数控机床故障维修实例与分析

祝战科，安宣社

(1. 陕西工业职业技术学院,陕西 咸阳 712000； 2. 陕西省机械研究院,陕西 咸阳 712000)

0 前 言

数控机床故障一般有数控系统本身的硬件故障，主轴放大器和主轴伺服电机故障，进给伺服放大器和进给电机故障[1]，机床PMC(I/O)故障，操作错误及编程错误故障，外界干扰引起的故障，现场机床电气部分故障，机床机械本体故障等。

数控机床维修的一般原则是：①先静后动。维修人员要做到先静后动，对机床故障也要先静后动；②机械在先、电气在后。观察机械故障比较容易，但对于数控系统的诊断则具有一定难度；③先外后内。采用望、听、嗅、问、摸等方法由外向内逐一检查[2]；④公用在先，专用位后，主要问题要先处理，次要问题之后处理；⑤困难在先，复杂在后；⑥一般在先，特殊在后。在故障排除时先排除常见、一般的故障，再去分析特殊情况。

对数控机床故障诊断时过程较为特殊，内容如下：①掌握资料，收集资料图，如安装图纸、原理图纸，故障部位机械的构造、PLC的控制回路；②询问，进入到故障所在地之后，先询问故障的基本情况，如现象、产生的过程，分析故障报警的信号，掌握第一手信息资料；③罗列故障原因，从数控、电气、数控机械三大系统着手，将可能导致的故障原因一一罗列，计划相应的工作内容。以计划内容为主，做好故障的排查工作、维修；④总结，当故障处理完成之后，对维修的过程做好总结、分析、汇总，对维修的成本计算，对之后的维修意见给出科学、合理化的意见[3]。

本文结合几例典型案例为说明，找到原因并加以分析，确保更好把故障排除。

1 故障分析与维修实践

1.1 数控加工中心报警故障的维修

1)故障所表现出来的情况。FANUC的数控系统工作的时候，突然出现报警，信号提示：387# X AXIS：ABNORMAL ENCODER(EXT)分离式检测器发生某种异常；447# X AXIS：HARD DISCONNECT(EXT)通过硬件检测到分离式检测器断线。

2)根据报警信息查诊断。DNG200.1位为“1”断线故障[4]。DNG 201.4，201.7位均为“1”分离型脉冲编码器硬件断线。X轴伺服为全闭环，反馈元件为HEIDENHAIN光栅尺，这代表了反馈环节有问题存在。

3)维修的过程。简单为先、复杂在后，检查有没有断线、插头是否插好等。再查看光栅尺，检查出读数头已被冷却液腐坏，更换此元件。为了确保生产的正常进行，将原全闭环系统改变为半闭系统，参数进行如下调整。

1 815.1及2 002.3位“1”→“0”；2024#→12500;2084#及2085#分别更换成“2”、“125”，仅1821#保持不变。

参数1815.1位由“1”改“0”，表示不采用分离型检测装置，即不用全闭环，改用半闭环反馈；

参数 1 821是参考计数器容量设定值。指伺服电机转一转位置反馈脉冲数[5]。例如：滚珠丝杠螺距为8 mm，伺服电机转一转，工作台移动8 mm，一个脉冲0.001 mm,折算成位置反馈脉冲数等于8 000。

参数2002.3位由“1”改“0”；

参数2024#改为12500；将半闭环的控制系统定为12500。在全闭环系统下，根据电动机一转来对反馈的脉冲数进行设定。

设定柔性进给传动比(N/M)。参数2084#改为2，(N)；参数2085#改为125，(M)。

不同丝杠的螺距、机床传动，安装有减速齿轮时，为了能让反馈的脉冲数、指令脉冲数可与齿轮比契合，即N/M。可对齿轮比进行柔性处理，把参数调整。

全闭系统中：其齿轮比为(伺服电动机—转所需的位置反馈脉冲数/电动机—转分离型检测装置位置反馈的脉冲数)的约分数。

半闭系统中：其齿轮比为伺服电动机-转所需的位置反馈脉冲数/100万)的约分数

光栅尺修好后，重新连接，将参数改回，机床正常[6]。

本故障的维修提供给我们半闭环系统与全闭环系统在系统参数设置中的不同之处及相互转换的方法。

1.2 开机出现的故障分析

加工中心用的系统为VMC850(FANUC-0iB系统)，当开机之后主轴故障(1006#)。同时，3个伺服单元的电压过高(439#X、Y、Z)、并且9011#过电压还出现报警的情况。

1)故障判断和分析。系统显示为故障是由于过电压引起的。同时，对资料进行查阅，找到报警可能原因有：①PSM、SPMR直流链路的电压出现过高的情况；②PSM检查的选定，对输入电源、电压、电机减速检查其电源的电压改变；③机床厂家在设计中所提供的PMC报警。

2)维修过程。通过检测后得知，PSM、SPM所显示的7#、11#报警，原因一样，均是因为电压造成的。

测AC输入电压217 V属正常。DGN诊断: 200.3位为“1”( HVA)过电压(伺服)。

2台一样的机床在相互换了PSM、SPM后，故障仍未处理好。这时一定要冷静，不再局限于手册，需另想处理方式。特别注意，过电压并非为系统硬件导致，以公为先，专为后原则，排查电源。

供电的电源所采用的是三相五线制。在工作零线、地线保护时，之间的阻值<3 Ω，这和机床对比，将零线换掉，拔出RS232C插头。处理之后能正常开机，但将零线一接上，故障却又再次出现。将保护地线去掉又恢复正常，可机床外却有电流通过。所以重新换一条零线，故障得以处理。

1.3 驱动系统交流伺服电机过热报警故障的维修

1)故障表现的情况。加工过程中XH756B/1加工中心，主轴电机为FUNUCα18/7000i永磁交流同步伺服电机出现了报警，提示9001#。这时，电机太热，且温度由原来的22℃直线提升至120℃。

诊断为DGN408中显示电机温度高达120℃，而且温度升得太不正常，而且速度太快。

2)分析判定。对故障进行分析找到电机太热的原因：①电动机过载及电动机内部的故障。可能原因是因为电动机冷却系统被污染了，散热受到了影响；②温度检测不良或连接故障，需要对此进行逐一排查。

3)维修过程。先需要判断出机械负载原因，把伺服电机、主轴分离，让电机空载实验，在MDI方式之下将M03 S300输入→执行→9021#报警。原因是因为主轴位置编码器通过齿轮、主轴相连，主轴分离后编码器就没了。这时要把参数修改，把编码器屏蔽。4 002.1：“1”→“0”；4 394.5：“0”→“1”。这样操作后报警解除。

对M03 S300进行执行，从主轴转动起的那时起计算时间，25 min之后温度从原有的220℃上升至560℃，三相电流基本保持平衡，18 A左右且指正偏摆幅度大，空载的电流太高，这种情况并不正常，把电机拆下检查。发现了定子、转子其中充满了太多的冷却油，而这原因是密封圈损坏，导致油位上升。

由理论上看，在气隙中有了油后其磁阻增加，导致电机的电流增加。清理后开机出现了温度传感器故障(9031#报警)。再次检查，JY2插头没有在主轴的模块中，将其处理完毕之后故障得以处理。

2 常见伺服故障形式

一般伺服系统有故障时无外是3种表现方式：①CRT、操作面板显示出报警的信息、内容；②进给伺服驱动单元上用报警灯或数码管显示驱动单元的故障；③运动不正常但没有报警。

进给伺服的常见故障如下。

1)超程。进给运动超出原设定世游赛，又或是因为限位开关在设定时，出现硬限位，超程报警都会发出，并显示在CRT中，向发生超程相反方向运动坐标轴，即可处理完毕。

2)过载。运动负载太大之后，又或是传动链条的润滑不良、次数过多的正反向运动，均能将过载报警引发。在CRT中，会提示伺服电机过热、过载等报警。并且在强电柜中，进给驱动单元中的数码管等，会显示出电流信息等等。

3)窜动。窜动出现可能是由于以下几点原因导致的：测试时，遇到信息不稳的情况。可能是由于装置故障、信号测试时反馈遇到干扰。可是控制信号不稳定，遇到干扰。又如可能是因为螺丝松动，导致接线端子接触不稳定。以上情况发生，先考虑运动换赂(正、反)，其本是由于伺服系统产生过大的增益，或是因为进给的传动链条出现反向间隙。

4)爬行。出现爬行的因素很多，如负载过大、链条缺少润滑等等，需要特别注意以下几点：考虑是否有裂纹出现，考虑是否联轴出现了问题等[7]。这些都是要特别注意的。

5)振动。振动基本是速度问题，如机床高速运动会出现过流报警，振动产生。检测方法是去查看速度环。故障有3个原因，包括给定的和反馈信号，以及速度调节器本身。机床的振动周期是否与进给速度有关，应分开，如轴速度回路的高增益引起的支承或速度反馈失效。但如果与速度无关，则振动通常由位置环的增加或位置反馈失效引起，如加减速时的振动，这往往是由系统加减速时间设定得太小引起的。

6)伺服电动机不转。数据系统是驱动单元。除了速度控制信号外，还有控制信号，通常是DC+24V继电器线圈电压。当电机异常转动时，常用的诊断方法是：检查数据系统是否有速度控制信号的输出。检查信号是否接通。可以随时观察CRT的I/O状态，分析PLC的流程图，明确进给轴的冷却等启动条件是否可以满足[8]。对于电磁制动伺服电机，必须检查电磁制动器是否没有松开。这可能是驱动装置的故障。可能是伺服电机的故障。

7)位置误差。当伺服轴的运动超过所允许的位置范围时，数据系统将产生过度停车错误的警报。包括定位、轮廓误差等。410# 报警是伺服轴停止时误差计数器读出的实际误差值大于1829 中的设定值，也叫停止时误差过大报警； 411# 报警是伺服轴在运动过程中，误差计数器读出的实际误差值大于1828 中的极限值，也叫移动时误差过大报警。原因如下：系统设置的允许差值范围小。伺服系统增益设置不当。在位置检测装置中发生污染。进给链的累积误差太大。当主轴箱垂直移动时，平衡装置(如平衡液压缸)不稳定。

8)漂移。指令值=0，坐标轴还保持移动，以此导致益出现了误差。通过误差的补偿、驱动单元零速优化来消除漂移的故障。

9)回参考点故障。主要有两种故障：①找不到，回参点减速开关产生的信号、零标志脉冲信号失效导致，用示波器检测；②找不准：参考点开关挡块位置设置不当所引发的，只要重新调整就可以。

参考点故障解决的主要方法可以从以下方面入手：①回参考点方式有效(ZRN)(MD1/MD4)，对应PMC 地址G43.7=1，G43.0=1, G43.2=1；②轴选择(+/-Jx)有效，对应PMC 地址G100--G102=1；③减速开关读入信号，对应PMC 地址X9.0到X9.3 或G196.0-3=1 0 1；④电气栅格被读入，找到参考点。

伺服系统的优劣直接决定了数控机床的性能优劣，他的故障维修是数控机床维修中最重要的部分之一。应该从系统面板提示的报警信息、伺服诊断信息、伺服单元数码管显示的状态入手，通过相关的G信号进行分析查找，逐步解决问题。

3 结 语

数据机床诊断的功能非常强，数据系统提供了相当丰富诊断信息，由软件、硬件控制上设计了多种报警、保护，为数据机床正常运用、维护维修，提供了极大方便。在深入理解基础上根据手册，注意分析，一层一层处理，逐步找出故障，另外特别需要对现场的供电、污染、干扰等环境加以分析。