1.3 数控机床故障诊断的类型与特点

没有理论指导的实践是盲目的实践，没有实践的理论是空洞的理论。

我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机床的机械维修技术和电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的开放化和性能上的多样化、复杂化和高智能化，不仅对其应用从观念到实践带来了巨大变化，也对其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。

1.3.1 数控机床故障诊断的特点

传统的机床，从电气设备来看，不过是一些触点控制、继电接触器电路，从控制上来看，多数是时间、行程、电流等控制方法，我国从20世纪50年代起，维修人员比较熟悉了对这些设备的维修，其维修手段多半是螺丝刀、扳手、钳子，最多再加上一块万用表，就已经足够了。

1.数控设备维修的特点

数控设备的修理则大不相同，首先要懂得计算机如何修理，PLC如何查找故障，如何利用NC和PLC的诊断系统来查找故障，也就是如何充分利用NC和PLC提供的故障信息来查找故障，主要是如何去查找这些信息，了解面板如何操作，只能通过反复研读操作说明书，弄懂如何操作（虽然各个数控系统的工作大致相同，但在操作细节上还有很多不同），去体会操作的含义，查到故障信息。

出现了故障，如何查出故障的原因，这是困难的，见到过很多维修人员就是“瞎换板”，为什么说是“瞎换板”呢？就是还没搞清楚问题是怎么回事，也没分析清楚故障原因，就认为是硬件故障。举一个例子，某厂的一台数控车床，加工时出现刀痕，技术人员进行维修、换板、甚至整个控制箱全换了也没修好，实际上是主轴轴承坏了，这个问题的查找只用一个小时就完成了。

2.数控系统的维修

数控系统的核心是计算机，计算机的修理问题主要是判断集成电路板的好坏，要有专门的测量仪器，但在实际工作中，遇到的大量问题是通过简单电压、电阻的测量就可以判断它是好还是坏，这就要求维修人员对集成电路板的特性全面掌握。当然，也可用一些简单的小仪器来协助查找故障，例如，逻辑测试笔、活动I/O接口等，特别要了解有关集成电路板的知识，因为数控系统就是电路与模拟电路搭配起来的一个系统，它要求熟练掌握这两种电路检测与维修。例如，碰上手头没这种板子，可以运用各方面的知识，想办法组成一个电路来代替弄不到的板子，在数控及微电子电路维修中常常出现这种情况，用这种板子代替后，再慢慢地想办法解决，这样就不会影响生产。

3.接口电路

接口电路是经常容易出现问题的部分，从主板来的信号经过接口电路，去控制24V的信号，主要的问题是24V的控制信号电路产生短路，引起主板烧坏，这部分问题比较多。

外围设备的维修也有许多问题，如伺服系统、输入输出设备、CRT和行程限位开关。伺服系统中的永磁电动机的维修，看起来是一个强电的问题，但是，一般的电机修理厂还修不了这种电动机，这种永磁电动机有永磁部分，在拆卸时要采取相应措施，保证主要部件不受损坏。

4.光电编码器

光电编码器是一个关键部件，但要真正达到了解它，熟悉它，甚至修理它，还要在实践中进一步摸索。发光器件、光点变换器都比较容易损坏，有时整形放大器也容易损坏，这就要准备一些必需的备用件，以便及时能修理好。光电编码器大多数是玻璃型的编码器，在拆卸、装配过程中，要小心，不要用力太大，否则由于会产生应力集中，就可能出现编码器的破损；装配时特别要注意安装位置，最好事先绘制一张测绘图，以备装配时用；伺服系统的故障查找，也很困难，伺服系统中有很多专用芯片，只能采用示波器来查出各点波形，进一步判断芯片的好坏。

5.CRT显示器

CRT显示器也是难处理的部件，这是因为很多人不熟悉电视电路，即使你了解电视电路，数控机床的CRT显示器又与电视信号不同，但CRT显示器具有与电视电路相同的光栅原理、同步原理，但也有本身的特点，如视频存储器、字符发生器等在电视电路中是没有的，因此，为了维修好CRT显示器，一方面要学习电视电路的知识，同时还要进一步学习数控机床的专用CRT显示器原理，特别是CRT显示器与数控系统的连接和通信软件知识。

总之，数控机床的维修与传统的维修不同，它是NC、PLC、伺服系统和输入输出设备等组成的，它是一台计算机，又具有强电控制的部分，所以又不是一台计算机，它要求维修人员既懂计算机知识，又要懂集成电路方面的知识，又要懂开关电源方面的知识，还有许多相关知识，如液压伺服系统、液压气动系统、机床原理、电力半导体和变频技术等等。

1.3.2 数控机床常见电气故障类型与特点

数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因和后果等分类。

1.故障发生的部位

以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器、印制电路板、电线电缆和接插件等的不正常状态甚至损坏，需要修理甚至更换才可排除的故障。而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序才能排除的故障，零件加工程序故障也属于软件故障，最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这时只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。

2.故障出现时有无指示

以故障出现时的形式，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。现代数控系统都有自诊断程序，实时监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警和有简要的文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的维修诊断手册，不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计相关的故障指示及诊断说明书，有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述二种诊断程序的不完整性导致的（如开关不闭合、接插松动等），这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程、故障现象和后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、排除。

3.故障出现时有无破坏性

以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏工件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除，技术难度较高且有一定风险。如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。

4.故障出现的偶然性

以故障出现的偶然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定的条件则一定会产生的确定故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这类故障的分析较为困难，通常多与机床的机械结构局部松动错位、部分电气元件的可靠性降低、电气装置内部温度过高有关，此类故障的分析，需要反复试验、综合判断才能排除。

5.机床的运动品质特性

以机床的运动品质特性来衡量，就是机床运动特性下降方面的故障，在这种情况下，机床虽能正常运转却加工不出合格的工件。例如，机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等，这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机械、电气环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最优化调整来排除。

1.3.3 数控机床常见机械故障类型与特点

在数控机床中，大部分的故障都有资料可查，但也有一些故障，提供的报警信息较含糊，有的甚至无报警，或者出现的周期较长、无规律和不定期，给查找分析带来了很多困难，对于这类机床故障，需要按具体情况，进行耐心的查找，而且在检查时需要运用机械、电气和液压等方面的综合知识，不然就很难快速、正确地找到故障的真正原因。

1.无报警故障

（1）一台卧式加工中心，工作时出现Y轴正向误差增大，所加工的零件报废，测量检查发现误差范围为0.01～0.50mm。经检查和分析，数控系统和伺服放大器都是正常的，引起故障的原因还是在联轴器上，Y轴的联轴器如图1.1所示，将电动机拆卸，对联轴器进行仔细检查、测量后发现有如下问题，中间的连接块的键与轴上连接套的槽配合过松，且键与槽接触的深度不够，槽内有2/3的空隙，经重新装配中间连接块，调整接触深度后故障排除。

（2）加工中心使用一段时间后，出现换刀故障，刀插入主轴刀孔时，出现错位，机床上无任何报警信息，因此对编码器产生了怀疑，对该部分电气和机械连接进行检查，当将编码器从主轴上拆开后，即发现编码器上的联轴器止退螺丝松动，且已向后移，因而出现工作时，编码器与检测齿轮不能同步，使主轴的定向位置不准，造成换刀错位故障。

2.机床爬行与振动故障

在数控机床中有很多明显的不正常现象，但在某些经济型数控系统的机床中，却没有报警，即使有时出现报警，这个报警信息不能完全反映数控机术的故障，机床出现爬行与振动就是一个明显的例子。机床以低速运行时，机床工作台是蠕动着向前运动，机床要以高速运行时就出现振动。

机床出现爬行，常被认为是润滑不好，而使机床工作台移动时摩擦阻力增大，当电机驱动时，工作台不向前运动，使滚珠丝杠产生弹性变形，把电机的能量储存在变形上，电动机继续驱动，储存的能量所产的弹性力大于静摩擦力时，机床工作台向前蠕动，周而复始地这样运动，而产生了爬行的现象。然而事实并非如此，有时仔细看一下导轨面润滑的情况，就可以断定不是这个问题。

机床爬行和振动问题是属于速度的问题，既然是速度的问题就要去找速度环节，机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，特别应该指出，速度调节器的时间常数，也就是速度调节器积分时间常数是以毫秒来计算的，因此，整个机床的伺服运动是一个过渡过程，是一个调节过程。

凡是与速度有关的问题，就要去查找速度调节器，因此，机床振动问题也要去查找速度调节器，可以从以下几点来查找速度调节器故障：一是给定信号，二是反馈信号，三是速度调节器自身的故障。

3.归基准点的故障

机床的基准点就是机床坐标轴移动到一个预先指定好的准确位置，该位置的坐标值，放置到该坐标实际位置计数器中去，基准点的坐标值可以任意设定，但应以编写零件程序方便、人们的习惯而且容易记忆为准则，当然取整数为最好。另外还应从提高机床效率的角度出发来设定基准点。例如，某系列加工中心X轴基准点安排在一个托盘更换位置，归基准点后，只要不发生实际坐标计数器计数出错（多记或少记）故障，不管该轴进行多少次往复运动与操作，机床控制系统总能以保持基准点为基准，实际坐标与实际位置一致；一旦机床在运行中出现坐标轴出错，机床即报警，且自动要求重新执行归基准点操作，在重新操作归基准点之前，这个报警无法消除，机床既不能进行手动加工操作，又不能进行自动加工操作。因此，上述指定的准确基准点的位置，在每次操作归基准点时是有很高的重复精度，它是由机械进行粗定位和电气进行精定位来完成的。

归基准点操作可能出现下列故障：

（1）无自动方向识别方式或虽有自动识别方式，但坐标轴在执行归基准点时，没有减速过程，一直要等碰到位置极限开关才停机，从而造成归基准点操作失效。

（2）归基准点过程有减速，就是以机床的关机速度来移动机床，直到触及限位开关而停机，没有找到基准点，归基准点操作失败。

（3）归基准点过程有减速，有归基准点标记和归基准点脉冲出现，有制动到零的过程，但未到基准点即触及到极限位置开关而停机，即归基准点操作失败；该故障原因可能是归基准点的基准脉冲已被超越，因此坐标轴未移动到指定距离就已触及到限位开关，所以停机。

4.刀架不能启动

（1）手动换刀正常、机动不换刀。应重点检查主机与刀架控制器引线、微机I/O接口和刀架到位的信号。

（2）刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机的夹紧力来排除。

（3）刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，原因是机械卡死，首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在，则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件卡死，此时应拆开，观察实际情况，加润滑油。

（4）当选择刀具号完成后，在X、Y轴移动的同时，机床就进行换刀动作，但是，X、Y轴移动的距离，与X、Y轴的移动指令不相吻合，并且每次实际移动的距离与移动指令的距离之差不一样，没有任何报警，就是属于软件的参数设置有问题，应修改软件参数。

5.无任何显示故障

（1）加工出来的零件形状发生如图1.2所示的误差时应考虑到以下因素：

①伺服系统传动链存在不稳定的弹性变形和摩擦阻尼等，造成反向失动量，如图1.2（a）所示。

②传动丝杠存在间隙而造成误差。如图1.2（b）所示。

③两坐标的实际系统增益不一致造成误差，在排除机械部分、装配质量、负载等方面因素后，应调整速度增量、位置增量等参数。如图1.3（c）所示。

④单轴的速度控制、位置控制、负载不均匀等造成。有爬行现象或旋转变压器与伺服电动机的连接有偏心误差，会造成零件45°方向上的毛刺。

（2）机床失控（飞车）。负反馈接成正反馈，反馈断线。

（3）机床振动。速度环增益太高或位置控制和速度控制单元的设定错误；另外快速运转振动多数是由于测速发电机表面不光整或CNC系统插补精度太差等因素造成。

（4）加工工艺系统的刀具钝化、切削量太大、联轴器间隙太大、不同轴等，都有可能造成机床加工时产生振动。

1.3.4 数控系统的故障规律

数控信息是以微处理器为核心，以大规模集成电路芯片为主的电控系统，这些器件的信息是不断变化的，可以说是“瞬息万变”。对这些器件的故障，常规的仪器和工具部分地失去了作用，使设备故障检测的方法与检测设备也都发生了很大的变化。

数控机床属于技术密集和知识密集的设备，其故障往往不是简单易见的，这对维修人员提出了很高的要求。它不仅要求维修人员有电子技术、计算机技术、电气自动化技术、检测技术、机械理论和机械加工工艺、液压与气动等技术知识，还要求具有综合分析和解决问题的能力。要做好维修工作，必须首先看懂说明书，对系统的结构有较详细的了解，并对故障规律有所熟悉。

与一般设备相同，数控机床的故障率随时间变化的规律可用图1.3所示的浴盆曲线（或称故障率曲线）表示。在整个使用寿命期内，数控机床的故障额度大致可分为三个阶段，即早期故障期、偶发故障期及耗损故障期。

1.早期故障期

早期故障期出现故障与设计、制造和装配及元器件的质量有关，一般其故障频度较高，且随着使用时间的增加而迅速下降。在用户购置数控机床的保质期一年内，应让机床满负荷运行，尽量让早期故障暴露出来，让机床生产厂或代理商来保修，同时用户要很好地利用这一期间进行技术培训，消化机床资料，尽快掌握操作与维修的基本技能。

2.偶发故障期

偶发故障期（相对稳定运行期）的故障率低且稳定。产生故障主要是因为操作或维护不良造成的。在此期间，一方面要不断提高使用与管理水平，让数控机床创造更高的价值；另一方面要进行良好的保养，并实时维修，尽量避免大故障的发生，以延长机床的使用寿命。

3.耗损故障期

耗损故障期（寿命终了期）的故障伴随着机床运转时间的增加而升高，是由于年久失修和磨损而造成的机床整体性能功能的失效。

1.3.5 其他故障

由于环境条件，如干扰、温度和湿度超过允许范围、操作不当、参数设定不当都可能造成停机或故障。有一台数控机床，开机后不久便失去数控准备信号，系统无法工作，经检查发现机体温度很高，原因是通气的过滤网已堵死，引起温度传感器动作，更换滤网后，系统正常工作；如有时不按照操作规程拔插线路板或无静电防护措施等，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。