1.2　數(shù)控機(jī)床故障診斷維修基礎(chǔ)

1.2.1　數(shù)控設(shè)備的日常維護(hù)與保養(yǎng)

數(shù)控設(shè)備的維修首先是日常維護(hù)與保養(yǎng)，數(shù)控設(shè)備的日常維護(hù)與保養(yǎng)可以減少機(jī)械傳動(dòng)部件的磨損，延長電子元器件的使用壽命，從而可以增加數(shù)控設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。數(shù)控設(shè)備的維護(hù)與保養(yǎng)在設(shè)備出廠說明書中有明確的規(guī)定，對此應(yīng)該嚴(yán)格遵守。例如某加工中心的維護(hù)點(diǎn)檢表如表0. 2所示。

由于數(shù)控設(shè)備集機(jī)、電、液、氣等技術(shù)為一體，所以對于它的維護(hù)要有科學(xué)的管理，有目的地制定出相應(yīng)的規(guī)章制度。對維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)的故障隱患應(yīng)及時(shí)清除，避免停機(jī)待修，延長設(shè)備平均無故障時(shí)間，增加設(shè)備的利用率。

表0.2　某加工中心的維護(hù)點(diǎn)檢表

1.2.2　數(shù)控機(jī)床維修原則及人員素質(zhì)要求

1.數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維修應(yīng)遵守的原則

（1）先靜后動(dòng)

人：不（盲目）動(dòng)手，先調(diào)查。

機(jī)床：先靜態(tài)（斷電）后動(dòng)態(tài)。先“觀”一切有無異常，后“測與查”。

（2）先外后內(nèi)

先表觀“望、聞、聽、問”后及其內(nèi)。

望——觀察；聞——是否嗅到特殊氣味；聽——聲音；問——向操作員詢問情況。

觀察：工作地環(huán)境狀態(tài)情況是否符合設(shè)備的要求。

注意：機(jī)電一體化機(jī)床設(shè)備的連接部位有無異常，連接與接觸是否良好，關(guān)系到信號是否丟失問題。所以，對這些部分在現(xiàn)場觀察中應(yīng)該特別注意。

（3）先軟后硬

先充分利用系統(tǒng)的自診斷，先檢查軟件或參數(shù)，這有利于故障類型判別與大定位。

注意：有不少硬件故障可用軟的方法補(bǔ)救，可以省力省時(shí)，例如修改狀態(tài)參數(shù)的辦法。

（4）先公后專

即先共性后個(gè)性，先查共有部位，如電源部分（主電源電路及其保護(hù)電路、接地情況等）、PLC、液壓、潤滑與冷卻等。

（5）先一般后特殊

即先查常見故障部位。例如Z軸回零不準(zhǔn)，先查擋塊位置。

對于機(jī)床新與老、調(diào)試階段與維修后情況不同，先查對應(yīng)條件下的常見故障。

（6）先機(jī)后電

如果可能是機(jī)械與電氣故障并存時(shí)，先檢查機(jī)械成因，這是因?yàn)橛泻艽蟊壤憩F(xiàn)為電氣故障，實(shí)際上是機(jī)械動(dòng)作失靈引起的，而且機(jī)械故障一般比較容易檢查。

（7）先簡后繁（先易后難）

先檢查簡單的易查的故障成因，這是因?yàn)閺?fù)雜故障可能是由多個(gè)簡單故障成因合成的。

（8）先查輸入后查負(fù)載

以獨(dú)立單元概念入手，先查有無輸入，再查負(fù)載反饋效應(yīng)，最后確定所懷疑的獨(dú)立單元是否失效。

2.維護(hù)及維修人員的素質(zhì)要求

①維護(hù)及維修人員應(yīng)熟練掌握數(shù)控機(jī)床的操作技能，熟悉編程工作，了解數(shù)控系統(tǒng)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)組成，這對判斷是操作不當(dāng)或編程不當(dāng)造成的故障十分必要。

②維護(hù)及維修人員必須詳細(xì)熟讀數(shù)控機(jī)床有關(guān)的各種說明書，了解有關(guān)規(guī)格、操作說明、維修說明，以及系統(tǒng)的性能、結(jié)構(gòu)布局、電纜連接、電氣原理圖和機(jī)床梯形圖（PLC程序）等，實(shí)地觀察機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，使實(shí)物和資料相對應(yīng)，做到心中有數(shù)。

③維護(hù)及維修人員除會使用傳統(tǒng)的儀器儀表工具外，還應(yīng)具備使用多通道示波器、邏輯分析儀和頻譜分析儀等現(xiàn)代化、智能化儀器的技能。

④維護(hù)及維修人員要提高工作能力和效率，必須借鑒他人的經(jīng)驗(yàn)，從中獲得有益的啟發(fā)。在完成一次故障診斷及排除故障過程后，應(yīng)對診斷排故障工作進(jìn)行回顧和總結(jié)，分析能否有更快、更好的解決方法，一個(gè)有代表性的診斷檢修捷徑是從“重復(fù)故障”中總結(jié)出來的，因此，維護(hù)及維修人員在經(jīng)過一定的實(shí)踐階段后，對一定的故障形式就很熟悉，那么，以后不需要很多的維修人員。

⑤作好故障診斷及維護(hù)記錄，分析故障產(chǎn)生的原因及排除故障的方法，歸類存檔，為以后的故障診斷提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

1.2.3　數(shù)控機(jī)床的主要故障

1.故障診斷的3個(gè)環(huán)節(jié)

一般來說，可將數(shù)控機(jī)床故障診斷分成3個(gè)環(huán)節(jié)，即故障類型判斷、故障隔離與故障定位。

故障類型判斷——這是數(shù)控機(jī)床故障診斷中的最重要的一環(huán)。故障類型判斷的正確與否，直接關(guān)系到一次診斷工作的成敗與效率問題。因?yàn)椴煌墓收项愋?，對?yīng)有其特殊的分析方法。判斷出故障所屬的類型后，即可采用該類型有效的分析方法進(jìn)行具體分析。

故障隔離——當(dāng)判斷出是硬件或器件故障時(shí)，將最懷疑的單元采用一定的方法進(jìn)行隔離。例如采用短路銷（或稱短路棒）或斷開該單元的對外連接等，以便于診斷判定此單元是否為故障單元。

故障定位——即通過故障點(diǎn)測試來判定故障源——真正的故障成因。后續(xù)的分析中將可以理解一個(gè)事實(shí)：一種故障現(xiàn)象，往往可對應(yīng)不同的故障成因。下位故障的發(fā)生往往可能是上位輸入不正確造成的。所以，當(dāng)發(fā)現(xiàn)某程序模塊或器件/硬件存在故障現(xiàn)象時(shí)，并不能認(rèn)為該部分就是產(chǎn)生故障的根源。對于硬件或器件問題，可以采用標(biāo)準(zhǔn)信號強(qiáng)制輸入法或相同單元的交換法或替代法等，來判定該單元是否存在故障。對于軟性故障，同樣可以用狀態(tài)對比予以鑒別?？傊?，只有做到精確的故障定位，才能合理地處理與消除故障源，恢復(fù)設(shè)備的正常運(yùn)行。

2.數(shù)控機(jī)床的故障類型

數(shù)控機(jī)床故障的分類方法有很多種，例如，按造成故障的內(nèi)、外因素進(jìn)行分類；按故障發(fā)生后有無報(bào)警進(jìn)行分類；按故障產(chǎn)生的必然性與偶然性進(jìn)行分類，或者稱為按重演性故障與隨機(jī)性故障進(jìn)行分類；按故障發(fā)生部件進(jìn)行分類等。

①數(shù)控機(jī)床故障按發(fā)生性質(zhì)分類，可以分成主機(jī)故障與電氣故障兩大類。

主機(jī)故障（也稱機(jī)械故障），是指那些發(fā)生于機(jī)床本體部分的故障（以后，我們將“發(fā)生于機(jī)床本體部分”簡單地稱作發(fā)生部位是“機(jī)床側(cè)”）。主機(jī)部分主要包括機(jī)械、潤滑、冷卻、排屑、液壓、氣動(dòng)與防護(hù)裝置系統(tǒng)等。

常見的主機(jī)故障有：因機(jī)械安裝、調(diào)試及操作使用不當(dāng)?shù)仍蛞鸬臋C(jī)械傳動(dòng)故障與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)摩擦過大等故障，也包括工藝故障等。故障現(xiàn)象表現(xiàn)為傳動(dòng)噪聲大，或是運(yùn)行阻力大、加工精度差等。例如：軸向傳動(dòng)鏈的撓性聯(lián)軸器松動(dòng)，齒輪、絲杠與軸承缺油，導(dǎo)軌塞鐵調(diào)整不當(dāng)，導(dǎo)軌潤滑不良，以及系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)?shù)仍蚓蓪?dǎo)致上述故障現(xiàn)象的出現(xiàn)。尤其是機(jī)床上那些標(biāo)明的注油點(diǎn)（注油孔），必須定時(shí)、定量加注潤滑油（劑）。這是機(jī)床各傳動(dòng)鏈正常運(yùn)行的基本保證。所以，一旦出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象，首先應(yīng)該檢查操作工的工作日記，以確定是否正常潤滑問題。另外，潤滑、液壓與氣動(dòng)系統(tǒng)的主要故障為管路阻塞或密封不良。

電氣故障又可以分成強(qiáng)電故障與弱電故障。

強(qiáng)電故障：發(fā)生部位是機(jī)床側(cè)，是指那些發(fā)生于機(jī)床側(cè)的電器器件及其組成電路中的故障。諸如繼電器、接觸器、各類開關(guān)、電源變壓器、空氣斷路器、熔斷器、電磁鐵，以及電動(dòng)機(jī)等電氣器件及其相關(guān)的電路。一般而言，強(qiáng)電故障是比較容易被檢查出來的。

弱電故障：發(fā)生部位是CNC側(cè)，是指那些發(fā)生于CNC系統(tǒng)中CNC裝置、PLC裝置、伺服控制與檢測系統(tǒng)以及I/ O接口裝置等的微電子/數(shù)字電路中的各種故障。由于CNC系統(tǒng)包括了硬件與軟件結(jié)構(gòu)，所以，弱電故障包括軟件故障與硬件故障兩類。

硬件故障：發(fā)生于CNC側(cè)，是指那些具有印刷電路板的微電子電路中的故障——包括集成電路芯片、分立元件、接插件、外部組件、直流電源、印刷電路板以及電纜等器件本身性能故障或接觸性故障。

軟件故障：包括系統(tǒng)程序或參數(shù)出錯(cuò)和控制程序問題。具體可以包括：計(jì)算機(jī)運(yùn)算錯(cuò)誤、系統(tǒng)參數(shù)改變或丟失、系統(tǒng)程序改變或丟失、加工程序出錯(cuò)。需要注意，涉及操作失誤、電磁干擾造成數(shù)據(jù)或參數(shù)混亂，也屬“軟”故障。所以，以后分析中也常將故障分成“硬性故障”和“軟性故障”。

②按照故障發(fā)生時(shí)有無報(bào)警顯示可以分成有報(bào)警顯示故障與無報(bào)警顯示故障兩類。由于數(shù)控系統(tǒng)的自診斷功能，在開機(jī)時(shí)作啟動(dòng)診斷與工作中的在線診斷。所以，CNC系統(tǒng)可以對數(shù)控系統(tǒng)的故障軟件、關(guān)鍵硬件以及重要的外部關(guān)聯(lián)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測，并及時(shí)顯示診斷結(jié)果。所以，有報(bào)警顯示故障又可以分成硬件報(bào)警顯示故障與軟件報(bào)警顯示故障。

硬件報(bào)警顯示：通常是那些主要單元裝置上的LED發(fā)光管或小型指示燈的顯示來表明該單元存在故障；或者像伺服單元那樣，以七段數(shù)碼管上的相應(yīng)位置的顯示，來指示對應(yīng)的故障部位。查照技術(shù)手冊，即可得到故障發(fā)生的大的部位以及故障性質(zhì)。因此，維修人員進(jìn)行日常維護(hù)工作和故障診斷時(shí)，應(yīng)該認(rèn)真檢查這些警示燈的狀態(tài)是否正常。

軟件報(bào)警顯示：通常是指CRT顯示器上顯示出報(bào)警號和報(bào)警信息。常見的軟件報(bào)警顯示有存儲器警示、程序出錯(cuò)警示、主軸警示、伺服系統(tǒng)警示、軸超程警示、過熱警示、過載警示以及斷線警示等。軟件報(bào)警顯示少則有幾十種，多則有上千種。系統(tǒng)的報(bào)警能力大小也是衡量數(shù)控系統(tǒng)功能的指標(biāo)之一。充分利用數(shù)控系統(tǒng)本身的自診斷功能，必定大大提高診斷維修工作的效率。

無報(bào)警顯示的故障：是指數(shù)控系統(tǒng)沒有給出任何警示的那些故障。這類故障分析與診斷的難度較大。請注意：沒有報(bào)警顯示的原因，可能是系統(tǒng)不具有對那些故障的報(bào)警能力，或者是系統(tǒng)處于失電狀態(tài)而不能或丟失了報(bào)警信息。所以，在出現(xiàn)故障時(shí)，除非危及設(shè)備與人身安全的情況之外，不要馬上斷電，而應(yīng)該是先檢查并記錄所有可能的故障警示、故障現(xiàn)象，以及出現(xiàn)故障時(shí)的工作狀況。無報(bào)警顯示，不等于出現(xiàn)故障時(shí)無故障現(xiàn)象。任何故障的出現(xiàn)，總伴有一定的故障現(xiàn)象。例如，加工誤差過大、運(yùn)行軸的振動(dòng)與噪聲，其實(shí)都屬于無報(bào)警顯示的現(xiàn)象報(bào)警類故障。所以，對故障出現(xiàn)前后的狀態(tài)與現(xiàn)象，進(jìn)行仔細(xì)的對比分析就更為重要。

3.數(shù)控機(jī)床的主要故障

數(shù)控機(jī)床的故障診斷與維修，從故障診斷與檢測到故障的排除，其中難度最大、工作量最多、涉及學(xué)科交叉最廣的部分——也即數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)，這也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于普通機(jī)床的特殊部分。由數(shù)控機(jī)床的特殊性可以想到：數(shù)控機(jī)床的主要故障是電氣故障，頻繁動(dòng)作的大量機(jī)床控制電器、要求定位精確和環(huán)境良好的檢測元件及其電路、大規(guī)模的數(shù)字集成電路及其元器件以及復(fù)雜的I/ O電路等印刷電路板、線路與元器件等與硬件故障往往占有較高的故障率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其中低壓電器故障率約占30%。易受干擾的數(shù)字信號，往往與占故障率5%的“不明原因”故障有關(guān)。監(jiān)控程序、管理程序以及微程序等造成的軟件故障約占故障率的10%。

1.2.4　數(shù)控機(jī)床故障診斷的常用方法

數(shù)控機(jī)床故障診斷一般采用追蹤法、自診斷功能、參數(shù)檢查、替換法、測量法。

（1）追蹤法

追蹤法是指在故障診斷和維修之前，維修人員先要對故障發(fā)生的時(shí)間、機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)和故障類型進(jìn)行詳細(xì)了解，然后尋找產(chǎn)生故障的各種跡象。大致步驟如下：

1）故障發(fā)生的時(shí)間

故障發(fā)生的時(shí)間和次數(shù)；故障的重復(fù)性；故障是否在電源接通時(shí)出現(xiàn)；環(huán)境溫度如何；有否雷擊，機(jī)床附近有無振動(dòng)源或電磁干擾源。

2）機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)

3）停電檢查

利用視覺、嗅覺、聽覺和觸覺尋找產(chǎn)生故障的各種跡象。例如仔細(xì)觀察加工零件表面的情況，機(jī)械有無碰撞的傷痕，電氣柜是否打開，有無切屑進(jìn)入電氣柜，元器件有無燒焦，印刷電路板阻焊層有無因元器件過流過熱而燒黃或燒黑，元器件有無松動(dòng)，電氣柜和器件有無焦煳味，部件或元器件是否發(fā)熱，熔絲是否熔斷，電纜有否破裂和損傷，氣動(dòng)系統(tǒng)或液壓系統(tǒng)的管路與接頭有無泄漏，操作面板上方式開關(guān)設(shè)定是否正確，電源線和信號線是否分開安裝或分開走線，屏蔽線接線是否正確等。

4）通電檢查

檢查系統(tǒng)參數(shù)和刀具補(bǔ)償是否正確，加工程序編制是否有誤、機(jī)械傳動(dòng)部分有無異常響聲，系統(tǒng)的輸入電壓是否在正常范圍，電氣柜內(nèi)的軸流風(fēng)扇是否正常、電氣裝置內(nèi)有否打火等。如果出現(xiàn)打火現(xiàn)象，應(yīng)該立即關(guān)斷電源，以免擴(kuò)大故障范圍。

追蹤法檢查是一種基本的檢查故障的方法，發(fā)現(xiàn)故障后要查找引起故障的根源，采取合理的方法給予排除。在整個(gè)過程中，要作好故障診斷與排除的詳細(xì)的文字記錄。

（2）自診斷功能

自診斷功能是數(shù)控系統(tǒng)的自診斷報(bào)警系統(tǒng)功能，它可以幫助維修人員查找故障，是數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修十分重要的手段。自診斷功能按診斷的時(shí)間先后可以分為啟動(dòng)診斷、在線診斷和離線診斷。

啟動(dòng)診斷是指數(shù)控系統(tǒng)從通電開始到進(jìn)入正常運(yùn)行準(zhǔn)備為止，系統(tǒng)內(nèi)部診斷程序自動(dòng)執(zhí)行的診斷。啟動(dòng)診斷主要對CNC裝置中最關(guān)鍵的硬件和系統(tǒng)控制軟件進(jìn)行診斷，例如CPU、存儲器、軟盤驅(qū)動(dòng)器、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入（CRT/ MDI）單元、總線和輸入/輸出（I/ O）單元等，甚至能對某些重要的芯片是否插裝到位、規(guī)格型號是否正確進(jìn)行診斷。如果檢測到故障，CNC裝置通過監(jiān)視器或數(shù)碼管顯示故障的內(nèi)容。自動(dòng)診斷過程沒有結(jié)束時(shí)，數(shù)控機(jī)床不能運(yùn)行。

在線診斷是指數(shù)控系統(tǒng)在工作狀態(tài)下，通過系統(tǒng)內(nèi)部的診斷程序和相應(yīng)的硬件環(huán)境，對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的正確性進(jìn)行的診斷。CNC裝置和內(nèi)置PLC分別執(zhí)行不同的診斷任務(wù)。CNC裝置主要通過對各種數(shù)控功能和伺服系統(tǒng)的檢測，檢查數(shù)控加工程序是否有語法錯(cuò)誤和邏輯錯(cuò)誤。通過對位置、速度的實(shí)際值相對指令值的跟蹤狀態(tài)來檢測伺服系統(tǒng)的狀態(tài)，若跟蹤誤差超過了一定限度，表明伺服系統(tǒng)發(fā)生了故障。通過對工作臺實(shí)際位置與位置邊界值的比較，檢查工作臺運(yùn)行是否超出范圍。內(nèi)置PLC主要檢測數(shù)控機(jī)床的開關(guān)狀態(tài)和開關(guān)過程，例如對限位開關(guān)、液壓閥、氣壓閥和溫度閥等工作狀態(tài)的檢查，對機(jī)床換刀過程、工作臺交換過程的檢測，對各種開關(guān)量的邏輯關(guān)系的檢測等。

在線診斷按顯示可以分為狀態(tài)顯示和故障信息顯示兩部分。狀態(tài)顯示包括接口狀態(tài)顯示和內(nèi)部狀態(tài)顯示。接口狀態(tài)是以二進(jìn)制“1”和“0”表示信號的有無，在監(jiān)視器上顯示CNC裝置與PLC、PLC與機(jī)床之間的接口信息傳遞是否正常。內(nèi)部狀態(tài)顯示涉及機(jī)床較多的部分，例如復(fù)位狀態(tài)顯示、由外部原因造成不執(zhí)行指令的狀態(tài)顯示等。故障信息顯示涉及很多故障內(nèi)容，CNC系統(tǒng)對每一條故障內(nèi)容賦予一個(gè)故障編號（報(bào)警號）。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，CNC裝置對出現(xiàn)的故障按其緊迫性進(jìn)行判斷，在監(jiān)視器上顯示最緊急的故障報(bào)警號和相應(yīng)的故障內(nèi)容說明。

數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)單元、變頻器、電源、輸入/輸出（I/ O）等單元通常有數(shù)碼管指示和報(bào)警指示燈。當(dāng)這些裝置和相關(guān)部件出現(xiàn)故障時(shí)，除了在監(jiān)視器上顯示故障報(bào)警信息外，它們的報(bào)警指示燈變亮或數(shù)碼管顯示故障字符。例如伺服驅(qū)動(dòng)單元與伺服電機(jī)連接的電源線接觸不良或伺服系統(tǒng)的檢測元件損壞時(shí)，伺服驅(qū)動(dòng)單元的數(shù)碼管顯示代表故障的字符，查閱使用手冊有關(guān)報(bào)警的章節(jié)，可以找到故障的類型和引起故障的原因。

離線診斷是數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)停止運(yùn)行系統(tǒng)程序的停機(jī)診斷。離線診斷是把專用診斷程序通過I/ O設(shè)備或通信接口輸入到CNC裝置內(nèi)部，用專用診斷程序替代系統(tǒng)程序來診斷系統(tǒng)故障，這是一種專業(yè)性的診斷。

（3）參數(shù)檢查

數(shù)控機(jī)床的參數(shù)設(shè)置是否合理直接關(guān)系到機(jī)床能否正常工作。這些參數(shù)有位置環(huán)增益、速度環(huán)增益、反向間隙補(bǔ)償值、參考點(diǎn)坐標(biāo)、快速點(diǎn)定位速度、加速度、系統(tǒng)分辨率等數(shù)值，通常這些參數(shù)不允許修改。如果參數(shù)設(shè)置不正確或因干擾使得參數(shù)丟失，機(jī)床就不能正常運(yùn)行。因此參數(shù)檢查是一項(xiàng)重要的診斷。

（4）替換法

利用備用模塊或電路板替換有故障疑點(diǎn)的模塊或電路板，觀察故障轉(zhuǎn)移的情況，這是常用而簡便的故障檢測方法。

（5）測量法

利用萬用表、鉗形電流表、相序表、示波器、頻譜分析儀、振動(dòng)檢測儀等儀器，對故障疑點(diǎn)進(jìn)行電流、電壓和波形測量，將測量值與正常值進(jìn)行比較，分析故障所在的位置。