数控机床电气故障检修探讨

摘 要：数控机床的推广应用，促进了我国机械制造业的发展。数控机床具有先进、复杂、集成度高和智能化的特点，加之近几年数控机床控制系统不断更新换代，致使维修理论、技术和手段都发生了巨大变化，使机械制造行业对数控机床维修人才的需要越来越突出，对维修人员的要求越来越高。本文结合多年的工作实践，分析、研究了数控机床电气故障的检修技术。

关键词：数控机床；电气故障；检修

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

数控机床控制技术是集机械制造技术、自动化技术、计算机技术、传感检测技术、信号处理技术以及光电液一体化技术于一体的现代制造技术。数控机床有控制先进、复杂、智能化程度高、检修难度大的特点，其故障检测、诊断与维修工作必须由掌握先进数控技术的复合型技术人员来担任。此文分别介绍数控机床电气故障的检修步骤、分析与排除方法。

1 电气故障检修步骤

数控机床出现故障时，不要盲目修理，应按下列步骤进行：

第一步：检修前根据询问调查、现场检查，利用感官通过问、看、听、摸来了解故障发生前、后的情况，找出故障现象。仔细询问操作人员，了解故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等。

第二步：根据已知的故障现象、设备图纸资料等，分析确定故障类型及范围，并对照机床配套的数控系统诊断手册和使用说明书，列出产生故障的各种原因，确定排故原则。

第三步：根据故障部位或电路模块，利用仪器仪表对各种可能的原因进行排查，从中找出本次故障的原因及故障点。

第四步：根据故障的特性，采用正确的检修方法排除故障。有些故障的排除方法可能很简单，而有些故障则往往较复杂，需要做一系列的准备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理、元器件的准备等。

第五步：通电空载试验或局部空载试验来检验故障排除的情况。如果正常可进行下一步操作。

第六步：正常运行。

2 分析、排除方法

2.1 数控系统的自诊断功能及报警处理方法

（1）开机自检。数控系统通电时，系统内部自诊断软件对系统中关键的硬件和控制软件逐一进行检测。一且检测通不过，就在CRT上显示报警号或报警信息，指出故障部位。只有开机自检项目全都正常通过后，系统才能进入正常运行准备状态。

开机自检一般可将故障定位到电路或模块上，有些甚至可定位到芯片上。但在不少情况下只能将故障原因定位在某一范围内，需要通过进一步的检查、判断才能找到故障原因并予以排除。

（2）实时自诊断。数控系统在正常运行时，随时对系统内部、伺服系统、I/O接口以及数控装置的其他外部装置进行自动测试检查，并显示有关状态信息。若检测有问题，则立即显示报警号及报警内容，并根據故障性质自动决定是否停止动作或停机。检查时，维修人员可根据报警内容，结合实时显示的NC内部关键标志寄存器及PLC的操作单元状态，进一步对故障进行诊断与排除。

故障排除以后，报警往往不会自动消除。根据不同的报警，需要按“ RESET”或“STOP”软键来消除，或者需用电源复位或关机重新启动的方法消除，恢复系统运行。

2.2 数控系统的参数故障

（1）参数故障的产生原因。①后备电池失效将导致全部参数丢失。因此，在正常工作时应经常检查是否有电池电压低的报警信息或LED信号灯指示。如果发现该报警，应及时更换后备电池。更换电池应严格按照该系统的说明书要求进行操作，如有的系统要求停电后一定时间范围内将电池更换完毕，有的则要求系统在通电状态中方可更换电池，以保证证更换电池时数据不会丢失。②由于操作者的误操作，可能将个别或全部参数清除。③数控系统在DNC状态下运行或进行数据通讯时电网瞬间停电。

（2）数控系统参数的恢复。数控系统的种类繁多，参数恢复的方法也各不相同。以下为三种常用的参数恢复方法：①对照随机资料参数表逐个检查，发现有不一致的参数就用手动输入恢复。这种方法不需要外围设备，但效率太低，容易出错。②利用生产厂家提供的专用数据输入/输出设备，如纸带机，磁带机，软盘驱动器、IC卡等。参数输入的操作步骤可参照数控系统的操作说明书进行。③利用计算机或数控系统的DNC功能通过DNC软件进行参数输入。这种方式操作简单，输人效率高，出错率极低。

2.3 数控系统的软件故障

（1）软件故障发生的原因。软件故障是由软件变化或丢失，或者软件运行中断引起的。①在调试用户程序或修改机床参数时，删除或更改了软件内容或参数，造成软件故障（某些参数的改变也可引起软件故障）。②后备电池电压不足，引起软件及参数丢失。③电源的波动及干忧脉冲窜入数控系统，引起时序错误或程序执行错误。④软件编制不完善，当运行复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环而引起系统中断。⑤用户程序出错，在运行或输入过程中出现故障报警。

（2）软件故障的排除。对于软件丢失或参数改变引起的软件故障，可通过对参数、程序进行更改或清除后重新输入的方法来恢复。

对于程序运行中发生中断而造成的故障，可采取关机再重新启动的方法恢复。

开关数控系统电源是清除软件故障常用的方法，但在关机之前应将报警信息记录下来，以便于排除故障。

2.4 数控系统硬件故障的检查与分析

（1）常规检查。①系统发生故障后，首先进行外观检查。判断明显的故障，有针对性地检查可疑部分（包括元器件外观、保护电路、开关设置等）。对于故障发生时的现象、操作过程以及故障发生前进行过的维修、保养，要进行详细地询问，这对分析故障原因很有帮助。②针对故障有关部分，检查连接电缆、连接线、接线端子、接触件等连接是否良好，检查有无断线、绝缘破坏、松动、发热、氧化或接触不良等现象；检查在恶劣环境下工作的元器件以及应定期保养的部件或元器件，是否按规定定期进行了检查和保养。③检查电源电压是非常重要的环节。许多莫名其妙的故障往往是由电源电压不正常引起的，而电源电压不正常可能是电源本身的问题，也可能是由负载引起的，一定要仔细地检查分析后再进行处理。

（2）故障现象分析法。故障分析所涉及的专业面很广，分析要以找到的现象（包括故障时的异常现象、仪器测量记录的内容、产品检查结果等）为依据，找出故障的规律和产生原因。为了找到足够的线索，在可能的情况下（不会扩大故障和产生危险）可重复故障发生过程，让故障重复出现。

（3）面板显示与指示灯显示分析法。面板显示可把大部分被监视的故障识别结果以报警的方式给出，但有时只能识别到某一装置或某一部位。这时，可进一步根据面板上的指示灯或该装置上的指示灯指示，较快地找到故障点。

（4）系统分析法。判断系统存在故障的部位时，应弄清楚整个系统方框图的工作原理，根据故障的现象，判断问题可能出在哪一个功能单元。可不管单元内部的工作原理，根据系统方框图将该单元的输入/输出信号以及它们之间的关系摘清楚。测试这个单元的输入与输出，判断其是否正常。必要时可将该单元与其他单元脱离开，提供必要的输入信号，观察其输出结果。如果确定问题出在某一单元后，就要搞清楚该单元内部的工作原理，必要时可测绘出局部的电气原理图，并通过进一步的检查与分析，最终把故障定位于元件。

在维修的初步阶段及有条件时，可对怀疑单元或元器件采用替换法诊断故障，逐步缩小故障范围，直至找到故障点。

（5）信号追踪法。按照控制系统方框图，从前往后或从后向前检查有关信号的有无、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较有无差异或是否符合逻辑。在较长的“串联”电路中，可采用分割法，从中间开始向两个方向查。查出某一方向有问题时，可继续对这一段采用分割法进行检查，直至找到故障点。两个相同的线路，在可能的情况下可对它们进行交换试验。①硬接线系统信号追踪法。可用试电笔、万用表、示波器等测试工具，测量电压、电流信号的大小、性质、变化状态，测量电路的短路、断路及电阻值变化等，从而判断出故障的原因。②NC、PLC系统状态显示法。NC、PLC程序是软件结构，可利用面板显示或编程器进行状态显示，追踪程序的执行，显示其输入、输出及中间环节标志等状态，用于判断故障的原因。③硬接线系统的强制。在追踪中也可以在信号线上加上正常情况的信号，对后面的电路进行试验。但必须注意要断开涉及到前级的连线，保证所加信号是正确的，同时要特别注意确认不会产生损坏元件等危险后果。④NC、PHLC控制变量的强制。可通过对输入、输出及中间变量强制后的程序执行情况，经判断、分析找出故障单元后，再用系统分析法和信号追踪法找出故障点。

（6）静态测量法。用万用表测量元器件的在线电阻及晶体管的PN结电压；用集成电路测试仪检查集成电路的好坏；亦可用线路板在线测试仪对线路板及板上元器件进行检测。由于线路板上的电路连接在一起，互相影响，有时不好判断，在有条件的情况下可找一块相同的好板，采用对比法进行测量。

（7）动态测量法。可用加长板将待测板接出后开机测量，也可单独给待测板加上必要的电源电压和信号，然后用万用表、示波波器、逻辑分析仪等对线路板的电压、电流、波形及逻辑关系进行全面诊断。将测量值与已知值或经验值进行比较，再用逻辑推理的方法判断出故障点。

2.5 伺服系统故障及诊断

（1）伺服系统故障及定位的方法。伺服系统会产生超程、过载、窜动、爬行、振动、伺服电动机不转、位置误差、漂移等故障。可采用下列方法诊断：①模块交换法。数控系统有些进给轴的驱动单元具有相同的当量，当其中某一轴发生故障时，可用另一轴来替代，观察故障的转移情况，快速确定故障部位。 ②外接参考电压法。当某轴发生故障时，可脱开位置环，在速度给定输入端接上外加给定电压（可用9V干电池和电位器组成，或直接用机械式万用表RX1挡的表内电源），设法使伺服驱动器的使能信号都满足。接通电源，伺服电动机应在外加给定电压控制下转动，这可判断驱动装置和何服电动机是否正常。

2.6 位置检测装置故障及诊断

当出现位置环开环报警时，应用示波器测量位置检测装置与CNC的连接端口，判断出故障部位是在测量装置，还是在CNC系统的接口板上。如果故障在测量装置一边，可进一步用示波器测量位置检测元件与外接脉冲整形器之间的连接端口（注意，此时信号可能比较弱，示波器的灵敏度可选高一些），判断出是检测元件的故障，还是脉冲整形器的故障，然后再做进一步检查。

2.7 数控机床运动质量特性故障

（1）位置偏差过大的原因有如下几种：①进给伺服电动机转速不够，可能是电源电压太低或不平衡，也可能是伺服电动机本身的毛病，如电动机电刷与换向器接触不好、轴承损坏或润滑不良等。②负载过大，或其他作用在电动机上的力过大，使电动机丢转较多。③伺服驱动器中速度调节器或相关电路出故障，有条件可用替换法来判断。④位置反馈信号不正常，可用示波器进行检查。⑤检查各接线端子是否松动。

（2）零件的加工精度差，一般是由于安装调整时，各轴之间的进给动态跟踪误差没调好，或由于使用磨损后，机床各轴传动链有变化（如丝杠间隙、螺距误差变化、轴向窜动等），可经重新调整及修改间隙补偿量来解决。

当动态跟踪误差过大而报警时，可检查伺服电动机转速是否过高；位置检测元件是否良好；位置反馈电缆接插件是否接触良好；相应的模拟量输出锁存器、增益电位器是否良好；相应的伺服驱动装置是否正常。

（3）机床运动时超调引起加工精度不好，可能是加、减速时间太短，可适当延长速度变化时间；也可能是伺服电动机与丝杠之间的连接松动或刚性太差，可适当减小位置环的增益。

（4）两轴联动时的圆度超差。①圆的轴向变形。这种变形可能是机械未调整好造成轴的定位精度不好，或是丝杠间隙补偿不当，导致过象限时产生圆度误差。②斜椭圆误差（450方向上的椭圆）这时应首先检查各轴的位置偏差值。如果偏差过大，可调整位置环增益来排除，然后检查旋转变压器或感应同步器的接口板是否调整好，再检查机械传动副间隙是否太大，间隙补偿是否合适。

综上所述：每次排除故障后，应及时总结经验，并做好维修记录，这样有利于迅速提高维修者的理论水平和维修能力，提高重复性故障的维修速度；有利于分析设备的故障率及可维修性，改进操作规程，提高机床寿命和利用率；有利于對原设计之不足进行改进和完善；同时总结资料可作为其他维修人员的参考资料、学习培训教材，实现资源共享。

总之，数控系统种类繁多，故障千变万化，维修方法也不尽相同，有的故障部位相同但现象不尽相同，有的现象相同但故障点不同，在排除故障时，不可生搬硬套，要熟练掌握数控设备的控制原理、掌握正确的维修方法，并灵活应用，力求迅速准确地判明故障原因，及时正确排除故障，同时不断地学习和掌握新的知识与技术，寻找新的维修诊断的方法和手段，不断提高维修能力。

参考文献

[1]严峻.数控机床常见故障快速处理86问[M].北京：机械工业出版社，2009.

[2]郑小年，杨克冲.数控机床故障诊断与维修[M].武汉：华中科技大学出版社，2005.

[3]蒋洪平.数控设备故障诊断与维修[M].北京：北京理工大学出版社，2006.

[4]江光灿.数控机床维护与常见故障分析[M].机械工业出版社，2011.

收稿日期：2018-06-07

作者简介：卜树云（1965—），男，汉族，河北平泉人，本科，一级实习指导教师，研究方向：电气自动化设备安装与维护。