數控機床故障診斷及維修
摘 要 隨著數控技術的發展和應用，其維修理論、技術和手段也相應得到變化、以通例通用的方法闡述數控機床的故障診斷及維修方法，以供讀者參改。
數控維修和故障診斷技術不僅是保障系統正常運行的前提，對數控技術的發展和完善也起到了推動作用，目前它已經形成了一門專門的學科。
一、數控系統診斷的基本條件
數控系統種類繁多、新舊夾雜，在維修上必須具備一定條件并作充分準備。
1.隨時可以得到微電子元器件的供應。
2.必要的維修工具、儀器、儀表、接線、微機及編程系統或編程器。
3.完整資料、手冊、線路圖、維修說明書(包括CNC操作說明書)、接口，調整與診斷、驅動說明書、PLC說明書(包括PLC用戶程序單)、元器件表格等。
二、現場診斷與維修
現場診斷與維修是對數控機床所出現的故障(主要是數控部分)進行診斷，找出故障部位，以相應的手段排除，從而恢復數控系統及數控機床正常運行的過程。其中的關鍵是診斷，即對系統或外圍線路進行檢測，確定有無故障，并對故障定位。從整機定位到插線板，在某些場合下甚至定位到元器件。
1.數控系統一般的故障診斷
(1)初步判別
通常在資料較齊全的條件下，可通過資料分析判斷故障所在，或采取接口信號法根據故障現象判別可能發生故障的部位，而后再按照故障特征，與這一部位的具體特點逐個部位檢查。
在實際應用中，對一個故障可能用一種方法即可查到并排除，有時可能需要多種方法并用。對各種判別故障點的方法的掌握度主要取決于對故障設備的原理與結構掌握的深度。
(2)報警處理
①系統報警的處理
數控系統發生故障時，一般在顯示屏或操作面板上給出故障號和相應的信息。通常系統的操作手冊或調整手冊中都有詳細的報警號、報警內容和處理方法。由于系統的報警設置單一、齊全、嚴密、明確，維修人員可根據每一警報后面給出的信息與處理辦法自行處理。
②機床報警和操作信息的處理
機床制造廠根據機床的電氣特點，應用PLC程序，將一些能反映機床接口電氣控制方面的故障或操作信息以特定的標志，通過顯示器給出，并可通過一個特定的鍵，看到更詳盡的報警說明。這類報警可以根據機床廠提供的排除故障手冊進行處理。也可以利用操作面板或編程器，根據電路圖和PLC程序，查出相應的信號狀態，按邏輯關系找出故障點，并進行處理。
(3)無報警或無法報警的故障處理
當系統的PLC無法運行，但系統已停機，或系統沒有報警但工作不正常，這時，需要根據故障發生前后的系統狀態信息，運用已掌握的理論基礎，進行分析，做出正確的判斷。
2.故障診斷方法。
(1)常規檢查法
①目測 目測故障板，仔細檢查有無保險絲燒斷，元器件燒焦、開裂現象，有無異物短路現象。以此可判斷板內有無過流、過壓、短路等問題。
②手摸 用手摸并輕搖元器件有無松動，可檢查出一些斷腳、虛焊等問題。
③通電 首先用萬用表檢查各種電源之間有無斷路現象，如無即可接入相應的電源，目測有無冒煙、打火等現象，手摸元器件有無異常發熱的現象，以此可發現一些較為明顯的故障，縮小檢修范圍。另外，根據用戶提供的故障現象，結合自己的現場觀察，運用系統工作原理亦可迅速做出正確判斷。
④儀器測量法
當系統發生故障后，采用常規電工檢測儀器、工具，按系統電路圖及機床電路圖，對故障部分的電壓、電源、脈沖信號等進行實測，判斷故障所在。如電源的輸入電壓超限，引起電源監控，可用電壓表測網絡電壓，或用電壓測試儀實時監控，以排除其它原因。如發生位置控制環故障可用示波器檢查測量回路的信號狀態，或用示波器觀察其信號輸出是否缺相，有無干擾。
(2)用可編程序進行PLC中斷狀態分析
①可編程控制器發生故障時，其中斷原因以中斷棧和塊堆棧，按其所指示的原因，查明故障之所在。在可編程控制器的維修中這是最常用，有效和快速的辦法。
②接口信號檢查
通過用可編程控制器檢查機床控制系統的接口信號，并與接口手冊刊登的正確信號相對比，亦可查出相應的故障點。
(3)診斷備件替換法
現代數控系統大都采用模塊化設計，按功能不同劃分不同模塊。隨著現代技術的發展，電路的集成規模越來越大，技術也越來越復雜。按照常規的方法，很難把故障定位到一個很小的區域，而一旦系統發生故障，為了縮短停機時間，可以根據模塊的功能與故障現象，初步判斷出可能的故障模塊，用診斷備件將其替換，這樣可迅速判斷出有故障的模塊。在沒有備件的情況下可以采用現場相同或相容的模塊進行替換檢查。對于現代數控的維修，越來越多的情況下采用這種方法進行診斷，然后用備件替換損壞模塊，使系統正常工作，可縮短故障停機的時間。使用這種方法在操作時注意一定要在停電狀態下進行，還要仔細檢查線路板的版本、型號、各種標記跨接是否相同，對于有關的機床數據和電位計的位置應做好記錄。拆線時應做好標志。
(4)利用系統的自診斷功能判斷
現代數控系統尤其是全功能數控一般都具有自診斷能力，通過實施監控系統各部分的工作，及時判斷故障，給出報警信息，并做出相應的動作，避免事故發生。然而有時當硬件發生故障時，就無法報警，在有的數控系統可通過發光管不同發閃爍頻率或不同的組合做出相應的指示，這些指示配合使用就可幫助我們診斷出故障模塊的位置。
在實際應用時，上述診斷方法之間無嚴格的界限，可能用一種方法就可排除故障，亦可能需要多種方法同時進行。其效果主要取決于對系統原理與結構的理解與掌握的深度，以及維修經驗的多少。
3.數控系統的常見故障分析
根據數控系統的構成、工作原理和特點，結合在維修中的經驗，將常見的故障部位及故障現象分析如下：
(1)位置環
這是數控系統發出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環節，它具有很高的工作頻度，并與外設相連接，所以容易發生故障。常見的故障有：
①位控環報警，可能是測量回路開路，測量系統損壞，位控單元內部損壞。
②不發指令就動作，可能是漂移過高，正反饋，位控單元故障，測量元件損壞。
③測量元件故障，一般表現為無反饋值，機床回不了基準點，高速時漏脈沖產生報警可能的原因是光柵測量元件內燈泡壞了，光柵或讀頭臟了，光柵壞了。
(2)伺服驅動系統
伺服驅動系統與電源電網、機械系統等相關聯，而且在工作中一直處于頻繁的啟動和運行狀態，因而故障較多。
①系統損壞。一般由于網絡電壓波動太大，或電壓沖擊造成。
②無控制指令，而電機高速運轉。這種故障的原因是速度環開環變為正反饋。
③加工工件表面達不到要求，走圓弧插補軸換向時出現凸臺，或電機低速爬行或振動，這類故障一般是由于伺服系統調整不當，各軸增益系統不相等或電機匹配不合適引起，解決辦法是進行最佳化調節。
④保險燒斷，或電機過熱，以致燒壞，這類故障可能的原因一般是機械負載過大或卡死。
(3)電源部分
電源失效或故障會造成系統的停機或損壞整個系統。我國由于電力緊張，電源波動較大，而且質量差，如高頻脈沖的干擾，還有一些人為的因素，如突然拉閘斷電等。
另外，數控系統部分運行數據、設定數據以及加工程序等一般存儲在RAM存儲器內，系統斷電后，靠后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存儲器都可能造成數據丟失，使系統不能運行。
(4)可編程序控制器邏輯接口
數控系統的邏輯控制如刀庫管理、液壓啟動等，主要由PLC來實現，要完成這些控制就必須采集各控制點的狀態信息，如斷路器、伺服閥指示等。因而，它與外界種類繁多的各種信號源和執行元件相連接，變化頻繁，所以發生故障的可能性就比較多，而且故障類型亦千變萬化。
(5)其他
由于環境條件，如干擾、溫度、濕度超過允許范圍，操作不當，參數設定不當，亦可造成停機或故障。不按操作規程拔插線路板，或無靜電防護措施等，都可能造成停機故障甚至損壞系統。
4.故障排除方法
(1)初始化復位法
一般情況下，由于瞬時故障引起的系統報警，可用硬件復位或開關系統電源依次來清除故障。若系統工作存儲區由于掉電、拔插線路板或電池欠壓造成混亂，則必須對系統進行初始化。清除前應注意作好數據拷貝。若初始化后故障仍無法排除，則進行硬件診斷。
(2)參數更改，程序更正法
系統參數是確定系統功能的依據，參數設定錯誤可能造成系統的故障或某功能無效，此類問題可根據手冊輸入正確的參數即可。有時由于用戶程序錯誤亦可造成故障停機，對此可以采用系統的塊搜索功能進行檢查，改正所有錯誤，以確保其正常運行。
(3)調節、最佳化調整法
調節是一種最簡單易行的辦法。通過對電位計的調節，修正系統故障。
最佳化調整是系統地對伺服驅動系統與被拖動的機械系統實現最佳匹配的綜合調節方法，其方法是用一臺多線記錄儀或具有存儲功能的雙蹤示波器，分別觀察指令和速度反饋或電流反饋的響應關系，通過調節速度調節器的比例系數和積分時間，來使伺服系統達到既有較高的動態響應特性，而又不振蕩的最佳工作狀態。在現場沒有示波器或記錄儀時，可采用一種經驗的辦法，即調節使電機起振，然后以反向慢慢調節，直到消除振蕩即可。
(4)備件替換法
用好的備件替換診斷出來的壞線路板，并做相應的初始化啟動，使機床迅速投入正常運轉，然后將壞板進行再檢測和修理。
(5)改善電源質量法
目前一般采用穩壓電源，來改善電源波動，對于高頻干擾可以采用電容濾波法，通過這些預防性措施來減少電源板的故障。
(6)維修信息跟蹤法
一些大的制造公司根據實際工作中，由于設計缺陷而造成的偶然故障，不斷修改和完善系統軟件或硬件。這些修改以維修信息的形式不斷提供給維修人員。這些信息可以做為故障排除的依據，可徹底排除故障。
三、維修調試后的技術處理
在現場維修結束后，應認真填寫維修記錄，列出有關必備的備件清單，建立用戶檔案；對于故障時間、現象、分析診斷方法、排除故障方法，如果還有遺留問題應詳盡記錄，這樣不僅使每次故障都有據可查，而且也可以積累維修經驗。