數(shù)控機床具有精度高、柔性好等特點，已成為精益制造企業(yè)的關鍵核心制造設備。由于它綜合應用了計算機、電子、自動控制、自動檢測及精密機械等學科的綜合知識，其維護和維修已成為企業(yè)公認的難題。與傳統(tǒng)的機械裝備相比，內容上雖然也包括機械、電氣、液壓與氣動方面的故障，但就其維修和診斷方面的重要性來說，則是側重于電子系統(tǒng)、機械、液壓、氣動乃至光學等裝置模塊的交節(jié)點上。

在精益生產和管理模式下探索數(shù)控機床維修維護模式，避免數(shù)控機床故障停機，減少故障的查找和修復的時間，是精益制造型企業(yè)克服“等待浪費”的關鍵因素之一。

一、數(shù)控機床故障及其分布特征

數(shù)控機床全部或部分地喪失了機床規(guī)定的功能就稱為數(shù)控機床故障。

故障診斷技術就是在機床出現(xiàn)故障時，掌握機床現(xiàn)行狀態(tài)的信息，查明產生故障部位和原因，或預知機床的異常和故障動向，并采取必要的措施和對策的技術，防止故障的產生。診斷的目的就是要確定故障的原因和部位，以便機床維修人員或操作人員盡快地進行故障的修復。

按照機床本體、附屬裝置和數(shù)控系統(tǒng)對故障進行分類，對多種類型加工中心的故障統(tǒng)計結果如圖1所示。加工中心機床本體占機床總故障的73%。

(圖1 加工中心整機故障)

對機床本體故障按其組成功能模塊進行統(tǒng)計分類如圖2所示?？梢钥闯黾庸ぶ行牡牡稁旌蜋C械手故障次數(shù)最多，占機床本體故障總數(shù)的59%，表明機床本體故障與其功能部件的動作頻率有關。

(圖2 加工中心本體故障分布)

圖3所示為機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)控機床故障的原因

數(shù)控機床故障起因呈現(xiàn)多樣性，根據(jù)維修經驗來看，數(shù)控機床故障的起因主要有以下幾個方面:

1、機床“先天性”設計缺陷故障

這類故障主要是與機床“先天性”設計錯誤有關。根據(jù)數(shù)控機床的組成結構可簡單地分為機械類缺陷、電氣系統(tǒng)缺陷和液壓氣動系統(tǒng)缺陷等。

其中機械類缺陷如聯(lián)軸器設計不合理、床身結構不合理、絲杠支撐結構不合理等多個方面。如某龍門式數(shù)控銑床當用戶開至說明書標定的最高轉速時，機床主軸軸承損壞。在機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濟損失，同時也限制了機床的工藝范圍。

電氣類設計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、驅動器功率太小、電路設計不合理、電路布線不合理等。雙電源并聯(lián)供電時容易造成只有一個電源工作，而另一個成為負載，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容易被燒毀或者觸點開合狀態(tài)不明顯，產生“似斷非斷”的現(xiàn)象。選用容量較小的驅動器雖然節(jié)省了成本，但是工作時容易燒毀驅動器。

電路設計以及布線的不合理容易造成強烈的電磁干擾，或者因移動部件的運動而拉斷導線，影響機床的正常工作。

數(shù)控機床的液壓和氣動系統(tǒng)主要用來實現(xiàn)自動換刀所需的運動，機床運動部件的平衡，機床運動部件的制動和離合器的控制，齒輪撥叉換檔等，機床的潤滑和冷卻，機床防護罩和門的自動開關，工作臺的松開與夾緊以及交換工作臺的自動交換等動作，夾具的自動松開與夾緊，工件與工具的定位和交換工作臺的自動吹屑清理定位等輔助運動。液壓、氣動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，也是數(shù)控機床維修和維護的主要內容之一。液壓、氣動系統(tǒng)的缺陷常表現(xiàn)為管路設計不合理、密封不嚴等方面。

液壓、氣動系統(tǒng)設計的不合理容易造成機床的可靠性降低。特別是對于數(shù)控剪板、沖壓類機床來講，液壓、氣動系統(tǒng)的缺陷往往是致命的，易造成機床功能無法實現(xiàn)或者精度達不到設計標準等問題.這樣的機床對用戶來講無疑是廢機器1臺。

設計性缺陷對用戶來講通常是較難發(fā)現(xiàn)的，這類缺陷的出現(xiàn)往往需要較長的時間周期，暴露時往往呈現(xiàn)出批量的特征。這類故障的排除往往需要建立在對機床的整體性能進行綜合評定的基礎上進行，而機床是1個有機的統(tǒng)一體，任何局部細節(jié)的改變可能會影響到整機的性能，對用戶來講是非常困難的。隨著數(shù)控機床新產品的不斷涌現(xiàn)，其生產周期在不斷地縮減，這類故障也呈現(xiàn)出上升的趨勢。設計類缺陷往往與機床廠的設計生產能力、管理水平等因素有關，機床生產廠商應對此類故障負主要責任。

2、用戶使用不當造成的故障

維修的經驗表明，數(shù)控機床故障的很大一部分因素與用戶的不正確使用有關。此類故障的原因主要體現(xiàn)在以下2個方面:

①惡劣使用環(huán)境引起的故障

數(shù)控機床是比較精密的自動控制設備，安裝時應盡可能地避免灰塵大、易傳導振動、濕度大、靠近熱源或者陽光直射的地方。比如將常規(guī)數(shù)控機床與磨削類機床混合排列，磨床的磨粒易造成機床導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節(jié)，空氣中濕度特別高，這也是數(shù)控機床故障的高發(fā)期。電網(wǎng)質量差以及強烈的電子干擾也是此類故障的另一個重要的原因之一。我國電網(wǎng)質量相對來講還不是很高，而許多如西門子等數(shù)控系統(tǒng)對電網(wǎng)質量要求較高。另外，用戶車間電氣設備排布不合理，大功率用電設備易產生強烈的電子干擾，會向空間輻射和向電網(wǎng)回饋高強度的電磁波，電磁波會沿電源進線侵人數(shù)控設備，易造成數(shù)控機床死機、躥動甚至電器電子元件損壞。機床遭受熱輻射易造成導軌、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)控機床時應特別注意安裝環(huán)境對機床的影響，如果環(huán)境無法避免則應考慮增加特別的防護措施。如灰塵大的場所要加強機床導軌和電氣柜的防護，電氣柜可選用全密封設計。潮濕的環(huán)境應多通風，保持機床經常處于開機狀態(tài)。對于電網(wǎng)質量和電子干擾的影響，可增加相應的穩(wěn)壓器件和采取相應的抗干擾措施。如果機床的附近有振動源，可考慮在機器周圍設置避振措施。

②用戶錯誤的使用方法引起的故障

這類故障一般來講是比較嚴重的故障，主要是由用戶錯誤的操作和維護方法造成的，其結果往往損壞機床功能部件甚至造成重大人身傷害。如機床操作不當造成撞車、加工時工件裝卡不緊造成工件飛出或者移位、進刀量過大造成刀具損壞甚至主軸損壞。高速旋轉的動不平衡工件在機床上易引起附加彎矩，破壞主軸等部件。機床維護人員未按機床維護的相關規(guī)定進行機床維護也會造成機床嚴重故障。如機床缺少潤滑油可能會使機床磨損加劇甚至損壞關鍵部件，機床長期停機未進行定時開機維護可能會造成機床數(shù)據(jù)丟失，導軌防護不嚴可能會造成導軌面損傷使得機床移動精度喪失，電氣控制柜長期處于開門狀態(tài)雖方便了調試和維護但是可能會造成電器元件的觸點因污染而短路，電動機防護不良可能會造成灰塵或潤滑液等侵人電動機造成相問短路或光電編碼器污損甚至造成機床異動。另外，維修人員的“二次破壞”也會對機床造成致命的故障。

③設備或零部件的自然損耗形成的故障

數(shù)控機床由數(shù)以千計分離元器件組成，每個部件都會對數(shù)控機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、油液會隨時間而變質老化、電器元件會隨時間或動作次數(shù)而逐步失效、機械移動部件會逐漸因磨損而損壞等等。

液壓油的污染變質是數(shù)控機床液壓系統(tǒng)故障的主要原因之一，它會造成閥芯堵塞、活塞泄漏等故障，造成機床誤動作，甚至會對機床產生更大的破壞;電子元件的溫漂、高壓擊穿、系統(tǒng)接插件松動、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;相互配合移動機械部件間的磨損會造成如軸承、導軌等部件喪失精度，影響機床加工性能。

維修經驗表明10年以上床齡的數(shù)控機床此類故障發(fā)生的概率較大。此類故障的發(fā)生是不可避免的，只有通過良好的機床維護才會延遲或避免故障的產生。

三、精益生產方式下的數(shù)控機床維修與維護管理

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)控機床維修人員主要工作不再是“修復線路板”的概念，而是利用現(xiàn)有裝備、手段以及數(shù)控機床或系統(tǒng)制造商提供的各種監(jiān)控或診斷方法，及時準確地判斷出故障類型，確定維修方向。

就數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的維修而言，現(xiàn)在多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)均采用專用總線結構、專用大規(guī)模集成電路、專用伺服驅動。所以，目前機床電氣故障的維修主要是及時判斷出CNC、伺服及PMC之間的接口電路的故障點，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系統(tǒng)數(shù)據(jù)，使系統(tǒng)正常工作。但是在經驗不是足夠豐富的情況下，故障診斷時間較長，這與精益制造的主導思想是矛盾的。另外，根據(jù)機床故障類型不同，故障的排除時間也不盡相同。精益生產方式下設備損壞造成的生產暫停是一種嚴重的浪費，是絕不允許的。

精益生產管理條件下，要從數(shù)控機床的采購、數(shù)控機床的維護維修管理方法等多個方面人手，避免產生不必要的浪費。

數(shù)控機床采購時要選擇質量、售后服務有保證，可維護性高的產品。并且使用時應制定合理的數(shù)控設備維護維修管理方法是減少故障維修時間、防止故障發(fā)生和實施精益生產的關鍵。

精益生產管理對設備提出了全面生產維護的理念。理想的全面生產維護是以建立對設備全壽命期進行維護修理的系統(tǒng)、全員參與、建立小組自主維護和以所涉及的相關部門為基礎支撐起來的設備綜合效率最高的維修模式。這樣的維修模式對數(shù)控機床來說也是適合的，但是應當制定嚴格的維修界限，將數(shù)控機床的維修進行分類，嚴格限定各級人員的職責范圍。比如數(shù)控機床的一般性維護可由操作人員參與，但是機床內部故障的判斷和排除應由專業(yè)的維修維護人員進行，否則很容易多機床造成“二次深度破壞”，會給后續(xù)的維護帶來意想不到的困難。

數(shù)控機床的全面維護包括機床的使用方針和機床使用維護兩個方面。要科學而合理地使用數(shù)控機床，防止設備的閑置，提高其利用率。將數(shù)控機床的操作與管理和維護聯(lián)系統(tǒng)一起來，充分發(fā)揮車間各類人員的作用，實現(xiàn)包括操作人員、設備維修人員、管理人員等全員參與。對機床進行全系統(tǒng)與全壽命的管理抑制機床故障率的增高和延長機床的壽命期;利用計算、監(jiān)控與網(wǎng)絡技術、新型控制系統(tǒng)和新的管理思想與方法，不斷改進機床的維護與修理。對數(shù)控機床易損壞的、自然壽命較短的功能部件，應做特別的處理，必要時應備有備件。

(圖4 數(shù)控機床故障的變化規(guī)律)

圖4為設備的維護對數(shù)控機床故障變化規(guī)律的影響。圖中的初期故障期是由于機床的設計、制造、裝配調整和初期的操作運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?shù)牟僮髋c維護、變異等因素引起的。此時的關鍵是正確的管理和維護。它也是全面維護要運用的時期。磨損故障期是由于維護不當、維護不到位或者不進行維護而造成的提前老化和故障頻發(fā)期。全面維護的工作月標之一是，避免不當故障階段的提前到來。如果它提前到來就只能提前進行大修、中小修或者只能停機、退役報廢。

維持數(shù)控機床正常運行的必要條件主要有:定期維護保養(yǎng)、操作標準化、保證機床正常運行條件如運行要求的溫度和濕度;制定和嚴格遵守機床操作規(guī)程;進行預防維護與修理、機床故障時及時進行故障維修。

為有效地實施數(shù)控機床的全面維護必須擴大與機床相關的各類作業(yè)人員的職責，如由操作者完成清掃工作地與清潔機床的職責;在經過培訓合格后授權由操作者維護保養(yǎng)自己操作的數(shù)控機床;建立考核與獎懲辦法，并嚴格執(zhí)行精益管理的逐級匯報制度。這對數(shù)控機床的操作人員提出了更高的要求，必須培訓設備管理人員、技術人員、數(shù)控機床維修人員與操作人員學習和運用新的知識與技術。

四、結語

數(shù)控機床涉及的知識面寬、控制技術復雜性決定了其維修維護人員的綜合素質要很高。所以對用戶來講，其“維修難”的問題將長期存在。精益生產與管理的理念是通過降低成本、提高效率從而消除浪費獲得利潤，機床的故障停機就是浪費。如何對數(shù)控機床進行合理的使用和維護，如何提高機床維修的效率是精益生產與管理需要長期摸索的問題。探索一條適合于精益生產企業(yè)自身、有效的維護維修途徑是企業(yè)保證精益生產管理落實的關鍵。

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