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第一章数控机床故障诊断与维修基本概念

1－1 数控机床的基本概念

一、数控技术与数控机床

1、数控技术---NC

2、计算机数控---CNC

3、加工中心---MC（带 ATC）

4、柔性加工单元---FMS（带 APC）

5、计算机集成制造系统---CIMS

二、数控系统及组成

1、数控系统的基本组成

数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要对象是坐标轴的位移（包括移动速度、方向、位置等），

其控制信息主要来源于数控加工或运动控制程序。因此，作为数控系统最基本组成应包括：

1）输入/输出装置

2）数控装置

3）伺服系统 2、NC、CNC、SV、PLC 的概念

1）SV---伺服驱动（Servo Drive）按日本 JIS 标准规定的术语，它是“以物体位置、方向、状态等作为控制量，

追踪目标值的任意变化的控制机构”。作用：一是使坐标轴按照数控装置给定的速度运行；二是使坐标轴按

照数控装置给定的位置定位。

2）PLC---可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）或可编程序机床控制器 PM（Machine）C。

三、机床的组成与加工原理

1、数控机床的基本组成

输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、辅助控制装置以及机床本体。2、数控加工原理

实质应用的是“微分”原理；1）数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将按机床对应的坐标轴，以最小

移动量（脉冲当量）进行微分，并计算出各坐标轴需要的移动脉冲数；

2）通过数控装置的“插补”软件或“插补”运算器，把要求的轨迹永以“最小移动单位”为单位的等效折

线拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线；

3）数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标

轴分配的脉冲运动。由此可见：1 只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就可以等效

代替理论曲线；2 只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的；

3 只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。

能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数；显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越

强；因此，联动轴的数量是衡量数控机床性能的重要技术指标之一。

四、金工车间现有设备情况

GSK980T 数控车床 4 台、FANUC 南通铣床 2 台、SIEMENS 铣床 1 台、电火花 1 台、线切割 1 台、加工中心 1

台、GSK980TD 数控车床示教机 4 套。1-2 数控机床的故障类型与主要故障

一、常见故障及其分类

1、按故障发生的部位分类

1）主机故障---指机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等部分；

因机械部件安装、调试、操作使用不当引起

因导轨、主轴等运动部件的干涉、摩擦大引起

因机械零件的损坏、连接不良等引起

☆主机故障主要表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大、机械部件动作不进行、机械部件损坏等；润

滑不良、液压、气动系统的管路堵塞和密封不良等；数控机床要定期维护、保养，控制和根除“三漏”现象发生

可减少主机部分故障。2）电气控制系统故障---“弱电”、“强电”“弱电”指控制系统中以电子元器件、集成电

路为主的控制部分；包括 CNC、PLC、MDI/CRT 以及伺服驱动单元、输入/输出单元等；可分为硬件故障和软件故

障；

“强电”指控制系统中的主回路或高压、大功率回路中的继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电

动机、电磁铁、行程开关等电气元器件及其所组成的控制回路。发生几率要大于“弱电”。

2、按故障的性质分类

1）确定性故障

2）随机性故障

3、按故障的指示形式分类

1）有报警显示的故障

A、指示灯显示报警---指通过控制系统各单元上的状态指示灯（一般由 LED 或小型指示灯组成）显示报警；

B、显示器显示报警---指可以通过 CNC 显示器显示出报警信号和报警信息的报警；分为 NC 和 PLC 的报警；

2）无报警显示的故障

4、按故障产生的原因分类

1）数控机床自身故障

2）数控机床外部故障---供电电压过低、过高，波动过大，电源相序不正确或三相输入电压的不平衡，环境

温度过高，有害气体、潮气、粉尘侵入，外来振动和干扰等都是引起故障的原因；

二、故障分析的基本方法

数控机床发生故障时，为了进行故障诊断，找出产生故障的根本原因，维修人员应遵循以下两条原则：

第一，充分调查故障现场这是维修人员取得维修第一手材料的一个重要手段。调查故障现场，首先要查看故

障记录单；同时应向操作者调查、询问出现故障的全过程，充分了解发生的故障现象，以及采取过的措施等。此

外，维修人员还应对现场作细致的检查，观察系统的外观内部各部分是否有异常之处：在确认数控系统通电无危

险的情况下方可通电，通电后再观察系统有何异常，CRT 显示的报警内容是什么等。

第二，认真分析故障的原因。数控系统虽有各种报警指示灯或自诊断程序，但不可能诊断出发生故障的确切

部位。而且同一故障、同一报警可以有多种起因，在分析故障的起因时，一定要开阔思路，尽可能考虑各种因素。

分析故障时，维修人员也不应局限于 CNC 部分，而是要对机床强电、机械、液压、气动等方面都作详细的检

查，并进行综合判断，达到确诊和最终排除故障的目的。

对于数控机床发生的大多数故障，总体上说可采用下述几种方法来进行故障诊断。

（1）直观法。这是一种最基本、最简单的方法。维修人员通过对故障发生时产生的各种光、声、味等异常

现象的观察、检查，可将故障缩小到某个模块，甚至一块印制电路板但是．它要求维修人员具有丰富的实践经

验．以及综合判断能力。

（2）系统自诊断法。充分利用数控系统的自诊断功能，根据 CRT 上显示的报警信息及各模块上的发光二极

管等器件的指示，可判断出故瘴的大致起因。进一步利用系统的自诊断功能．还能显示系统与各部分之间的接口

信号状态，找出故障的大致部位．它是故障诊断过程中最常用、有效的方法之一。

（3）参数检查法。数控系统的机床参数是保证机床正常运行的前提条件，它们直接影响着数控机床的性能。

参数通常存放在系统存储器中，一旦电池不足或受到外界的干扰，可能导致部分参数的丢失或变化，使机床

无法正常工作。通过核对、调整参数，有时可以迅速排除故障：特别是对于机床长期不用的情况，参数丢失的现

象经常发生，因此，检查和恢复机床参数是维修中行之有效的方法之一。另外，数控机床经过长期运行之后，由

于机械运动部件磨损，电气元件性能变化等原因，也需对有关参数进行重新调整。

（4）功能测试法。所谓功能测试法是通过功能测试程序，检查机床的实际动作，判别故障的一种方法功能

测试可以将系统的功能（如：直线定位、圆弧插补、螺纹切靓、固定循环、用户宏程序等）用手工编程方法，编

制一个功能测试程序，并通过运行测试程序，来检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生

的原因。

对于长期不用的数控机床或是机床第一次开机不论动作是否正常，都应使用木方法进行一次检查以判断机床

的上作状况。

（5）部件交换法。所谓部件交换法，就是在故障范围大致确认，并在确认外部条件完全正确的情况下。利

用同样的印制电路板、模块、集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分的方法。部件交换法是一种简单，易行、

可靠的方法，也是维修过程中最常用的故障判别方法之一。

交换的部件可以是系统的备件，也可以用机床上现有的同类型部件替换通过部件交换就可以逐一排除故障可

能的原因把故障范围缩小到相应的部件上。

必须注意的是：在备件交换之前要仔细检查，确认部件的外部工作区域在线路中是否存在短路、过电压等情

况，若不确定，切不可以轻易更换备件此外。备件（或交换板）应完好，且与原板的各种设定状态一致。

在交换 CNC 装置的存储器板或 CPU 板时，通常还要对系统进行某些特定的操作，如存储器的初始化操作等并

重新设定各种参数，否则系统不能正常工作。这些操作步骤应严格按照系统的操作说明书、维修说明书进行。

（6）测量比较法。数控系统的印制电路板制造时，为了调整、维修的便利，通常都设置有检测用的测量端

子。维修人员利用这些检测端子，可以测量、比较正常的印制电路板和有故障的印制电路板之间的电压或波形的

差异，进而分析、判断故障原因及故障所在位置。

通过测量比较法，有时还可以纠正他人在印制电路板上的调整、设定不当而造成的“故障”。

测量比较法使用的前提是：维修人员应了解或实际测量正确的印制电路板关键部位、易出故障部位的正常电

压值，正确的波形，才能进行比较分析，而且这些数据应随时做好记录并作为资料积累。

（7）原理分析法。这是根据数控系统的组成及工作原理，从原理上分析各点的电平和参数，并利用万用表、

示波器或逻辑分析仪等仪器对其进行测量，分析和比较，进而对故障进行系统检查的一种方法。运用这种方法要

求维修人员有较高的水平，对整个系统或各部分电路有清楚，深入的了解才能进行。对于其体的故障，也可以通

过测绘部分控制线路的方法．通过绘制原理图进行维修。

除了以上介绍的故障检测方法外．还有插拔法、电压拉偏法、敲击法、局部升温法等等这些检查方法各有特

点，维修人员可以根据不同的故障现象加以灵活应用，以便对故障进行综合分析，逐步缩小故障范围，排除故障。

三、干扰及其预防

干扰是造成数控系统“软”故障．且容易被忽视的一个重要的方面。消除系统的干扰可以从下述几个方面着

手：

（1）正确连接机床、系统的地线。数控机床必须采用点接地法，切不可为了省事，在机床的各部位就近接

地，造成多点接地环流。接地线的规格定要按系统的规定，导线线径必须足够大。在需要屏蔽的场合必须采用屏

蔽线。屏蔽地必须按系统要求连接，以避免干扰。

数控机床对接她的要求通常较高，车间、厂房的进线必须有符合数控机床安装要求的完整接地网络。它是保

证数控机床安全、可靠运行的前提条件，必须引起足够的重视。

（2）防止强电干扰数控机床强电柜内的接触器、继电器等电磁部件都是干扰源，交流接触器的频繁通断、

交流电动机的频繁起动、停止，主问路与控制回路的布线不合理，都可能使 CNC 的控制电路产生尖峰脉冲、浪涌

电压等干扰，影响系统的正常工作。因此，对电磁干扰必须采取以下措施，予以消除。

1）在交流接触器线圈的两端、交流电动机的三相输出端上并联 RC 吸收器；

2）在直流接触器或直流电磁阀的线圈两端，加入续流二极管；

3）CNC 的输入电源线间加入浪涌吸收器与滤波器；

4）伺服电动机的三相电枢线采用屏蔽线（SIEMENS 驱动常用）。

通过以上办法一般可有效抑制干扰，但要注意的是：抗干扰器件应尽可能靠近干扰源，其连接线的长度原则

上不应大于 20cm。

（3）抑制或减小供电线路的干扰。在某些电力不足或频率不稳的场合，电压的冲击、欠压，频率和相位漂

移，波形的失真、共模噪声及常模噪声等，将影响系统的正常工作，应尽可能减小线路上的此类干扰。

防止供电线路干扰的具体措施一般有以下几点：

1）对于电网电压波动较大的地区，应在输入电源上加装电子稳压器；

2）线路的容量必须满足机床对电源容量的要求；

3）避免数控机床和电火花设备频繁起动、停止的大功率设备共用同一干线；

4）安装数控机床时应尽可能远离中频炉、高频感应炉等变频设备。

四、CNC 的故障自诊断

1、开机自诊断---数控系统通电时，由系统内部诊断程序自动执行诊断，它类似于计算机的开机自诊断；

对 CPU、存储器、I/O 单元、CRT/MDI 单元、纸带阅读机、软驱动装置进行自动检查；确定指定设备的安装、连

接状态与性能；部分系统还能对某些重要芯片如 RAM、ROM、专用 LSI 等进行诊断。

以 FUNUC 11 系统为例，诊断程序的执行过程中，系统主板上的七段显示按 9-8-7-6-5-4-3-2-1 的顺序变化，

相应的检查内容为：

9---对 CPU 进行复位，开始执行诊断指令；

8---进行 ROM 测试，表示 ROM 检查出错时，显示器变为 b；7---对 RAM 清零，系统对 RAM 中的内容进行清除，

为正常运行作好准备；

6---对 BAC（总线随机控制）芯片进行初始化；此时，若显示变为 A，说明主板与 CRT 之间的传输出了

差错；变为 C，表示连接错误；变为 F，表示 I/O 板或连接电缆不良；变为 H，表示所用的连接单元识别号不对；

显示小写字母 c，表示光缆传输出错；显示 J，表示 PLC 或接口转换电路不良等等；

5---对 MDI 单元进行检查；

4---对 CRT 单元进行初始化；

3---显示 CRT 的初始画面；如软件版本号、系列号等；此时，若显示变成 L，表明 PLC 的控制软件存在问题；

变为 0，表示系统未能通过初始化，控制软件存在问题；

2---表示已完成系统的初始化工作；

1---表示系统已可以正常运转；此时，若显示变为 E，表示主板或 ROM 板、或 CNC 控制软件有故障；2、在

线控制---分为 CNC 内部程序监控与通过外部设备监控；数控系统内部程序监控包括：

1）接口信号显示---可以显示 CNC 和 PLC、CNC 和机床之间的全部接口信号的现行状态；

2）内部状态显示。

A、造成循环指令（加工程序）不执行的外部原因；如 CNC 系统是否处于“到位检查”中；是否处于“机床

锁住”状态；是否处于“等待速度到达”信号接通；在主轴每转进给编程时，是否等待“位置编码器”的测量信

号；在螺纹切削时，是否处于等待“主轴 1 转信号”；进给速度倍率是否设定为 0%，等等；

B、复位状态显示；指示系统是否处于“急停”状态或是“外部复位”信号接通状态；

C、TH 报警状态显示；它可以显示出报警时的纸带错误孔的位置；

D、存储器内容以及磁泡存储器异常状态的显示；E、位置跟随误差的显示；

F、伺服驱动部分的控制信息显示；

G、编码器、光栅等位置测量元件的输入脉冲显示，等等；

3）故障信息显示---一般以“报警显示”的形式在 CRT 上进行显示；

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