制造企业为适应全球激烈的竞争需要都逐渐地趋向于采用先进的数控机床作为主要的生产工具，采用精益生产管理模式实现企业生产过程管理，最大限度地增强了产品质量、降低了产品价格，提高了产品的竞争优势。精益生产与管理模式起源于日本丰田汽车公司，是一种以最大限度地减少运营成本为主要目标的生产方式，它追求的是在不投人多余生产要素的情况下，所有经营活动有益有效具有经济性的一种生产和管理模式。其特点是尽可能地消除一切浪费，追求精益求精和不断改善质量。精益生产总结出工厂中的浪费现象主要有制造过剩的浪费、等待的浪费、生产不良的浪费、工作的浪费等8大浪费。
数控机床具有精度高、柔性好等特点，已成为精益制造企业的关键核心制造设备。由于它综合应用了计算机、电子、自动控制、自动检测及精密机械等学科的综合知识，其维护和维修已成为企业公认的难题。与传统的机械装备相比，内容上虽然也包括机械、电气、液压与气动方面的故障，但就其维修和诊断方面的重要性来说，则是侧重于电子系统、机械、液压、气动乃至光学等装置模块的交节点上。
在精益生产和管理模式下探索数控机床维修维护模式，避免数控机床故障停机，减少故障的查找和修复的时间，是精益制造型企业克服“等待浪费”的关键因素之一。
一、数控机床故障及其分布特征
数控机床全部或部分地丧失了机床规定的功能就称为数控机床故障。
故障诊断技术就是在机床出现故障时，掌握机床现行状态的信息，查明产生故障部位和原因，或预知机床的异常和故障动向，并采取必要的措施和对策的技术，防止故障的产生。诊断的目的就是要确定故障的原因和部位，以便机床维修人员或操作人员尽快地进行故障的修复。
按照机床本体、附属装置和数控系统对故障进行分类，对多种类型加工中心的故障统计结果如图1所示。加工中心机床本体占机床总故障的73%。
(图1 加工中心整机故障)
对机床本体故障按其组成功能模块进行统计分类如图2所示。可以看出加工中心的刀库和机械手故障次数最多，占机床本体故障总数的59%，表明机床本体故障与其功能部件的动作频率有关。
(图2 加工中心本体故障分布)
图3所示为机床附属装置故障分布示意图。可以看出加工中心的液压系统占机床附属装置故障总数的41%，故障率最高，说明液压系统是数控机床比较薄弱的环节。
(图3 加工中心附属装置故障分布)
二、数控机床故障的原因
数控机床故障起因呈现多样性，根据维修经验来看，数控机床故障的起因主要有以下几个方面:
1、机床“先天性”设计缺陷故障
这类故障主要是与机床“先天性”设计错误有关。根据数控机床的组成结构可简单地分为机械类缺陷、电气系统缺陷和液压气动系统缺陷等。
其中机械类缺陷如联轴器设计不合理、床身结构不合理、丝杠支撑结构不合理等多个方面。如某龙门式数控铣床当用户开至说明书标定的最高转速时，机床主轴轴承损坏。在机床已过保修期的情况下，用户不得不自己更换轴承，且只能在低速下工作。这类缺陷一方面给用户带来了经济损失，同时也限制了机床的工艺范围。
电气类设计性故障常见的形式有系统双电源并联供电、继电器容量过小，灭弧能力差、驱动器功率太小、电路设计不合理、电路布线不合理等。双电源并联供电时容易造成只有一个电源工作，而另一个成为负载，最终造成电源容量小而烧毁电源模块。选用继电器容量过小易造成继电器触点容易被烧毁或者触点开合状态不明显，产生“似断非断”的现象。选用容量较小的驱动器虽然节省了成本，但是工作时容易烧毁驱动器。
电路设计以及布线的不合理容易造成强烈的电磁干扰，或者因移动部件的运动而拉断导线，影响机床的正常工作。
数控机床的液压和气动系统主要用来实现自动换刀所需的运动，机床运动部件的平衡，机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮拨叉换档等，机床的润滑和冷却，机床防护罩和门的自动开关，工作台的松开与夹紧以及交换工作台的自动交换等动作，夹具的自动松开与夹紧，工件与工具的定位和交换工作台的自动吹屑清理定位等辅助运动。液压、气动系统是数控机床的重要组成部分，也是数控机床维修和维护的主要内容之一。液压、气动系统的缺陷常表现为管路设计不合理、密封不严等方面。
液压、气动系统设计的不合理容易造成机床的可靠性降低。特别是对于数控剪板、冲压类机床来讲，液压、气动系统的缺陷往往是致命的，易造成机床功能无法实现或者精度达不到设计标准等问题.这样的机床对用户来讲无疑是废机器1台。
设计性缺陷对用户来讲通常是较难发现的，这类缺陷的出现往往需要较长的时间周期，暴露时往往呈现出批量的特征。这类故障的排除往往需要建立在对机床的整体性能进行综合评定的基础上进行，而机床是1个有机的统一体，任何局部细节的改变可能会影响到整机的性能，对用户来讲是非常困难的。随着数控机床新产品的不断涌现，其生产周期在不断地缩减，这类故障也呈现出上升的趋势。设计类缺陷往往与机床厂的设计生产能力、管理水平等因素有关，机床生产厂商应对此类故障负主要责任。
2、用户使用不当造成的故障
维修的经验表明，数控机床故障的很大一部分因素与用户的不正确使用有关。此类故障的原因主要体现在以下2个方面:
①恶劣使用环境引起的故障
数控机床是比较精密的自动控制设备，安装时应尽可能地避免灰尘大、易传导振动、湿度大、靠近热源或者阳光直射的地方。比如将常规数控机床与磨削类机床混合排列，磨床的磨粒易造成机床导轨磨损和电路板短路损坏。湿度高的环境往往易造成电路板短路，特别是夏秋交替的时节，空气中湿度特别高，这也是数控机床故障的高发期。电网质量差以及强烈的电子干扰也是此类故障的另一个重要的原因之一。我国电网质量相对来讲还不是很高，而许多如西门子等数控系统对电网质量要求较高。另外，用户车间电气设备排布不合理，大功率用电设备易产生强烈的电子干扰，会向空间辐射和向电网回馈高强度的电磁波，电磁波会沿电源进线侵人数控设备，易造成数控机床死机、蹿动甚至电器电子元件损坏。机床遭受热辐射易造成导轨、丝杠和主轴的变形，使得加工精度下降。
所以，用户在安装数控机床时应特别注意安装环境对机床的影响，如果环境无法避免则应考虑增加特别的防护措施。如灰尘大的场所要加强机床导轨和电气柜的防护，电气柜可选用全密封设计。潮湿的环境应多通风，保持机床经常处于开机状态。对于电网质量和电子干扰的影响，可增加相应的稳压器件和采取相应的抗干扰措施。如果机床的附近有振动源，可考虑在机器周围设置避振措施。
②用户错误的使用方法引起的故障
这类故障一般来讲是比较严重的故障，主要是由用户错误的操作和维护方法造成的，其结果往往损坏机床功能部件甚至造成重大人身伤害。如机床操作不当造成撞车、加工时工件装卡不紧造成工件飞出或者移位、进刀量过大造成刀具损坏甚至主轴损坏。高速旋转的动不平衡工件在机床上易引起附加弯矩，破坏主轴等部件。机床维护人员未按机床维护的相关规定进行机床维护也会造成机床严重故障。如机床缺少润滑油可能会使机床磨损加剧甚至损坏关键部件，机床长期停机未进行定时开机维护可能会造成机床数据丢失，导轨防护不严可能会造成导轨面损伤使得机床移动精度丧失，电气控制柜长期处于开门状态虽方便了调试和维护但是可能会造成电器元件的触点因污染而短路，电动机防护不良可能会造成灰尘或润滑液等侵人电动机造成相问短路或光电编码器污损甚至造成机床异动。另外，维修人员的“二次破坏”也会对机床造成致命的故障。
③设备或零部件的自然损耗形成的故障
数控机床由数以千计分离元器件组成，每个部件都会对数控机床的正常工作带来影响。而任何器件、零部件都是具有生命周期的，随着时间的增加，其使用寿命在逐步减少。如电池具有一定的使用期限、油液会随时间而变质老化、电器元件会随时间或动作次数而逐步失效、机械移动部件会逐渐因磨损而损坏等等。
液压油的污染变质是数控机床液压系统故障的主要原因之一，它会造成阀芯堵塞、活塞泄漏等故障，造成机床误动作，甚至会对机床产生更大的破坏;电子元件的温漂、高压击穿、系统接插件松动、接插头金属芯表面氧化等是数控系统硬件故障的主要原因之一;相互配合移动机械部件间的磨损会造成如轴承、导轨等部件丧失精度，影响机床加工性能。
维修经验表明10年以上床龄的数控机床此类故障发生的概率较大。此类故障的发生是不可避免的，只有通过良好的机床维护才会延迟或避免故障的产生。
三、精益生产方式下的数控机床维修与维护管理
常用的故障诊断方法有故障树法、仪器诊断法以及综合分析判断法等。现在数控机床维修人员主要工作不再是“修复线路板”的概念，而是利用现有装备、手段以及数控机床或系统制造商提供的各种监控或诊断方法，及时准确地判断出故障类型，确定维修方向。
就数控机床电气系统的维修而言，现在多数数控系统均采用专用总线结构、专用大规模集成电路、专用伺服驱动。所以，目前机床电气故障的维修主要是及时判断出CNC、伺服及PMC之间的接口电路的故障点，利用最直接有效的渠道，迅速买到备件，正确更换备件并恢复系统数据，使系统正常工作。但是在经验不是足够丰富的情况下，故障诊断时间较长，这与精益制造的主导思想是矛盾的。另外，根据机床故障类型不同，故障的排除时间也不尽相同。精益生产方式下设备损坏造成的生产暂停是一种严重的浪费，是绝不允许的。
精益生产管理条件下，要从数控机床的采购、数控机床的维护维修管理方法等多个方面人手，避免产生不必要的浪费。
数控机床采购时要选择质量、售后服务有保证，可维护性高的产品。并且使用时应制定合理的数控设备维护维修管理方法是减少故障维修时间、防止故障发生和实施精益生产的关键。
精益生产管理对设备提出了全面生产维护的理念。理想的全面生产维护是以建立对设备全寿命期进行维护修理的系统、全员参与、建立小组自主维护和以所涉及的相关部门为基础支撑起来的设备综合效率最高的维修模式。这样的维修模式对数控机床来说也是适合的，但是应当制定严格的维修界限，将数控机床的维修进行分类，严格限定各级人员的职责范围。比如数控机床的一般性维护可由操作人员参与，但是机床内部故障的判断和排除应由专业的维修维护人员进行，否则很容易多机床造成“二次深度破坏”，会给后续的维护带来意想不到的困难。
数控机床的全面维护包括机床的使用方针和机床使用维护两个方面。要科学而合理地使用数控机床，防止设备的闲置，提高其利用率。将数控机床的操作与管理和维护联系统一起来，充分发挥车间各类人员的作用，实现包括操作人员、设备维修人员、管理人员等全员参与。对机床进行全系统与全寿命的管理抑制机床故障率的增高和延长机床的寿命期;利用计算、监控与网络技术、新型控制系统和新的管理思想与方法，不断改进机床的维护与修理。对数控机床易损坏的、自然寿命较短的功能部件，应做特别的处理，必要时应备有备件。
(图4 数控机床故障的变化规律)
图4为设备的维护对数控机床故障变化规律的影响。图中的初期故障期是由于机床的设计、制造、装配调整和初期的操作运行等因素引起的早期磨损造成的。图中间的故障偶发期的故障主要是不当的操作与维护、变异等因素引起的。此时的关键是正确的管理和维护。它也是全面维护要运用的时期。磨损故障期是由于维护不当、维护不到位或者不进行维护而造成的提前老化和故障频发期。全面维护的工作月标之一是，避免不当故障阶段的提前到来。如果它提前到来就只能提前进行大修、中小修或者只能停机、退役报废。
维持数控机床正常运行的必要条件主要有:定期维护保养、操作标准化、保证机床正常运行条件如运行要求的温度和湿度;制定和严格遵守机床操作规程;进行预防维护与修理、机床故障时及时进行故障维修。
为有效地实施数控机床的全面维护必须扩大与机床相关的各类作业人员的职责，如由操作者完成清扫工作地与清洁机床的职责;在经过培训合格后授权由操作者维护保养自己操作的数控机床;建立考核与奖惩办法，并严格执行精益管理的逐级汇报制度。这对数控机床的操作人员提出了更高的要求，必须培训设备管理人员、技术人员、数控机床维修人员与操作人员学习和运用新的知识与技术。
四、结语
数控机床涉及的知识面宽、控制技术复杂性决定了其维修维护人员的综合素质要很高。所以对用户来讲，其“维修难”的问题将长期存在。精益生产与管理的理念是通过降低成本、提高效率从而消除浪费获得利润，机床的故障停机就是浪费。如何对数控机床进行合理的使用和维护，如何提高机床维修的效率是精益生产与管理需要长期摸索的问题。探索一条适合于精益生产企业自身、有效的维护维修途径是企业保证精益生产管理落实的关键。
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