數控機床電氣故障檢修探討

摘 要：數控機床的推廣應用，促進了我國機械制造業的發展。數控機床具有先進、復雜、集成度高和智能化的特點，加之近幾年數控機床控制系統不斷更新換代，致使維修理論、技術和手段都發生了巨大變化，使機械制造行業對數控機床維修人才的需要越來越突出，對維修人員的要求越來越高。本文結合多年的工作實踐，分析、研究了數控機床電氣故障的檢修技術。

關鍵詞：數控機床；電氣故障；檢修

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

數控機床控制技術是集機械制造技術、自動化技術、計算機技術、傳感檢測技術、信號處理技術以及光電液一體化技術于一體的現代制造技術。數控機床有控制先進、復雜、智能化程度高、檢修難度大的特點，其故障檢測、診斷與維修工作必須由掌握先進數控技術的復合型技術人員來擔任。此文分別介紹數控機床電氣故障的檢修步驟、分析與排除方法。

1 電氣故障檢修步驟

數控機床出現故障時，不要盲目修理，應按下列步驟進行：

第一步：檢修前根據詢問調查、現場檢查，利用感官通過問、看、聽、摸來了解故障發生前、后的情況，找出故障現象。仔細詢問操作人員，了解故障指示情況、故障表象及故障產生的背景情況，依此做出初步判斷，以便確定現場排故所應攜帶的工具、儀表、圖紙資料、備件等。

第二步：根據已知的故障現象、設備圖紙資料等，分析確定故障類型及范圍，并對照機床配套的數控系統診斷手冊和使用說明書，列出產生故障的各種原因，確定排故原則。

第三步：根據故障部位或電路模塊，利用儀器儀表對各種可能的原因進行排查，從中找出本次故障的原因及故障點。

第四步：根據故障的特性，采用正確的檢修方法排除故障。有些故障的排除方法可能很簡單，而有些故障則往往較復雜，需要做一系列的準備工作，例如工具儀表的準備、局部的拆卸、零部件的修理、元器件的準備等。

第五步：通電空載試驗或局部空載試驗來檢驗故障排除的情況。如果正常可進行下一步操作。

第六步：正常運行。

2 分析、排除方法

2.1 數控系統的自診斷功能及報警處理方法

（1）開機自檢。數控系統通電時，系統內部自診斷軟件對系統中關鍵的硬件和控制軟件逐一進行檢測。一且檢測通不過，就在CRT上顯示報警號或報警信息，指出故障部位。只有開機自檢項目全都正常通過后，系統才能進入正常運行準備狀態。

開機自檢一般可將故障定位到電路或模塊上，有些甚至可定位到芯片上。但在不少情況下只能將故障原因定位在某一范圍內，需要通過進一步的檢查、判斷才能找到故障原因并予以排除。

（2）實時自診斷。數控系統在正常運行時，隨時對系統內部、伺服系統、I/O接口以及數控裝置的其他外部裝置進行自動測試檢查，并顯示有關狀態信息。若檢測有問題，則立即顯示報警號及報警內容，并根據故障性質自動決定是否停止動作或停機。檢查時，維修人員可根據報警內容，結合實時顯示的NC內部關鍵標志寄存器及PLC的操作單元狀態，進一步對故障進行診斷與排除。

故障排除以后，報警往往不會自動消除。根據不同的報警，需要按“ RESET”或“STOP”軟鍵來消除，或者需用電源復位或關機重新啟動的方法消除，恢復系統運行。

2.2 數控系統的參數故障

（1）參數故障的產生原因。①后備電池失效將導致全部參數丟失。因此，在正常工作時應經常檢查是否有電池電壓低的報警信息或LED信號燈指示。如果發現該報警，應及時更換后備電池。更換電池應嚴格按照該系統的說明書要求進行操作，如有的系統要求停電后一定時間范圍內將電池更換完畢，有的則要求系統在通電狀態中方可更換電池，以保證證更換電池時數據不會丟失。②由于操作者的誤操作，可能將個別或全部參數清除。③數控系統在DNC狀態下運行或進行數據通訊時電網瞬間停電。

（2）數控系統參數的恢復。數控系統的種類繁多，參數恢復的方法也各不相同。以下為三種常用的參數恢復方法：①對照隨機資料參數表逐個檢查，發現有不一致的參數就用手動輸入恢復。這種方法不需要外圍設備，但效率太低，容易出錯。②利用生產廠家提供的專用數據輸入/輸出設備，如紙帶機，磁帶機，軟盤驅動器、IC卡等。參數輸入的操作步驟可參照數控系統的操作說明書進行。③利用計算機或數控系統的DNC功能通過DNC軟件進行參數輸入。這種方式操作簡單，輸人效率高，出錯率極低。

2.3 數控系統的軟件故障

（1）軟件故障發生的原因。軟件故障是由軟件變化或丟失，或者軟件運行中斷引起的。①在調試用戶程序或修改機床參數時，刪除或更改了軟件內容或參數，造成軟件故障（某些參數的改變也可引起軟件故障）。②后備電池電壓不足，引起軟件及參數丟失。③電源的波動及干憂脈沖竄入數控系統，引起時序錯誤或程序執行錯誤。④軟件編制不完善，當運行復雜程序或進行大量計算時，有時會造成系統死循環而引起系統中斷。⑤用戶程序出錯，在運行或輸入過程中出現故障報警。

（2）軟件故障的排除。對于軟件丟失或參數改變引起的軟件故障，可通過對參數、程序進行更改或清除后重新輸入的方法來恢復。

對于程序運行中發生中斷而造成的故障，可采取關機再重新啟動的方法恢復。

開關數控系統電源是清除軟件故障常用的方法，但在關機之前應將報警信息記錄下來，以便于排除故障。

2.4 數控系統硬件故障的檢查與分析

（1）常規檢查。①系統發生故障后，首先進行外觀檢查。判斷明顯的故障，有針對性地檢查可疑部分（包括元器件外觀、保護電路、開關設置等）。對于故障發生時的現象、操作過程以及故障發生前進行過的維修、保養，要進行詳細地詢問，這對分析故障原因很有幫助。②針對故障有關部分，檢查連接電纜、連接線、接線端子、接觸件等連接是否良好，檢查有無斷線、絕緣破壞、松動、發熱、氧化或接觸不良等現象；檢查在惡劣環境下工作的元器件以及應定期保養的部件或元器件，是否按規定定期進行了檢查和保養。③檢查電源電壓是非常重要的環節。許多莫名其妙的故障往往是由電源電壓不正常引起的，而電源電壓不正?？赡苁请娫幢旧淼膯栴}，也可能是由負載引起的，一定要仔細地檢查分析后再進行處理。

（2）故障現象分析法。故障分析所涉及的專業面很廣，分析要以找到的現象（包括故障時的異?，F象、儀器測量記錄的內容、產品檢查結果等）為依據，找出故障的規律和產生原因。為了找到足夠的線索，在可能的情況下（不會擴大故障和產生危險）可重復故障發生過程，讓故障重復出現。

（3）面板顯示與指示燈顯示分析法。面板顯示可把大部分被監視的故障識別結果以報警的方式給出，但有時只能識別到某一裝置或某一部位。這時，可進一步根據面板上的指示燈或該裝置上的指示燈指示，較快地找到故障點。

（4）系統分析法。判斷系統存在故障的部位時，應弄清楚整個系統方框圖的工作原理，根據故障的現象，判斷問題可能出在哪一個功能單元?？刹还軉卧獌炔康墓ぷ髟?，根據系統方框圖將該單元的輸入/輸出信號以及它們之間的關系摘清楚。測試這個單元的輸入與輸出，判斷其是否正常。必要時可將該單元與其他單元脫離開，提供必要的輸入信號，觀察其輸出結果。如果確定問題出在某一單元后，就要搞清楚該單元內部的工作原理，必要時可測繪出局部的電氣原理圖，并通過進一步的檢查與分析，最終把故障定位于元件。

在維修的初步階段及有條件時，可對懷疑單元或元器件采用替換法診斷故障，逐步縮小故障范圍，直至找到故障點。

（5）信號追蹤法。按照控制系統方框圖，從前往后或從后向前檢查有關信號的有無、性質、大小及不同運行方式的狀態，與正常情況比較有無差異或是否符合邏輯。在較長的“串聯”電路中，可采用分割法，從中間開始向兩個方向查。查出某一方向有問題時，可繼續對這一段采用分割法進行檢查，直至找到故障點。兩個相同的線路，在可能的情況下可對它們進行交換試驗。①硬接線系統信號追蹤法?？捎迷囯姽P、萬用表、示波器等測試工具，測量電壓、電流信號的大小、性質、變化狀態，測量電路的短路、斷路及電阻值變化等，從而判斷出故障的原因。②NC、PLC系統狀態顯示法。NC、PLC程序是軟件結構，可利用面板顯示或編程器進行狀態顯示，追蹤程序的執行，顯示其輸入、輸出及中間環節標志等狀態，用于判斷故障的原因。③硬接線系統的強制。在追蹤中也可以在信號線上加上正常情況的信號，對后面的電路進行試驗。但必須注意要斷開涉及到前級的連線，保證所加信號是正確的，同時要特別注意確認不會產生損壞元件等危險后果。④NC、PHLC控制變量的強制?？赏ㄟ^對輸入、輸出及中間變量強制后的程序執行情況，經判斷、分析找出故障單元后，再用系統分析法和信號追蹤法找出故障點。

（6）靜態測量法。用萬用表測量元器件的在線電阻及晶體管的PN結電壓；用集成電路測試儀檢查集成電路的好壞；亦可用線路板在線測試儀對線路板及板上元器件進行檢測。由于線路板上的電路連接在一起，互相影響，有時不好判斷，在有條件的情況下可找一塊相同的好板，采用對比法進行測量。

（7）動態測量法?？捎眉娱L板將待測板接出后開機測量，也可單獨給待測板加上必要的電源電壓和信號，然后用萬用表、示波波器、邏輯分析儀等對線路板的電壓、電流、波形及邏輯關系進行全面診斷。將測量值與已知值或經驗值進行比較，再用邏輯推理的方法判斷出故障點。

2.5 伺服系統故障及診斷

（1）伺服系統故障及定位的方法。伺服系統會產生超程、過載、竄動、爬行、振動、伺服電動機不轉、位置誤差、漂移等故障。可采用下列方法診斷：①模塊交換法。數控系統有些進給軸的驅動單元具有相同的當量，當其中某一軸發生故障時，可用另一軸來替代，觀察故障的轉移情況，快速確定故障部位。 ②外接參考電壓法。當某軸發生故障時，可脫開位置環，在速度給定輸入端接上外加給定電壓（可用9V干電池和電位器組成，或直接用機械式萬用表RX1擋的表內電源），設法使伺服驅動器的使能信號都滿足。接通電源，伺服電動機應在外加給定電壓控制下轉動，這可判斷驅動裝置和何服電動機是否正常。

2.6 位置檢測裝置故障及診斷

當出現位置環開環報警時，應用示波器測量位置檢測裝置與CNC的連接端口，判斷出故障部位是在測量裝置，還是在CNC系統的接口板上。如果故障在測量裝置一邊，可進一步用示波器測量位置檢測元件與外接脈沖整形器之間的連接端口（注意，此時信號可能比較弱，示波器的靈敏度可選高一些），判斷出是檢測元件的故障，還是脈沖整形器的故障，然后再做進一步檢查。

2.7 數控機床運動質量特性故障

（1）位置偏差過大的原因有如下幾種：①進給伺服電動機轉速不夠，可能是電源電壓太低或不平衡，也可能是伺服電動機本身的毛病，如電動機電刷與換向器接觸不好、軸承損壞或潤滑不良等。②負載過大，或其他作用在電動機上的力過大，使電動機丟轉較多。③伺服驅動器中速度調節器或相關電路出故障，有條件可用替換法來判斷。④位置反饋信號不正常，可用示波器進行檢查。⑤檢查各接線端子是否松動。

（2）零件的加工精度差，一般是由于安裝調整時，各軸之間的進給動態跟蹤誤差沒調好，或由于使用磨損后，機床各軸傳動鏈有變化（如絲杠間隙、螺距誤差變化、軸向竄動等），可經重新調整及修改間隙補償量來解決。

當動態跟蹤誤差過大而報警時，可檢查伺服電動機轉速是否過高；位置檢測元件是否良好；位置反饋電纜接插件是否接觸良好；相應的模擬量輸出鎖存器、增益電位器是否良好；相應的伺服驅動裝置是否正常。

（3）機床運動時超調引起加工精度不好，可能是加、減速時間太短，可適當延長速度變化時間；也可能是伺服電動機與絲杠之間的連接松動或剛性太差，可適當減小位置環的增益。

（4）兩軸聯動時的圓度超差。①圓的軸向變形。這種變形可能是機械未調整好造成軸的定位精度不好，或是絲杠間隙補償不當，導致過象限時產生圓度誤差。②斜橢圓誤差（450方向上的橢圓）這時應首先檢查各軸的位置偏差值。如果偏差過大，可調整位置環增益來排除，然后檢查旋轉變壓器或感應同步器的接口板是否調整好，再檢查機械傳動副間隙是否太大，間隙補償是否合適。

綜上所述：每次排除故障后，應及時總結經驗，并做好維修記錄，這樣有利于迅速提高維修者的理論水平和維修能力，提高重復性故障的維修速度；有利于分析設備的故障率及可維修性，改進操作規程，提高機床壽命和利用率；有利于對原設計之不足進行改進和完善；同時總結資料可作為其他維修人員的參考資料、學習培訓教材，實現資源共享。

總之，數控系統種類繁多，故障千變萬化，維修方法也不盡相同，有的故障部位相同但現象不盡相同，有的現象相同但故障點不同，在排除故障時，不可生搬硬套，要熟練掌握數控設備的控制原理、掌握正確的維修方法，并靈活應用，力求迅速準確地判明故障原因，及時正確排除故障，同時不斷地學習和掌握新的知識與技術，尋找新的維修診斷的方法和手段，不斷提高維修能力。

參考文獻

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收稿日期：2018-06-07

作者簡介：卜樹云（1965—），男，漢族，河北平泉人，本科，一級實習指導教師，研究方向：電氣自動化設備安裝與維護。