数控机床的诊断与维修

摘要：数控机床应用日益广泛，结构、功能越来越复杂，给维护和维修带来了困难。文章针对数控机床的故障特征，提出了数控机床诊断维修的基本要求、故障分类和诊断方法，主要目的是提高维修队伍的个人素质和维修效率。

关键词：数控机床；CNC；PLC；故障分析；诊断方法

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）36-0045-03

数控车床是集机械、电气、液压、气动、光学器件为一体的自动化设备。它采用了计算机技术，使用数字信号对机床运动进行精确控制。数控机床结构复杂、功能繁多，直接导致了数控机床故障的复杂性，给维护维修带来了难度。本文就数控机床维护维修的基本要求、故障分类、诊断方法进行分析说明，目的是提高维修效率和维修准确率。

1 数控机床诊断和维修的基本要求

数控机床是一种综合应用了计算机、自动控制、精密测量等先进技术的机电一体化产品。技术面比较复杂，涉及知识面也比较广。因此不仅要求维修人员有较高的个人素质，而且还对维修资料、仪表等方面提出了比普通车床更高的要求。

1.1 技术资料的要求

技术资料是维修的指南，它在维修工作中起着至关重要的作用，借助于技术资料可以大大提高维修效率和准

确性。

数控机床的使用说明书，是由机床厂家编制并提供的随机资料。在这些说明书中，包括大量的系统调试和维修信息。数控系统厂家提供的说明书包括系统的连接说明书、系统维修说明书、参数说明书、编程说明书、伺服驱动和主轴驱动说明书，有的还包含了原理图中未反映的信号功能描述。有条件的用户还可以得到机床的数据备份。

1.2 工具和配件的要求

合格的维修工具是进行数控维修的必要条件，不同故障需要的维修工具也不尽相同。最常用的是万用表（最好是数字万用表），它可以测量大部分电气故障，判断电气元器件性能的好坏。有条件的地方可以配备示波器、数字转速表等工具。数字转速表可以测量和调整主轴的转速；示波器可以维修编码器、光栅输出、伺服驱动等输出

波形。

常用配件有开关电源、各种规格的熔断器、小型断路器、小型继电器等。如果是以前的老式数控，也可以常备一些电阻、二极管、三极管、运算放大器和集成稳压电

源等。

2 数控机床常见故障分类

在国内，大多数数控是FANUC、SIEMENS和国产普及型数控系统，结构大体相同，都是由CNC主控系统、伺服单元、驱动装置、可编程控制器（PLC）、车床辅助装置、车床本体及各种测量装置组成的。数控机床发生故障的原因很复杂，为方便分析和处理，按照故障性质及故障原因大致分为以下四类：

2.1 机械故障和电气故障

机械故障主要发生在机床本体部分，故障现象是传动噪声大、加工精度差、运行阻力大；另外液压、气动和系统也是常见故障，表现为密封不严和管路堵塞。电气故障又可分为强电故障和弱电故障。强电故障主要是断路器、接触器、电动机、行程开关、电源变压器等电气元器件及其所组成的电路；弱电故障主要是CNC装置、PLC控制器、CRT显示器、伺服驱动单元、开关电源及输入输出设备等，弱电故障不好查找，需要一定的专业技术知识。

2.2 报警显示故障

报警显示故障又分为硬件报警显示和软件报警显示两种。硬件报警显示故障一般是各单元LED或数码管显示的报警信息，如CPU主板、I/O通讯板、位置控制电路板、伺服控制单元、主轴单元及开关电源等。这些部位一旦发生故障，指示灯或数码管就会指示故障信息含义，参考相应产品说明书，可大致判断出故障发生的部位与性质，给故障诊断和分析带来极大的方便。软件显示故障通常是指CRT显示器上显示的报警号和报警信息。由于现在数控系统具有自诊断功能，一旦检测到故障，即按故障的级别进行处理，会在CRT显示器上以报警号的形式显示该报警信息。软件报警又分CNC报警和PLC报警，CNC报警（又称系统报警）可在《数控系统维修手册》上找到报警原因与处理的内容。而PLC报警显示大多是属于机床侧的报警文本，可通过显示的报警号对照厂家提供的电气图纸和PLC有关接口，确定故障产生的部位。

2.3 无报警显示故障

这类故障发生时无任何硬件或软件报警显示，因此分析诊断难度比较大。主要根据故障发生的前后状态、系统工作原理、PLC梯形图及维修经验进行分析判断。例如：X轴发生爬行现象，我们可以在手动方式下，均匀旋转脉冲发生器，分别观察比较CRT显示器上的X、Z轴进给数字的变化率，通常变化速率基本相同说明电气控制部分正常，从而区分出X轴爬行现象是由伺服部分还是由机械传动部分造

成的。

2.4 随机故障和机床品味下降故障

随机故障通常指数控机床只偶然发生一次或两次的故障，由于是偶然发生，其故障分析和诊断比较困难。这类故障的发生往往与机床安装质量、连接插件、参数设定、元器件品质、操作失误和维修不当以及工作环境等诸多因素有关。例如插件连接不好、电路板元器件松动、继电器触点接触不良、电器元件可靠性下降和工作环境温度过高等原因造成的故障。

机床品味下降是指机床经过多年的运行，出现噪声变大、震动较强、定位精度下降、加工零部件不合格等。故障无报警显示，只能通过仪器来检测。例如滚珠丝杠精度下降时，会出现加工出的零部件误差变大，我们可以通过千分表和CRT显示器上各轴进给数字变化率加以比较，从而分析判断出故障部位。

3 数控机床故障诊断维修方法

数控机床发生故障时要进行综合判断，然后通过必要的检测和分析，以达到确认和排除故障的目的。维修人员在现场维修之前，一定要认真询问故障产生的过程：在什么情况下发生、做了什么操作、按下什么按钮、执行什么程序等，以便尽快查找原因。下面介绍四类常用的维修诊断方法：

3.1 直观检查法

这是一种最基本、最简单的维修方法，就是通过眼睛看、鼻子闻、耳朵听、用手摸等感觉器官认真观察和分析诊断。直观检查法遵循“先外后内”的原则，观察有无烧毁痕迹、发热发烫冒烟现象；仔细听各种异常声音的来源；闻有无糊焦味等。直观检查法很容易发现电缆电线发热；电源变压器、电抗器因铁心松动引起的“吱吱”声；继电器、接触器性能不好引起的电磁“嗡嗡”声；电器元器件过压引起的击穿声；线路和电气元件因过热和过载而发热。经验证明，直观检查法找出故障所花费的时间要比直接用仪器仪表测试少得多，可以起到事半功倍的效果。这种方法可将故障缩小到很小的范围，但是要求维修人员具有丰富的实践经验和综合的判断能力。

3.2 交换法

交换法简单易行，是现场判断常用的方法之一。维修人员在分析判断出大致故障部位，可以利用备用的配件替换相同类型可疑部件，也是验证对故障部位分析正确与否最有效的方法。例如我厂一台FANUC数控Z轴出现电机过流报警，有时一开机就出现报警，有时在行走过程中出现报警。检查各部件完好情况下，利用另外一台相同数控机床的Z轴伺服（βiSV40 A06B-6130-H003）替换后，故障

排除。

3.3 PLC梯形图和参数状态在线诊断法

数控机床分NC侧和MT侧（机床侧）两大部分，NC侧包括CNC系统的硬件和软件，MT侧则包括机床机械部分及其液压、气动、冷却、、排屑等辅助装置。NC作用是通过PLC程序控制机床接口侧的输入输出端口对机床各部位进行精确控制。数控机床大部分故障可以通过PLC梯形图程序排查出来，在线跟踪PLC运行可以保障故障定位的准确性和高效性。图1是FANUC系统PLC梯形图诊断显示画面：

图1 梯形图画面显示

参数在线诊断是通过CNC系统内装诊断程序，在系统处于正常运行状态对数控装置、伺服系统、外部I/O及其他外部设备进行自动诊断和检查，并显示有关状态信息。系统不仅能在屏幕上显示报警号和报警内容，还能实时显示CNC内部关键寄存器及PLC操作单元状态，为在线诊断提供极大的方便，只要系统不断电，在线诊断就不会停止。在线诊断常以二进制0、1显示其状态，对于正逻辑来说，0表示断开，1表示接通。借助状态显示可以判断出故障发生部位，也可以利用I/O状态显示，并结合PLC梯形图和电气控制线路图，用推理法和排除法判断出故障点的真正位置。

例如我厂某KND1000T数控机床，其尾座套筒的PLC输入输出开关量如图2所示：

图2 KND1000T系统尾座套筒控制图

故障现象是脚踏尾座开关PSW2时，套筒没有顶进，也无报警。我们在处理故障时，调出系统诊断画面，出现X、Y输入输出信号状态表，发现脚踏开关输入地址X2.7为1，尾座套筒输出信号Y1.2为1，说明既有输入又有输出，但是套筒不动。原因可能是继电器、电磁阀、油路故障，最后查出是继电器接触不良造成的。

3.4 敲击法和原理分析法

如果数控机床故障是若有若无，还可用敲击法检查故障所在位置。因为这种故障大多数是由于虚焊或接触不良引起的，因此用绝缘物敲击虚焊或接触不良的可疑处，故障就会重复出现，可以很快分析诊断出故障部位。

原理分析法是根据数控系统的组成原理，从逻辑原理上分析检测故障点的逻辑电平和特性参数（如电压值和波形曲线等），对其进行分析和比较，从而对故障进行定位。运用这种方法，要求维修人员具有较高的技术水平，能对整个数控系统的电路原理有清晰和深厚的了解。

其他方法还有离线诊断法、转移法等。这就要求维修人员在工作中认真细心、善于观察、勤于总结。在维修实践中灵活掌握各种维修技巧，提高自己的维修技能和

水平。

4 结语

总之，数控机床具有结构复杂、技术涉及面广等特点，维修人员应不断学习，刻苦钻研，扩大知识面，使各类故障得到及时的维修。工作中多思考，开阔视野，防患于未然；多实践，积累维修经验；多讨论、多交流、多总结，提高个人的维修技能和维修效率。

参考文献

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出版社，2009.

[2] 牛志斌，潘波.图解数控机床—西门子典型系统维

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[3] 叶晖.图解NC数控系统—FANUC 0i系统维修技巧

[M].北京：机械工业出版社，2004.

作者简介：王作慧（1975—），男，同煤集团中央机厂工程师，研究方向：设备维护。