啟動，但系統運作不久后便又出現相同問題。分析診斷：PC4-00 號報警為主軸單元故障。一旦主軸調速單元發生故障后，其及時將故障信號傳輸至 PLC，最終顯示于顯示屏上。在 PLC 至 NC 信號中，輸出端傳輸主軸故障信號，可依托梯形圖直觀展示，便于維修人員及時掌握故障信號形成原因。從故障現象狀態分析，主要由于主軸單元輸送的電機過熱信號觸電閉合，最終形成報警信號。主電機過熱原因通常是銑頭切削深度過大，導致其電機工作電流超過最大限值，但檢查其均處于正常狀態，手部觸摸電機外殼，其溫度升高處于異常，檢查風冷電機和風道，發現風道內積滿塵埃。故障排除：將風道蓋打開，清除其內部塵土后排除故障。
2.3 脫機診斷
部分早期數控系統發生故障時，需立即停機，利用專項故障檢測儀器，對系統實施脫機診斷。診斷過程中，需將其相關程序輸入數控系統中，通過計算機運行診斷程序，測試診斷部位，最終確定是否存在故障。譬如，德國制造數控火焰切割機，采用 MG12SE10 型數控系統。故障現象：調換該系統 RAM 板上四節鋰電池，對其更換時需進行切斷電源，造成其系統中程序丟失。當使用系統進行重新輸入時，出現異常現象，機器無法正常工作。分析診斷：逐步根據故障基本現象判定，可能包含多個故障因素，需對其進行逐一排查，最終確定故障成因，如 CPU 故障、閱讀機質量較低。利用脫機方式，對閱讀機進行測試，最終測試結果為第 2 數據沒有可靠性。故障排除：用雙線示波器的全孔紙帶，將閱讀機數據波形進行調整，將第二孔波形寬度進行調整，確保其與其他位置寬度相同。完成調整之后，系統故障解決，紙帶順利進入機器中。
3、結語
數控系統故障診斷現象較多，其表現形式不一，對數控系統故障分析判斷時，需關注數控系統和機床自身特點。對于維修人員而言，熟悉和運用系統自診斷功能十分關鍵，數控系統發生故障時，可通過系統自診斷故障，及時、準確地為維修人員提供數據，降低故障診斷難度。
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