数控设备的日常维护与保养

1.2　数控机床故障诊断维修基础

1.2.1　数控设备的日常维护与保养

数控设备的维修首先是日常维护与保养，数控设备的日常维护与保养可以减少机械传动部件的磨损，延长电子元器件的使用寿命，从而可以增加数控设备的可靠性和稳定性。数控设备的维护与保养在设备出厂说明书中有明确的规定，对此应该严格遵守。例如某加工中心的维护点检表如表0. 2所示。

由于数控设备集机、电、液、气等技术为一体，所以对于它的维护要有科学的管理，有目的地制定出相应的规章制度。对维护过程中发现的故障隐患应及时清除，避免停机待修，延长设备平均无故障时间，增加设备的利用率。

表0.2　某加工中心的维护点检表

1.2.2　数控机床维修原则及人员素质要求

1.数控机床的故障诊断与维修应遵守的原则

（1）先静后动

人：不（盲目）动手，先调查。

机床：先静态（断电）后动态。先“观”一切有无异常，后“测与查”。

（2）先外后内

先表观“望、闻、听、问”后及其内。

望——观察；闻——是否嗅到特殊气味；听——声音；问——向操作员询问情况。

观察：工作地环境状态情况是否符合设备的要求。

注意：机电一体化机床设备的连接部位有无异常，连接与接触是否良好，关系到信号是否丢失问题。所以，对这些部分在现场观察中应该特别注意。

（3）先软后硬

先充分利用系统的自诊断，先检查软件或参数，这有利于故障类型判别与大定位。

注意：有不少硬件故障可用软的方法补救，可以省力省时，例如修改状态参数的办法。

（4）先公后专

即先共性后个性，先查共有部位，如电源部分（主电源电路及其保护电路、接地情况等）、PLC、液压、润滑与冷却等。

（5）先一般后特殊

即先查常见故障部位。例如Z轴回零不准，先查挡块位置。

对于机床新与老、调试阶段与维修后情况不同，先查对应条件下的常见故障。

（6）先机后电

如果可能是机械与电气故障并存时，先检查机械成因，这是因为有很大比例表现为电气故障，实际上是机械动作失灵引起的，而且机械故障一般比较容易检查。

（7）先简后繁（先易后难）

先检查简单的易查的故障成因，这是因为复杂故障可能是由多个简单故障成因合成的。

（8）先查输入后查负载

以独立单元概念入手，先查有无输入，再查负载反馈效应，最后确定所怀疑的独立单元是否失效。

2.维护及维修人员的素质要求

①维护及维修人员应熟练掌握数控机床的操作技能，熟悉编程工作，了解数控系统的基本工作原理与结构组成，这对判断是操作不当或编程不当造成的故障十分必要。

②维护及维修人员必须详细熟读数控机床有关的各种说明书，了解有关规格、操作说明、维修说明，以及系统的性能、结构布局、电缆连接、电气原理图和机床梯形图（PLC程序）等，实地观察机床的运行状态，使实物和资料相对应，做到心中有数。

③维护及维修人员除会使用传统的仪器仪表工具外，还应具备使用多通道示波器、逻辑分析仪和频谱分析仪等现代化、智能化仪器的技能。

④维护及维修人员要提高工作能力和效率，必须借鉴他人的经验，从中获得有益的启发。在完成一次故障诊断及排除故障过程后，应对诊断排故障工作进行回顾和总结，分析能否有更快、更好的解决方法，一个有代表性的诊断检修捷径是从“重复故障”中总结出来的，因此，维护及维修人员在经过一定的实践阶段后，对一定的故障形式就很熟悉，那么，以后不需要很多的维修人员。

⑤作好故障诊断及维护记录，分析故障产生的原因及排除故障的方法，归类存档，为以后的故障诊断提供技术数据。

1.2.3　数控机床的主要故障

1.故障诊断的3个环节

一般来说，可将数控机床故障诊断分成3个环节，即故障类型判断、故障隔离与故障定位。

故障类型判断——这是数控机床故障诊断中的最重要的一环。故障类型判断的正确与否，直接关系到一次诊断工作的成败与效率问题。因为不同的故障类型，对应有其特殊的分析方法。判断出故障所属的类型后，即可采用该类型有效的分析方法进行具体分析。

故障隔离——当判断出是硬件或器件故障时，将最怀疑的单元采用一定的方法进行隔离。例如采用短路销（或称短路棒）或断开该单元的对外连接等，以便于诊断判定此单元是否为故障单元。

故障定位——即通过故障点测试来判定故障源——真正的故障成因。后续的分析中将可以理解一个事实：一种故障现象，往往可对应不同的故障成因。下位故障的发生往往可能是上位输入不正确造成的。所以，当发现某程序模块或器件/硬件存在故障现象时，并不能认为该部分就是产生故障的根源。对于硬件或器件问题，可以采用标准信号强制输入法或相同单元的交换法或替代法等，来判定该单元是否存在故障。对于软性故障，同样可以用状态对比予以鉴别。总之，只有做到精确的故障定位，才能合理地处理与消除故障源，恢复设备的正常运行。

2.数控机床的故障类型

数控机床故障的分类方法有很多种，例如，按造成故障的内、外因素进行分类；按故障发生后有无报警进行分类；按故障产生的必然性与偶然性进行分类，或者称为按重演性故障与随机性故障进行分类；按故障发生部件进行分类等。

①数控机床故障按发生性质分类，可以分成主机故障与电气故障两大类。

主机故障（也称机械故障），是指那些发生于机床本体部分的故障（以后，我们将“发生于机床本体部分”简单地称作发生部位是“机床侧”）。主机部分主要包括机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护装置系统等。

常见的主机故障有：因机械安装、调试及操作使用不当等原因引起的机械传动故障与导轨运动摩擦过大等故障，也包括工艺故障等。故障现象表现为传动噪声大，或是运行阻力大、加工精度差等。例如：轴向传动链的挠性联轴器松动，齿轮、丝杠与轴承缺油，导轨塞铁调整不当，导轨润滑不良，以及系统参数设置不当等原因均可导致上述故障现象的出现。尤其是机床上那些标明的注油点（注油孔），必须定时、定量加注润滑油（剂）。这是机床各传动链正常运行的基本保证。所以，一旦出现上述故障现象，首先应该检查操作工的工作日记，以确定是否正常润滑问题。另外，润滑、液压与气动系统的主要故障为管路阻塞或密封不良。

电气故障又可以分成强电故障与弱电故障。

强电故障：发生部位是机床侧，是指那些发生于机床侧的电器器件及其组成电路中的故障。诸如继电器、接触器、各类开关、电源变压器、空气断路器、熔断器、电磁铁，以及电动机等电气器件及其相关的电路。一般而言，强电故障是比较容易被检查出来的。

弱电故障：发生部位是CNC侧，是指那些发生于CNC系统中CNC装置、PLC装置、伺服控制与检测系统以及I/ O接口装置等的微电子/数字电路中的各种故障。由于CNC系统包括了硬件与软件结构，所以，弱电故障包括软件故障与硬件故障两类。

硬件故障：发生于CNC侧，是指那些具有印刷电路板的微电子电路中的故障——包括集成电路芯片、分立元件、接插件、外部组件、直流电源、印刷电路板以及电缆等器件本身性能故障或接触性故障。

软件故障：包括系统程序或参数出错和控制程序问题。具体可以包括：计算机运算错误、系统参数改变或丢失、系统程序改变或丢失、加工程序出错。需要注意，涉及操作失误、电磁干扰造成数据或参数混乱，也属“软”故障。所以，以后分析中也常将故障分成“硬性故障”和“软性故障”。

②按照故障发生时有无报警显示可以分成有报警显示故障与无报警显示故障两类。由于数控系统的自诊断功能，在开机时作启动诊断与工作中的在线诊断。所以，CNC系统可以对数控系统的故障软件、关键硬件以及重要的外部关联装置进行实时状态监测，并及时显示诊断结果。所以，有报警显示故障又可以分成硬件报警显示故障与软件报警显示故障。

硬件报警显示：通常是那些主要单元装置上的LED发光管或小型指示灯的显示来表明该单元存在故障；或者像伺服单元那样，以七段数码管上的相应位置的显示，来指示对应的故障部位。查照技术手册，即可得到故障发生的大的部位以及故障性质。因此，维修人员进行日常维护工作和故障诊断时，应该认真检查这些警示灯的状态是否正常。

软件报警显示：通常是指CRT显示器上显示出报警号和报警信息。常见的软件报警显示有存储器警示、程序出错警示、主轴警示、伺服系统警示、轴超程警示、过热警示、过载警示以及断线警示等。软件报警显示少则有几十种，多则有上千种。系统的报警能力大小也是衡量数控系统功能的指标之一。充分利用数控系统本身的自诊断功能，必定大大提高诊断维修工作的效率。

无报警显示的故障：是指数控系统没有给出任何警示的那些故障。这类故障分析与诊断的难度较大。请注意：没有报警显示的原因，可能是系统不具有对那些故障的报警能力，或者是系统处于失电状态而不能或丢失了报警信息。所以，在出现故障时，除非危及设备与人身安全的情况之外，不要马上断电，而应该是先检查并记录所有可能的故障警示、故障现象，以及出现故障时的工作状况。无报警显示，不等于出现故障时无故障现象。任何故障的出现，总伴有一定的故障现象。例如，加工误差过大、运行轴的振动与噪声，其实都属于无报警显示的现象报警类故障。所以，对故障出现前后的状态与现象，进行仔细的对比分析就更为重要。

3.数控机床的主要故障

数控机床的故障诊断与维修，从故障诊断与检测到故障的排除，其中难度最大、工作量最多、涉及学科交叉最广的部分——也即数控机床的CNC系统，这也是数控机床区别于普通机床的特殊部分。由数控机床的特殊性可以想到：数控机床的主要故障是电气故障，频繁动作的大量机床控制电器、要求定位精确和环境良好的检测元件及其电路、大规模的数字集成电路及其元器件以及复杂的I/ O电路等印刷电路板、线路与元器件等与硬件故障往往占有较高的故障率。据统计，其中低压电器故障率约占30%。易受干扰的数字信号，往往与占故障率5%的“不明原因”故障有关。监控程序、管理程序以及微程序等造成的软件故障约占故障率的10%。

1.2.4　数控机床故障诊断的常用方法

数控机床故障诊断一般采用追踪法、自诊断功能、参数检查、替换法、测量法。

（1）追踪法

追踪法是指在故障诊断和维修之前，维修人员先要对故障发生的时间、机床的运行状态和故障类型进行详细了解，然后寻找产生故障的各种迹象。大致步骤如下：

1）故障发生的时间

故障发生的时间和次数；故障的重复性；故障是否在电源接通时出现；环境温度如何；有否雷击，机床附近有无振动源或电磁干扰源。

2）机床的运行状态

3）停电检查

利用视觉、嗅觉、听觉和触觉寻找产生故障的各种迹象。例如仔细观察加工零件表面的情况，机械有无碰撞的伤痕，电气柜是否打开，有无切屑进入电气柜，元器件有无烧焦，印刷电路板阻焊层有无因元器件过流过热而烧黄或烧黑，元器件有无松动，电气柜和器件有无焦煳味，部件或元器件是否发热，熔丝是否熔断，电缆有否破裂和损伤，气动系统或液压系统的管路与接头有无泄漏，操作面板上方式开关设定是否正确，电源线和信号线是否分开安装或分开走线，屏蔽线接线是否正确等。

4）通电检查

检查系统参数和刀具补偿是否正确，加工程序编制是否有误、机械传动部分有无异常响声，系统的输入电压是否在正常范围，电气柜内的轴流风扇是否正常、电气装置内有否打火等。如果出现打火现象，应该立即关断电源，以免扩大故障范围。

追踪法检查是一种基本的检查故障的方法，发现故障后要查找引起故障的根源，采取合理的方法给予排除。在整个过程中，要作好故障诊断与排除的详细的文字记录。

（2）自诊断功能

自诊断功能是数控系统的自诊断报警系统功能，它可以帮助维修人员查找故障，是数控机床故障诊断与维修十分重要的手段。自诊断功能按诊断的时间先后可以分为启动诊断、在线诊断和离线诊断。

启动诊断是指数控系统从通电开始到进入正常运行准备为止，系统内部诊断程序自动执行的诊断。启动诊断主要对CNC装置中最关键的硬件和系统控制软件进行诊断，例如CPU、存储器、软盘驱动器、手动数据输入（CRT/ MDI）单元、总线和输入/输出（I/ O）单元等，甚至能对某些重要的芯片是否插装到位、规格型号是否正确进行诊断。如果检测到故障，CNC装置通过监视器或数码管显示故障的内容。自动诊断过程没有结束时，数控机床不能运行。

在线诊断是指数控系统在工作状态下，通过系统内部的诊断程序和相应的硬件环境，对数控机床运行的正确性进行的诊断。CNC装置和内置PLC分别执行不同的诊断任务。CNC装置主要通过对各种数控功能和伺服系统的检测，检查数控加工程序是否有语法错误和逻辑错误。通过对位置、速度的实际值相对指令值的跟踪状态来检测伺服系统的状态，若跟踪误差超过了一定限度，表明伺服系统发生了故障。通过对工作台实际位置与位置边界值的比较，检查工作台运行是否超出范围。内置PLC主要检测数控机床的开关状态和开关过程，例如对限位开关、液压阀、气压阀和温度阀等工作状态的检查，对机床换刀过程、工作台交换过程的检测，对各种开关量的逻辑关系的检测等。

在线诊断按显示可以分为状态显示和故障信息显示两部分。状态显示包括接口状态显示和内部状态显示。接口状态是以二进制“1”和“0”表示信号的有无，在监视器上显示CNC装置与PLC、PLC与机床之间的接口信息传递是否正常。内部状态显示涉及机床较多的部分，例如复位状态显示、由外部原因造成不执行指令的状态显示等。故障信息显示涉及很多故障内容，CNC系统对每一条故障内容赋予一个故障编号（报警号）。当发生故障时，CNC装置对出现的故障按其紧迫性进行判断，在监视器上显示最紧急的故障报警号和相应的故障内容说明。

数控机床的伺服驱动单元、变频器、电源、输入/输出（I/ O）等单元通常有数码管指示和报警指示灯。当这些装置和相关部件出现故障时，除了在监视器上显示故障报警信息外，它们的报警指示灯变亮或数码管显示故障字符。例如伺服驱动单元与伺服电机连接的电源线接触不良或伺服系统的检测元件损坏时，伺服驱动单元的数码管显示代表故障的字符，查阅使用手册有关报警的章节，可以找到故障的类型和引起故障的原因。

离线诊断是数控机床出现故障时，数控系统停止运行系统程序的停机诊断。离线诊断是把专用诊断程序通过I/ O设备或通信接口输入到CNC装置内部，用专用诊断程序替代系统程序来诊断系统故障，这是一种专业性的诊断。

（3）参数检查

数控机床的参数设置是否合理直接关系到机床能否正常工作。这些参数有位置环增益、速度环增益、反向间隙补偿值、参考点坐标、快速点定位速度、加速度、系统分辨率等数值，通常这些参数不允许修改。如果参数设置不正确或因干扰使得参数丢失，机床就不能正常运行。因此参数检查是一项重要的诊断。

（4）替换法

利用备用模块或电路板替换有故障疑点的模块或电路板，观察故障转移的情况，这是常用而简便的故障检测方法。

（5）测量法

利用万用表、钳形电流表、相序表、示波器、频谱分析仪、振动检测仪等仪器，对故障疑点进行电流、电压和波形测量，将测量值与正常值进行比较，分析故障所在的位置。