数控系统故障诊断实训教学指导方法“三步曲”

姜爱国

（江苏省联合职业技术学院无锡交通分院，江苏 无锡 214000）

0 引言

在数控机床的实训教学活动中，引入大国工匠的典型案例，激发学生的求知热情，除了教会学生正确操作机床以外，还要将在实际工作中可能碰到的系统方面存在的故障，通过仿真教学软件模拟，现场演示，人为设置数控系统的一般故障，再结合生产实际与典型故障实例，引导学生循序渐进地掌握数控系统基本的故障的诊断方法，提高学生的认知兴趣，使他们成为“演奏能手”，认真完成故障诊断的“三步曲”。

1 一步曲之数控系统故障

判断时要求数控维修技术人员思维敏捷工作经验丰富，熟悉数控机床的结构原理，掌握数控系统各模块之间的联系，具有伺服系统、机电、计算机和传感器和关联节点的专业知识。查找数控系统故障如中医诊断病情一样，通过望、闻、问、切，内外因相结合，利用我们的感官注意发生故障时（或故障发生后）的各种外部现象并判断故障的可能部位。在发现故障的现场，通过观察故障时哪儿有异响，哪里有打火发光，气味异常，温度骤然升高，运动部件的动作不同步、振动失常情况等，就能大致判断出故障；还能结合各种电气控元件的表面情况，从而进一步缩小检查范围。再者，检查系统各种连接电缆有否松脱，断开、接触不良也是处理数控系统故障时首先需要想到的。

1.1 数控系统故障分析

1.1.1 数控系统组成

计算机数控系统（CNC）是以计算机为核心的数控装置，CNC装置是计算机数控系统的核心，它包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他部分联系的接口及相应的控制软件。由于数控系统工作的连续性和复杂性，所以很容易产生相应的故障。

1.1.2 CPU板的故障诊断

CPU板它是整个数控系统的核心，其中包括了PLC、CNC的控制、处理线路。CPU板上主要安装有处理器、插补器、RAM、EPROM、通信接口、总线等部件，系统软件固化在EPROM中。

当CPU板发生故障时，一般会有以下现象发生：

（1）屏幕无任何显示，系统无法启动，CPU板上的报警指示红灯亮；（2）系统不能通过自检，屏幕有图像显示，但不能进入CNC正常界面；（3）屏幕有图像显示，能进入CNC界面，但不响应键盘的任何按键；（4）通讯不能进行。

维修方法：一般情况下当CPU板发生故障时，只能更换新的CPU备件板。

1.2 伺服驱动系统方面

（1）伺服驱动系统损坏。这种情况一般由于电网电压波动太大，或由电压冲击造成。还一些是由于特殊原因造成的损坏，由于雷击变电站，并窜入电网而造成多台机床伺服驱动系统损坏。

（2）无控制指令电机仍高速运转。这种故障的原因是伺服驱动系统速度环开环或正反馈。

（3）正常走刀时出现联动轴不同步，工作台丝杠转动异常，已加工表面异常，走圆弧插补轴换向出现凸台，电机低速爬行，应该首先检查硬件有无损坏，连接部分的调节有没有到位，应逐一检查调整使其恢复正常工作状态。

（4）保险丝熔断，或电机过热烧坏伺服驱动系统。建议更换熔丝或者电机等[1]。

2 二步曲之系统硬件故障

数控系统品种很多，各型系统复杂程度参差不齐，功能各异，结构样式也有差异。那么对于这样复杂、综合的系统，故障的诊断是存在一定的方法和规律的。这是指导学生实训的关键，以下奏响故障诊断的第二步曲：

2.1 数控系统的硬件故障

出现硬件故障时会造成数控机床停机。对于这类故障的诊断，首先必须了解该数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，在有条件的情况下利用交换法准确定位故障点。通常情况下，一般只要求能够根据模块的功能结合故障现象，判断、查找出发生故障的模块，进行备件的替换。

2.1.1 数控系统故障LED报警显示

数控机床控制系统多配有面板显示器、指示灯。面板显示器可把大部分被监控的故障识别结果以报警的方式给出。数控装置上的LED发光管，用于显示系统状态和报警当CNC出现故障时，可以通过发光管的状态，判断系统运行时的状态和出现故障的范围。

2.1.2 有硬件故障时LED报警显示

系统状态的LED（红色报警LED）报警含义可以参见数控系统的说明书。

2.1.3 显示系统的故障诊断

系统显示控制主要由LCD、视频板等部件组成。LCD的作用是将视频信号转换为图像进行显示；视频板的作用是将字符及图像点阵转换为视频信号进行输出。

LCD的故障诊断常见的一般有以下几种情况：

（1）屏幕无任何显示，该故障可能是显示模块熔丝熔断，应更换熔丝。（2）屏幕无显示，但仔细看，可看到有字符显示，该故障可能是灯管损坏，应更换灯管。（3）屏幕出现部分内容不能显示，通常是显示屏线断线或接触不良，应检查或更换屏线。

2.2 存储器板的故障诊断

存储器板发生故障时，一般有以下几种现象：（1）系统死机，无法启动。（2）存储器上的软件与CPU板上系统软件不匹配，导致系统死机或报警。存储器板发生故障时，若通过更换软件仍然不能排除故障，一般应更换一块新的备件板[2]。

3 三步曲之系统软件故障

3.1 数控系统常见软件故障

数控系统中的软件大多数都是嵌入式软件，与硬件有着紧密关系并且运行在特定的硬件环境中。据统计，嵌入式系统的运行失效中有75%是由其中的软件失效所引起的。事实上软件失效所导致的系统故障已经成为数控设备故障诊断中一个不容忽视的问题：

（1）软件失效多数是由程序代码中的固有错误所导致的，因数控机床系统参数设置不当，或者因意外使参数发生变化或混乱，这类故障只要调整好参数，就会自然消失。

（2）由于偶然原因使NC系统处于死循环状态，这类故障有时必须采取强行启动的方法恢复系统的使用。

（3）对于嵌入式软件来说，软硬件之间的接口错误也是导致软件故障的一个重要因素。

3.2 软件故障排除方法

3.2.1 系统软件及数据的保护

PLC用户程序、报警文本、NC与PC机床数据等数据是机床制造厂编制并经过调整、优化得到的数据，它是数控机床的关键，而且存储于用电池供电的RAM存储器子模块中，因此清除和修改都很容易。一旦这些内容被改写或丢失，整台机床就不能正常工作，因此，应采取以下措施保护这些软件和数据。

（1）将系统软件和数据通过PCIN软件进行备份，存储于磁盘（或光盘）中，最好能打印成文字的形式，以便进行校对与手动输人。

（2）系统软件和数据可以通过操作清除和修改，这样虽然给机床调整带来了方便，但如果管理不善，也会造成人为的故障。特别是初始化操作，极有可能删除系统软件和数据，因此，应通过设置密码与制定相应的制度，防止误操作。此外，修改机床数据、进行初始化调整工作，最好通过维修人员进行以防止人为故障。

（3）系统有多种规格，各种规格的软件自成体系。不同版本的软件对启动芯片有特定的要求，软件不能混合使用，否则系统将不能正常启动。此外，不同版本的软件对机床数据的定义、调整方法，甚至工作状态和显示界面的配置也有差异。维修人员处理故障时，应针对不同的软件版本，进行相应处理。

3.2.2 参数调整

指导并培养学生对系统参数的再认识能力。在设计和制造数控系统时，虽已考虑到系统的可靠性问题，但不可能排除外界的一切干扰；同时，人为误操作使得系统参数变更也是可能的。所以，在诊断故障过程中，如果尝试上述几项方法后，问题仍不能解决，就应该核对数控系统对应参数，如果是参数变更引起的，这类故障便是我们的常说的“软”故障，查到了症结所在，所有的问题才能迎刃而解。

4 结语

以上的实训指导过程中的“三步曲”，各有特点及适用范围。对于较为复杂的故障，需要将“三步曲”同时演奏，正确判断出故障起因和故障的具体部位，使学生不但知其然，而且知其所以然，才能产生较好的实训教学效果，从而不断提高学生发现问题解决问题的实际能力。