數(shù)控設(shè)備在維修過程中次生故障問題的研究
2018-6-22 來源：南通職業(yè)大學(xué) 作者：季照平
摘要： 分析了數(shù)控設(shè)備維修中次生故障產(chǎn)生的主要原因和種類， 給出了數(shù)控設(shè)備次生故障的概念，提出了一些常用的預(yù)防數(shù)控設(shè)備發(fā)生次生故障的方法。
關(guān)鍵詞： 數(shù)控設(shè)備； 維修； 次生故障
0、 引言
隨著數(shù)控設(shè)備使用年限的增加、數(shù)控系統(tǒng)的老化、早期應(yīng)用的數(shù)控系統(tǒng)停產(chǎn)等因素，使得數(shù)控設(shè)備的保養(yǎng)和維修變得日益困難。 數(shù)控設(shè)備涉及多個領(lǐng)域的知識，如機械、液壓、電氣、計算機、氣動、光學(xué)、計算機控制等，與狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷、數(shù)字測試等技術(shù)密切相關(guān)，與普通機加工設(shè)備相比較，數(shù)控設(shè)備的維修、維護方法有很大的區(qū)別。 加之使用數(shù)控設(shè)備用戶的層次也不盡相同，因此，企業(yè)對數(shù)控設(shè)備維護、維修的認知程度也不一樣，同樣加劇了數(shù)控設(shè)備維修、維護的難度。
現(xiàn)在能夠熟練掌握數(shù)控設(shè)備軟、硬件維修的專業(yè)人才比較缺乏，大部分維修人員對數(shù)控維修方面專業(yè)知識掌握不夠。 因此，在進行數(shù)控機床維修時，常會使用一些不合理的方法進行機床軟硬件設(shè)置、操作，可能會造成數(shù)控設(shè)備各通信模塊之間的不匹配，嚴重的會導(dǎo)致驅(qū)動板短路、擊穿，對數(shù)控設(shè)備造成次生故障。
1、數(shù)控設(shè)備次生故障的種類
數(shù)控設(shè)備由數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)3 部 分組成 ，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ，因此 ，維修時造成機床次生故障的種類也比較多。從設(shè)備的這三大結(jié)構(gòu)看，次生故障可以分為三類： 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)故障；PCB板接線、PCB 板元器件、旋鈕參數(shù)設(shè)置故障；機械部件及其他形式的故障。
數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)故障是指系統(tǒng)的初始參數(shù)遭到人為改動，致使設(shè)備無法正常運行。Fanuc 0I-Mc 為例，需設(shè)定的參數(shù)近千個，主要有基本參數(shù)、伺服參數(shù)、主軸參數(shù)三大類。 任意更改其中的一個參數(shù)都可能會影響設(shè)備的正常運行。 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)故障在設(shè)備維修中時常出現(xiàn)。 在設(shè)備維修時，設(shè)備系統(tǒng)參數(shù)由于調(diào)試的需要會被修改，但經(jīng)常會出現(xiàn)調(diào)試結(jié)束后沒有及時將數(shù)據(jù)復(fù)原。 如果本次設(shè)備維修沒有成功，那會導(dǎo)致后續(xù)維修相當麻煩。但是對于這類的次生故障修復(fù)比較簡單，查明原因后，可以用廠家提供的數(shù)據(jù)盤對系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行恢復(fù)即可。
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)由各個相對獨立的功能單元組合而成，每個單元上都有很多參數(shù)旋鈕、開關(guān)、數(shù)據(jù)插線等。 比如在伺服驅(qū)動單元中用參數(shù)旋鈕來調(diào)節(jié)系統(tǒng)零點漂移和閉環(huán)增益。 在系統(tǒng)已經(jīng)調(diào)試完畢的情況下， 任意調(diào)節(jié)其中的參數(shù)旋鈕都會對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行帶來危害。 通常情況下，該類故障不易發(fā)現(xiàn)，因此往往會加劇設(shè)備維修的難度。
PCB 板元器件故障是指 PCB 板的電子元器件在維修更換時人為導(dǎo)致電子元件損壞、導(dǎo)電銅模擊穿斷裂的現(xiàn)象。 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的各功能單元都是由大規(guī)模集成電路組成，造成電子元件故障的原因很多，如過流、過熱損壞，高壓擊穿等。 數(shù)控系統(tǒng)所采用的一些電子元件、芯片都是十分精密的，特征參數(shù)要求較高。甚至有些廠商為了滿足設(shè)計需求，相關(guān)芯片都是定制生產(chǎn)的，這勢必會導(dǎo)致設(shè)備維修難度的增加。集成電路板維修時， 維修人員必須要注意對高壓靜電的釋放，各種合成化纖材料如地毯、人造地板、橡膠鞋底由于摩擦的作用可能會在人體上產(chǎn)生瞬間的高壓靜電， 導(dǎo)致 CMOS 元件的損壞、 存儲器 CMOSRAM 的損壞或者數(shù)據(jù)遺失，嚴重的會導(dǎo)致 PCB 板線路擊穿。 此外，由于數(shù)控系統(tǒng)的復(fù)雜性，很多 PCB 板往往都做成 4 層、5 層甚至更多層數(shù)， 有時為了排除該 PCB 板是否有問題， 通過置換法頻繁的拆裝、插拔該電路板。 由于力的作用， 在置換電路板時導(dǎo)致PCB 板彎曲使得板內(nèi)導(dǎo)線斷裂。 這種故障的維修需要專業(yè)的調(diào)試監(jiān)測設(shè)備，維修難度相當大。
機械部件的次生故障如機械部件安裝位置不準確、機械部件安裝錯位、部件緊固的螺栓受力不均等， 也會影響設(shè)備的加工精度， 影響設(shè)備的正常運行。 這些也是在維修過程中需要注意的。
2、 次生故障的嚴重性
維修時有些次生故障造成非常嚴重的后果，導(dǎo)致故障修復(fù)周期延長，難度加大，給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失。
某企業(yè)早期引進的配套 YASKAWA 系統(tǒng)的五軸加工中心，該加工中心可進行多種工藝加工、功能相當強大，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 該數(shù)控系統(tǒng)是由YASKAWA公司自行研發(fā)的，工業(yè)控制機為核心單元的系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，由于該類控制系統(tǒng)已下線，不再生產(chǎn)。當該系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，YASKAWA 售后部門也找不到好的解決方法。
以該系統(tǒng)無法正常啟動為例，說明次生故障的嚴重性。 由于系統(tǒng)老舊，經(jīng)常有些零星的故障發(fā)生，所以在修復(fù)該故障之前，企業(yè)維修部門已經(jīng)安排相關(guān)的維修人員進行了數(shù)次維修，但是故障未能排除。后邀請數(shù)控維修專家協(xié)助故障排除。 經(jīng)檢測后發(fā)現(xiàn)24 V 電源指示燈正常，但電源輸出為 12 V，經(jīng)更換電源 PCB 后，電源輸出正常，嘗試開機，但系統(tǒng)依然未能正常啟動。 查閱系統(tǒng)工控機結(jié)構(gòu)資料時，發(fā)現(xiàn)資料不完整，從系統(tǒng)原理這個方面入手排查故障也難以實現(xiàn)。 但該五軸加工中心是企業(yè)產(chǎn)品關(guān)鍵部件的加工設(shè)備，由于設(shè)備故障，對企業(yè)的正常生產(chǎn)產(chǎn)生極大的影響。 為盡快修復(fù)機床，對機床系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)進行詳細檢查。 在檢查到系統(tǒng)中斷系統(tǒng)時，根據(jù)工控機的工作原理和數(shù)控系統(tǒng)開機時的一些現(xiàn)象，大致可以判斷出中斷系統(tǒng)的這 2 個輸出端被人為短接了。 經(jīng)和廠家相關(guān)人員聯(lián)系，對該人為短接作了確認，并恢復(fù)正確的接線方式。 重新開機，數(shù)控系統(tǒng)可以正常啟動，故障解決。
同樣， 某配套 Siemens 802D 系統(tǒng)的數(shù)控車床，在加工完檢測工件時，發(fā)現(xiàn)尺寸偏差較大，無法通過磨耗修調(diào)來實現(xiàn)加工精度。由于機床在運行過程中，無任何報警現(xiàn)象，因此可以判定數(shù)控系統(tǒng)，伺服驅(qū)動系統(tǒng)沒有問題。 造成尺寸偏差較大的原因是控制系統(tǒng)參數(shù)與傳動系統(tǒng)參數(shù)不匹配造成的。 要保證參數(shù)匹配，必須統(tǒng)一設(shè)定以下參數(shù)：指令倍乘系數(shù)，檢測倍乘系數(shù)，電子齒輪比，絲桿螺距，編碼器脈沖數(shù)等。這樣才能保證加工的實際尺寸與理論尺寸一致 （合理的誤差，可通過磨耗修調(diào)）。 在檢查 Siemens 802D 數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)，發(fā)現(xiàn) 2 個驅(qū)動軸的編碼器脈沖數(shù)和系統(tǒng)設(shè)定的值不一致。 經(jīng)查看 X/Z 軸的伺服電機型號相同，但所配置的編碼器脈沖數(shù)不一樣，系統(tǒng)設(shè)定時把2 個脈沖值設(shè)置錯位了。 后與企業(yè)維修部門溝通得知，在機床保養(yǎng)時，把電機拆下進行了清洗積碳，在安裝時沒有注意到兩電機所配置的編碼器不一樣，把 X/Z 軸電機安裝錯位了， 導(dǎo)致了加工尺寸偏差較大的故障。經(jīng)重新安裝電機后，零件加工精度恢復(fù)正常。
3 、次生故障的預(yù)防
由于數(shù)控設(shè)備涉及多個學(xué)科領(lǐng)域，內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。 如果一個維修人員僅僅懂得機械結(jié)構(gòu)的維修、或僅從事過電氣方面的維修，是遠遠不夠的。 要求維修人員熟練掌握各學(xué)科領(lǐng)域知識，也是不現(xiàn)實的。因此就難免會在維修過程中，造成次生故障問題。
預(yù)防數(shù)控設(shè)備維修過程中發(fā)生次生故障問題，顯得尤為迫切和重要。根據(jù)數(shù)控設(shè)備的結(jié)構(gòu)，把設(shè)備維修分為設(shè)備外圍設(shè)備維修、設(shè)備本體機械部分維修、數(shù)控系統(tǒng)軟件部分維修和數(shù)控系統(tǒng)硬件部分維修。根據(jù)維修大類，明確維修人員責任范圍。如維修大類發(fā)生交叉時，維修人員必須相互協(xié)商共同制定維修方案后實施。此外，企業(yè)維保人員及時做好設(shè)備的定期維護保養(yǎng)，也是有效預(yù)防機床故障的方法。
維修過程中，維修人員必須嚴格遵守維修制度，這也有助于減少次生故障問題發(fā)生概率。 如維修時選擇合適的維修工具，工作服等，避免由于工作服靜電和選用工具不當造成的元器件損壞； 維修時做好詳盡的維修記錄，記錄好維修前的各開關(guān)參數(shù)狀態(tài)、通信電纜接插件位置等，如果維修未成功，及時恢復(fù)到維修前狀態(tài)；維修前要做好充分的技術(shù)準備，充分了解需維修模塊的工作原理；維修中參數(shù)修改、接線要規(guī)范；維修后編制維修說明，維修資料專人妥善保管。
4、 結(jié)語
通過對數(shù)控設(shè)備維修中所產(chǎn)生次生故障的種類及嚴重性的分析，表明生產(chǎn)企業(yè)制定合適的數(shù)控設(shè)備維修保養(yǎng)管理辦法，對預(yù)防數(shù)控設(shè)備維修中發(fā)生次生故障問題具有積極意義，同時亦可為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。
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