数控机床故障诊断及维修
摘 要 随着数控技术的发展和应用，其维修理论、技术和手段也相应得到变化、以通例通用的方法阐述数控机床的故障诊断及维修方法，以供读者参改。
数控维修和故障诊断技术不仅是保障系统正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了推动作用，目前它已经形成了一门专门的学科。
一、数控系统诊断的基本条件
数控系统种类繁多、新旧夹杂，在维修上必须具备一定条件并作充分准备。
1.随时可以得到微电子元器件的供应。
2.必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机及编程系统或编程器。
3.完整资料、手册、线路图、维修说明书(包括CNC操作说明书)、接口，调整与诊断、驱动说明书、PLC说明书(包括PLC用户程序单)、元器件表格等。
二、现场诊断与维修
现场诊断与维修是对数控机床所出现的故障(主要是数控部分)进行诊断，找出故障部位，以相应的手段排除，从而恢复数控系统及数控机床正常运行的过程。其中的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位。从整机定位到插线板，在某些场合下甚至定位到元器件。
1.数控系统一般的故障诊断
(1)初步判别
通常在资料较齐全的条件下，可通过资料分析判断故障所在，或采取接口信号法根据故障现象判别可能发生故障的部位，而后再按照故障特征，与这一部位的具体特点逐个部位检查。
在实际应用中，对一个故障可能用一种方法即可查到并排除，有时可能需要多种方法并用。对各种判别故障点的方法的掌握度主要取决于对故障设备的原理与结构掌握的深度。
(2)报警处理
①系统报警的处理
数控系统发生故障时，一般在显示屏或操作面板上给出故障号和相应的信息。通常系统的操作手册或调整手册中都有详细的报警号、报警内容和处理方法。由于系统的报警设置单一、齐全、严密、明确，维修人员可根据每一警报后面给出的信息与处理办法自行处理。
②机床报警和操作信息的处理
机床制造厂根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过一个特定的键，看到更详尽的报警说明。这类报警可以根据机床厂提供的排除故障手册进行处理。也可以利用操作面板或编程器，根据电路图和PLC程序，查出相应的信号状态，按逻辑关系找出故障点，并进行处理。
(3)无报警或无法报警的故障处理
当系统的PLC无法运行，但系统已停机，或系统没有报警但工作不正常，这时，需要根据故障发生前后的系统状态信息，运用已掌握的理论基础，进行分析，做出正确的判断。
2.故障诊断方法。
(1)常规检查法
①目测 目测故障板，仔细检查有无保险丝烧断，元器件烧焦、开裂现象，有无异物短路现象。以此可判断板内有无过流、过压、短路等问题。
②手摸 用手摸并轻摇元器件有无松动，可检查出一些断脚、虚焊等问题。
③通电 首先用万用表检查各种电源之间有无断路现象，如无即可接入相应的电源，目测有无冒烟、打火等现象，手摸元器件有无异常发热的现象，以此可发现一些较为明显的故障，缩小检修范围。另外，根据用户提供的故障现象，结合自己的现场观察，运用系统工作原理亦可迅速做出正确判断。
④仪器测量法
当系统发生故障后，采用常规电工检测仪器、工具，按系统电路图及机床电路图，对故障部分的电压、电源、脉冲信号等进行实测，判断故障所在。如电源的输入电压超限，引起电源监控，可用电压表测网络电压，或用电压测试仪实时监控，以排除其它原因。如发生位置控制环故障可用示波器检查测量回路的信号状态，或用示波器观察其信号输出是否缺相，有无干扰。
(2)用可编程序进行PLC中断状态分析
①可编程控制器发生故障时，其中断原因以中断栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障之所在。在可编程控制器的维修中这是最常用，有效和快速的办法。
②接口信号检查
通过用可编程控制器检查机床控制系统的接口信号，并与接口手册刊登的正确信号相对比，亦可查出相应的故障点。
(3)诊断备件替换法
现代数控系统大都采用模块化设计，按功能不同划分不同模块。随着现代技术的发展，电路的集成规模越来越大，技术也越来越复杂。按照常规的方法，很难把故障定位到一个很小的区域，而一旦系统发生故障，为了缩短停机时间，可以根据模块的功能与故障现象，初步判断出可能的故障模块，用诊断备件将其替换，这样可迅速判断出有故障的模块。在没有备件的情况下可以采用现场相同或相容的模块进行替换检查。对于现代数控的维修，越来越多的情况下采用这种方法进行诊断，然后用备件替换损坏模块，使系统正常工作，可缩短故障停机的时间。使用这种方法在操作时注意一定要在停电状态下进行，还要仔细检查线路板的版本、型号、各种标记跨接是否相同，对于有关的机床数据和电位计的位置应做好记录。拆线时应做好标志。
(4)利用系统的自诊断功能判断
现代数控系统尤其是全功能数控一般都具有自诊断能力，通过实施监控系统各部分的工作，及时判断故障，给出报警信息，并做出相应的动作，避免事故发生。然而有时当硬件发生故障时，就无法报警，在有的数控系统可通过发光管不同发闪烁频率或不同的组合做出相应的指示，这些指示配合使用就可帮助我们诊断出故障模块的位置。
在实际应用时，上述诊断方法之间无严格的界限，可能用一种方法就可排除故障，亦可能需要多种方法同时进行。其效果主要取决于对系统原理与结构的理解与掌握的深度，以及维修经验的多少。
3.数控系统的常见故障分析
根据数控系统的构成、工作原理和特点，结合在维修中的经验，将常见的故障部位及故障现象分析如下：
(1)位置环
这是数控系统发出控制指令，并与位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节，它具有很高的工作频度，并与外设相连接，所以容易发生故障。常见的故障有：
①位控环报警，可能是测量回路开路，测量系统损坏，位控单元内部损坏。
②不发指令就动作，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障，测量元件损坏。
③测量元件故障，一般表现为无反馈值，机床回不了基准点，高速时漏脉冲产生报警可能的原因是光栅测量元件内灯泡坏了，光栅或读头脏了，光栅坏了。
(2)伺服驱动系统
伺服驱动系统与电源电网、机械系统等相关联，而且在工作中一直处于频繁的启动和运行状态，因而故障较多。
①系统损坏。一般由于网络电压波动太大，或电压冲击造成。
②无控制指令，而电机高速运转。这种故障的原因是速度环开环变为正反馈。
③加工工件表面达不到要求，走圆弧插补轴换向时出现凸台，或电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服系统调整不当，各轴增益系统不相等或电机匹配不合适引起，解决办法是进行最佳化调节。
④保险烧断，或电机过热，以致烧坏，这类故障可能的原因一般是机械负载过大或卡死。
(3)电源部分
电源失效或故障会造成系统的停机或损坏整个系统。我国由于电力紧张，电源波动较大，而且质量差，如高频脉冲的干扰，还有一些人为的因素，如突然拉闸断电等。
另外，数控系统部分运行数据、设定数据以及加工程序等一般存储在RAM存储器内，系统断电后，靠后备蓄电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或存储器都可能造成数据丢失，使系统不能运行。
(4)可编程序控制器逻辑接口
数控系统的逻辑控制如刀库管理、液压启动等，主要由PLC来实现，要完成这些控制就必须采集各控制点的状态信息，如断路器、伺服阀指示等。因而，它与外界种类繁多的各种信号源和执行元件相连接，变化频繁，所以发生故障的可能性就比较多，而且故障类型亦千变万化。
(5)其他
由于环境条件，如干扰、温度、湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可造成停机或故障。不按操作规程拔插线路板，或无静电防护措施等，都可能造成停机故障甚至损坏系统。
4.故障排除方法
(1)初始化复位法
一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障。若系统工作存储区由于掉电、拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化。清除前应注意作好数据拷贝。若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。
(2)参数更改，程序更正法
系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误可能造成系统的故障或某功能无效，此类问题可根据手册输入正确的参数即可。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。
(3)调节、最佳化调整法
调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。
最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其方法是用一台多线记录仪或具有存储功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系，通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到既有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪时，可采用一种经验的办法，即调节使电机起振，然后以反向慢慢调节，直到消除振荡即可。
(4)备件替换法
用好的备件替换诊断出来的坏线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板进行再检测和修理。
(5)改善电源质量法
目前一般采用稳压电源，来改善电源波动，对于高频干扰可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。
(6)维修信息跟踪法
一些大的制造公司根据实际工作中，由于设计缺陷而造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员。这些信息可以做为故障排除的依据，可彻底排除故障。
三、维修调试后的技术处理
在现场维修结束后，应认真填写维修记录，列出有关必备的备件清单，建立用户档案；对于故障时间、现象、分析诊断方法、排除故障方法，如果还有遗留问题应详尽记录，这样不仅使每次故障都有据可查，而且也可以积累维修经验。