数控系统故障分析与维修

数控系统故障分析与维修
随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。

以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。

但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。

任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。

任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。

因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。

我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在一定的差距。

下面我们从现代数控系统的基本构成入手，探讨数控系统的诊断与维修。

数控系统的构成与特点:目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结
构上都有各自的特点。

这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。

例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。

对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。

对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。

有的系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而有的系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。

然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。

数控系统是由硬件控制系统和软件控制系统两大部分组成。

其中硬件控制系统是以微处理器为核心，采用大规模集成电路芯片、可编程控制器、伺服驱动单元、伺服电机、各种输入输出设备（包括显示器、控制面板、输入输出接
口等）等可见部件组成。

软件控制系统即数控软件，包括数据输入输出、插补控制、刀具补偿控制、加减速控制、位置控制、伺服控制、键盘控制、显示控制、接口控制等控制软件及各种参数、报警文本等组成。

数控系统出现故障后，就要分别对软硬件进行分析、判断，定位故障并维修。

作为一个好的数控设备维修人员，就必须具备电子线路、元器件、计算机软硬件、接口技术、测量技术等方面的知识。

由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，数控设备的外部故障可以分为软件故障和外部硬件损坏引起的硬故障。

软件故障是指由于操作、调整处理不当引起的，这类故障多发生在设备使用前期或设备使用人员调整时期。

数控机床的修理，重要的是发现问题。

特别是数控机床的外部故障。

有时诊断过程比较复杂，但一旦发现问题所在，解决起来比较简单。

对外部故障诊断应遵从以下两条原则。

首先要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序。

其次，要会利用PLC梯形图。

NC系统的状态显示功能或机外编程器监测PLC的运行状态，一般只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障都会及时排除。

外部硬件操作引起的故障是数控修理中的常见故障。

一般都是由于检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件、机械装置出现问题引起的。

这类故障有些可以通过报警信息查找故障原因。

对一般的数控系统来讲都有故障诊断功能或信息报警。

维修人员可利用这些信息手段缩小诊断范围。

而有些故障虽有报警信息显示，但并不能反映故障的真实原因。

这时需根据报警信息和故障现象来分析解决。

数控系统的组成
数控（国外早已改称计算机数控，即CNC，而我国仍习称数控，即NC系统一般由输入输出装置、数控装置（或数控单元）、主轴单元、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、测量装置组成。

图1虚线框内即为计算机数控系统（CNC），它与机床本体一起构成数控机床。

图1 数控机床的组成
（1）数控装置
数控装置是数控系统的核心，这一部分主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及与数控系统其它组成部分联系的接口等。

其原理是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件（伺服单元、驱动装置和机床），加工出所需要的零件。

因此，输入、轨迹插补、位置控制是数控装置的
（2）输入输出装置
输入输出装置主要用于零件加工程序的编制、存储、打印和显示或是机床的加工的信息的显示等。

简单的输入输出装置只包括键盘和若干个数码管，较高级的系统一般配有CRT显示器和液晶显示器。

一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT显示器外，还有纸带阅读机、磁带机或磁盘，高级的输入输出装置还包括自动编程机或CAD/CAM系统。

（3）可编程控制器
可编程控制器（PC，Programmable Controller）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。

由于最初研究这种装置的目的，是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制，故也称为可编程逻辑控制器（PLC，Programmable Logic Controller）。

当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称为可编程逻辑机床控制器（PMC，Programmable Machine Controller）。

PLC主要完成与逻辑预算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受数控装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它还机床操作面板的指令，一方面直接控制机床动作，另一方面将指令送往数控装置用于加工过程的控制。

（4）伺服单元和驱动装置
伺服单元接受来自数控装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。

因此伺服单元是数控装置和机床本体的联系环
节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。

根据接受指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又分为直流伺服单元和交流伺服单元。

驱动装置把放大的指令信号变成为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，是工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。

和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。

伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。

从某种意义上说，数控机床功能强弱主要取决于数控装置，性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

（5）主轴驱动系统
主轴驱动系统和进给伺服驱动系统有很大的差别，主轴驱动系统主要是旋转运动。

现代数控机床对主轴驱动系统提出了更高的要求，这包括有很高的主轴转速和很宽的无级调速范围等，为满足上述要求，现在绝大多数数控机床均采用鼠笼式感应交流异步电动机配矢量变换变频调速的主轴驱动系统
（6）测量装置
测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。

此外，由测量装置和数显环节构成数显装置，可以在线显示机床坐标值，可以大大提高工作效率和工件的加工精度。

常见测量装置有光电编码器、光栅尺、旋转变压器等。

（7）其他辅助装置
①转位刀架是一种刀具储存装置，可以同时安装4、6、8、12把刀具不等。

主要用于数控车床，是数控车床中的一种专用的自动化机械。

它不但可以储存刀具，而且在切削时要连同刀具一起承受切削力，在加工过程中完成刀具交换转位、定位夹紧等动作。

在卸装过程中要认真分析它的转位定位和夹紧等机构的工作原理。

②刀库是加工中心机床的关键部件之下，在加工中心机床中用来储存和运送刀具，它的结构形式很多主要有盘式和链式两种结构形式（还有其它形式），盘式刀库存储容量较小（30把刀以下），链式刀库存储容量较大。

在加工过程中进行换刀时控制系统选定刀具后，刀库必须把选定的刀具运送到特定的位置准备由机械手取刀具或机床的主轴直接取刀。

有的大型的加工中心还装有特殊刀具运输装置，从刀库上取出刀具送到换刀位置。

就机械运动来讲刀库的结构主要是由刀具的运送和定位机构组成，运送速度要快，定位要准。

此外，刀具在刀库中装卡方法不同刀库结构也不相同，但是要求各个刀具的刀柄在刀库中安装位置必须一致，并且固定可靠又要便于新旧刀具交换（取下和装上）。

③机械手是加工中心换刀机构的核心部件。

换刀时机械手在机床主轴（或刀架）与刀库之间，执行新旧刀具交换的任务，在一个换刀程序中要完成抓刀、拔刀、交换（新旧刀对调）装刀，复位等动作。

通常有三个自由度，即抓刀与复位的是一个自由度；拔刀与装刀是一个自由度；新旧刀具位置交换是一个自由度。

换刀动作在加工过程中是一个辅助动作，要求换刀时间尽量缩短，目前多数机械换刀时间为5-8秒，少数可达0.7秒。

要求机械手动动作迅速平稳可靠。

特别是在高速旋转中交换刀具时，刀具不能从机械手中甩出来，因此机械手必须具有相应的锁紧机构。

机械手完成各个动作是靠位置控制的，一个动作结束后，必须发出一个回答信号给PLC，以便启动下一个动作。

拆装时要着重分析它的锁紧机械和各行程开关的安装部位。

本章内容只对数控装置，输入输出设备，PLC及其他一些辅助装置常见故障进行分析，对于伺服、主轴部分在以后的部分进行介绍。

4.1电源类故障
电源是电路板的能源供应部分，电源不正常，电路板的工作必然异常。

而且，电源部分故障率较高，修理时应足够重视，在外观法检查后，可先对电源部分进行检查。

电路板的工作电源，有的是由外部电源系统供给；有的由板上本身的稳压电路产生，电源检查包括输出电压稳定性检查和输出纹波检查。

输出纹波过大，会引起系统不稳定，用示波器交流输入档可检查纹波幅值，纹波大一般是由集
成稳压器损坏或滤波电容不良引起。

运算放大器、比较器，有些用单电源供电，有些用双电源供电，用双电源的运放，要求正负供电对称，其差值一般不能大于0.2V（具有调零功能的运放除外）
数控系统中对各电路板供电的系统电源大多数采用开关型稳压电源。

这类电源种类繁多，故障率也较高，但大部分都是分立元件，用万用表、示波器即可进行检查，机修开关电源时，最好在电源输人端接一只1:1的隔离变压器，以防触电。

另外为了防止在修理过程中可能导致好的元件损坏，或引发新的故障发生，最好按图1.5－3的接线方法，使输入电压从OV开始逐渐增大，在输入和输出回路中都有电流、电压检测，一旦发现有过压或过流现象，即可失掉，不致造成损失。

关于电源类常见的几种故障现象，现总结了几点见下表：
事例1：
故障现象：一普通数控车床，NC启动就断电，且CRT无显示
故障分析：
初步分析可能是某处接地不良，经过对各个接地点的检测处理，故障未排除。

之后检查了一下CNC各个板的电压，用示波器测量发现数字接口板上集成电路的工作电压有较强的纹波，经检查电源低频滤波电容正常。

我们在电源两端并接一小容量滤波电容，启动机床正常，本故障属于CNC系统电源抗干扰能力不强所致。

事例2：
一进口数控系统，机床送电，CRT无显示，查NC 电源+24V、+15V、-15V、+5V
均无输出
故障分析：
此现象可以确定是电源方面出了问题，所以可以根据电气原理图逐步从电源的输入端进行检查，当检查到保险后的电噪声滤波器时发现性能不良，后面的整流、振荡电路均正常，拆开噪声滤波器外壳发现里面烧焦，更换噪声滤波器后，系统故障排除，
注意当遇到无法修复的电源时，可采用市面上出售的开关电源，但是一定要保证电压等级、容量一定要符合要求的情况下才可以使用。

对这种故障的排除首先是使屏幕正常工作。

有时也会仅仅是显示部分的原因。

但在许多时候可能并存着多种故障。

事例3：
一台进口卧式加工中心，开机时屏幕一片黑，操作面板上的NC电源开关已按下，红、绿灯都亮，查看电柜中开关和主要部分无异常，关机后重开，故障一样。

故障分析：
经查，确定其电源部分无故障，各处电压都正常，仔细检查发现数控系统有多处损坏，在更换了显示器，显示控制板后屏幕出现了显示，使机床能进入其它的故障维修。

事例4：
一立式加工中心，开机后屏幕无显示。

故障分析：
该加工中心使用进口数控系统，造成屏幕无显示的原因有很多，经对故障进行了检查，后确认系统提供的外部电源是正确的，但主板上的电压不正常，时有时无，可以确认是因主板故障造成，因此进行了更换，更换主板后系统有显示，由于主板更换后参数需要重新设置，按系统参数设置步骤，对照机床附带的参数表进行了设置调整后机床正常。

屏幕上无显示的故障原因很多，首先必须找出原因排除，如还有其他故障，根据机床的报警和其他故障信息作出处
事例5：
一加工中心，开机后打开急停，系统在复位的过程中，伺服强电上去后系统总空开马上跳闸
故障分析：
该加工中心使用国产数控系统，经对故障进行了检查分析，首先怀疑是否是空开电流选择过小，经过计算分析后确认所选择的空开有点偏小，但基本符合机床要求，然后用示波器观察机床上电时的电流的变化波形，发现伺服强电在上电时电流冲击比较大，也就是电流波形变化较大，进一步分析发现由于所选伺服功率较大，且伺服内部未加阻抗等装置，在使用时须外接一电抗与制动电阻，电气人员在设计时加了制动电阻，为了节省成本没有使用阻抗。

按照要求加上阻抗后，系统上电恢复正常。

4.2系统显示类故障
数控系统不能正常显示的原因很多，当系统的软件出错，在多数情况下回导致系统显示的混乱、不正常或无法显示，当电源出现故障、系统主板出现故障是都有可能导致系统的不正常显示。

显示系统本身的故障是造成系统显示不正常的主要原因，因此，系统在不能正常显示的时候，首先要分清造成系统不能正常显示的主要原因，不能简单的认为系统不能正常显示就是显示系统的故障，
数控系统显示的不正常，可以分为完全无显示和显示不正常两种情况。

当系统电源、系统的其他部分工作正常时，系统无显示的原因，在大多数的情况下是由于硬件原因引起，而显示混乱或显示不正常，一般来说是由于系统软件引起的。

当然，系统不同，引起的原因也不同，要根据实际情况进行分析研究。

关于电系统显示类常见的几种故障现象，现总结了下面几点：
事例1：
故障现象：一数控系统，工作后系统经常死机，停电后经常丢失机床参数和程序。

故障分析：
经分析和诊断，出现该故障的原因一般有如下几点：电池不良；系统存储器出错；软件本身不稳定。

根据如上分析，逐条进行检查：首先用万用表直接测量系统断电存储用电池，发现电池没有问题；测量主板上的电池电压，发现时有时午，进一步检查发现当用手按着主板一侧测量时电压正确，松开手是电压不正确，因此初步诊断为接触不良所知；拆下该主板，仔细检查发现该主板已经弯曲变形，校正后重新试验，故障排除。

事例2：
一台数控车床配FANUC0-TD系统，在调试中时常出现CRT闪烁、发亮，没有字符出现的现象，
故障分析：
我们发现造成的原因主要有：
①CRT亮度与灰度旋钮在运输过程中出现震动。

②系统在出厂时没有经过初始化调整。

③系统的主板和存储板有质量问题。

解决办法可按如下步骤进行：首先，调整CRT的亮度和灰度旋钮，如果没有反应，请将系统进行初始化一次，同时按RST键和DEL键，进行系统启动，如果CRT仍没有正常显示，则需要更换系统的主板或存储板。

事例3：
一台日本H500/50卧式加工中心，开机时屏幕一片黑，操作面板上的NC 电源开关已按下，红、绿灯都亮，查看电柜中开关和主要部分无异常，关机后重开，故障一样。

故障分析：
经查，故障是由多处损坏造成的，在更换了显示器，显示控制板后屏幕出现了显示，使机床能进入其它的故障维修。

事例4：
XHK716立式加工中心，在安装调试时，CRT显示器突然出现无显示故障，而机床还可继续运转。

停机后再开，又一切正常。

在设备运转过程中经常出现这种故障。

采用直观法进行检查，发现每当车间上方的门式起重机经过时，往往就会出现优故障，由此初步判断是元件连接不良。

检查显示板，用手触动板上元件，当触动某一集成块管脚时，CRT上显示就会消失。

经观察发现该脚没有完全插人插座中。

另外，发现此集成块旁边的晶振有一个引脚没有焊锡。

将这两种原因排除后，故障消除
4.3 CNC单元故障系统软件故障分析与维修
典型CNC软件装置的结构：
CNC系统软件有管理软件和控制软件组成。

管理软件包括输入、I/O处理、显示、诊断等。

控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补计算、位置控制等。

数控系统的软件结构和数控系统的硬件结构两者相互配合，共同完成数控系统的具体功能。

早期的CNC装置，数控功能全部由硬件实现，而现在的数控功能则由软件和硬件共同完成。

目前数控系统的软件一般有两种结构：前后台结构和中断型结构：所谓前后台型是指在一个定时采样周期中，前台任务开销一部分时间，后台任务开销剩余部分的时间，共同完成数控加工任务。

前台任务一般设计成中断服务程序，
以西门子系统为例说明系统软件的配置。

总的来说系统软件包括三部分：
①数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环、测量循环等。

②由机床厂家编制的针对具体机床所用的NC机床数据、PLC机床程序、PLC机床数据PLC报警文本。

R参数等组成。

等组成。

③由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置
软件故障发生的原因：
软件故障一般由软件中文件的变化或丢失而形成的。

机床软件一般存储与RAM中软件故障可能形成的原因如下：
1. 误操作引起：
在调试用户程序或者修改参数时，操作者删除或更改了软件内容，从而造成了软件故障
2. 供电电池电压不足：
为RAM 供电的电池或电池电路短路或断路、接触不良等都会造成RAM得不到维持电压，从而使系统丢失软件及参数。

3. 干扰信号引起：
有时电源的波动或干扰脉冲会串入数控系统总线，引起时序错误或数控装置停止运行。

4. 软件死循环：
运行比较复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环引起系统中断，造成软件故障。

5. 系统内存不足或软件的溢出引起：
在系统进行大量计算时，或者是误操作，引起系统的内存不足，从而引起系统的死机。

6. 软件的溢出引起：
调试程序时，调试者修改参数不合理，或进行了大量错误的操作，引起了软件的溢出。

4.4 急停报警类故障
数控装置操作面板和手持单元上，均设有急停按钮，用于当数控系统或数控机床出现紧急情况，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；当数控系统出现自动报警信息后，须按下急停按钮。

待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。

该急停按钮及相关电路所控制的中间继电器（KA）的一个常开触点应该接入数控装置的开关量输入接口，以便为系统提供复位信号。

1.机床一直处与急停状态，不能复位
系统急停不能复位是一个常见的故障现象，引起此故障的原因也较多，总的说来，引起此故障的原因大致可以分为如下几种原因：
1）.电气方面的原因，下图为一普通数控机床的整个电气回路的接线图，从图上
可以清晰的看出可以引起急停回路不闭和的原因有：
（1）急停回路断路
（2）限位开关损坏（3）急停按钮损坏
如果机床一直处于急停状态，首先检查急停回路中KA 继电器是否吸合，继电器如果吸合而系统仍然处于急停状态，可以判断出故障不是出自电气回路方面，这时可以从别的原因查找，如果继电器没有吸合，可以判断出故障是因为急停回路断路引起，这时可以利用万用表对整个急停回路逐步进行检查，检查急停按钮的常闭触点，并确认急停按钮或者行程开关是否损坏。

急停按钮是急停回路中的一部分，急停按钮的损坏，可以造成整个急停回路的断路，检查超程限位开关的常闭触点，若未装手持单元或手持单元上无急停按钮，XS8接口中的4、17脚应短接，逐步测量，最终确认故障的出处。

2）系统参数设置错误，使系统信号不能正常输入输出或复位条件不能满足引 起的急停故障；
PLC 软件未向系统发送复位信息。

检查KA 中间继电器；检查PLC 程序。

3）松开急停按钮，PLC 中规定的系统复位所需要完成的信息未满足要求。

如
伺
轴1+超程限位开关 轴1-超程限位开关 轴2+超程限位开关
轴2-超程限位开关 轴3+超程限位开关 轴3-超程限位开关 轴4+超程限位开关
轴4-超程限位开关
● KA 为中间继电器，用于控制伺服、主轴等强电；
● 建议该继电器的一个常开触点进入PLC 开关量输入点，用于产生外部运行允许信号。