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数控车床坐标轴故障维修实例
摘 要:数控车床的坐标轴故障，是数控车床中常见和最主要的故障。本文所叙述的肖伯林（SCHAUBLIN）数控车床坐标轴故障的维修实例，较详细地介绍了故障产生的原因，现象以及维修、调试过程。它从一个侧面反映了该类机床坐标轴常见故障的一般规律和具体的维修试验方法，具有一定的代表意义。
关键词：数控车床；坐标轴；故障
        瑞士SCHAUBLIN数控车床的主要控制单元采用日本FANUC公司的OTC-CNC系统、交流主轴驱动和交流伺服单元以及PLC可编程控制器，主要电气元件均为德国和欧洲国家的产品。
  我们在该类机床的维修工作中曾碰到了几例由于坐标位置传感器损坏（或性能不良），或坐标基准改变而引起的故障。现将故障排除过程介绍如下。
１  由于坐标位置传感器损坏（性能劣化）而引发的机床故障
    故障现象：开动机床走参考点时，出现510#报警（该报警号为FANUC系统报警，提示内容为+X方向超程）。
  经现场检查，当机床开机走参考点时，经常发生刀架向+X方向运动，尚未到达极限位置时（CRT显示尚有12mm左右距离）系统就出现510#报警，向-X方向运动时，则未出现过此类报警。
  根据经验分析，出现这类报警，一般均与该坐标的位置传感器有关。而故障的报警提示为+X方向超程，因此应把检查的重点放在+X方向和X参考点两个位置传感器的工作状态上。
  有关X坐标各位置传感器代码详见表1。
表1  X坐标各位置传感器代码一览表
 传感器名称
 缩写
传感器编号
 PLC中的I/O代码
 对应的接线端子
 +X极限
+X 
S B  148
X 3073.7 
X 95.4 
 -X极限
 -X
S B 145
 X 3073.6
 X 95.3
 X参考点
 Refx
 S B 150
 X 3073.1
 X 95.5
    首先我们可打开机床后部的电气控制箱，找到输入/输出接口组件（机床图册中编号为A132的部件），然后由一人运行机床，另一人观察该组件的显示。可观察到当向+X方向运行时，X3073.7为常亮，到达+X极限位置时，闪烁一下后又常亮；而向-X方向运行机床时，X3073.6的情况与X3073.7相类似；而X参考点传感器SB150（X3073.1）在向X两个方向运动机床时始终不亮，且偶然出现过无规则闪烁。据此可初步判断出SB150工作可能异常。
  为了进一步确定故障，我们将位于机床正面工作仓中溜板滑枕上的下端盖板打开，可看到接线端子X95（由于X轴的三个传感器均安装在其端部的另一仓盒内，不便直接观察，故由接线端子X95测量其工作电压较为方便）。
  X95的接线情况如图1所示。
  首先用万用表测其1、2两点，得知传感器工作电压为DC24V正常。而后在机床运动状态下分别测量X95.3和X95.4及X95.5三点相对于X95.2的电压。结果发现仍如前所述，即X95.3和X95.4平时输出均为高电平，当运行至+X极限位置时，X95.4变为低电平后又回复到高电平；而运行至-X极限位置时，X95.3输出一低电平后又回复到高电平。但测量X95.5时则一直为低电平（偶然也无规律性的出现过高电平）。
    由此可进一步判定传感器SB150工作异常。最后由滑枕端部的另一仓盒中拆下X参考点传感器SB150（注意不要分离其在X95上的三根连线），并使机床处于上电状态，此时传感器工作电压24VDC已加上，并且使SB150端部远离金属物体，可观察SB150根部的LED指示一直不发光，同时测得X95.5输出为低电平。然后用一金属物体靠近其端部感应区，观察到LED仍不亮，测得X95.5仍为低电平（正常时LED应点亮且X95.5输出为+24V）。由此可以确认，X参考点传感器SB150已损坏，需更换该传感器系德国产接近开关，形式为PNP型常开触点结构，工作电压为24VDC的三线式。图2给出了该接近开关的外形及接线图。
   需要说明的是，该机床在坐标位置传感器的安置上有独特之处，它是在钢质滑枕上设定的坐标位置处挖有一长圆形空穴，并填有非金属物质。这样，当各位置传感器一经上电，由于其端部一直靠近钢质滑枕，故一直输出高电平（对应LED点亮）。只有当非金属质空穴运行至某一接近开关处时传感器才输出低电平（对应LED熄灭），并且由于该空穴形状较小，故传感器实际输出为一负脉冲。这是该机床坐标位置信号产生的一个特点，应予以重视。更换了故障传感器SB150后，机床工作恢复正常。
２  由于人为错误的调整了坐标基准而导致机床不能正常工作
    故障现象：仍同上例，启动机床走参考点时，CRT显示510#报警。
   由于有上例出现510#报警的经验，所以在处理这一故障时，就很自然地考虑到上例故障，把检查的重点放在了与X坐标有关的三个位置传感器上。通过最简单的方法，即在手动运行机床的状态下由电箱中的I/O接口组件显示来直接观察三个位置传感器的工作状态。观察中发现，当机床向-X方向运行至极限位置时，X3073.1（Refx）闪烁一下又常亮（表明SB150到位并又负脉冲输出且能证明其工作正常），继续沿该方向向前运行一小段距离后，X3073.6（-X）闪烁一下又常亮（表明SB145到位并有负脉冲输出且能证明其工作正常）。此时机床将自动停机并显示1012#报警（提示内容为可能碰撞）。
  重新启动机床并向反方向（+X方向）运行，直至超过极限位置而出现510#报警（+X超程）且停机时，X3073.7（+X）均一直常亮并未闪烁过。为了进一步确认这两只传感器（SB150和SB148）工作状态的好坏（实际上，前面的一个检测步骤已可证明SB150的工作是正常的）。可将这两只传感器由工作位置上拆下来，并用第一例中所介绍的靠近金属物体的方法，证明两只传感器的工作都是正常的。这样一来，情况就有些特殊，即虽然出现了510#报警，但有关传感器的工作却都是正常的。
  这样的现象，粗看似乎很费解，但只要仔细分析前面提到的前、后两个测试过程就不能发现，在后面一个测试中，该传感器（SB148）虽一直常亮未闪烁，而机床则出现了510#报警，并且已知道这只传感器工作是正常的。那么就只存在着一种可能可以解释这种现象：那就是表面上虽然超过了极限位置而且出现了超程报警，但实际上是这只传感器并未到达极限位置，而出现这种情况看来只有一种可能，即机床硬件所限定的极限位置与机床软件所设定的极限位置间产生了误差从而导致出现510#报警（如果为-X方向超程将出现511#报警）。
  上述的设想与分析，我们可以用图3所描述的示意图来予以说明。由图3的描述可以看出，这种故障实际上是机床硬件所限定的X行程（由SB145、SB148和SB150所决定）与机床软件所设定的X行程（+X的位置由参数700决定；-X的位置由参数704决定）间偏移了一个误差带而产生的。因此解决的方法可以有二种，即软件的方法和硬件的方法；软件的方法是修改机床的软件参数（参数700和704），将软件所设定的X行程区间向+X方向移动一个误差带，使之与机床硬件所限定的X行程区间相对应；硬件的方法是将机床硬件所限定的X行程区间向-X方向移动一个误差带，使之与机床软件所设定的X行程区间相对应。这两种方法的前提都是保证机床原有的X行程不变。
    比较两种方法，软件方法简单易行，实施方便；而硬件方法实施较为麻烦。但由于是在维修场合，我们必须考虑机床原有的工作状态，即引起机床故障的根本原因。经仔细向操作者了解方得知在一次运行机床至+X极限超程位置并死机后，操作者曾自己用手工得方法将X坐标的滚珠丝杠向-X方向调整了一段距离使之退出超程位置。
  这样一来问题就十分清楚了，故障是由人为的错误调整而造成的。在这种情况下，如采用软件的方法来改变机床参数虽简单易行，但却容易造成机床参数的混乱且带来不必要的麻烦；而采用硬件的方法虽然调整过程显得烦琐，但却可使机床真正恢复到故障前的正确状态。因此我们考虑采用硬件方法即调整X坐标丝杠使之恢复到原有的位置。
 具体操作过程如下：
 1）按照机床机械维修手册中的介绍，拆下X坐标滑枕最下方的端盖。
 2）用一内六角扳手插入其端部外露的丝杠端面的内六角孔中，旋转丝杠可使台面上下移动。
 3）打开机床开关，并按下E—stop键。并由一人仔细观察电箱中的I/O组件显示。
 4）旋转丝杠，使台面（滑枕）向上（即+X方向）移动一段距离（每次调整量以10mm以内 为宜）。
 5）释放E—stop键，并用手动方式使机床向+X方向运行并走至极限位置且出现510#报警。此时应特别留意观察I/O接口组件（部件号A132）中X3073.7是否闪烁过一下（原为常亮）。
 6）如出现510#报警而X3073.7常亮而不闪烁时，应使机床向-X方向退回，并再次旋转丝杠使台面向+X方向移动一段后再重复上述操作并注意观察。
 7）反复调整丝杠使台面移动，使机床在运行状态下达到：
 在+X方向上：X3073.1和X3073.7均常亮而不闪烁。
 在-X方向上：X3073.1闪烁一下，而X3073.6常亮不闪。
  如果在+X方向上出现：走至+X极限位置时，X30737也闪烁一下时，则为丝杠调整过头，应使台面向反方向（-X方向）调整。
   如果在-X方向上出现：X3073.1闪烁一下后X3073.6也闪烁一下时，则为丝杠调整不足，应继续向+X方向调整台面。
 至此，调整操作即告完成，重新启动并运行机床，510#报警小时，机床工作恢复正常。
３  转塔传感器损坏造成机床工作失控
  故障现象：据操作者反映，加工中突然出现转塔旋转失控现象。发生故障时，转塔可能旋转多圈而不能停止到位，且故障时有时无，没有规律。发生故障时，有时会显示444#（提示内容为第四轴伺服系统故障）或410#（提示内容为第四轴停止位置偏差大于程序设定值）报警。
  经现场检查，故障现象确如操作者反映时有时无，并且在手动状态下运行时，每点动一下，转塔往往连续运转多圈而不停，且不论正、反向均如此，而且随着时间的增加，故障的机率增加很快，到后来只是偶然能正常工作。
  根据有时显示的444#与410#报警提示，都可确定为转塔运动系统故障无疑。经在现场观察发现，转塔征程工作时的一个运动过程为：
  接收到转位信号—转塔弹起—转到预定刀位（仍在弹起状态）—转塔吸进复位（准备执行下一个转位动作）。
 而故障状态下的转塔运行过程为：
 接收到转位信号—转塔弹起—转过多个刀位且一直不吸进。
 根据上述故障现象，经初步分析，应重点检查与转塔转位动作有关的各位置传感器的工作状态。为了便于分析，我们仍将与转塔有关的各位置传感器及执行器件的情况归纳为表2列出。
表2    转塔各位置传感器及执行器件代码一览表
 元件名称
缩写 
器件编号
PLC中的I/O代码
对应的接线端子
转塔释放传感器
Unblock
S B 142
X 3073.4
X 81.4
转塔锁定传感器
lock
S B 143
X 3073.5
X 81.5
转塔参考点传感器
Ref
S B 141
X 3073.0
X 81.3
转塔电磁阀
Turr
YV 243
Y 3206.1
X 243.1
  根据故障现象分析不论有无故障发生，其转塔转位信号的接收都是正常的，且与转塔旋转方向无关。同时观察到在走参考点时，I/O接口组件中X3073.0显示正常，因此可以排除参考点传感器SB141转塔旋向动作控制（旋向控制仅在手动状态下有效）和转塔转位信号的输出故障。应把重点放在与转位动作有关的几个器件上。
  首先，仍采用前面提到的方法，即观察I/O组件中各器件的信号显示帮助确定故障部位，由于该故障时有时无，正好有可能为我们提供正常和异常两种情况下的信号状态。
  表3列出了转塔各有关器件在上述两种情况下的信号状态。
 表3    转塔各有关器件的信号状态（I/O显示）
 工作状态
 转塔弹起
 旋转（弹起状态）
 吸进复位
 正常

 X 3073.4 =1
 X 3073.5 = 0
 Y 3206.1 = 1
 X 3073.4 = 1
 X 3073.5 = 0
 Y 3206.1 = 1
 X 3073.4 = 0
 X 3073.5 = 1
 Y 3206.1 = 0
 异常

 X 3073.4 = 1
 X 3073.5 = 1
 Y 3206.1 = 1
 X 3073.4 = 1
 X 3073.5 = 1
 Y 3206.1 = 1
 X 3073.4 = 1
 X 3073.5 = 1
 Y 3206.1 = 1
    由表3可以看到，在转塔弹起（包括旋转）和吸进二个动作中，正常和异常的信号状态区别在于X3073.5（SB143）和Y3206.1（YV243）二个器件状态均处于异常情况。而YV243（电磁阀）是一个输出执行器件，它的动作受输入器件（SB143）的状态控制。所以问题的关键是进一步确认SB143（转塔锁定传感器）的工作状态是否正常。
  按照图1的提示，拆下转塔端子板X81的上盖板上的四只螺钉，卸下盖板，可见到转塔三个位置传感器SB141、SB142和SB143以及接线端子X81。
  启动机床后，首先在手动状态下点动转塔，可观察到三只位置传感器根部的LED显示，判断出其工作基本正常（只是SB143输出高电平时LED显示较亮，而输出低电平时LED显示有时较暗一点罢了）。为了最后确认，用万用表测量接线端子X81上2、5两点间电平，发现当SB143上LED显示较暗时，其5端输出仍为高电平（正常状态低电平输出时LED应不亮而不是较暗）。表明转塔锁定传感器SB143工作不稳定。当其失效时，输出不受机床动作的控制而一直输出高电平，这就迫使电磁阀YV243（位于机床左侧上部的阀门组件板上）长期通电不能释放，最终导致转塔不能吸进复位。虽然我们已由I/O组件中观察到X3073.5显示异常，但由于I/O接口组件中的显示尚包含了传感器、电缆和接线端子等环节，故还不能完全确认为SB143损坏。而由传感器自身LED显示虽能证明其工作异常，但测其动态输出则是最直观和最可靠的确认。