數(shù)控機(jī)床具有精度高、柔性好等特點(diǎn)，已成為精益制造企業(yè)的關(guān)鍵核心制造設(shè)備。由于它綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、電子、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)及精密機(jī)械等學(xué)科的綜合知識(shí)，其維護(hù)和維修已成為企業(yè)公認(rèn)的難題。與傳統(tǒng)的機(jī)械裝備相比，內(nèi)容上雖然也包括機(jī)械、電氣、液壓與氣動(dòng)方面的故障，但就其維修和診斷方面的重要性來說，則是側(cè)重于電子系統(tǒng)、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)乃至光學(xué)等裝置模塊的交節(jié)點(diǎn)上。
在精益生產(chǎn)和管理模式下探索數(shù)控機(jī)床維修維護(hù)模式，避免數(shù)控機(jī)床故障停機(jī)，減少故障的查找和修復(fù)的時(shí)間，是精益制造型企業(yè)克服“等待浪費(fèi)”的關(guān)鍵因素之一。
一、數(shù)控機(jī)床故障及其分布特征
數(shù)控機(jī)床全部或部分地喪失了機(jī)床規(guī)定的功能就稱為數(shù)控機(jī)床故障。
故障診斷技術(shù)就是在機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，掌握機(jī)床現(xiàn)行狀態(tài)的信息，查明產(chǎn)生故障部位和原因，或預(yù)知機(jī)床的異常和故障動(dòng)向，并采取必要的措施和對(duì)策的技術(shù)，防止故障的產(chǎn)生。診斷的目的就是要確定故障的原因和部位，以便機(jī)床維修人員或操作人員盡快地進(jìn)行故障的修復(fù)。
按照機(jī)床本體、附屬裝置和數(shù)控系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行分類，對(duì)多種類型加工中心的故障統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。加工中心機(jī)床本體占機(jī)床總故障的73%。
(圖1 加工中心整機(jī)故障)
對(duì)機(jī)床本體故障按其組成功能模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分類如圖2所示?？梢钥闯黾庸ぶ行牡牡稁?kù)和機(jī)械手故障次數(shù)最多，占機(jī)床本體故障總數(shù)的59%，表明機(jī)床本體故障與其功能部件的動(dòng)作頻率有關(guān)。
(圖2 加工中心本體故障分布)
圖3所示為機(jī)床附屬裝置故障分布示意圖?？梢钥闯黾庸ぶ行牡囊簤合到y(tǒng)占機(jī)床附屬裝置故障總數(shù)的41%，故障率最高，說明液壓系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床比較薄弱的環(huán)節(jié)。
(圖3 加工中心附屬裝置故障分布)
二、數(shù)控機(jī)床故障的原因
數(shù)控機(jī)床故障起因呈現(xiàn)多樣性，根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)來看，數(shù)控機(jī)床故障的起因主要有以下幾個(gè)方面:
1、機(jī)床“先天性”設(shè)計(jì)缺陷故障
這類故障主要是與機(jī)床“先天性”設(shè)計(jì)錯(cuò)誤有關(guān)。根據(jù)數(shù)控機(jī)床的組成結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)單地分為機(jī)械類缺陷、電氣系統(tǒng)缺陷和液壓氣動(dòng)系統(tǒng)缺陷等。
其中機(jī)械類缺陷如聯(lián)軸器設(shè)計(jì)不合理、床身結(jié)構(gòu)不合理、絲杠支撐結(jié)構(gòu)不合理等多個(gè)方面。如某龍門式數(shù)控銑床當(dāng)用戶開至說明書標(biāo)定的最高轉(zhuǎn)速時(shí)，機(jī)床主軸軸承損壞。在機(jī)床已過保修期的情況下，用戶不得不自己更換軸承，且只能在低速下工作。這類缺陷一方面給用戶帶來了經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也限制了機(jī)床的工藝范圍。
電氣類設(shè)計(jì)性故障常見的形式有系統(tǒng)雙電源并聯(lián)供電、繼電器容量過小，滅弧能力差、驅(qū)動(dòng)器功率太小、電路設(shè)計(jì)不合理、電路布線不合理等。雙電源并聯(lián)供電時(shí)容易造成只有一個(gè)電源工作，而另一個(gè)成為負(fù)載，最終造成電源容量小而燒毀電源模塊。選用繼電器容量過小易造成繼電器觸點(diǎn)容易被燒毀或者觸點(diǎn)開合狀態(tài)不明顯，產(chǎn)生“似斷非斷”的現(xiàn)象。選用容量較小的驅(qū)動(dòng)器雖然節(jié)省了成本，但是工作時(shí)容易燒毀驅(qū)動(dòng)器。
電路設(shè)計(jì)以及布線的不合理容易造成強(qiáng)烈的電磁干擾，或者因移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)而拉斷導(dǎo)線，影響機(jī)床的正常工作。
數(shù)控機(jī)床的液壓和氣動(dòng)系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀所需的運(yùn)動(dòng)，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的平衡，機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的制動(dòng)和離合器的控制，齒輪撥叉換檔等，機(jī)床的潤(rùn)滑和冷卻，機(jī)床防護(hù)罩和門的自動(dòng)開關(guān)，工作臺(tái)的松開與夾緊以及交換工作臺(tái)的自動(dòng)交換等動(dòng)作，夾具的自動(dòng)松開與夾緊，工件與工具的定位和交換工作臺(tái)的自動(dòng)吹屑清理定位等輔助運(yùn)動(dòng)。液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床維修和維護(hù)的主要內(nèi)容之一。液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)的缺陷常表現(xiàn)為管路設(shè)計(jì)不合理、密封不嚴(yán)等方面。
液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不合理容易造成機(jī)床的可靠性降低。特別是對(duì)于數(shù)控剪板、沖壓類機(jī)床來講，液壓、氣動(dòng)系統(tǒng)的缺陷往往是致命的，易造成機(jī)床功能無法實(shí)現(xiàn)或者精度達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等問題.這樣的機(jī)床對(duì)用戶來講無疑是廢機(jī)器1臺(tái)。
設(shè)計(jì)性缺陷對(duì)用戶來講通常是較難發(fā)現(xiàn)的，這類缺陷的出現(xiàn)往往需要較長(zhǎng)的時(shí)間周期，暴露時(shí)往往呈現(xiàn)出批量的特征。這類故障的排除往往需要建立在對(duì)機(jī)床的整體性能進(jìn)行綜合評(píng)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行，而機(jī)床是1個(gè)有機(jī)的統(tǒng)一體，任何局部細(xì)節(jié)的改變可能會(huì)影響到整機(jī)的性能，對(duì)用戶來講是非常困難的。隨著數(shù)控機(jī)床新產(chǎn)品的不斷涌現(xiàn)，其生產(chǎn)周期在不斷地縮減，這類故障也呈現(xiàn)出上升的趨勢(shì)。設(shè)計(jì)類缺陷往往與機(jī)床廠的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力、管理水平等因素有關(guān)，機(jī)床生產(chǎn)廠商應(yīng)對(duì)此類故障負(fù)主要責(zé)任。
2、用戶使用不當(dāng)造成的故障
維修的經(jīng)驗(yàn)表明，數(shù)控機(jī)床故障的很大一部分因素與用戶的不正確使用有關(guān)。此類故障的原因主要體現(xiàn)在以下2個(gè)方面:
①惡劣使用環(huán)境引起的故障
數(shù)控機(jī)床是比較精密的自動(dòng)控制設(shè)備，安裝時(shí)應(yīng)盡可能地避免灰塵大、易傳導(dǎo)振動(dòng)、濕度大、靠近熱源或者陽光直射的地方。比如將常規(guī)數(shù)控機(jī)床與磨削類機(jī)床混合排列，磨床的磨粒易造成機(jī)床導(dǎo)軌磨損和電路板短路損壞。濕度高的環(huán)境往往易造成電路板短路，特別是夏秋交替的時(shí)節(jié)，空氣中濕度特別高，這也是數(shù)控機(jī)床故障的高發(fā)期。電網(wǎng)質(zhì)量差以及強(qiáng)烈的電子干擾也是此類故障的另一個(gè)重要的原因之一。我國(guó)電網(wǎng)質(zhì)量相對(duì)來講還不是很高，而許多如西門子等數(shù)控系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量要求較高。另外，用戶車間電氣設(shè)備排布不合理，大功率用電設(shè)備易產(chǎn)生強(qiáng)烈的電子干擾，會(huì)向空間輻射和向電網(wǎng)回饋高強(qiáng)度的電磁波，電磁波會(huì)沿電源進(jìn)線侵人數(shù)控設(shè)備，易造成數(shù)控機(jī)床死機(jī)、躥動(dòng)甚至電器電子元件損壞。機(jī)床遭受熱輻射易造成導(dǎo)軌、絲杠和主軸的變形，使得加工精度下降。
所以，用戶在安裝數(shù)控機(jī)床時(shí)應(yīng)特別注意安裝環(huán)境對(duì)機(jī)床的影響，如果環(huán)境無法避免則應(yīng)考慮增加特別的防護(hù)措施。如灰塵大的場(chǎng)所要加強(qiáng)機(jī)床導(dǎo)軌和電氣柜的防護(hù)，電氣柜可選用全密封設(shè)計(jì)。潮濕的環(huán)境應(yīng)多通風(fēng)，保持機(jī)床經(jīng)常處于開機(jī)狀態(tài)。對(duì)于電網(wǎng)質(zhì)量和電子干擾的影響，可增加相應(yīng)的穩(wěn)壓器件和采取相應(yīng)的抗干擾措施。如果機(jī)床的附近有振動(dòng)源，可考慮在機(jī)器周圍設(shè)置避振措施。
②用戶錯(cuò)誤的使用方法引起的故障
這類故障一般來講是比較嚴(yán)重的故障，主要是由用戶錯(cuò)誤的操作和維護(hù)方法造成的，其結(jié)果往往損壞機(jī)床功能部件甚至造成重大人身傷害。如機(jī)床操作不當(dāng)造成撞車、加工時(shí)工件裝卡不緊造成工件飛出或者移位、進(jìn)刀量過大造成刀具損壞甚至主軸損壞。高速旋轉(zhuǎn)的動(dòng)不平衡工件在機(jī)床上易引起附加彎矩，破壞主軸等部件。機(jī)床維護(hù)人員未按機(jī)床維護(hù)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行機(jī)床維護(hù)也會(huì)造成機(jī)床嚴(yán)重故障。如機(jī)床缺少潤(rùn)滑油可能會(huì)使機(jī)床磨損加劇甚至損壞關(guān)鍵部件，機(jī)床長(zhǎng)期停機(jī)未進(jìn)行定時(shí)開機(jī)維護(hù)可能會(huì)造成機(jī)床數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)軌防護(hù)不嚴(yán)可能會(huì)造成導(dǎo)軌面損傷使得機(jī)床移動(dòng)精度喪失，電氣控制柜長(zhǎng)期處于開門狀態(tài)雖方便了調(diào)試和維護(hù)但是可能會(huì)造成電器元件的觸點(diǎn)因污染而短路，電動(dòng)機(jī)防護(hù)不良可能會(huì)造成灰塵或潤(rùn)滑液等侵人電動(dòng)機(jī)造成相問短路或光電編碼器污損甚至造成機(jī)床異動(dòng)。另外，維修人員的“二次破壞”也會(huì)對(duì)機(jī)床造成致命的故障。
③設(shè)備或零部件的自然損耗形成的故障
數(shù)控機(jī)床由數(shù)以千計(jì)分離元器件組成，每個(gè)部件都會(huì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的正常工作帶來影響。而任何器件、零部件都是具有生命周期的，隨著時(shí)間的增加，其使用壽命在逐步減少。如電池具有一定的使用期限、油液會(huì)隨時(shí)間而變質(zhì)老化、電器元件會(huì)隨時(shí)間或動(dòng)作次數(shù)而逐步失效、機(jī)械移動(dòng)部件會(huì)逐漸因磨損而損壞等等。
液壓油的污染變質(zhì)是數(shù)控機(jī)床液壓系統(tǒng)故障的主要原因之一，它會(huì)造成閥芯堵塞、活塞泄漏等故障，造成機(jī)床誤動(dòng)作，甚至?xí)?duì)機(jī)床產(chǎn)生更大的破壞;電子元件的溫漂、高壓擊穿、系統(tǒng)接插件松動(dòng)、接插頭金屬芯表面氧化等是數(shù)控系統(tǒng)硬件故障的主要原因之一;相互配合移動(dòng)機(jī)械部件間的磨損會(huì)造成如軸承、導(dǎo)軌等部件喪失精度，影響機(jī)床加工性能。
維修經(jīng)驗(yàn)表明10年以上床齡的數(shù)控機(jī)床此類故障發(fā)生的概率較大。此類故障的發(fā)生是不可避免的，只有通過良好的機(jī)床維護(hù)才會(huì)延遲或避免故障的產(chǎn)生。
三、精益生產(chǎn)方式下的數(shù)控機(jī)床維修與維護(hù)管理
常用的故障診斷方法有故障樹法、儀器診斷法以及綜合分析判斷法等?，F(xiàn)在數(shù)控機(jī)床維修人員主要工作不再是“修復(fù)線路板”的概念，而是利用現(xiàn)有裝備、手段以及數(shù)控機(jī)床或系統(tǒng)制造商提供的各種監(jiān)控或診斷方法，及時(shí)準(zhǔn)確地判斷出故障類型，確定維修方向。
就數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的維修而言，現(xiàn)在多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)均采用專用總線結(jié)構(gòu)、專用大規(guī)模集成電路、專用伺服驅(qū)動(dòng)。所以，目前機(jī)床電氣故障的維修主要是及時(shí)判斷出CNC、伺服及PMC之間的接口電路的故障點(diǎn)，利用最直接有效的渠道，迅速買到備件，正確更換備件并恢復(fù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)正常工作。但是在經(jīng)驗(yàn)不是足夠豐富的情況下，故障診斷時(shí)間較長(zhǎng)，這與精益制造的主導(dǎo)思想是矛盾的。另外，根據(jù)機(jī)床故障類型不同，故障的排除時(shí)間也不盡相同。精益生產(chǎn)方式下設(shè)備損壞造成的生產(chǎn)暫停是一種嚴(yán)重的浪費(fèi)，是絕不允許的。
精益生產(chǎn)管理?xiàng)l件下，要從數(shù)控機(jī)床的采購(gòu)、數(shù)控機(jī)床的維護(hù)維修管理方法等多個(gè)方面人手，避免產(chǎn)生不必要的浪費(fèi)。
數(shù)控機(jī)床采購(gòu)時(shí)要選擇質(zhì)量、售后服務(wù)有保證，可維護(hù)性高的產(chǎn)品。并且使用時(shí)應(yīng)制定合理的數(shù)控設(shè)備維護(hù)維修管理方法是減少故障維修時(shí)間、防止故障發(fā)生和實(shí)施精益生產(chǎn)的關(guān)鍵。
精益生產(chǎn)管理對(duì)設(shè)備提出了全面生產(chǎn)維護(hù)的理念。理想的全面生產(chǎn)維護(hù)是以建立對(duì)設(shè)備全壽命期進(jìn)行維護(hù)修理的系統(tǒng)、全員參與、建立小組自主維護(hù)和以所涉及的相關(guān)部門為基礎(chǔ)支撐起來的設(shè)備綜合效率最高的維修模式。這樣的維修模式對(duì)數(shù)控機(jī)床來說也是適合的，但是應(yīng)當(dāng)制定嚴(yán)格的維修界限，將數(shù)控機(jī)床的維修進(jìn)行分類，嚴(yán)格限定各級(jí)人員的職責(zé)范圍。比如數(shù)控機(jī)床的一般性維護(hù)可由操作人員參與，但是機(jī)床內(nèi)部故障的判斷和排除應(yīng)由專業(yè)的維修維護(hù)人員進(jìn)行，否則很容易多機(jī)床造成“二次深度破壞”，會(huì)給后續(xù)的維護(hù)帶來意想不到的困難。
數(shù)控機(jī)床的全面維護(hù)包括機(jī)床的使用方針和機(jī)床使用維護(hù)兩個(gè)方面。要科學(xué)而合理地使用數(shù)控機(jī)床，防止設(shè)備的閑置，提高其利用率。將數(shù)控機(jī)床的操作與管理和維護(hù)聯(lián)系統(tǒng)一起來，充分發(fā)揮車間各類人員的作用，實(shí)現(xiàn)包括操作人員、設(shè)備維修人員、管理人員等全員參與。對(duì)機(jī)床進(jìn)行全系統(tǒng)與全壽命的管理抑制機(jī)床故障率的增高和延長(zhǎng)機(jī)床的壽命期;利用計(jì)算、監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、新型控制系統(tǒng)和新的管理思想與方法，不斷改進(jìn)機(jī)床的維護(hù)與修理。對(duì)數(shù)控機(jī)床易損壞的、自然壽命較短的功能部件，應(yīng)做特別的處理，必要時(shí)應(yīng)備有備件。
(圖4 數(shù)控機(jī)床故障的變化規(guī)律)
圖4為設(shè)備的維護(hù)對(duì)數(shù)控機(jī)床故障變化規(guī)律的影響。圖中的初期故障期是由于機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造、裝配調(diào)整和初期的操作運(yùn)行等因素引起的早期磨損造成的。圖中間的故障偶發(fā)期的故障主要是不當(dāng)?shù)牟僮髋c維護(hù)、變異等因素引起的。此時(shí)的關(guān)鍵是正確的管理和維護(hù)。它也是全面維護(hù)要運(yùn)用的時(shí)期。磨損故障期是由于維護(hù)不當(dāng)、維護(hù)不到位或者不進(jìn)行維護(hù)而造成的提前老化和故障頻發(fā)期。全面維護(hù)的工作月標(biāo)之一是，避免不當(dāng)故障階段的提前到來。如果它提前到來就只能提前進(jìn)行大修、中小修或者只能停機(jī)、退役報(bào)廢。
維持?jǐn)?shù)控機(jī)床正常運(yùn)行的必要條件主要有:定期維護(hù)保養(yǎng)、操作標(biāo)準(zhǔn)化、保證機(jī)床正常運(yùn)行條件如運(yùn)行要求的溫度和濕度;制定和嚴(yán)格遵守機(jī)床操作規(guī)程;進(jìn)行預(yù)防維護(hù)與修理、機(jī)床故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行故障維修。
為有效地實(shí)施數(shù)控機(jī)床的全面維護(hù)必須擴(kuò)大與機(jī)床相關(guān)的各類作業(yè)人員的職責(zé)，如由操作者完成清掃工作地與清潔機(jī)床的職責(zé);在經(jīng)過培訓(xùn)合格后授權(quán)由操作者維護(hù)保養(yǎng)自己操作的數(shù)控機(jī)床;建立考核與獎(jiǎng)懲辦法，并嚴(yán)格執(zhí)行精益管理的逐級(jí)匯報(bào)制度。這對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作人員提出了更高的要求，必須培訓(xùn)設(shè)備管理人員、技術(shù)人員、數(shù)控機(jī)床維修人員與操作人員學(xué)習(xí)和運(yùn)用新的知識(shí)與技術(shù)。
四、結(jié)語
數(shù)控機(jī)床涉及的知識(shí)面寬、控制技術(shù)復(fù)雜性決定了其維修維護(hù)人員的綜合素質(zhì)要很高。所以對(duì)用戶來講，其“維修難”的問題將長(zhǎng)期存在。精益生產(chǎn)與管理的理念是通過降低成本、提高效率從而消除浪費(fèi)獲得利潤(rùn)，機(jī)床的故障停機(jī)就是浪費(fèi)。如何對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行合理的使用和維護(hù)，如何提高機(jī)床維修的效率是精益生產(chǎn)與管理需要長(zhǎng)期摸索的問題。探索一條適合于精益生產(chǎn)企業(yè)自身、有效的維護(hù)維修途徑是企業(yè)保證精益生產(chǎn)管理落實(shí)的關(guān)鍵。
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