数控系统运行状态保障的基础优化方案

当数控机床运行时的状态偏离了规定的标准运行状态（称之为运行状态异常），但未达到故障状态时，为复现标准运行状态、保证加工精度，避免故障的出现，对数控机床的运行状态进行评估和预测后，进行必要的维护或修理，成为数控机床的运行状态维修。

11.1.1　数控机床运行状态诊断的基本条件

（1）人员条件

从事数控机床维修的工程技术人员首先要具备高度的责任感和良好的职业道德，要充分掌握数控机床的工作原理、结构组成与工作状况，尤其是数控机床数控系统的结构与特点。

（2）工作条件

①准备好常用的条件，并保证随时可以得到微电子元件或其他机械、液压、气动元器件的支持与供应。

②具备必要的维修工具、测试仪器、仪表及微型计算机，最好有便携式在线故障检测仪。如果有必要，可以用数字维修测试仪器。例如：逻辑分析仪、仿真器、特征分析仪、故障检测仪等。

③具备充分和必要的资料。例如：线路图册，维修保养手册，设备说明书，接口、调整与诊断、参数设置记录手册与资料，位检及传感器手册与资料，HC说明书与用户程序单，元器件手册与表格等。

④做好现场信息收集工作。应了解出现异常运行状态前的操作与机床的运行情况，听取操作人员的介绍，对现场检查要有记录。

11.1.2　数控装置运行状态异常的处理

（1）处理步骤

①操作人员做好运行状态异常的详细记录，尤其应对出现运行状态异常时的数控装置工作方式做详细的记录。

②及时与专业维修部门联系，严禁盲目拆卸及非专业人员的调试。

③专业维修人员在获得详细报告后，做好现场检测、维修、调试等工作准备，包括工具及资料的准备。

（2）运行状态异常判断和分析

1）利用外部现象判断运行状态异常

观察运行状态异常发生后的各种外部现象，做好运行状态异常的详细记录，并判断运行状态异常的可能部位。一般情况下，简单运行状态异常通过这种直接观察就能排除。另外，检查系统各电缆接头是否有松脱或断开，接触不良是处理数控系统运行状态异常时首先要考虑的因素。

2）利用软件报警功能

该功能在系统运行中能定时用自诊断程序对系统进行快速诊断，一旦检测到运行状态异常，能立即进行故障分类，并显示在GRT上，点亮面板上的报警指示灯，停止机床的运行。维修时可根据报警类别提示来查找问题所在。

3）利用硬件报警功能

对于通用的各类数控系统，为了提高系统的维护性，在数控系统中设置有众多的报警指示装置，通过指示灯、数码管的显示状态来为维修人员提示运行状态异常所在位置及类型。因此，在前两种方法不能解决的时候，可以借助各报警装置，观察有无报警指示，然后根据指示查阅随机说明书来处理运行状态异常。

另外，也可充分利用同类元器件置换来判断运行状态异常并排除之。

11.1.3　软件运行状态异常的处理

数控机床出现软件运行状态异常后，一般采取以下方法予以排除：

（1）对于软件丢失或变化造成的运行异常、程序中断、停机运行状态异常，可采取对数据、程序更改补充法，也可采用清除再输入法

这类运行状态异常主要指存储于RAM中的NC机床数据、设定数据、机床程序、零件程序出错运行状态异常或丢失。这些程序是确定系统功能的依据，也是系统适配于机床所必需的，出错后会造成系统运行状态异常或某些功能失效。 PLC机床程序出错也可能造成运行状态异常停机。在这种情况下，找出出错位置或丢失位置，更改补充后即可排除运行状态异常。若出错或丢失较多，则采用清除重新写入法恢复更好。必须注意到，许多系统在清除所有软件后会使报警消失。因此，在清除前应有充分准备，必须将现行可能被清除的报警内容记录下来，以便清除后恢复它们。

（2）对于数控机床程序和数据处理中发生运行中断而造成的故障停机，可采取硬件复位法、开关系统电源法

NC RESET和PLC RESET可分别对系统、PLC复位，使后续操作重新开始，且它们不会破坏有关软件及正常的中间处理结果。无论任何时候都允许这样做，以消除报警。也可采取清除法，但对NC、PLC采用清除法时，可能会使数据、程序全部丢失，这时应注意保护不欲清除的部分。开关一次系统电源的作用与使用RESET法类似，系统出现运行状态异常后有必要这样做。

运行状态异常举例：T0C100型加工中心，某一运行状态异常现象是屏幕显示紊乱，重新输入机床数据，机床恢复正常，但停机后数小时再启动，运行状态异常再现，经检查是电源板上的电池电压降至下限以下，更换电池重新输入数据后运行状态异常消失。

11.1.4　驱动伺服系统的运行状态异常处理

数控机床的驱动伺服系统包括进给驱动与主轴驱动。主轴驱动又分直流与交流两类不同的装置。

（1）进给驱动系统运行状态异常的处理

1）软件报警

软件报警现象包括：伺服进给系统出错报警（大多数是由速度控制单元运行状态异常引起，或是主控印刷电路板内与位置控制或伺服信号有关部分发生运行状态异常）检测单元（如测速发电机、旋转变压器或脉冲编码器等）有运行状态异常或检测信号引起运行状态异常，以及过热报警（包括伺服单元过热、变压器过热及伺服电机过热）等三种情况。

运行状态异常举例：WY203型数控组合机床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的光栅电缆由于在运动中受力而拉伤断裂，造成丢失反馈信号。将光电缆连接好，再开机运行状态异常消失。

2）硬件报警

硬件报警现象包括：高压报警（电网电压不稳定）、大电流报警（晶闸管损坏）、低压报警（大多为输入电压低于额定值的85%或电源线连接不良）、过载报警（机械负载过大）、速度反馈断线报警、保护开关动作有误报警等。这些运行状态异常在处理中应按具体情况分别对待，只要采取有针对性的措施，就会顺利排除运行状态异常。

3）无报警显示

无报警显示的运行状态异常现象包括：机床失控、机床振动、机床过冲（参数设置不当）、噪声过大（电机运行状态异常）、快进时不稳定等现象。这些运行状态异常要从检查速度控制单元、参数设置、传动副间隙、异物侵入、电机轴向窜动、电刷接触等做起，去查找运行状态异常根源。

运行状态异常举例：WY203型数控组合机床出现X轴电机转速下降。打开电机发现，电刷粘有污物，使其接触不良，将污物清除后，再开机运行状态异常消失。

（2）主轴驱动系统运行状态异常的处理

1）直流主轴控制系统的运行状态异常

直流主轴控制系统的运行状态异常现象包括：主轴停止旋转（触发线路运行状态异常）、主轴速度不正常（测速发电机运行状态异常或数/模转换器运行状态异常）、主电机振动或噪声过大（相序不对或电源频率设定有错误）、过电流报警、速度偏差过大（速度过高或主轴被制动）等。

2）交流主轴控制系统的运行状态异常

交流主轴控制系统的运行状态异常现象包括：电机过热（负载超标、冷却系统过脏、冷却风扇损坏或电机与控制单元间接触不良等）、交流输入电路及再生回路熔丝烧断（这类运行状态异常原因很多，如阻抗过高、浪涌吸收器损坏、电源整流桥损坏、逆变器用的晶体管模块损坏、控制单元印刷电路板损坏、电机加减速频率过高等）、主电机振动或噪声过大、电机速度超标或达不到正常速度等运行状态异常。同样，对待这些运行状态异常必须先从检测开始，查找并分析运行状态异常原因，找出运行状态异常源，针对这些运行状态异常采取措施排除之。

11.1.5　数控机床机械部分的运行状态异常处理

数控机床机械部分的运行状态异常，与普通机床机械部分相同的可按普通机床运行状态异常处理。由于数控机床多采用电气控制而使机械结构简单化，所以机械运行状态异常率明显降低。主要有以下几个方面：

（1）进给传动链运行状态异常

因为数控机床的传动链大多采用滚动摩擦副，所以大多表现为因运动品质下降而造成各种运行状态异常，如反向间隙增大、定位精度达不到要求、机械爬行、轴承噪声大等。因此，这部分的维修常与运动副的预紧、松动和补偿环节的调整有密切关系。

（2）主轴部件运行状态异常

这部分运行状态异常多与刀柄的自动拉紧装置、自动变挡装置及主轴运动精度下降有关。

（3）ATC刀具自动交换装置运行状态异常

据统计ATC刀具自动交换装置运行状态异常占数控机床运行状态异常的一半以上。该运行状态异常现象包括定位误差超差、机械手夹持刀柄不稳、刀库运动运行状态异常、机械手运动动作不准等。所有这些运行状态异常，都会导致换刀动作紧急停止。

（4）行程开关压合运行状态异常

数控机床配备了许多限位运动的行程开关，使用一段时间后，会使运动部件的运动特性发生变化。压合行程开关的机械可靠性与行程开关的品质、特性都会影响整机的运动。

（5）配套附件可靠性下降运行状态异常

数控机床的配套附件包括排屑装置、防护装置、冷却装置、主轴冷却恒温箱及液压油箱等。这些部件的损坏或动作不灵都会产生运行状态异常，使机床运动停止。如加工中心换刀动作依靠压缩空气，若气泵供压不足或储气罐漏气，使机床换刀动作暂停，机床的运动约束条件也会产生报警而停机。只要排除了这些因素，使机床约束条件得到满足，就会消除报警，转入正常工作。

11.1.6　数控系统的日常维护

（1）机床电气柜的散热通风

通常安装在电气柜门上的热交换器或轴流风扇能对电气柜的内外进行空气循环，促使电气柜内的发热装置或元器件（如驱动装置等）进行散热。应定期检查电气柜上的热交换器或轴流风扇的工作状况，以及风道是否堵塞，否则会引起柜内温度过高，使系统不能可靠运行，甚至引起过热报警。

（2）尽量少开电气柜门

加工车间飘浮的灰尘、油雾和金属粉末落在电气柜上容易造成元器件间绝缘电阻值下降，从而出现运行状态异常。因此，除了定期维护和维修外，平时应尽量少开电气柜门。

（3）纸带阅读机的定期维护

纸带阅读机是数控系统信息输入的一个重要部件。 CNC系统的参数、零件程序等数据都可通过它输入到CNC系统的寄存器中。如果其读带部分有污染物，会使读入的纸带信息出现错误。为此，要定期对光电头、纸带压板等部件进行清洁。纸带阅读机也是数控系统内唯一的运动部件，为使其传动机构运行顺利，必须对主动轮滚轴、导向轮滚轴和压紧轮滚轴等定期进行清洁和加注润滑剂。

（4）支持电池的定期更换

数控系统存储参数用的存储器采用CMOS器件，其存储的内容在数控系统断电期间靠支持电池供电保存。在一般情况下，即使电池尚未消耗完，也应每年更换一次，以确保系统能正常工作。电池的更换应在CNC系统通电状态下进行。

（5）备用印刷电路板的定期通电

对于已经购置的备用印刷电路板，应定期安装到CNC系统中通电运行。实践证明，印刷电路板长期不用易出现运行状态异常。

（6）数控系统长期不用时的保养

数控系统处于长期闲置，要经常给系统通电。在机床锁住不动的情况下，让数控系统空运行。数控系统通电可利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气，保证电器元件性能的稳定可靠。实践证明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低运行状态异常的一个有效措施。

11.1.7　诊断用仪器仪表

（1）测量用仪器仪表

1）交流电压表

交流电压表用于测量交流电源电压，测量误差应在±2%以内。

2）直流电压表

直流电压表用于测量直流电源电压，其最大量程分别为1 V和30 V，测量误差应在±2%以内。

3）相序表

在维修晶闸管直流驱动装置时，相序表用于检查三相输入电源的相序。

4）示波器

示波器的频带宽度应在5 MHz以上，双通道便于波形的比较。

5）万用表

万用表有机械式和数字式两种，其中机械式应是必备的。

6）钳形电流表

在不断电的情况下，钳形电流表用于测量电动机的驱动电流。

7）机外编程器

机外编程器用于监控PLC的I/O状态和梯形图。

8）振动检测仪

振动检测仪用于检测机床的振动情况，如电子听诊器及频谱分析仪等。

（2）使用仪器仪表注意事项

万用表和示波器是维修时经常要用到的仪器，使用时应特别注意，因为印刷线路元件的密度是很高的，元件间的间隙很小，所以，一不小心就会将表笔与其他元件相碰引起短路，甚至造成元件损坏。在使用示波器时，要注意被测电路是否能与地相连，否则应将示波器作浮地处理，以免引起元器件不必要的损坏。

11.1.8　技术资料

从数控机床技术资料的完整性方面考虑，作为数控机床生产厂家，必须向用户提供与使用及维修有关的技术资料，其主要有以下十种：

①数控机床电气使用说明书；

②数控机床电气原理图；

③数控机床电气互连图；

④数控机床结构简图；

⑤数控机床电气参数；

⑥数控机床PLC控制程序；

⑦数控系统操作手册；

⑧数控系统编程手册；

⑨数控系统安装及维修手册；

⑩伺服驱动系统使用说明书。

维修人员必须认真仔细地阅读这些资料，对照数控机床本身，将实物与图纸资料联系起来，做到心中有数。当数控机床出现运行状态异常时，根据运行状态异常的性质，一方面找到数控机床运行状态异常发生的区域，另一方面翻阅相应的技术资料，作出正确的判断。

11.1.9　运行状态异常处理

数控机床的运行状态异常有软运行状态异常和硬运行状态异常之分。

所谓软运行状态异常，就是运行状态异常并不是由硬件损坏引起的，而是由于操作、调整处理不当引起的。这类运行状态异常在设备使用初期发生的频率较高，这与操作和维护人员对设备不熟有关。

所谓硬运行状态异常，就是由外部硬件损坏引起的运行状态异常，包括检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件及机械装置等运行状态异常，这类运行状态异常是数控机床常见的运行状态异常。

数控机床发生运行状态异常时，除非出现影响设备及人身安全的紧急情况，不要立即切断电源，而要充分观察运行状态异常现象，从系统的外观、CRT显示的内容、状态报警指示及有无烧灼痕迹等方面进行检查。在确认系统通电无危险的情况下，可按系统复位键，观察系统是否有异常，报警是否消失，如能消失，则运行状态异常多为随机性，或是由操作错误造成的。 CNC系统发生运行状态异常，往往同一现象、同一报警号有多种起因，有的运行状态异常根源在数控机床上，但现象却反映在系统上。所以，无论是CNC系统、数控机床电气，还是机械、液压及气动装置等，只要有可能是引起该运行状态异常的原因，都要尽可能全面地列出来进行综合判断，确定最有可能的原因，再通过必要的试验，达到确诊和排除运行状态异常的目的。

当运行状态异常发生后，要对运行状态异常的现象作详细的记录，这些记录往往可为分析运行状态异常原因和查找运行状态异常源提供重要依据。当数控机床出现运行状态异常时，往往从以下诸方面进行调查：

（1）检查数控机床的运行状态

①机床运行状态异常时的运行方式；

②MDV/CRT显示的内容；

③各报警状态指示的信息；

④出现运行状态异常时轴的定位误差；

⑤刀具轨迹；

⑥轴助机能运行状态；

⑦CRT显示有无报警及相应的报警号。

（2）检查加工程序及操作

①是否为新编制的程序；

②运行状态异常是否发生在子程序部分；

③检查程序单和CNC内存中的程序；

④程序中是否有增量运动指令；

⑤程序段跳步功能使用是否正确；

⑥刀具补偿量及补偿指令是否正确；

⑦运行状态异常是否与换刀有关；

⑧运行状态异常是否与进给速度有关；

⑨运行状态异常是否与螺纹切削有关；

⑩操作人员的训练情况。

（3）检查运行状态异常的出现率和重复性

①运行状态异常发生的时间和次数；

②加工同类工件时运行状态异常出现的概率；

③将引起运行状态异常的程序段重复执行多次，观察运行状态异常的重复性。

（4）检查系统的输入电压

①输入电压是否有波动，电压值是否在正常范围内；

②系统附近是否有使用大电流的装置。

（5）检查环境状况

①系统周围温度；

②电气控制柜的空气过滤器的状况；

③系统周围是否有能引起系统振动的振动源。

（6）外部因素

①运行状态异常前是否修理或调整过机床；

②运行状态异常前是否修理或调整过CNC系统；

③机床附近是否有干扰源；

④操作人员是否调整过CNC系统的参数；

⑤CNC系统以前是否发生过同样的运行状态异常。

（7）检查运行情况

①在运行过程中是否改变工作方式；

②系统是否处于急停状态；

③熔丝是否熔断；

④机床是否作好运行准备；

⑤系统是否处于报警状态；

⑥方式选择开关设定是否正确；

⑦速度倍率开关是否设定为零；

⑧机床是否处于锁住状态；

⑨进给保持按钮是否按下。

（8）检查机床状况

①机床是否调整好；

②运行过程中是否有振动产生；

③刀具状况是否正常；

④间隙补偿是否合适；

⑤工件测量是否正确；

⑥电缆是否有破裂和损伤；

⑦信号线和电源线是否分开布线。

（9）检查接口情况

①电源线和CNC系统内部电缆是否分开布线；

②屏蔽线接线是否正确；

③继电器、接触器的线圈和电动机等处是否加装有噪声抑制器。