数控机床的维修

8.4.2　数控机床的维修

1.数控机床维修的基本知识

（1）有关可靠性的概念

数控机床的可靠性和稳定性是人们十分关心的问题，为了对可靠性建立完整的概念，不仅要有定性的概念，而且还要对可靠性建立定量的概念。下面介绍有关可靠性的基本参数基本术语、可靠性的尺度等。

① 平均无故障工作时间MTBF（Mean time between failures）。平均无故障工作时间定义为可修复产品的相邻两次故障间的系统能正确工作时间的平均值。它是伺系统可靠性的主要指标。我国《机床数字控制系统通用技术条件》规定，数控系统可靠性验证平均无故障时间（MTBF）作为衡量指标，具体数值应在产品标准中给出。

② 平均修复时间MTTR（Mean time to repair）。平均修复定义可为修复调和在规定的条件下和规定时间之内能够完成修复的概率，它反映系统的可修复性，其实质是指修复故障的平均时间。

③ 有效度（或可利用率）A。如果把MTBF看作系统的能工作时间，把MTTR看作系统的不能工作时间，那么有效度（可利用率）就是能工作时间与总时间之比，即有效度A为

④ 失效率曲线（或浴盆曲线）。失效率曲线是一条瞬时故障变化曲线。它描述了数控设备瞬时故障随时间变化的关系。

图8-2　失效率曲线

由大量统计分析资料表明，数控设备的失效率曲线如图8-2所示。该曲线恰似一个浴盆，因此又称为浴盆曲线。从失效的类型来分，该曲线可分为早期、稳定期、耗散期。早期失效与设计、制造和装配及元器件的质量有关，一般采取措施可消除。稳定期的故障较少，主要因为操作或维护不良造成的偶发故障。耗散期又称为操作或维护不良造成的偶发故障。耗散期又称为磨损期，故障较多，是由于年久失修和磨损而产生的故障，说明系统的寿命将尽。由失效率曲线可知，数控设备在早期和耗散期，其可靠性较低。由上可知道，数控制备的可靠尾指标主要包括两方面，一是平均无故障工作时间MTBF值；一是有效度A值和MTTR都有关。目前，根据机械加工的特点具体要求，对于一般用途的数控系统，其可靠性的指标至少应达到的要求为：

平均无故障工作时间性MTBF≥300h

有效度　A≥0.95

对于特殊要求或用于FMS和CIMS的CNC系统，其可靠性的要求高得多。

此外，有些国家常采用单位时间内发生故障次数的平均值，即平均故障率，作为可靠性的主要指标。如占世界CNC系统产量近一半的日本FANUC公司CNC系统，就是采用平均月故障作为可靠性的主要指标。

（2）维修的概念

数控机床是一种高效率、高精度、高价格的自动化设备。要发挥数控机床的高效益，就是保证它的开动率。这不仅对数控机床的各部分提出了很高的稳定性、可靠性要求，而且对数控机床的使用与维修提出了很高要求。数控机床维修概念不能单纯局限于发生故障时，如何排除故障和及时修复，这当然是维修很重要的方面，另一方面还应该包括日常维护。即维修的概念包括两方面；一是日常维修（预防性维护），这可以有效地延长MTBF的时间；二是故障维修，在出现故障后尽快修复，尽量缩短MTTR的时间，提高机床的有效度指标。

（3）对维修工作的基本要求

数控机床属于技术密集和知识密集的设备，数控机床的故障往往不是简单易见的。这对维修人员提出了很高的要求。它不仅要求维修人员具有电子技术，计算机技术、电机技术、自动化技术、检查技术、机械物理和机械加工工艺、液压传动等技术知识，还要求具有综合分析和解决问题的能力，能尽快查明故障原因。及时排除故障，提高数控机床的开动率。要做好维修工作，必须首先熟悉数控机床的有关说明书等资料，对数控机床的系统、结构布置等有详细的了解，并作好故障维修前期的准备工作。

（4）故障维修前期的准备工作

为了能及时排除故障，应在平时作好维修前的准备工作，主要有技术准备、工具准备和备件准备三个方面。

① 技术准备

维修人员在平时充分了解系统的性能。为此，应熟悉有关数控机床的操作说明书和维修说明书，掌握CNC系统的框图、结构布置、常见故障及处理方法、需经常部分在印制线路板上可供维修的检测点及其正常状态时的电平或波形。维修人员应妥善保存好CNC系统现场调试完成之后的系统参数文件和PLC（可编程序控制器）的参数文件。这些参数文件是以随机附带的参数表或参数纸带的形式出现的。另外，随机提供的PLC系统功能测试纸带，这些都与机床的性能和使用有关，都需妥善保存。如有可能，维修人员还应备有系统所用的各种元器件手册，以备随时查阅。

② 工具准备

作为用户，需准备一些常规的仪器设备、维修工具，如电压表（测量误差在±2%范围内），万用表、各种规格的旋具、清洗纸带阅读机用的清洁液和润滑油等。如有条件，最好还准备一台带存储功能的双线示波器和逻辑分析仪。这样，在查找故障时，可使故障缩小到某个器件。

③ 备件准备

为能及时排除由于CNC系统的部件或元器件损坏使系统发生的故障，应准备一些常用的备件，具体备件应视所用系统的作用情况来定。一般来说。应配备一定数量的各种保险、晶体管模块以及直流电动机用的电刷。至于价格昂贵的印制线路板可以不准确，尤其是不易发生故障的印制线路板，因为长期不用，反而更易损坏。

④ 建立维护记录档案

数控机床的维护记录档案包括故障发生的时间、现象原因及维护措施等。

（5）故障的概念和分类

数控机床的故障是指数控机床丧失了规定的功能，包括机械系统和数控等各方面的故障。一般所说的数控系统故障是统指数控装置、进给伺服系统及主轴伺服系统这三部分的故障。

数控机床的故障按表现形式、故障性质、起因等有多种分类。

① 按起因的相关性分为关联性和非关联性故障

所谓非关联性故障，即与系统本身无关，如由于运输、安装等外因造成的。而关联性故障又可分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指机床或数控系统部分在一定的条件下必然出现的故障，是一种可重演的故障。随机性故障是指偶然出现的故障。一般随机性故障往往由于机械故障结构的局部松动错位，系统控制软件不完善，硬件工作特性曲线漂移，机床电气元器件可靠性下降等原因造成。这类故障在同样条件下只偶然出现一两次，往往需要经过反复实验和综合判断才能排除。

② 按有无诊断显示分为有诊断显示和无诊断显示的故障

有诊断显示的故障一般都与控制部分有关，根据报警信号，较容易找到故障原因，而无诊断显示的故障，往往机床停在某一位置不能动，甚至手操作也失灵，工作循环进行不下去。这类故障无诊断显示，维修人员只能根据出现故障前后的情况来分析判断，所以排除故障的难度大。

③ 按性质分为破坏性和非破坏性故障

对于由于伺服系统失控造成飞车、短路烧保险等破坏性故障，维修排除时不允许重复出现，只能根据操作者提供的情况进行修理，所以难度较高。对于非破坏性故障，可以经过反复试验，重演故障，因此排除容易。

除上述分类以外，还有多种分类法，如从时间上可分为早期故障、偶然故障和耗损故障。从使用角度可分为使用故障和本质故障。从严重性而言，可分为灾难性、致命性、严重和轻度四类故障。按过程可分为突发故障和渐变故障等等。

（6）故障的处理

在数控机床出现故障时，操作人员应采取急停措施，停止系统运行保护好现场。如果操作人员不能排除故障，除应及时通知维修人员外，还应对故障作尽可能详细的记录，这些记录是分析、查找故障原因的重要依据，记录内容如下：

① 故障的种类

系统处于何种工作方式（MDI、EDIT、JOD等）；系统处于何种工作状态（执行G或M功能、自动运转、暂停等）；报警号；刀具设计及速度是否正常等。

② 故障的频率程度

故障发生的时间及次数；加工同类工作时，发生故障的情况；故障发生的特定状况（换刀、切削螺纹等）；出现故障的程序段。

③ 故障的重复性

在不危害人身安全和设备安全前提下，将引起故障的程度段重复执行多次进行观察。

④ 外界状况

环境温度及变化情况；周围是否有强烈振源；输入电压是否有波动，电压值是多少；是否受到切削液、润滑油的浸渍等等。

⑤ 有关操作情况

经过什么操作后才发生故障；操作方式是否有错误等。

⑥ 机床情况

机床调整状况；切削是否正常（振动、刀尖损坏等）；间隙补偿量是否恰当等。

⑦ 运转情况

在运转过程中是否改变或调整过运动方式；机床是否处于锁住状态；系统是否处于急停状态；系统保险是否烧断；操作面板上方式开关设定是否正确等。

⑧ 机床和系统间接线情况

电缆是否完整无损；电源线和信号线是否分开走线；继电器、电磁铁等是否装有噪声抑制器等。

⑨ CNC装置的外观检查

机框门是否打开，有无切屑进入；机框内风扇电动机是否正常；电缆连接插头是否完全插入、拧紧；印制线路板有无缺损等等。

总之，需要记录的原始数据材料很多，应将现场原始材料记录在预定准备的记录表上，供维修人员维修时使用。

2.数控机床预防性维护

数控机床经过长时间使用后都会出现零部件的损坏，及时开展有效的预防性维护，可以延长元器件的工作寿命，延长机械部件的磨损周期，防止意外恶性事故发生，延长机床的工作时间。

要做好数控机床预防维护工作，要求数控机床的操作人员必须经过专门训练，必须详细熟读数控机床的说明书，对机床有一个详细的了解，包括机床结构、特点和数控机床系统的工作原理等。

（1）CNC系统的日常维护

CNC系统进行日常维护保养的要求，在CNC系统的使用、维修说明书中一般有明确的规定。总的来说，要注意一下几个方面；

① 制定CNC系统的日常维护的规章制度

根据各种部件的特点，确定各自保养条例，如规定哪些方面需要天天清理，哪些方面需要定时加油或定期更换等。

② 应尽量少开数控柜和强电柜的门

因为机加工车间空气中一般都含有油雾、漂浮的灰尘甚至金属粉末。一旦它们落到机床装置内的印制线路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，并导致元器件及印制线路板损坏，因此，应该严格地规定，除非进行必要的调整和维修，否则不允许加工时敞开柜门。

③ 定时清理数控装置散热通风系统

应每天检查数控装置上各个冷却风扇工作是否正常，视工作环境的状况，每半年或每季度检查一次风道过滤通道是否有堵塞现象，如过滤网上灰尘急剧增多，需及时清理，否则将引起数控装置内温度过高（一般不允许超过55℃～60℃），致使CNC系统不能可靠地工作，甚至发生过热报警现象。

④ CNC系统的输入/输出装置的定期维护

现有的数据装置绝大部分都带有光电式纸带阅读机，它们是CNC装置外部信息输入的一个重要的途径。如果读带机部分被污染，将导致读入信息出错。为此，需要做到以下几点：第一，一旦纸带阅读机使用完毕应将装有纸带阅读机的小门关上，防止灰尘落入；第二，每天必须对光电阅读机的表面（包括发电体和受光体）、纸带压板、纸带通道，用蘸有酒精的纱布进行擦拭；第三，每周定时擦拭纸带阅读机的主动轮滚轴、压紧滚轴以及导向滚轴等运动部件；第四，对导向滚轴、张紧臂滚轴等应每半年加注一次润滑油。

⑤ 定期检查和更换直流电动机电刷

直流电动机电刷的过度磨损将会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏，为此，应对电动机进行定期检查和更换，检查周期随机床使用频率而异，一般为每半年或一年检查一次。

⑥ 经常监视CNC装置用的电网电压

CNC装置通常允许电网电压在额定值+10%至－15%的范围内波动。如果超出此范围就会、造成系统不能正常工作，甚至会引起CNC系统内电子器件损坏，为此，需要经常监视CNC装置用的电网电压。

⑦ 存储器用电池的定期更换

存储器如采用CMOS RAM器件，为了在数控系统不通电期间保持存储的内容，设有可充电电池维持电路，在正常电源供电时，由+5V电源经一个二极管向CMOS RAM供电，同时对可充电电池进行充电；当电源停电时，则该由电池供电维修CMOS RAM的信息。在一般情况下即使电池尚未失效，也应每年更换一次，以便确保系统正常工作。电池的更换应在CNC装置通电状态下进行。

⑧ CNC系统长期不用时维护

为提高系统的利用率和减少系统的故障率，数控机床长期闲置不用是不可取的。若CNC系统处于长期闲置的情况下，需注意以下两点；一是要经常将系统通电，特别是在环境湿度较大的梅雨季节更是如此。在机床锁住不动的情况下，让系统空运行，利用电器元件本身的发热来驱散数控装置内的潮气，保证电子部件性能的稳定可靠。实践表明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低故障的有效措施；二是如果数控机床采用直流电动机来驱动时，应将电刷从直流电动机中取出，以免由于化学腐蚀作用，使换向器表面腐蚀，造成换向性能变坏。

⑨ 备用印制线路的维护

印制线路板长期不用是很容易出故障的。因此，对于已购置的备用印制线路板应定期装到CNC装置上通电一段时间，以防损坏。

（2）机械系统的日常维护

数控机床机械系统的定期维护是预防性的另一重要内容。如表8-2所示列举了数控机床定期维护的具体内容和要求。

表8-2　数控机床定期维护表

表8-2所示仅列出了日常维护检查的一些主要内容，对机床运动频繁的部分应作重点检查。例如，加工中心的自动换刀装置动作频繁，最容易发生故障，所以刀库的选刀及定位、机械手相对刀库和主轴定位精度等被列入了日常维护内容。

3.数控机床故障维修的难点

数控机床故障维修的难点也是最重要的环节，就是查找故障原因。为了确定故障原因，不仅需要丰富的理论知识和实践经验，而且必须采用一定的方法，在经过充分的调查分析后，才能作出准备的判断和正确处理。

在查找故障时，一般要遵循下述两条原则；

（1）充分调查故障现场

这是维修人员取得第一手材料的一个重要手段，一方面要向操作者调查，详细询问出现故障的全过程，查看故障记录单，了解发生过什么现象，曾采取过什么措施等，另一方面要对现场作细致的勘查。从系统的外观到系统内部各印制线路板都应细心地查看是否有异常之处，在确认系统通电无危险的情况下，方可通电，观察系统有何异常以及CRT显示的内容等。

（2）认真分析产生故障的起因

当前的CNC系统，其智能化程度都比较低，系统尚不能自动诊断出故障的确切原因往往是同一报警号可以有多种起因，不可能将故障缩小到具体的某一部分。因此，在分析故障的起因时一定要思路开阔，往往有这样一种情况，自诊断出系统的某一部分有故障，但究起源，却不在数控系统，而在机械部分。所以，无论是CNC系统，机床强电，还是机械、液压、气路等，只要有可能引起该故障的原因，都要尽可能全面地列出来，进行综合判断和筛选，然后通过必要的试验，达到确诊和最终排除故障的目的。

查找故障的方法很多，在此介绍故障检查的一般方法。

（1）CNC系统故障检查的一般方法

我国现有的数控机床上所用的CNC系统，品种极其繁多，下面介绍常用故障检查方法。

① 直观法

这是一种最基本的方法。充分利用人的看、听、闻等感官来缩小故障检查范围，往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印制线路板。这要求维修人员具有丰富的实际经验，要有多科学的较宽的知识和综合判断能力。

② 自诊断功能法

现代的数控系统已经具备了较强的自诊断功能，能随时监视数控系统硬件和软件的工作状况。一旦发现异常，立即在CRT上显示报警信息或用发光二极管指示出故障是大致起因。利用自诊断功能，也能显示出系统与主机之间接口信号的状态，从而判断出故障发生在机械部分还是数控系统部分，并指示出故障的大致部位，这个方法是当前维修时最有效的一种方法。

③ 功能程序测试法

所谓功能程序测试法，就是将数控系统的常用功能和特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序测试纸带，通过纸带阅读机送入数控系统中，然后启动数控系统使之运行，借以检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能起因，本方法对于长期闲置数控机床第一次开机时的检查以及机床加工造成废品但又无报警的情况下，当难以确定是编辑错误或是操作错误，还是机床故障时，是一种较好的方法。

④ 换板法

这是一种简单易行的方法，也是现场判断时最常用的方法之一。 所谓换板法，就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印制线路板、模块、集成电路芯片或元件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印制线路板或芯片一级。它实际上也是在验证分析的正确性。

在备板交换之前，应仔细检查备板是否完好，并且备板的状态应与原板状态完全一致。这包括检查板上的选择开关，短路棒的设定位置以及电位器的位置。在置换CNC装置的存储器板时，往往还需要对系统作存储器初始化操作（如日本FANUC公司的FS-6系统用的磁泡存储器就需要进行这项工作），设定各种数控数据，否则系统仍将不能正常工作。

⑤ 转移法

所谓转移法，就是将CNC系统中具有相同功能的两块印制线路板、模块、集成电路芯片或元器件相互交换，观察故障是否随机转移，从而迅速确定系统的故障部位。这个方法实际上就是换板法的一种。因此，有关注意事项同换板法所述。

⑥ 参数检查法

系统参数能直接影响数控机床的性能，参数通常是存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM中，一旦电池不足或由于外界某种干扰因素，会使个别参数丢失或变化，发生混乱，使机床不能正常工作，此时，通过核对、修正参数，就能将故障排除。当机床长期闲置，工作时无缘无故地出现或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。

⑦ 测量比较法

CNC系统生产厂在设计印制线路板时，为了调整、维修的便利，在印制线路板上设计了多个检查用端子。用户也可以利用这些端子比较测量正常的印制线路板和有故障的印制线路板之间的差异。可以检测这些测量端子的电压或波形，分析故障所在位置。甚至，有时还可以对正常的线路板人为地制造“故障”，如断开连接或短路，拔去组件等，以判断真实故障的起因。

⑧ 原理分析法

根据CNC系统的组成原理，可从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数（如电压值或波形），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪进行测量、分析和比较，从而对故障定位。运用这种方法，要求维修人员必须对整个系统或每个电路的原理有清楚的、较深的了解。

除了上述常用的故障的检查测量方法外，还有拔板法、电压拉偏法、开环检测法、敲击法、局部升温法、离线诊断法等多种方法。这些检测方法各有特点。按照不同的故障现象，可以同时选择几种方法灵活应用，对故障进行综合分析，才能逐步缩小故障范围，较快的排除故障。

一旦故障部位找到，暂无可替代的备件时，可以用移植的办法，作为应急措施来解决，例如某一组件坏了（如与非门或触发器等），但损坏的只有组件中的一部分，没有全部用满，此时可将没有使用的富余部分取来作为应急用，具体的作法是，切断已损坏部分的插脚（包括输入和输出脚），然后用机关内信号输入、输出线引至富余的组件插脚上即可，从而可使数控机床尽快地恢复工作。

（2）机械故障上维修

数控机床是机、电、液、气等一体化的机床，由各部分的共同作用来完成机械移动、转动、夹紧放松、变速和刀具转位等各种动作。当机床工作时，他们各项功能相结合，发生故障时也混在一起。有些故障形式相同，引起的故障原因却不同。这些故障诊断和排除带来很大困难。

一般来说，机械故障类型可分为以下几种：

① 功能性故障

主要指工件加工精度方面的故障，表现加工精度不稳定，加工误差大、正反向误差大、工件表面粗糙度大。

② 动作型故障

主要指机床各种动作故障。表现为主轴不转动、液压变速不灵活、工件夹不紧、转塔刀架定位精度低等。

③ 结构型故障

主要指主轴发热、主轴箱噪声大、产生切削振动等。

④ 使用型故障

主要指使及操作不当引起的故障，如过载引起的机件损坏、撞车等。

各种机械故障通常可通过细心维护保养、精心调整（如调整配合间隙、供油、气压力、流量、轴承及滚珠死杠的预紧力）来解决。对于已磨损、损坏或者已失去功能的零部件，可通过修复或更换部件来排除故障。由于床身结构刚性差、切削振动大、制造质量差等原因产生的故障很难排除。

数控机床机械结构部分的维修与普通机床有很多共同之处，可以参照机修手册进行。由于数控机床电气控制功能的增强，使得机械结构大大减少，如表8-3所示以立式加工中心为例，介绍常见机械故障及排除方法。

表8-3　常见机械故障排除方法

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