数控系统维修

机械领域术语

数控系统维修，是针对数控系统全面进行诊断、分析、解决问题的一门技术学科。它具有极其广泛的应用空间，对于我国工业生产具有重要意义。

总述

数控系统，也叫计算机数字控制系统（CNC，NC）,是通过计算机实现数字程序控制位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量等的一种控制器。广泛应用于机械加工、飞剪、同步传动、机器人等行业，是基于一种多轴联动的一种控制系统。中国作为世界性的加工工厂，数控系统使用日益增多，数控系统维修成了生产过程中最根本的保证，数控系统维修也因此成为了当前控制行业的一个技术热点，已经成了一个行业，它也是在工控维修的基础上发展起来的另外一门技术学科。

数控系统一般都是采用DSP等高速芯片作为控制核心（有些采用PC架构），板件集成度非常高，同时数控系统不单只存在CNC控制器，同时扩连有伺服系统、光栅编码器器等传感系统、逻辑控制器（PLC）、显示界面，另外还同丝杆等机械部件关系紧密，所以数控系统维修也是一项庞大的技术工程，对维修工程师不仅仅是硬件和软件的，还有系统性的分析能力要求，因此数控系统维修是一种技术含量非常高的专业了。

常见故障分类

数控系统的故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。

(1) 以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。

(2) 以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今的数控系统都设计有内置的自诊断程序，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性所致(如开关不闭合、接插松动等)。这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、排除。

(3) 以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏工件甚至设备的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。

(4) 以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定的条件则一定会产生的确定的故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这类故障的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能排除。

(5)以设备的运动品质特性来衡量，则是设备运动特性下降的故障。在这种情况下，设备虽能正常运转却加工不出合格的工件。例如设备定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机、电环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。

故障调查与分析

这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作：

① 询问调查在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持现场故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。

② 现场检查到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不乏其例，因此到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，使排故增加难度。

③ 故障分析根据已知的故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型，从而确定排故原则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照设备配套的数控系统诊断手册和使用说明书，可以列出产生该故障的多种可能的原因。

④ 确定原因对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因，这时对维修人员是一种对该设备熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。 ⑤排故准备有的故障的排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一系列的准备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排故计划步骤的制定等等

数控系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程，一旦查明了原因，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。

诊断方法

直观检查法

这是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的检查。

① 询问向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析判断过程中可能要多次询问。

② 目视总体查看设备各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等。

③ 触摸在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)的联接状况等来发现可能出现故障的原因。

④ 通电这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。

仪器检查法

使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号等进行测量，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置的相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无，用PLC编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。

信号与报警指示分析法

① 硬件报警指示这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。

② 软件报警指示如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。

接口状态检查法

现代数控系统多将PLC集成于其中，而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的，这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示，而所有的接口信号都可以用PLC编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本设备的接口信号，又要熟悉PLC编程器的应用。

参数调整法

数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同设备、不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体设备相匹配，而且更是使设备各项功能达到最佳化所必需的。因此，任何参数的变化(尤其是模拟量参数)甚至丢失都是不允许的；而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障，需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。这种方法对维修人员的要求是很高的，不仅要对具体系统主要参数十分了解，既知晓其地址熟悉其作用，而且要有较丰富的电气调试经验。

备件置换法

当故障分析结果集中于某一印制电路板上时，由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的，为了缩短停机时间，在有相同备件的条件下可以先将备件换上，然后再去检查修复故障板。备件板的更换要注意以下问题。

更换任何备件都必须在断电情况下进行。

许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要，因此在更换备件板上一定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警而不能工作。

某些印制电路板的更换还需在更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数的建立。这一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。

有些印制电路板是不能轻易拔出的，例如含有工作存储器的板，或者备用电池板，它会丢失有用的参数或者程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。

鉴于以上条件，在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步骤之后再动手，以免造成更大的故障。

交叉换位法

当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下，可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查，例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意，不仅硬件接线的正确交换，还要将一系列相应的参数交换，否则不仅达不到目的，反而会产生新的故障造成思维的混乱，一定要事先考虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误再行交换检查。

特殊处理法

当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段，其中软件含量越来越丰富，有系统软件、设备制造者软件、甚至还有使用者自己的软件，由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问题，会使得有些故障状态无从分析，例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，有时则可能将故障消除。维修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法

故障排除

这是排故的第二阶段，是实施阶段。

如前所述，数控系统故障的分析过程也就是故障的排除过程，因此数控故障的一些常用排除方法在上面的分析方法中已综合介绍过了，下边则列举几个常见数控系统故障做一简要介绍，供数控系统维修者参考。

电源

电源是维修系统乃至整个设备正常工作的能量来源，它的失效或者故障轻者会丢失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电力充足，电网质量高，因此其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足，再加上某些人为的因素，难免出现由电源而引起的故障。我们在设计数控机床的供电系统时应尽量做到：

提供独立的配电箱而不与其他设备串用。

电网供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置。

电源始端有良好的接地。

进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线(N)与接地(PE)严格分开。

电柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。

数控系统位置环故障

① 位置环报警。可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立的接口信号不存在等。

② 坐标轴在没有指令的情况下产生运动。可能是漂移过大；位置环或速度环接成正反馈；反馈接线开路；测量元件损坏。

设备坐标找不到零点

可能是零方向在远离零点；编码器损坏或接线开路；光栅零点标记移位；回零减速开关失灵。

设备动态特性变差

工件加工质量下降，甚至在一定速度下机床发生振动

这其中有很大一种可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重或者导轨润滑不充分甚至磨损造成的；对于电气控制系统来说则可能是速度环、位置环和相关参数已不在最佳匹配状态，应在机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。

偶发性停机故障

这里有两种可能的情况：一种情况是如前所述的相关软件设计中的问题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，一般情况下数控系统断电后重新通电便会消失；另一种情况是由环境条件引起的，如强力干扰(电网或周边设备)、温度过高、湿度过大等。这种环境因素往往被人们所忽视，例如南方地区将设备置于普通厂房甚至靠近敞开的大门附近，电柜长时间开门运行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾的设备等等。这些因素不仅会造成故障，严重的还会损坏数控系统与设备，务必注意改善。

现状和发展趋势

数控系统的核心技术都掌握在外国人的手里，数控系统的软件、图纸等都比较缺乏，国内自主品牌这几年的发展虽然很快，但市场占有率还不够高特别是高端产品几乎为零，因此国内的数控数控维修还没有形成很大的行业规模，很多数控系统维修公司都停留在摸索阶段，或者只能是解决一些部件问题和局部故障，用户在选择数控系统维修供应商时候一定要找规模比较大，技术实力比较强的企业，比如LONGI等大的技术服务公司，客户不要因为贪图小便宜和广告而误了自己的大事，有些责任心和技术差的维修公司可能会把小问题搞成大故障，给自己的设备带来不可修复的遗憾。

随着数控系统技术的发展，数控系统维修从时域维修趋向于数据域维修，新出的数控系统的传输基本上已经开始以SERCOS等总线为主，网络化控制，靠以往的那种头痛医头，脚痛医脚的传统方法是无法诊断这类故障的了，数控系统维修也必须借助网络诊断工具来分析整体系统的数据才可能找到故障点，这些对数控维修工程师的技术都是一种考验和挑战。

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