数控机床系统维修技术

刘云清

（中国南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏常州）

一、数控系统构成与特点

目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成和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，在设计思想上也各有千秋。例如，美国HAAS系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，有利于系统工作的可靠性。然而，无论哪种系统，其基本原理和构成十分相似。一般整个数控系统由3大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。3部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。

控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通信单元，可完成CNC、PLC的内部数据通信和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式或绝对式位移编码器。

二、现代数控系统维修工作的基本条件

1.维修工作人员的基本条件

（1）维修人员必须具备的条件。高度的责任心与良好的职业道德；知识面广，掌握机电控制原理、液压控制技术、计算机技术、模拟与数字电路基础、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与一定的外语水平；经过良好的技术培训，掌握有关数控、驱动及PLC的工作原理，懂得CNC编程和编程语言；熟悉结构，具有实验技能和较强的动手操作能力；掌握各种常用（尤其是现场）的测试仪器、仪表和各种工具。

（2）应具备的维修手段。准备好常用备品、配件；随时可以得到微电子元器件的实际支援或供应；必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机。最好有小型手提电脑或编程器，用于机床数控系统数据的备份和传输或诊断支援设备调试；完整资料、手册、线路图、维修说明书（包括CNC操作说明书）以及接口、调整与诊断、驱动说明书，PLC说明书，元器件表格等。

（3）维修前的准备。接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场信息、现场情况及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、了解有无备件等。据此预先分析可能出现的故障原因与部位，而后在出发到现场之前，准备好有关的技术资料与维修服务工具、仪器备件等，做到有备而去。

三、现场维修

现场维修是对数控机床出现的故障（主要是数控部分）进行诊断，找出故障部位，以相应的正常备件更换，使机床恢复正常运行。现场维修过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。从整机定位到插线板，在某些场合下甚至定位到元器件。这是整个维修工作的主要部分。

1.数控系统故障诊断

（1）初步判别。根据操作人员的故障描述和对故障现象的观察一般就可以对数控机床的故障有一个初步的判断。通常在资料较全时，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，而后再按照故障与这一部位的具体特点，逐个部位检查，初步判别。在实际应用中，可能用一种方法即可查到故障并排除，有时需要多种方法并用。对各种判别故障点的方法的掌握程度主要取决于对故障设备原理与结构掌握的深度。

（2）报警处理。一般数控机床都具备自诊断功能，学会利用自诊断功能是维修人员的基本技能之一，自诊断功能对快速查找故障是很有帮助的。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信号和相应的信息。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，并可通过特定键，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，系统已停机或系统没有报警但工作不正常时，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。下面重点阐述这种故障诊断和排除办法。

2.无报警故障诊断方法

（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，烟熏，开裂现象，有无异物断路现象。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，尤其是阻容，半导体器件有无松动之感，以此可检查出一些断脚，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，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，以此可发现一些较为明显的故障，缩小检修范围。

（2）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。如电源的电压超限，可用电压表测网络电压或用电压测试仪实时监控以排除相应原因。如发生位置控制环故障可用示波器检测回路信号状态，观察其信号输出是否缺相、有无干扰。

（3）用可编程控制器进行PLC中断状态分析。可编程序控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障所在。在可编程序控制器的维修中，这是最常用、有效和快速的办法。

（4）接口信号检查。通过用可编程序控制器检查机床控制系统的接口信号，并与接口手册的正确信号相对比，亦可查出相应的故障点。

（5）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。电路的集成度高，按常规方法，很难把故障定位到很小的区域。系统发生故障时，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，可迅速判断出有故障的模块。在没有诊断备件的情况下，现场可用相同或相容的模块进行替换检查。现代数控的维修，越来越多的采用这种方法进行诊断。使用这种方法操作时，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、各种标记以及跳线是否相同，对于有关的机床数据和电位计的位置应做好记录，拆线时应做好标记。

（6）利用系统自诊断功能。现代数控系统具有很强的自诊断能力，通过实时监控系统各部分的工作，及时判断故障，给出报警信息，并做出相应动作，避免事故发生。但有时硬件发生故障时，也有无法显示报警的情况，早期的一些数控系统上较多见。如有的数控系统仅通过发光管不同的闪烁频率或不同的组合做出相应的指示，根据指示再查找故障的位置。现在较新的数控系统，当系统硬件发生故障，CRT上不能正确显示报警号时，可依据系统模块上的指示来判断。如FANUC 0i系统，根据各组驱动模块上的故障数据指示器上的数字就可判断出故障位置。如FANUC 0i台中精机数控车床，开机不工作且外部无报警。经检查发现机床伺服没有启动，检查电器柜看到电源模块的30主轴驱动模块上有01报警显示，从FANUC维护手册上知道是电源模块坏了，维修后故障消除。

FANUC 18i-M系统的YCM-H500A卧式加工中心，机床的数控系统和PLC运行正常，但机床的交换工作台有时可以启动交换，有时无法启动也无报警。检查程序指令正常，各所需信号状态均满足启动条件。怀疑设备某个位置的确认信号在运行时有不稳定现象（位置确认开关处于将坏的临界状态），在利用FANUC逐点跟踪技术进一步检查中发现，外工作台零位确认PLC信号状态有偶尔闪烁的现象，停机更换该确认开关后机床正常运转。发生此故障的机床是由于机床厂家编写的PLC程序不够完善，相关故障报警写入的程序缺失，致使故障判断起来比较麻烦。在维修此类故障时，根据操作者提供的故障现象，结合现场的观察并熟悉系统工作原理能运用数控系统工具，对故障的正确判断是很有帮助的。

上述诊断方法在实际应用时并无严格的界限，可能用一种方法就能排除故障，亦可能需要多种方法同时进行，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.数控系统常见故障分析

（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。具有很高的工作频度，并与外设相连接，所以容易发生故障。

常见故障有：①位控环报警，可能是测量回路开路。②测量系统损坏，位控单元内部损坏。③不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障。④测量元件损坏，测量元件故障，一般表现为无反馈值。⑤机床回不了基准点。⑥高速时漏脉冲产生报警，可能是光栅或读头脏、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，因而这也是故障较多的部分。

①系统损坏。一般由于网络电压波动太大或电压冲击造成。如电网质量不好，会给机床带来电压超限，尤其是瞬间超限，如无专门的电压监控仪则很难测到，在查找故障原因时，要加以注意。还有一些特殊原因造成的损坏，曾遇到过多次由于雷击电流窜入电网而造成多台机床伺服系统损坏的现象。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或正反馈。③加工时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与电机不匹配所致，解决办法是进行最佳化调节。如一台德马吉公司DMG 200P立卧转换龙门加工中心发生Y轴振动，原因是由于Y轴滚珠丝杠间隙过大而无法满足机床快速启动的要求所致。但维修丝杠代价太高而且时间又不允许，在不影响设备使用的前提下，采用降低该轴速度增益的方法后，振动消失。④保险烧断或电机过热以至烧坏，这类故障一般是机械负载过大或卡死。

（3）电源部分。电源失效或故障的直接结果是造成系统停机或毁坏整个系统。由于电源波动较大同时还隐藏有高频脉冲一类的干扰以及突然拉闸断电等，这些原因可造成电源故障或损坏。另外数控系统的运行数据、设定数据以及加工程序，一般存贮在RAM存贮器内，系统断电后，靠电源的后备电池来保持。若停机时间比较长、拔插电源或存贮器，都可能造成数据丢失，使系统不能运行。曾遇到YCM-H500A机床换电池时，出现机床机械原点丢失的故障。

（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，如断电器、伺服阀、指示灯等。因其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，而且故障类型千变万化。

（5）其他。如干扰、温度、湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可能造成停机或故障。如一台德国马豪公司MAHO 1600S加工中心，开机后不久便失去数控准备好信号，系统无法工作。经检查，发现液压油箱温度很高，原因是过滤网不干净，引起温度传感器动作。清洗滤网后，系统正常工作。

不按操作规程拔插线路板，随意按急停或关机等，都可能造成停机故障甚至毁坏系统。一般在数控系统的设计、使用和维修中，必须考虑对经常出现故障的部位给予报警。报警电路工作后，一方面在屏幕或操作面板上给出报警信息，另一方面发出保护性中断指令，使系统停止工作，以便查清故障和进行维修。

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。若系统工作存贮区由于掉电，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。清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。

（2）参数更改和程序更正法。系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。如YCM-V96A的立式加工中心无法换刀，检查系统条件全都正确。怀疑可能是参数问题，经过多次仔细对比参数，发现刀库模式参数被操作人员无意间改掉了。有时由于用户程序的错误，亦可造成故障停机，对此要特别注意进行检查，改正所有错误。

对于不同机床厂家的设备，厂家为了方便排查故障，又根据情况专门设计了针对某些故障的特殊功能。如日本大隈机床，只要修改特殊功能参数的值，就可以释放相应的轴互锁。台中精机，HAAS等机床也有这样的功能。只要把功能键切换到相应的模式位置，就可以解决相应的一般条件下的故障。所以认真阅读使用维护说明书，对设备维修是很有帮助的。

（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。如德国马豪公司MAHO-700S报X轴误差过大，在维修中经调节负反馈电位后正常。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。办法很简单，用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，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，来使伺服系统达到即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的情况下，可通过调节使电机起振，然后反向慢慢调节，直到消除振荡即可。

（4）备件替换法。用好的备用板替换怀疑有故障的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。

（5）改善电源质量法。一般采用稳压电源来改善电源波动，采用电容滤波法可以改善高频干扰，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，以此作为故障排除的依据，可正确彻底地排除故障。

5.维修中应注意的事项

（1）在拆装机械部件时要注意做好各个零件的装配位置记号，以免装配时出错。对拆卸精密度要求高的部件时不仅要做到胆大心细，同时还要做好各个装配尺寸的记录。拆卸的零件和螺钉螺母应放在专门的盒内，以免丢失，装配后，盒内的东西应全部用上（不能多也不能少），否则装配不完整。

（2）从整机上取出某块线路板时，应注意记录其相对应的位置，连接的电缆号。对于固定安装的线路板，还应对前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。

（3）测量线路间的阻值时，应断电源，测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。

（4）不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下，只是凭感觉哪一个元件坏了就立即拆换，这样误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。

（5）记录线路上的开关、跳线位置，不应随意改变。进行两极以上的对照检查或互换元器件时，注意标记各板上的元件，以免错乱后造成好板亦不能工作。

（6）查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电。应注意高压，有的线路板直接接入高压或板内有高压发生器，需适当绝缘，操作时应特别注意安全。

四、数控机床开机调试

1.通电前外观检查

（1）机床电器检查。打开机床电控箱，检查继电器、接触器、熔断器，伺服电机速度，控制单元插座，主轴电机速度控制单元插座及转接盒上的插座等有无松动，如有松动应恢复正常状态，有锁紧机构的接插件一定要锁紧。

（2）CNC电箱检查。打开CNC电箱门，检查各类接口插座，伺服电机反馈线插座，主轴脉冲发生器插座，手摇脉冲发生器插座，CRT插座等，如有松动要重新插好，有锁紧机构的一定要锁紧。按照说明书检查各个印刷线路板上的短路端子的设置情况，一定要符合机床生产厂设定的状态，确实有误的应重新设置，一般情况下无需重新设置，但用户一定要对短路端子的设置状态做好原始记录。

（3）接线质量检查。检查所有接线端子，包括强弱电部分在装配时机床生产厂自行接线的端子及各电机电源线的接线端子，每个端子都要用旋具紧固一次，直到用旋具拧不动为止，各电机插座一定要拧紧。

（4）电磁阀检查。所有电磁阀都要用手推动数次，以防止长时间不通电造成的动作不良，如发现异常，应作好记录，以备通电后确认修理或更换。

（5）限位开关检查。检查所有限位开关动作的灵活及固定性是否牢固，发现动作不良或固定不牢的应立即处理。

（6）按钮及开关检查。操作面板上按钮及开关检查，检查操作面板上所有按钮、开关、指示灯的接线，发现有误应立即处理，检查CRT单元上的插座及接线。

（7）地线检查。要求有良好的地线，测量机床地线，接地电阻应＜1 Ω。

（8）电源相序检查。用相序表检查输入电源的相序，确认输入电源的相序与机床上各处标定的电源相序应绝对一致。有二次接线的设备，如电源变压器等，必须确认二次接线的相序的一致性。要保证各处相序的绝对正确。此时应测量电源电压，做好记录。

2.机床总电压的接通

接通机床总电源，检查CNC电箱，主轴电机冷却风扇，机床电器箱冷却风扇的转向是否正确，润滑，液压等处的油标志指示以及机床照明灯是否正常，各熔断器有无损坏，如有异常应立即停电检修，无异常可以继续进行。测量强电各部分的电压特别是供CNC及伺服单元用的电源变压器的初次级电压，并作好记录。观察有无漏油，特别是供转塔转位、卡紧，主轴换档的以及卡盘卡紧等处的液压缸和电磁阀。如有漏油应立即停电修理或更换。

3.CNC电箱通电

按CNC电源通电按扭，接通CNC电源，观察CRT显示，直到出现正常画面为止。如果出现ALARM显示，应该寻找故障并排除，此时应重新送电检查。

（1）打开CNC电源，根据有关资料上给出的测试端子的位置测量各级电压，有偏差的应调整到给定值，并作好记录。

（2）将状态开关置于适当的位置，如FANUC系统应放置在MDI状态，选择到参数页面。逐条逐位地核对参数，这些参数应与随机所带参数表符合。如发现有不一致的参数，应搞清各个参数的意义后再决定是否修改，如一些补偿的数值可能与参数表不一致，在进行实际加工后可随时进行修改。

（3）将状态选择开关放置在JOG位置，将点动速度放在最低挡。分别进行各坐标正反方向的点动操作，同时手按与点动方向相对应的超程保护开关，验证其保护作用的可靠性。然后再进行慢速的超程试验，验证超程撞块安装的正确性。

（4）将状态开关置于回零位置，完成回零操作，参考点返回的动作不完成就不能进行其他操作。因此遇此情况应首先进行本项操作，然后再进行第4项操作。

（5）将状态开关置于JOG位置或MDI位置，进行手动变档试验，验证后将主轴调速开关放在最低位置，进行各挡的主轴正反转试验，观察主轴运转的情况和速度显示的正确性，然后再逐渐升速到最高转速，观察主轴运转的稳定性。进行手动导轨润滑试验，使导轨有良好润滑。逐渐变化快移超调开关和进给倍率开关，随意点动刀架，观察速度变化的正确性。

4.MDI试验

（1）测量主轴实际转速。将机床锁住开关放在接通位置，用手动数据输入指令，进行主轴任意变挡变速试验，测量主轴实际转速并观察主轴速度显示值，调整其误差应限定在5%之内。

（2）进行转塔或刀座选刀试验。目的是检查刀座、转塔正反转及定位精度的正确性。

（3）功能试验。根据定货的情况不同功能也不同，可根据具体情况对各个功能进行试验。为防止意外情况发生，最好先将机床锁住进行试验，然后再放开机床进行试验。

5.EDIT功能试验

将状态选择开关置于EDIT位置，自行编制简单程序，尽可能多地包括各种功能指令和辅助功能指令，移动尺寸以机床最大行程为限，同时进行程序的增加、删除和修改。

6.自动状态试验

将机床锁住，用编制的程序进行空运转试验，验证程序的正确性，然后放开机床，分别将进给倍率开关，快速超调开关，主轴速度超调开关进行多种变化，使机床在上述各开关多种变化的情况下充分地运行，然后将各超调开关置于100%处，使机床充分运行，观察整机的工作情况是否正常。至此，一台数控机床才算开机调试完毕。

五、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、采用的何种排故方法以及遗留问题等应详尽记录，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。