机床数控系统的管理维护及故障排除

　　数控机床的数控系统是机床的核心部分，它的保养维护也有许多特别的注意事项。

　　一、数控机床数控系统的构成与特点

　　1、数控机床的数控系统主要由三大部分组成，即控制系统、伺服系统和位置测量系统。

　　·控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统。控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。有的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC（数控系统）、PLC（可编程控制系统）的内部数据通讯和外部高次网络的连接。

　　·伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动。伺服驱动系统主要由这几部分组成：控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。

　　·测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。

　　这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。

　　2、数控系统的主要特点是：

　　·可靠性要求高。因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失。

　　·有较高的环境适应能力。因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力。

　　·接口电路复杂。数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。

　　二、数控机床数控系统保养要点

　　1、严格制订并且执行数控系统的日常维护的规章制度

　　根据不同数控机床的性能特点，严格制订数控系统的日常维护的规章制度，并且在使用和操作中要严格执行。

　　2、应尽量少开数控柜柜门和强电柜柜门

　　在机械加工车间的空气中往往含有油雾、尘埃，它们一旦落入数控系统的印刷线路板或者电气元件上，则易引起元器件的绝缘电阻下降，甚至导致线路板或者电气元件的损坏。

　　有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热，这是一种极不可取的方法，其最终将导致数控系统的加速损坏。

　　所以，在工作中应尽量少开数控柜门和强电柜的门。

　　3、定时清理数控装置的散热通风系统，以防止数控装置过热

　　散热通风系统是防止数控装置过热的重要装置。为此，应每天检查数控柜上各个冷却风扇运转是否正常，每半年或者一季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，如果有则应及时清理。若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜内温度过高。

　　4、定期检查和更换直流电机电刷

　　在20世纪80年代生产的数控机床，大多数采用直流伺服电机，这就存在电刷的磨损问题，直流电动机电刷的过渡磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应每年检查一次。

　　5、控制系统的输入/输出装置的定期维护

　　对控制系统的输入装置中磁头进行清洗，对光电阅读机进行维护。

　　6、经常监视控制装置用的电网电压

　　控制系统对工作电网电压有严格的要求。一般数控机床允许电网电压在额定值的85％～110％的范围内波动，否则会造成数控系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子元件的损坏。为此要经常检测电网电压，并控制在定额值的–15％～+10％内。

　　7、存储器用电池的定期检查和更换

　　通常，数控系统中部分CMOS存储器中的存储内容在断电时靠电池供电保持。一般采用锂电池或者可充电的镍镉电池。当电池电压下降到一定值时，就会造成数据丢失，因此要定期检查电池电压。当电池电压下降到限定值或者出现电池电压报警时，就要及时更换电池。

　　更换电池时一般要在数控系统通电状态下进行，这才不会造成存储参数丢失。一旦数据丢失，在调换电池后，需要重新输入参数。

　　在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。

　　8、普通继电接触器控制系统的维护与保养

　　对于经济型数控机床则还有普通继电接触器控制系统。维护与保养工作主要是如何采取措施防止强电柜中的接触器、继电器的强电磁干扰的问题。

　　数控机床的强电柜中的接触器、继电器等电磁部件均是数控系统的干扰源。由于交流接触器，交流电机的频繁起动、停止时，其电磁感应现象会使数控系统控制电路中产生尖峰或波涌等噪声，干扰系统的正常工作。因此，一定要对这些电磁干扰采取措施，予以消除。

　　三、数控系统的故障排除

　　1．原理分析法这种方法是排除故障最基本的方法。运用这种方法必须对电路的原理有清楚的了解，根据数控系统的组成原理，可从逻辑上分析出各点的逻辑电平和特征参数（如电压值或波形等），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪对其进行测量、分析和比较，一步一步进行检查，并与正常情况相比较，从而对故障进行定位。运用这种方法，要求维修人员有较高的水平，最好有数控系统逻辑图，分析判断故障原因，缩小故障范围，从而找出故障所在。例如一台PNFA80L数控机床（采用西门子5T系统）工作异常，机床操作画板上SV故障报警指示灯亮。根据故障现象分析，当5T柜面板上ALARM灯亮时，用NUMBER键寻址，当SV位置显示为“1”时，则表示测量回路及伺服系统有故障。该故障产生的原因应按步骤进行检查：首先应检查直流伺服电动机及变压器是否过热，如过热则表示超载，应立即停电查找故障原因进行排除。接着用直观法检查接口箱CRU板上D208、D107、D528、D320、D210、D211等发光二极管的显示是否正常。正常情况应该是D208亮，它表示电源接通，如不亮表示CPI电源板有问题；D107不亮，如亮则表示电源超过限制值；D528在电动机不转时亮，电动机转时则不亮，否则表示该环节有问题；D320应该亮，否则表示有关信号没准备好。D210、D211表示电动正反转的桥路选择，正常运转时，只能其中之一亮，否则表示该环节有问题。初步证明X、Z轴的CRU板、ASU、CPI板晶闸管板均可对应互换，由此可证明某一轴的相关板是否有故障。

　　若前两项检查无问题，应进一步区分是位移脉冲编码盘有问题，还是5T柜内有问题。为此，以X轴为例应做如下检查：(1)解开X轴进给驱动板CRU的5、8号线，将接线端子短接（避免由于外界的干扰信号而使机床运行），在5、8号线上接人一直流电压表，进给率旋钮置于200％或操作“快速进给”，若5T柜内PCB．A板上的ALARM灯不亮，则电压表应有5V左右的指示，若亮则表示PCB．A板上的位置测量回路有问题；（2）若5T柜无问题，可取下位移脉冲编码盘来回转动其轴，则电压表应有所指示，其值在0V左右来回摆动。若无指示则表示位移脉冲编码盘有问题或有关电缆有断线情况（注意：在重新装人编码盘时，一定按要求调整好机床参考点，以保证加工精度）；（3）如果前两项无问题，则对位置测量环节进行检查，根据以前的几次测量结果，正常情况应该是：CAL最大有效值为2.7V左右的矩形波，FAL最大有效值为3.7V左右的矩形波，FBL最大有效值为10V左右的正弦波，CBL最大有效值为1.5V左右的正弦波。故障时测CBL仅为0.37V左右，由此可判断A一PC02有问题，它输出低而导致VCMDL输出低，即反应滞后量过大而产生测量部分超差。更换该元件后，故障排除。

　　2．直观法这是一种最基本也是一种最简单的方法，也是首先使用的。维修人员通过对故障发生的各种光、声、味等异常现象的观察，由外向内认真检查系统的每一处，观察设备内部器件或外部连接的形状变化，查找数控机床因故障而产生的各种异常声响的声源，查找因过流、过载或超温引起的故障。直观法的综合应用，往往可将故障范围缩小到一个模块，甚至一块印制线路板。但这要求维修人员具有丰富的实践经验，以及综合判断的能力。例如，一台CAK一6150型数控车床加工尺寸偏大，而且后面加工的零件总比前面的零件还长出0.7～0.8mm。根据经验分析，这种误差不可能由丝杠间隙产生，当机床空转时，车刀回原点后却没有误差产生，说明脉冲生成正常，光祸没有问题。当加工时，用手摸丝杠，能感觉到有轻微振动，观察发现车刀也有微小停顿，因此断定是步进电动机阻尼盘松了。拆开机床打开电动机后端盖，果然发现阻尼盘有松动现象，重紧弹簧压板，加工零件尺寸恢复正常。

　　3．参数检查法众所周知，在数控系统中有许多参数，这些参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据，它们直接影响着数控机床的性能。参数通常是存放在存储器中（例如：磁泡存储器或由电池保持的CMOS RAM），一旦电池不足或由于外界的某种干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，使系统发生混乱，机床无法正常工作。此时，通过核对、修改参数，就能将故障排除。因此，当机床长期闲置后启动系统时无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。例如，一台1200型数控车床（配FANU 6TB数控系统）工作时，常出现411号报警，这表明X轴的跟踪误差超出了参数限定值。调整90号参数，使伺服系统位控环增益合适。该方法是：运行测试程序使被测轴自动往复运动，用示波器观察其测速发电机的输出波形，一边修改KV参数值，一边检查波形，应无超调现象。将该KV值调整合适后，报警不再出现。

　　另外，数控机床经过长期运行后，由于机械运动部件磨损，电器元件性能变化等原因，也需对其有关参数进行修正。有些机床故障，往往就是由于未及时修正某些不适应的参数所致。当然这些故障都属于软故障的范畴。

　　4．交换法这是一种简单易行的方法，也是现场判断时最常用的方法之一。所谓交换法，就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印制线路板、模板、集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分，甚至用系统中已有的相同类型的部件来替换，从而把故障范围缩小到印制线路板或芯片一级。这实际上也是在验证分析的正确性。

　　但在备板交换之前，应仔细检查备板（交换板）是否完好，备板和原板的各种状态是否一致。这包括印制线路板上的开关、短路棒的设定是否一致，以及电位器调整位置都应一样。在置换CNC装置的存储器板时，往往还需要对系统进行存储器初始化的操作（如F6系统，用的是磁泡存储器，就需要进行这项工作），重新设定各种参数，否则系统是不能正常工作的。又如在更换F7系统的存储器板后，不但需要重新输人系统参数，还需要对存储器进行分配操作。如果缺少了后一步操作，一旦输人零件程序，将产生60号报警（存储器容量不够）。有的FANUC系统，在更换了主板后还需要进行一些特定的操作。如F10系统，必须先输人9000～9031号选择参数，然后才能输人0000号至8010号的系统参数和PC参数。总之，一定要严格按照有关的系统操作说明书、维修说明书要求的步骤进行操作。例如一台数控车床（采用FANUC OTC系统）出现408号（AC主轴伺服异常）为主的多个报警号。根据情况分析，首先将AC主轴伺服单元与同类数控车床同规格的AC主轴伺服单元作了交换诊断，已确认该单元有问题。没有作任何考虑直接将一块新的备用AC主轴伺服单元换上，然后启动电源开机，结果CRT显示画面上又出现了报警号408，于是查看了主轴伺服单元内部报警号AL33，按报警提示，对单元上的DC环电源及内部电路和元器件进行检查，末发现异常。该单元内部装置由四块电路板组成，这些电路板中设有可变动的静态设置的元器件，将这些部位与同规格的电路板作对比检查，首先检查RAM板号同原机床所用板号是否一致，确定无误后接着检查电路板上各个可调电位器的设置是否有变动，当检查到电路板上各处短路棒的设定位置时发现该单元主印制电路板（板号为A20B2000 0220）上的适中棒“S5”设定位置为“OFF”，与原板上的“S5”设定位置“ON”不符，将其恢复到正常位置，故障排除。

　　5．功能程序测试法所谓功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和重要的特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等，用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序测试纸带，通过纸带阅读机将其信息送人数控系统中，然后启动数控系统使之运行。用它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可能起因。对于长期闲置的数控机床第一次开机时的检查以及机床加工造成废品但又无报瞥的情况下，一时难以确定是编程或操作的软错误，或者系统出现随机故障，一时难以判断是外来干扰还是系统稳定性不好时，采用此方法可快速确定哪个功能不良或丧失，是判断机床故障的一种较好方法。例如一台CS42型数控机床，故障现象为点动时机床主轴运转不停，操作失灵，但无任何报警信息，经过分析，操作失灵原因不外乎：操作面板失电、系统内软件出现错误。而此故障出现时X轴、Z轴、T转塔均可操作移动，只是主轴运转起来后停不下来，说明操作面板各键工作正常，故障就在主轴伺服单元的软件上。对资料进一步分析，确定主轴伺服板上的NVRAM中程序出现混乱。根据故障分析，首先利用主轴伺服板上的短路销装置，清除芯片现存内容，然后对其进行初始化，并依照设定参数重新调整机床，故障排除。

　　6．转移法所谓转移法就是将数控系统中具有相同功能的两块模板、印制线路板、集成电路芯片或元器件互相交换，然后观察故障现象是否随之转移，从而可迅速确定系统的故障部分。这个方法从实质上来说是交换法的一种。例如一台JIBN320C单板机数控机床主轴电动机不运行，检查发现，指示步进电动机四相绕组的发光二极管全部亮，说明步进电动机的四项绕组全部通电。这是由于正、逆旋转的不平衡负载造成功放管损坏。四项绕组的指示灯均亮，说明其控制信号已经失控，一般是它们的共同部分出现问题。于是采用转移法，用一块完好的Z80主机板替换试机，最终查明是主机板上控制步进电动机运行的并行输出接口芯片PIO损坏造成的故障，更换并行输出接口芯片PIO，故障排除。

　　7．测量比较法数控系统开发商在设计数控系统用的印制线路板时，为了调整维修的便利，在印制线路板上设计了多个检测用端子。用户也可利用这些检测端子测量正常的印制线路板和有故障的印制线路板之间的电压或波形的差异，结合工作原理，从而可分析出故障起因及故障的所在位置。甚至，有时还可对正常的印制线路板人为地制造“故障”，如断开连线或短路线，拔去组件等方法，以判断真实故障的起因。为了这个目的，维修人员应在平时测量印制线路板上关键部位或易出故障部位的电压值和波形，并作记录，作为一种资料积累，因为数控系统开发商很少提供这方面的资料。例如我区一用户数控机床（主轴控制器型号为FRSF11K）低速运转时出现尖叫声，而高速时则运转正常。检修时，首先将主轴参数99号设定为1，然后对主轴系统进行开环测试，结果并没有发生上述故障现象，这说明主轴控制器和主轴电动机均无问题，然后调整CT值。该方法为：首先用直流电压表（毫伏挡）的正端接在SFCA板的CH40的测量端子上，负端接在CH9的测量端子上，此时电压表显示91 mV，接着调整、VR2使电压小于5mV，最好为0mV，将表的正端接在CH41测量端子上而负端不变，此时电压表显示65mV，调整VR3，使其小于5mV。依照上述调整后，关掉电源，再接通电源，故障消失，主轴系统运行正常。

　　8．自诊断功能法故障自诊断是评价系统性能的一项重要指标，目前自诊断技术朝着多功能和智能化方向发展，报警种类已增加到几千种。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发光二极管指示，可判断出故障的大致起因。利用自诊断功能检修数控机床，关键要掌握所诊断的系统在正常工作下的状态信息，这些状态信息显示出系统与主机之间信号的正常与否，从而判断出故障起因是在数控系统部分还是机械部分，并能指示出故障的大致部位。因此这个方法是当前维修中最常用也是最有效的一种方法。例如，一台匈牙利MKC500卧式加工中心（采用SIEMENS820型数控系统）工作台分度盘不回落，出现7035号报警。查技术资料得知，该故障现象与工作台下面的SQ25、SQ28传感器有关，我们从CRT上调用机床状态信息，观察到上述传感器工作状态SQ28即E10.6为“11”，表明工作台分度盘旋转到位信号已经发出；SQ25即E10.0为“0”，说明工作台分度盘未回落，故输出接口A4.7就始终为“0”。因为KM32接触器未吸合，YS06电磁阀也就不能动作，工作台分度盘就不能回藩。根据上述分析，首先检查液压系统工作正常，手动YS06电磁阀，工作台分度盘能回落，松开YS06电磁阀，工作台分度盘又上升，说明故障发生在PLC内。用PG650编程器调出该工作梯形图，检查发现F173.5未复位（该处位于A4.7线路中），致使梯形图中的RS触发不能翻转，将该处强行复位后，故障现象消失。

　　以上这些检查方法各有特点，应根据不同的故障现象，具体情况具体分析，可以同时选择几种方法综合应用，并且对机床的机械、液压及数控与电气系统工作过程的熟练掌握，才能逐步缩小故障范围，较快地排除故障。总之，每台机床数控系统在运行一定时间后，某元器件或机械部件难免出现一些损坏或故障现象，对于这些高精度、高效益且又昂贵的设备，需要广大数控工作者勤于学习、善于动脑、敢于动手，才能防止各种故障的发生，将事故消灭在萌芽状态，使数控设备发挥最大效益。

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