數控系統的診斷與維修-數控系統維修

    2.1 維修工作人員的基本條件

    維修工作開展得好壞首先取決于人員條件。維修工作人員必須具備以下要求：

·高度的責任心與良好的職業道德；

·知識面廣，掌握計算機技術、模擬與數字電路基礎、自動控制與電機拖動、檢測技術及機械加工工藝方面的基礎知識與一定的外語水平；

·經過良好的技術培訓，掌握有關數控、驅動及PLC的工作原理，懂得CNC編程和編程語言；

·熟悉結構，具有實驗技能和較強的動手操作能力；

·掌握各種常用（尤其是現場）的測試儀器、儀表和各種工具。

    2.2　在維修手段方面應具備的條件

·準備好常用備品、配件；

·隨時可以得到微電子元器件的實際支援或供應；

·必要的維修工具、儀器、儀表、接線、微機。最好有小型編程系統或編程器，用以支援設備調試；

·完整資料、手冊、線路圖、維修說明書（包括CNC操作說明書）以及接口、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。

    2.3　維修前的準備

    接到用戶的直接要求后，應盡可能直接與用戶聯系，以便盡快地獲取現場信息、現場情況及故障信息。如數控機床的進給與主軸驅動型號、報警指示或故障現象、用戶現場有無備件等。據此預先分析可能出現的故障原因與部位，而后在出發到現場之前，準備好有關的技術資料與維修服務工具、儀器備件等， 做到有備而去。

    3、現場維修

    現場維修是對數控機床出現的故障（主要是數控部分）進行診斷，找出故障部位，以相應的正常備件更換，使機床恢復正常運行。這過程的關鍵是診斷，即對系統或外圍線路進行檢測，確定有wu故障，并對故障定位指出故障的確切位置。從整機定位到插線板，在某些場合下甚至定位到元器件。這是整個維修 工作的主要部分。

    3.1 數控系統的故障診斷

    (1) 初步判別　

    通常在資料較全時，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，而后再按照故障與這一部位的具體特點，逐個部位檢查，初步判別。在實際應用中，可能用一種方法即可查到故障并排除，有時需要多種方法并用。對各種判別故障點的方法的掌握 程度主要取決于對故障設備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信號和相應的信息。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，并可通過特定鍵，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，系統已停機或系統沒有報警但工作不正常時，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。下面闡述這種故障診斷和排除辦法。

    故障診斷方法

    ·常規檢查法

    目測 目測故障板，仔細檢查有無保險絲燒斷，元器件燒焦，煙熏，開裂現象，有無異物斷路現象。以此可判斷板內有無過流，過壓，短路等問題。

    手摸 用手摸并輕搖元器件，尤其是阻容，半導體器件有無松動之感，以此可檢查出一些斷腳，虛焊等問題。

    通電 首先用萬用表檢查各種電源之間有無斷路，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，以此可發現一些較為明顯的故障，而縮小檢修范圍。

    例如：在哈爾濱某工廠排除故障時，機床的數控系統和PLC運行正常，但機床的液壓系統無法啟動，用編程器檢查PLC程序運行正常，各所需信號狀態均滿足開機條件。進一步檢查中發現，PLC信號狀態與圖紙和設備上的標記不一致，停機拔出電路板檢查，發現PLC兩塊輸出板編址不對，與另兩塊位置搞錯， 經交換后，機床正常運轉。對于發生這個故障的機床所采用的SIMATIC S5—150K可編程控制器，只要編址正確，無論將線路板的位置怎樣排列，系統均能正常運轉，但相應地執行元件和信號源必須正確地對應，一旦對應錯誤就會發生故障，甚至毀壞機床。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。

·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。例如，上海某廠在排除故障中，系統報警，位置環硬件故障，用示波器檢查發現 有干擾信號，我們在電路中用接電容的方法將其濾掉使系統工作正常。如出現系統無法回基準點的情況，可用示波器檢查是否有零標記脈沖，若沒有可考慮是測量系統損壞。

    用可編程控制器進行PLC中斷狀態分析：可編程序控制器發生故障時，其中斷原因以中斷堆棧的方式記憶。使用編程器可以在系統停止狀態下，調出中斷堆棧和塊堆棧，按其所指示的原因，查明故障所在。在可編程序控制器的維修中這是最常y有效和快速的辦法。

    接口信號檢查：通過用可編程序控制器檢查機床控制系統的接口信號，并與接口手冊的正確信號相對比，亦可查出相應的故障點。

    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，按常規方法，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，我們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。在沒有診斷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。盡最大可能縮短故障停機時間，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。

    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具有很強的自診斷能力，通過實施時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，有的數控系統可通過發光管不同的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準確地診斷出故障模板的位置。如SINUMERIK 8系統根據MS100 CPU板上四個指示燈和操作面板上的FAULT燈的亮滅組合就可判斷出故障位置。

    上述診斷方法，在實際應用時并無嚴格的界限，可能用一種方法就能排除故障，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。

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    3.2 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，結合我們在維修中的經驗，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，并與外設相聯接，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不發指令就運動，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，因而這也是故障較多的部分。

    其主要故障有：①系統損壞。一般由于網絡電壓波動太大，或電壓沖擊造成。我國大部分地區電網質量不好，會給機床帶來電壓超限，尤其是瞬間超限，如無專門的電壓監控儀，則很難測到，在查找故障原因時，要加以注意，還有一些是由于特殊原因造成的損壞。如華北某廠由于雷擊中工廠變電站并竄入電網而造成多 臺機床伺服系統損壞。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或正反饋。如在東北某廠，引進的西德WOTAN公司轉子銑床在調試中，機 床X軸在無指令的情況下，高速運轉，經分析我們認為是正反饋造成的。因為系統零點漂移，在正反饋情況下，就會迅速累加使電機在高速下運轉，而我們按標簽檢查線路后wan全正確，機床廠技術人員認為不可能接錯，在充分分析與檢測后我們將反饋線反接，結果機床運轉正常。機床廠技術人員不得不承認德方工作失誤。還有 一例子，我們在天津某廠培訓講學時，應廠方要求對他們廠一臺自進廠后一直無法正常工作的精密磨床進行維修，其故障是：機床一啟動電機就運轉，而且越來越快，直至最高轉速。我們分析認為是由于速度環開路，系統漂移無法抑制造成。經檢查其原因是速度反饋線接到了地線上造成。③加工時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與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，以至燒壞，這類故障一般是機械負載過大或卡死。

    (3) 電源部分

    電源是維持系統正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統的停機或毀壞整個系統。一般在歐美 國家，這類問題比較少，在設計上這方面的因素考慮的不多，但在中國由于電源波動較大，質量差，還隱藏有如高頻脈沖這一類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監控或損壞。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貯在RAM存貯器內，系統斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存貯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，如斷電器，伺服閥，指示燈等。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，亦可能造成停機或故障。有一工廠的數控設備，開機后不久便失去數控準備好信號，系統無法工作，經檢查發現機體溫度很高，原因是通氣過濾網已堵死，引起溫度傳感器動作，更換濾網后，系統正常工 作。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毀壞系統。

    一般在數控系統的設計、使用和維修中，必須考慮對經常出現故障的部位給予報警，報警電路工作后，一方面在屏幕或操作面板上給出報警信息，另一方面發出保護性中斷指令，使系統停止工作，以便查清故障和進行維修。

    3.3 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，若系統工作存貯區由于掉電，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，清除前應注意作好數據拷貝記錄，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，參數設定錯誤就可能造成系統的故障或某功能無效。例如，在哈爾濱 某廠轉子銑床上采用了測量循環系統，這一功能要求有一個背景存貯器，調試時發現這一功能無法實現。檢查發現確定背景存貯器存在的數據位沒有設定，經設定后該功能正常。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 易行的辦法。通過對電位計的調節，修正系統故障。如某工廠維修中，其系統顯示器畫面混亂，經調節后正常。在山東某廠，其主軸在啟動和制動時發生皮帶打滑，原因是其主軸負載轉矩大，而驅動裝置的斜升時間設定過小，經調節后正常。

    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，其辦法很簡單，用一臺多線記錄儀或具有存貯功能的雙蹤示波器，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，來使伺服系統達到即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的情況下，根據經驗，即調節使電機起振，然后向反向慢慢調節，直到消除震蕩即可。

    (4) 備件替換法

    用好的備件替換診斷出壞的線路板，并做相應的初始化啟動，使機床迅速投入正常運轉，然后將壞板修理或返修，這是目前最常 的排故辦法。

    (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。以此做為故障排除的依據，可正確徹di地排除故障。

    3.4 維修中應注意的事項

    (1) 從整機上取出某塊線路板時，應注意記錄其相對應的位置，連接的電纜號，對于固定安裝的線路板，還應按前后取下相應的壓接部件及螺釘作記錄。拆卸下的壓件及螺釘應放在專門的盒內，以免丟失，裝配后，盒內的東西應全部用上，否則裝配不完整。

    (2) 電烙鐵應放在順手的前方，遠離維修線路板。烙鐵頭應作適當的修整，以適應集成電路的焊接，并避免焊接時碰傷別的元器件。

    (3) 測量線路間的阻值時，應斷電源，測阻值時應紅黑表筆互換測量兩次，以阻值大的為參考值。

    (4) 線路板上大多刷有阻焊膜，因此測量時應找到相應的焊點作為測試點，不要鏟除焊膜，有的板子全部刷有絕緣層，則只有在焊點處用刀片刮開絕緣層。

    (5) 不應隨意切斷印刷線路。有的維修人員具有一定的家dian維修經驗，習慣斷線檢查，但數控設備上的線路板大多是雙面金屬孔板或多層孔化板，印刷線路細而密，一旦切斷不易焊接，且切線時易切斷相鄰的線，再則有的點，在切斷某一根線時，并不能使其和線路脫離，需要同時切斷幾根線才行。

    (6) 不應隨意拆換元器件。有的維修人員在沒有確定故障元件的情況下只是憑感覺那一個元件壞了，就立即拆換，這樣誤判率較高，拆下的元件人為損壞率也較高。

    (7) 拆卸元件時應使用吸錫器及吸錫繩，切忌硬取。同一焊盤不應長時間加熱及重復拆卸，以免損壞焊盤。

    (8) 更換新的器件，其引腳應作適當的處理，焊接中不應使用酸性焊油。

    (9) 記錄線路上的開關，跳線位置，不應隨意改變。進行兩極以上的對照檢查時，或互換元器件時注意標記各板上的元件，以免錯亂，致使好板亦不能工作。

    (10) 查清線路板的電源配置及種類，根據檢查的需要，可分別供電或全部供電。應注意高壓，有的線路板直接接入高壓，或板內有高壓發生器，需適當絕緣，操作時應特別注意。

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    4、數控機床開機調試

    數控機床是一種技術含量很高的機電儀一體化的機床，用戶買到一臺數控機床后，是否正確的安全地開機，調試是很關鍵的一步。這一步的正確與否在很大程序上決定了這臺數控機床能否發揮正常的經濟效率以及它本身的使用壽命，這對數控機床的生產廠和用戶廠都是事關重大的課題。數控機床開機，調試 應按下列的步驟進行。

    4.1　通電前的外觀檢查

    (1) 機床電器檢查

    打開機床電控箱，檢查繼電器，接觸器，熔斷器，伺服電機速度，控制單元插座，主軸電機速度控制單元插座等有無松動，如有松動應恢復正常狀態，有鎖緊機構的接插件一定要鎖緊，有轉接盒的機床一定要檢查轉接盒上的插座，接線有無松動，有鎖緊機構的一定要鎖緊。

    (2) CNC電箱檢查

    打開CNC電箱門，檢查各類接口插座，伺服電機反饋線插座，主軸脈沖發生器插座，手搖脈沖發生器插座， CRT插座等，如有松動要重新插好，有鎖緊機構的一定要鎖緊。按照說明書檢查各個印刷線路板上的短路端子的設置情況，一定要符合機床生產廠設定的狀態，確實有誤的應重新設置，一般情況下無需重新設置，但用戶一定要對短路端子的設置狀態做好原始記錄。

    (3) 接線質量檢查

    檢查所有的接線端子。包括強弱電部分在裝配時機床生產廠自行接線的端子及各電機電源線的接線端子，每個端子都要用旋具緊固一次，直到用旋具擰不動為止，各電機插座一定要擰緊。

    (4) 電磁閥檢查

    所有電磁閥都要用手推動數次，以防止長時間不通電造成的動作不良，如發現異常，應作好記錄，以備通電后確認修理或更換。

    (5) 限位開關檢查

    檢查所有限位開關動作的靈活及固定性是否牢固，發現動作不良或固定不牢的應立即處理。

    (6) 按鈕及開關檢查

    操作面板上按鈕及開關檢查，檢查操作面板上所有按鈕，開關，指示燈的接線，發現有誤應立即處理，檢查CRT單元上的插座及接線。

    (7) 地線檢查

    要求有良好的地線，測量機床地線，接地電阻不能大于1Ω。

    (8) 電源相序檢查

    用相序表檢查輸入電源的相序，確認輸入電源的相序與機床上各處標定的電源相序應絕對一致。

    有二次接線的設備，如電源變壓器等，必須確認二次接線的相序的一致性。要保證各處相序的絕對正確。此時應測量電源電壓，做好記錄。

    4.2　機床總電壓的接通

    (1) 接通機床總電源，檢查CNC電箱，主軸電機冷卻風扇，機床電器箱冷卻風扇的轉向是否正確，潤滑，液壓等處的油標志指示以及機床照明燈是否正常，各熔斷器有無損壞，如有異常應立即停電檢修，無異常可以繼續進行。

    (2) 測量強電各部分的電壓特別是供CNC及伺服單元用的電源變壓器的初次級電壓，并作好記錄。

    (3) 觀察有無漏油，特別是供轉塔轉位、卡緊，主軸換檔的以及卡盤卡緊等處的液壓缸和電磁閥。如有漏油應立即停電修理或更換。

    4.3 CNC電箱通電

    (1) 按CNC電源通電按扭，接通CNC電源，觀察CRT顯示，直到出現正常畫面為止。如果出現ALARM顯示，應該尋找故障并排除，此時應重新送電檢查。

    (2) 打開CNC電源，根據有關資料上給出的測試端子的位置測量各級電壓，有偏差的應調整到給定值，并作好記錄。

    (3) 將狀態開關置于適當的位置，如日本FANUC系統應放置在MDI狀態，選擇到參數頁面。逐條逐位地核對參數，這些參數應與隨機所帶參數表符合。如發現有不一致的參數，應搞清各個參數的意義后再決定是否修改，如齒隙補償的數值可能與參數表不一致，這在進行實際加工后可隨時進行修改。

    (4) 將狀態選擇開關放置在JOG位置，將點動速度放在最di檔，分別進行各坐標正反方向的點動操作，同時用手按與點動方向相對應的超程保護開關，驗證其保護作用的可靠性，然后，再進行慢速的超程試驗，驗證超程撞塊安裝的正確性。

    (5) 將狀態開關置于回零位置，完成回零操作，參考點返回的動作不完成就不能進行其它操作。因此遇此情況應首先進行本項操作，然后再進行第4項操作。

    (6) 將狀態開關置于JOG位置或MDI位置，進行手動變檔試驗，驗證后將主軸調速開關放在最di位置，進行各檔的主軸正反轉試驗，觀察主軸運轉的情況和速度顯示的正確性，然后再逐漸升速到最高轉速，觀察主軸運轉的穩定性。

    (7) 進行手動導軌潤滑試驗，使導軌有良好的潤滑。

    (8) 逐漸變化快移超調開關和進給倍率開關，隨意點動刀架，觀察速度變化的正確性。

    4.4 MDI試驗

    (1) 測量主軸實際轉速

    將機床鎖住開關放在接通位置，用手動數據輸入指令，進行主軸任意變檔，變速試驗，測量主軸實際轉速，并觀察主軸速度顯示值，調整其誤差應限定在5％之內。

    (2) 進行轉塔或刀座的選刀試驗

    其目的是檢查刀座或正、反轉和定位精度的正確性。

    (3) 功能試驗

    根據定貨的情況不同，功能也不同，可根據具體情況對各個功能進行試驗。為防止意外情況發生，最好先將機床鎖住進行試驗，然后再放開機床進行試驗。

    (4) EDIT功能試驗

    將狀態選擇開關置于EDIT位置，自行編制一簡單程序，盡可能多地包括各種功能指令和輔助功能指令，移動尺寸以機床最大行程為限，同時進行程序的增加，刪除和修改。

    (5) 自動狀態試驗

    將機床鎖住，用編制的程序進行空運轉試驗，驗證程序的正確性，然后放開機床，分別將進給倍率開關，快速超 調開關，主軸速度超調開關進行多種變化，使機床在上述各開關的多種變化的情況下進行充分地運行，后將各超調開關置于100％處，使機床充分運行，觀察整機 的工作情況是否正常。

    至此，一臺數控機床才算開機調試完畢。

    5、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bi備的備件的清單，建立用戶檔案，對于故障時間，現象，分析診斷方法，采用排故方法，如果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。

    以上對于數控系統維修技術的闡述，是我們幾年中近百次數控系統的調試和維修的經驗的總結。雖然，數控系統種類繁多，故障千變萬化，維修方法也不盡相同，一篇短文很難盡述，但是我們仍希望把一些基本方法與思路寫出來，與大家交流以期能引起人們對數控系統維修技術的重視，維修技術的直接目的和結果是使數控系統恢復正常運行，從而保證生產的順利進行。目前在我們國家數控技術正迅速向各工業部門滲透，隨著電子技術的發展，數控技術在國民經濟中的地位也就隨之提高，那么對于數控技術重要組成部分—數控系統維修技術也應迅速適應數控技術飛速發展的要求，作為一名數控系統維修技術人員，就應該不斷地學習和掌握新的知識與技術，尋找新的維修診斷的方法和手段，為推動數控系統維修技術的發展做出應有的貢獻。