数控设备在维修过程中次生故障问题的研究
2018-6-22 来源：南通职业大学 作者：季照平
摘要： 分析了数控设备维修中次生故障产生的主要原因和种类， 给出了数控设备次生故障的概念，提出了一些常用的预防数控设备发生次生故障的方法。
关键词： 数控设备； 维修； 次生故障
0、 引言
随着数控设备使用年限的增加、数控系统的老化、早期应用的数控系统停产等因素，使得数控设备的保养和维修变得日益困难。 数控设备涉及多个领域的知识，如机械、液压、电气、计算机、气动、光学、计算机控制等，与状态监测、故障诊断、数字测试等技术密切相关，与普通机加工设备相比较，数控设备的维修、维护方法有很大的区别。 加之使用数控设备用户的层次也不尽相同，因此，企业对数控设备维护、维修的认知程度也不一样，同样加剧了数控设备维修、维护的难度。
现在能够熟练掌握数控设备软、硬件维修的专业人才比较缺乏，大部分维修人员对数控维修方面专业知识掌握不够。 因此，在进行数控机床维修时，常会使用一些不合理的方法进行机床软硬件设置、操作，可能会造成数控设备各通信模块之间的不匹配，严重的会导致驱动板短路、击穿，对数控设备造成次生故障。
1、数控设备次生故障的种类
数控设备由数控系统、电气控制系统、机械结构3 部 分组成 ，结构比较复杂 ，因此 ，维修时造成机床次生故障的种类也比较多。从设备的这三大结构看，次生故障可以分为三类： 数控系统参数故障；PCB板接线、PCB 板元器件、旋钮参数设置故障；机械部件及其他形式的故障。
数控系统参数故障是指系统的初始参数遭到人为改动，致使设备无法正常运行。Fanuc 0I-Mc 为例，需设定的参数近千个，主要有基本参数、伺服参数、主轴参数三大类。 任意更改其中的一个参数都可能会影响设备的正常运行。 数控系统参数故障在设备维修中时常出现。 在设备维修时，设备系统参数由于调试的需要会被修改，但经常会出现调试结束后没有及时将数据复原。 如果本次设备维修没有成功，那会导致后续维修相当麻烦。但是对于这类的次生故障修复比较简单，查明原因后，可以用厂家提供的数据盘对系统数据进行恢复即可。
现代数控系统由各个相对独立的功能单元组合而成，每个单元上都有很多参数旋钮、开关、数据插线等。 比如在伺服驱动单元中用参数旋钮来调节系统零点漂移和闭环增益。 在系统已经调试完毕的情况下， 任意调节其中的参数旋钮都会对系统的稳定运行带来危害。 通常情况下，该类故障不易发现，因此往往会加剧设备维修的难度。
PCB 板元器件故障是指 PCB 板的电子元器件在维修更换时人为导致电子元件损坏、导电铜模击穿断裂的现象。 现代数控系统的各功能单元都是由大规模集成电路组成，造成电子元件故障的原因很多，如过流、过热损坏，高压击穿等。 数控系统所采用的一些电子元件、芯片都是十分精密的，特征参数要求较高。甚至有些厂商为了满足设计需求，相关芯片都是定制生产的，这势必会导致设备维修难度的增加。集成电路板维修时， 维修人员必须要注意对高压静电的释放，各种合成化纤材料如地毯、人造地板、橡胶鞋底由于摩擦的作用可能会在人体上产生瞬间的高压静电， 导致 CMOS 元件的损坏、 存储器 CMOSRAM 的损坏或者数据遗失，严重的会导致 PCB 板线路击穿。 此外，由于数控系统的复杂性，很多 PCB 板往往都做成 4 层、5 层甚至更多层数， 有时为了排除该 PCB 板是否有问题， 通过置换法频繁的拆装、插拔该电路板。 由于力的作用， 在置换电路板时导致PCB 板弯曲使得板内导线断裂。 这种故障的维修需要专业的调试监测设备，维修难度相当大。
机械部件的次生故障如机械部件安装位置不准确、机械部件安装错位、部件紧固的螺栓受力不均等， 也会影响设备的加工精度， 影响设备的正常运行。 这些也是在维修过程中需要注意的。
2、 次生故障的严重性
维修时有些次生故障造成非常严重的后果，导致故障修复周期延长，难度加大，给企业造成巨大的经济损失。
某企业早期引进的配套 YASKAWA 系统的五轴加工中心，该加工中心可进行多种工艺加工、功能相当强大，系统结构复杂。 该数控系统是由YASKAWA公司自行研发的，工业控制机为核心单元的系统，系统结构相当复杂，由于该类控制系统已下线，不再生产。当该系统出现故障时，YASKAWA 售后部门也找不到好的解决方法。
以该系统无法正常启动为例，说明次生故障的严重性。 由于系统老旧，经常有些零星的故障发生，所以在修复该故障之前，企业维修部门已经安排相关的维修人员进行了数次维修，但是故障未能排除。后邀请数控维修专家协助故障排除。 经检测后发现24 V 电源指示灯正常，但电源输出为 12 V，经更换电源 PCB 后，电源输出正常，尝试开机，但系统依然未能正常启动。 查阅系统工控机结构资料时，发现资料不完整，从系统原理这个方面入手排查故障也难以实现。 但该五轴加工中心是企业产品关键部件的加工设备，由于设备故障，对企业的正常生产产生极大的影响。 为尽快修复机床，对机床系统的硬件结构进行详细检查。 在检查到系统中断系统时，根据工控机的工作原理和数控系统开机时的一些现象，大致可以判断出中断系统的这 2 个输出端被人为短接了。 经和厂家相关人员联系，对该人为短接作了确认，并恢复正确的接线方式。 重新开机，数控系统可以正常启动，故障解决。
同样， 某配套 Siemens 802D 系统的数控车床，在加工完检测工件时，发现尺寸偏差较大，无法通过磨耗修调来实现加工精度。由于机床在运行过程中，无任何报警现象，因此可以判定数控系统，伺服驱动系统没有问题。 造成尺寸偏差较大的原因是控制系统参数与传动系统参数不匹配造成的。 要保证参数匹配，必须统一设定以下参数：指令倍乘系数，检测倍乘系数，电子齿轮比，丝杆螺距，编码器脉冲数等。这样才能保证加工的实际尺寸与理论尺寸一致 （合理的误差，可通过磨耗修调）。 在检查 Siemens 802D 数控系统参数，发现 2 个驱动轴的编码器脉冲数和系统设定的值不一致。 经查看 X/Z 轴的伺服电机型号相同，但所配置的编码器脉冲数不一样，系统设定时把2 个脉冲值设置错位了。 后与企业维修部门沟通得知，在机床保养时，把电机拆下进行了清洗积碳，在安装时没有注意到两电机所配置的编码器不一样，把 X/Z 轴电机安装错位了， 导致了加工尺寸偏差较大的故障。经重新安装电机后，零件加工精度恢复正常。
3 、次生故障的预防
由于数控设备涉及多个学科领域，内部组成结构非常复杂。 如果一个维修人员仅仅懂得机械结构的维修、或仅从事过电气方面的维修，是远远不够的。 要求维修人员熟练掌握各学科领域知识，也是不现实的。因此就难免会在维修过程中，造成次生故障问题。
预防数控设备维修过程中发生次生故障问题，显得尤为迫切和重要。根据数控设备的结构，把设备维修分为设备外围设备维修、设备本体机械部分维修、数控系统软件部分维修和数控系统硬件部分维修。根据维修大类，明确维修人员责任范围。如维修大类发生交叉时，维修人员必须相互协商共同制定维修方案后实施。此外，企业维保人员及时做好设备的定期维护保养，也是有效预防机床故障的方法。
维修过程中，维修人员必须严格遵守维修制度，这也有助于减少次生故障问题发生概率。 如维修时选择合适的维修工具，工作服等，避免由于工作服静电和选用工具不当造成的元器件损坏； 维修时做好详尽的维修记录，记录好维修前的各开关参数状态、通信电缆接插件位置等，如果维修未成功，及时恢复到维修前状态；维修前要做好充分的技术准备，充分了解需维修模块的工作原理；维修中参数修改、接线要规范；维修后编制维修说明，维修资料专人妥善保管。
4、 结语
通过对数控设备维修中所产生次生故障的种类及严重性的分析，表明生产企业制定合适的数控设备维修保养管理办法，对预防数控设备维修中发生次生故障问题具有积极意义，同时亦可为企业带来良好的经济效益。
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