系统故障：诊断与维修技巧

数控机床数控系统的诊断及维修，也就是指系统的硬件及软件故障诊断及维修。在维修之前，首先应了解数控系统的工作原理，即硬件和软件的工作原理，在此基础上能够分析、确定一些故障原因。对于软件，应了解系统的软件结构，包括数据输入/输出、插补控制、刀具补偿控制、加减速控制、位置控制、伺服控制、键盘控制、显示控制、接口控制的知识，以及机床参数、PLC程序和参数、报警文本等的存储和恢复方法。对于硬件，则要了解系统各模块的功能和作用、各模块接口连接的来龙去脉，能够做到将故障定位到模块或电路板级。

10.3.1　系统维修的基础

数控机床的维修，需要维修人员事前做大量的基础工作，这包括基础知识、系统知识的培训和学习，机床资料的学习与消化吸收。

（1）对维修人员素质的要求

①专业知识面广，掌握或了解计算机原理、电子技术、电工原理、自动控制与电力拖动、检测技术、机械传动及机加工工艺方面的基础知识。掌握数字控制、伺服驱动及PLC的工作原理，懂得PLC、NC编程。

②具有专业英语的阅读能力。

③勤于学习，善于分析。

④具有较强的动手能力和实践技能。

要做到胆大心细，既敢于动手，又要做到细心、有条理。只有敢于动手，才能深入理解数控系统原理、故障机理，才能一步步缩小故障范围，找到故障原因。所谓心细，就是在动手检修时，要先熟悉情况后动手，不可盲目蛮干，在动手过程中要稳、准。

（2）必要的技术资料和技术准备

维修人员应在平时认真整理和阅读有关数控系统的重要技术资料。维修工作做得好坏，排除故障的速度快慢，主要决定于维修人员对系统的熟悉程度和运用技术资料的熟练程度。

1）数控装置部分

应有数控装置安装、使用（包括编程）、操作和维修方面的技术说明书，其中包括数控装置操作面板布置及其操作，装置内各电路板的技术要点及其外部连接图，系统参数的意义及其设定方法，装置的自诊断功能和报警清单，装置的接口分配及其含义。通过以上资料，维修人员应掌握CNC原理框图、结构布置、各电路板的作用，以及板上各发光元件指示的意义。通过面板对系统进行各种操作，进行自诊断检测、检查和修改参数并能作出备份，能够通过报警信息确定故障范围。

2）PLC装置部分

应有PLC装置及其编程器的连接、编程、操作方面的技术说明书，还应包括PLC用户程序清单或梯形图、I/O地址及意义清单、报警文本以及PLC的外部连接图。维修人员应熟悉PLC编程语言，能看懂用户程序或梯形图，会操作PLC编程器，通过编程器或CNC操作面板（对内装式PLC）对PLC进行监控，有时还需要对PLC程序进行某些修改，还应熟练通过PLC报警号检查PLC有关的程序和I/O连接电路，确定故障原因。

3）伺服单元部分

应有进给和主轴伺服单元原理、连接、调整和维修方面的技术说明书，其中包括伺服单元的电气原理框图和连接图、主要故障的报警显示、重要的调整点和测试点、伺服单元参数的意义和设置。维修人员应掌握伺服单元的原理，熟悉其连接。能从单元板上故障指示发光管的状态和显示屏显示的报警号及时确定故障范围；能测试关键点的波形图和状态，并作出比较；能检查和修改调整伺服参数，对伺服系统进行优化。

4）机床部分

应有机床安装、使用、操作和维修方面的技术说明书，其中包括机床的操作面板布置和操作、机床电气原理图、布置图及连线图。对机床维修人员还需要机床的液压回路及气动回路图，应当了解机床的结构和动作。熟悉机床上电气元器件的作用和位置，会操作机床，编制简单的加工程序并进行试运行。

此外，做好数据和程序的备份十分重要，除了系统参数、PLC程序、PLC报警文本，还有机床必须使用的宏指令程序、典型的零件程序、系统的功能检查程序。对于一些装有硬盘驱动器的数控系统，应有硬盘的备份，并且能对数控系统进行输入和输出的操作。

10.3.2　数控系统的软件故障及维修

数控机床运行的过程就是在数控软件控制下机床的动作过程。完好的硬件和完善的软件以及正确的操作，是数控机床能够正常进行工作的必要条件。因此，数控机床在出现故障以后，除了硬件控制系统故障之外，还可能是软件系统出现了问题。

（1）软件配置

下面以西门子系统为例，说明系统软件的配置，系统软件包括三部分（见表10.1）：

①数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环、测量循环等。出于安全和保密的需要，这些程序在出厂前被预先写入EPROM。用户可以使用这部分内容，但不能修改它。如果因为意外破坏了该部分软件，应注意所使用的机床型号和所使用的软件版本号，及时与系统的生产厂家联系，要求更换或复制软件。

②由机床厂家编制的针对具体机床所用的NC机床数据、PLC机床数据、PLC用户程序、PLC报警文本、系统设定数据。这部分软件是由机床厂家在出厂前分别写入到RAM或EPROM，并提供有技术资料加以说明。由于存储于RAM中的数据由电池进行保持，因此要作好备份。

③由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置参数、R参数等组成。这部分软件或参数被存储于RAM中，与具体的加工密切相关的。因此，对它们的设置、更改是机床正常完成加工所必备的。

表10.1　系统软件的组成

以上几部分软件均可通过多种存储介质（如软盘、硬盘、磁带、纸带等）进行备份，以便出现故障时进行核查和恢复。

（2）软件故障发生的原因

软件故障是由软件变化或丢失而形成的。机床软件故障形成的可能原因如下：

1）误操作

在调试用户程序或修改机床参数时，操作者删除或更改了软件内容或参数，从而造成软件故障。

2）供电电池电压不足

为RAM供电的电池经过长时间的使用后，电池电压降低到监测电压以下，或在停电情况下拔下为RAM供电的电池、电池电路断路或短路、电池电路接触不良等，都会造成RAM达不到维持电压，从而使系统丢失软件和参数。这里要特别注意以下六点：

①应对长期闲置不用的数控机床定期开机，以防电池长期得不到充电，造成机床软件丢失，实际上机床开机也是对电池充电的过程。

②当为RAM供电电池出现电量不足报警时，应及时更换新电池。

③干扰信号引起软件故障。有时电源的波动及干扰脉冲会窜入数控系统总线，引起时序错误或造成数控装置停止运行等。

④软件死循环。运行复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环，引起系统中断，造成软件故障。

⑤操作不规范。这里指操作人员违反了机床操作的规程，从而造成机床报警或停机现象。

⑥用户程序出错。由于用户程序中出现语法错误、非法数据，运行或输入中出现故障报警等现象。

（3）软件故障的排除

对于软件丢失或参数变化造成的运行异常、程序中断、停机故障，可对数据程序更改或清除，重新输入，以恢复系统的正常工作。

对于程序运行或数据处理中发生中断而造成的停机故障，可对硬件复位或关掉数控机床总电源开关，再重新开机，以排除故障。

NC复位、PLC复位能使后继操作重新开始，而不会破坏有关软件和正常处理的结果，以消除报警。也可采用清除法，但对NC，PLC采用清除法时，可能会使数据全部丢失，应注意保护不想清除的数据。

开关系统电源是清除软件故障的常用方法，但在出现故障报警或开关机之前一定要将报警的内容记录下来，以便排除故障。

10.3.3　系统的硬件及维修

硬件故障检查过程因故障类型而异，以下所述方法无先后次序之分，可穿插进行，综合分析，逐个排除。

（1）常规检查

1）外观检查

系统发生故障后，首先进行外观检查。运用自己的感官感受判断明显的故障，有针对性地检查可疑部分的元器件，查看空气断路器、继电器是否脱扣，继电器是否有断开现象，熔丝是否熔断，印制线路板上有无元件破损、断裂、过热，连接导线是否断裂、划伤，插拔件是否脱落等；若已检修过电路板，还得检查开关位置、电位器设定、短路棒选择、线路更改是否与原来状态相符，并注意观察故障出现时的噪声、振动、焦煳味、异常发热、冷却风扇是否转动正常等。

2）连接电缆、连接线检查

针对故障有关部分，用一些简单的维修工具检查各连接线、电缆是否正常。尤其注意检查机械运动部位的接线及电缆，这些部位的接线易因受力、疲劳而断裂。

例如，WY203型自动换箱数控组合机床Z轴一启动，即出现跟随误差过大报警而停机。经检查发现，位置控制环反馈元件光栅电缆由于运动中受力而拉伤断裂，造成丢失反馈信号。

3）连接端及接插件检查

针对故障有关部位，检查接线端子、单元接插件。这些部件容易因松动、发热、氧化、电化腐蚀而造成断线或接触不良。

例如，TC1000型加工中心启动后出现114号报警。经检查发现，Y轴光栅适配器电缆插头松脱。

4）恶劣环境下工作的元器件检查

针对故障有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。这些元器件容易因受热、受潮、受振动、粘灰尘或油污而失效或老化。

例如，WY203型自动换箱数控组合机床一次X轴报警跟随误差太大。经检查发现，受冷却水及油污染，光栅标尺栅和指示栅都变脏。清洗后，故障消失。

5）易损部位的元器件检查

数控机床的空气开关、继电器等的熔断器、触头是否有熔断或烧蚀，光栅、磁栅、印刷电路板等是否有油污、划伤、断裂，插接件是否有松动、脱落，按钮、开关等的触头是否有热粘接、污染或氧化等，应优先检查，逐一排除。

6）元器件易损部位应按规定定期检查

直流伺服电机电枢、电刷及整流子，测速发电机电刷及整流子，都容易磨损粘污物，前者造成转速下降，后者造成转速不稳。纸带阅读机光电读入部件光学元件透明度降低，发光元件及光敏元件老化，都会造成读带出错。

例如，WY203型自动换箱数控组合机床出现一次X轴电机不能启动故障。打开电机检查发现，炭刷磨损，电缆接头电化学腐蚀，接触不良。

7）定期保养的部件及元器件的检查

有些部件、元器件应按规定及时清洗润滑，否则容易出现故障。如果冷却风扇不及时清洗风道等，则易造成过负载。如果不及时检查轴承，则在轴承润滑不良时，易造成通电后转不动。

例如，TC1000型加工中心NC系统运行异常，经检查，NC系统冷却风扇未能按时清除污物，管路堵塞，风扇过负载而烧坏，导致冷却对象过热，出现异常。

8）电源电压检查

电源电压正常是机床控制系统正常工作的必要条件。电源电压不正常，一般会造成故障停机，有时还造成控制系统动作紊乱。硬件故障出现后，检查电源电压不可忽视，检查步骤可参考调试说明，方法是参照上述电源系统，从前（电源侧）向后检查各种电源电压。应注意到电源组功率大、易发热，容易出故障。多数情况电源故障是由负载引起，因此，更应该在仔细检查后继环节后再进行处理，熔丝断了只换熔丝是不行的，应该查明短路或过流过负载的真正原因。检查电源时，不仅要检查电源自身馈电线路，还应检查由它馈电的无电源部分是否获得了正常的电压；不仅要注意到正常时的供电状态，还要注意到故障发生时电源的瞬时变化。

（2）故障现象分析法

故障分析是寻找故障的特征。最好组织机械、电子技术人员及操作人员“会诊”，捕捉出现故障时机器的异常现象，分析产品检验结果及仪器记录的内容，必要（会出现故障发生时刻的现象）和可能（设备还可以运行到这种故障再现而无危险）时可以让故障再现，经过分析可能找到故障规律和线索。

（3）面板显示与指示灯显示分析法

数控机床控制系统多配有面板显示器和指示灯。面板显示器可将大部分被监控的故障识别结果以报警的方式给出。对于各个具体的故障，系统有固定的报警号和文字显示给予提示。特别是彩色CRT的广泛使用及反衬显示的应用，使故障报警更为醒目。出现故障后，系统会根据故障情况、故障类型，提示或者同时中断运行而停机。对于加工中心运行中出现的故障，必要时，系统会自动停止加工过程，等待处理。指示灯只能粗略地提示故障部位及类型等。程序运行中出现的故障，程序显示报警出现时程序的中断部位，坐标值显示提示故障出现时运动部件坐标位置，状态显示能提示功能执行结果。在维修人员未到现场前，操作人员尽量不要破坏面板显示状态、机床故障后的状态，并向维修人员报告自己发现的面板瞬时异常现象。维修人员应抓住故障信号及有关信息特征，分析故障原因。故障出现的程序段，可能是指令执行不彻底而应答。故障出现的坐标位置，可能有位置检测元件故障、机械阻力太大等现象发生。维修人员和操作人员要熟悉本机床报警目录，对于有些针对性不强、含义比较广泛的报警，要不断总结经验，掌握这类报警发生的具体原因。

（4）系统分析法

判断系统存在故障的部位时，可对控制系统方框图中的各方框单独考虑。根据每一方框的功能，将方框划分为一个个独立的单元。在对具体单元内部结构了解不透彻的情况下，可不管单元内容如何，只考虑其输入和输出。这样就简化了系统，便于维修人员判断故障。首先检查被怀疑单元的输入，如果输入中有一个不正常，该单元就可能不正常。这时应追查提供给该输入的上一级单元；在输入都正常的情况下而输出不正常，那么故障即在本单元内部。在将该单元输入和输出与上下有关单元脱开后，可提供必要的输出电压，观察其输出结果（也请注意有些配合方式将相关单元脱开后，给该单元供电会造成本单元损坏）。当然，在使用这种方法时，要求了解该单元输入/输出的电信号性质、大小、不同运行状态信号及它们的作用。用类似的方法可以找出独立单元中某一故障部件，将怀疑部分由大缩到小，逐步缩小故障范围，直至将故障定位于元件。在维修的初步阶段及有条件时，对怀疑单元可采用换件诊断修理法。但要注意，换件时应该对备件的型号、规格、各种标记、电位器调整位置、开关状态、跳线选择、线路更改及软件版本是否与怀疑单元相同，并确保不会由于上下级单元损坏造成的故障而损坏新单元；此外，还要考虑可能要重调新单元的某些电位器，以保证该新单元与怀疑单元性能相近。一点细微的差异都可能导致失败或造成损失。这里要特别强调的是，系统若带有分立的PLC时，系统产生故障后，首先应该确定故障发生在系统本身还是发生在内装的PLC中，这就要求熟悉NC与PLC信息交换的内容，搞清楚某一动作不执行是由于NC没给PLC指令，还是由于NC给了PLC指令而PLC未执行，或者是由于PLC无准备好应答信号，NC不可能提供该指令等。

（5）信号追踪法

信号追踪法是指按照控制系统方框图从前往后或从后向前地检查有关信号的有无、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，查看有什么差异或是否符合逻辑。如果线路由各元件“串联”组成，则出现故障时“串联”的所有元件和连接线都值得怀疑。在较长的“串联”电路中，适宜的做法是将电路分成两半，从中间开始向两个方向追踪，直到找到有问题的元件（单元）为止。两个相同的路线，可以对它们部分地交换试验。这种方法类似于将一个电机从其电源上拆下，接到另一个电源上试验电机。类似地，在其电源上另接一电机试该电源，这样可以判断出电机有问题还是电源有问题。但对数控机床来讲，问题就没有这么简单，交换一个单元一定要保证该单元所处大环节（如位置控制环）的完整性，否则可能闭环受到破坏，保护环节失效，PI调节器输入得不到平衡。例如，只改用Y轴调节器驱动X轴电机，若只换接X轴电机及转速传感器于Y轴调节器，而不改接X轴位置反馈于Y轴反馈上，改接X轴转速设定于Y轴调节器上（或在NC中改X轴为Y轴号），给指令于Y轴，这时X轴各限位开关失效，且X轴移动无位置反馈，可能机床一启动即产生X轴测量回路硬件故障报警，且X轴各限位开关不起作用。

1）接线系统（继电器-接触器系统）信号追踪法

硬接线系统具有可见接线、接线端子、测试点。故障状态可以用试电笔、万用表、示波器等简单测试工具测量电压、电流信号大小、性质、变化状态、电路的短路与断路、电阻值变化等，从而判断出故障的原因。举简单的例子加以说明：由一个继电器线圈K在指定工作方式下，其控制线路为经X、Y、Z三个触点接在电源P、N之间，在该工作方式中K应得电，但无动作，经检查P、N间有额定电压，再检查X-Y接点与N间有无电压，若有电压，则向下测Y-Z接点与N间有无电压；若无电压，则说明Y轴点可能不通。其余类推，可找出各触点、接线或K本身的故障。例如，控制板上的一个三极管元件，若c极、e极间有电源电压，b极、e极间有可使其饱和的电压，接法为射极输出。如果e极对地间无电压，就说明该三极管有问题。当然，对一个比较复杂的单元来讲，问题就会更复杂一些，但道理是一样的，影响它的因素更多一些，关联单元相互间的制约要多一些。

2）NC、PLC系统状态显示法

NC、PLC程序是软件结构，有些机床面板、显示器、编程器可以进行状态显示，显示其输入、输出及中间环节标志位等的状态，用于判别故障位置。例如，PLC的输出Q由输入I0.0、中间标志位F0.1和来自NC的信号F0.2的与逻辑控制，可分别检查I0.0、F0.1、F0.2的状态。若I0.1 =0，则要检查F0.1的软件线路；若F0.2 =0，则要检查NC为什么不使其为“1”。这种检查要比硬接线系统方便得多，但由于NC、PLC功能很强而较复杂，因此，要求维修人员熟悉具体机型控制原理，PLC程序中多有触发器支持，有的置位信号和复位信号都维持时间不长，有些环节动作时间很短，不仔细观察，很难发现已起过作用但状态已经消失的过程。

3）硬接线系统的强制

在追踪中也可以在信号线上加上正常情况的信号，以测试后继线路，但这样做是很危险的，因为这无形中忽略了许多环节。因此，要特别注意以下问题：

①要将涉及前级的线断开，避免所加电源对前级造成损害。

②要尽量地移动可能移动的机床部分于可以较长时间移动而不至于触限位，以免飞车碰撞。

③弄清楚所加信号是什么类型。例如，是直流还是脉冲，是恒流源还是恒压源等。

④设定要尽可能小些（因为有时运动方式和速度与设定关系很难确定）。

⑤密切注意可能忽略的连锁环节导致的后果。

⑥要密切观察运动情况，勿使飞车超程。

4）NC、PLC控制变量强制

例如，SIN8的ST方式和SS系列编程仪CONTR VAR方式同强制PLC输出，标志位置位或复位，借以区分故障在NC内、PLC内还是外设。接在PLC输出上的执行元件不动作，可强制该输出为“1”，查看该元件是否带电；程序不执行若是由于PLC的一个中间标志位不为“1”所致，可以强制该标志位为“1”。当然，若程序中的该元素定义不可能为“l”，强制只能得到瞬间效果。若相对标志位或输出长期强制，最好在程序中清除它的定义程序段，或使该程序段虽有而不被执行。在诊断出故障单元后，也可利用系统分析法和信号追踪法将故障缩小到单元内部的某个插件、芯片、元件。

（6）静态测量法

静态测量法主要使用万用表测量元器件的在线电阻及晶体管上的PN结电压，用晶体管测试仪检查集成电路块等元件的好坏。

（7）动态测量法

动态测量法是通过直观检查和静态测量后，根据电路原理图印制电路板上加上必要的交直流电压、同步电压和输入信号，然后用万用表、示波器等对电路板的输出电压、电流及波形等全面诊断并排除故障。动态测量法有电压测量法、电流测量法及信号注入及波形观察法。

①电压测量法是对可疑电路的各点电压进行普遍测量，根据测量值与已知值或经验值进行比较，再应用逻辑推理方法判断出故障所在。

②电流测量法是通过测量晶体管、集成电路的工作电流、各单元电路和电源负载电流来检查电子印制电路板的常规方法。

③信号注入及波形观察法是利用信号发生器或直流电源在待查回路中的输入信号，用示波器观察输出波形。