数控系统硬件故障的诊断分析

硬件故障检查过程因故障类型而异，以下所述方法无先后次序之分，可穿插进行、综合分析、逐个排除。

1.常规检查

1）检查外观。系统发生故障后，首先进行外观检查，运用自己的感官感受判断明显的故障，有针对性地检查有怀疑部分的元器件，看空气断路器、继电器是否脱扣，继电器是否有跳闸现象，熔丝是否熔断，印制线路板上有无元件破损、断裂、过热，连接导线是否断裂、划伤，插接件是否脱落等；若有检修过的电路板，还得检查开关位置、电位器设定、短路棒选择、线路更改是否与原来状态相符；注意观察故障出现时的噪声、振动、焦糊味、异常发热、冷却风扇是否转动正常等。

2）检查连接电缆、连接线。针对故障有关部分，用一些简单的维修工具检查各连接线、电缆是否正常，尤其注意检查机械运动部位的接线及电缆，这些部位的接线易因受力、疲劳而断裂。

3）检查连接端及接插件。针对故障有关部位，检查接线端子、单元接插件。这些部件容易松动、发热、氧化、电化腐蚀而断线或接触不良。

4）检查恶劣环境下工作的元器件。针对故障有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。这些元器件容易受热、受潮、受振动、粘灰尘或油污而失效或老化。受冷却水及油污染，光栅的标尺栅和指示栅都变脏，清洗后，故障消失。

5）检查易损部位的元器件。元器件易损部位应按规定定期检查。直流伺服电动机的电枢电刷及整流子、测速电动机的电刷及整流子都容易磨损及粘污物，前者造成转速下降，后者造成转速不稳。纸带阅读机光电读入部件的光学元件透明度降低，发光元件及光敏元件老化都会造成读带出错。

6）检查定期保养的部件及元器件。有些部件、元器件按规定应及时清洗润滑，否则容易出现故障。冷却风扇如果不及时清洗风道等处，则易造成过负荷；如果不及时检查轴承，则在轴承润滑不良时，易造成通电后转不动。

7）检查电源电压。电源电压正常是机床控制系统正常工作的必要条件。电源电压不正常，一般会造成故障停机，有时还造成控制系统动作紊乱。硬件故障出现后，不可忽视检查电源电压。检查步骤可参考调试说明，方法是从前（电源侧）向后地检查各种电源电压，应注意到源组功耗大、易发热，容易出故障。多数电源故障由负载引起，因此更应在仔细检查后继环节后再进行处理。检查电源时，不仅要检查电源自身馈电线路，还应检查由它馈电的无电源部分是否获得了正常的电压；不仅要注意到正常时的供电状态，还要注意到故障发生时电源的瞬时变化。

2.故障现象分析法

故障分析是寻找故障的特征。最好组织机械、电气技术人员及操作者会诊，捕捉出现故障时机器的异常现象，分析产品检验结果及仪器记录的内容，必要（会出现故障时的现象）和可能（设备还可以运行到这种故障再现而无危险）时可以让故障再现，经过分析可能找到故障的规律和线索。

3.面板指示灯显示与模块LED显示分析法

数控机床控制系统多配有面板显示器、指示灯。面板显示器可把大部分被监控的故障识别结果以报警的方式给出。对于各个具体的故障，系统有固定的报警号和文字显示给予提示。特别是彩色CRT的广泛使用及反衬显示的应用，使故障报警更为醒目。出现故障后，系统会根据故障情况、故障类型给出提示或者同时中断运行而停机。对于加工中心运行中出现故障，必要时，系统会自动停止加工过程，等待处理。指示灯只能粗略地提示故障部位及类型等。程序运行中出现故障，程序显示报警出现时程序的中断部位，坐标值显示提示故障出现时运动部件的坐标位置，状态显示能提示功能执行结果。在维修人员未到现场前，操作者尽量不要破坏面板显示状态、机床故障后的状态，并向维修人员报告自己发现的面板瞬时异常现象。维修人员应抓住故障信号及有关信息特征，分析故障原因。故障出现的程序段可能有指令执行不彻底而应答，故障出现的坐标位置可能有位置检测元件故障、机械阻力太大等现象发生。维修人员和操作者要熟悉本机床报警目录，对有些针对性不强、含义比较广泛的报警要不断总结经验，掌握这类故障报警发生的具体原因。

下面举两例LED报警显示。

（1）数控系统故障LED报警显示。数控装置上共有七个LED发光管，用于显示系统状态和报警（见图4-3中“序号1”处）。

图4-3 FANUC 0i系统的硬件连接布局

当CNC出现故障时，可以通过发光管的状态，判断系统运行时的状态和出现故障的范围。其中上一行中的四个LED显示CNC系统运行的状态；表4-1所示为电源接通时的这四个LED显示的系统状态（亮度变化所代表的含义）；下一行的三个LED为CNC出现故障时的报警显示。表4-2中罗列了CNC系统报警时的LED显示及报警含义。

表4-1 电源接通时的LED显示的系统状态（○：灯灭；●：灯亮）

表4-2 CNC系统报警时的LED显示（○：灯灭；●：灯亮）

（2）用个人计算机连接到HSSB的直接运行故障LED报警显示。FANUC 0i系统通过高速接口板与计算机通信连接，如图4-4所示。高速接口板HSSB安装在CNC装置上（图4-3中“序号10”的位置）。

图4-4 FANUC 0i系统与计算机通信连接

将PC与数控系统（CNC）的HSSB接口连接，在存储器（自动）运行方式下，使直接运行的选择信号置“1”可以启动自动运行，从计算机磁盘上阅读程序并运行程序加工工件。直接运行选择信号是“G042＃7”，即参数“G042”的第7位。

HSSB接口CNC一侧的接口板如图4-5所示。此接口板的外形如图4-6所示。该板上有两个“AL－”LED显示灯和四个“ST－”LED显示灯。其中两个“AL－”LED显示灯LED1和LED2所显示的状态如表4-3所示；四个“ST－”LED显示灯所显示的状态，如表4-4所示。

图4-5 FANUC 0i系统与计算机通信连接

图4-6 高速串行总线接口板

表4-3 HSSB接口所用接口板的规格及状态（AL显示灯）显示(www.xing528.com)

表4-4 高速串行总线接口板上LED状态（ST显示灯）显示（○：灯灭；●：灯亮）

HSSB接口PC计算机一侧的接口板如图4-7所示。该板上的显示灯LED1和LED2所表示的状态见表4-3所示。

4.系统分析法

查找系统存在故障的部位时，可对控制系统框图中的各方框单独考虑。根据每一方框的功能，将方框划分为一个个独立的单元。在对具体单元内部结构了解不透彻的情况下，可不管单元内容如何，只考虑其输入和输出，这样就简化了系统，便于维修人员排除故障。

首先检查被怀疑单元的输入，如果输入中有一个不正常，该单元就可能不正常。这时应追查提供给该输入的上一级单元；在输入都正常的情况下而输出不正常，那么故障即在本单元内部。在把该单元输入和输出与上下有关单元脱开后，可提供必要输入电压，观察其输出结果（亦请注意到有些配合方式把相关单元脱开后，给该单元供电会造成本单元损坏）。当然在使用这种方法时，要求了解该单元输入/输出点的电信号性质、大小、不同运行状态信号状态及它们的作用。用类似的方法可找出独立单元中某一故障部件，把怀疑部分由大缩到小，逐步缩小故障范围，直至把故障定位于元件。

在维修的初步阶段及有条件时，对怀疑单元可采用换件诊断修理法。但要注意，换件时应该对备件的型号、规格、各种标记、电位器调整位置、开关状态、跳线选择、线路更改及软件版本是否与怀疑单元相同，并确保不会由于上下级单元损坏造成的故障而损坏新单元。此外还要考虑到可能要重调新单元的某些电位器，以保证该新单元与怀疑单元性能相近。一点细微的差异都可能导致失败或造成损失。这里要特别强调的是，系统若带有分立的PLC，在系统产生故障后，首先应该确定故障是发生在系统本身还是发生在内装的PLC中，这就要求熟悉NC-PLC信息交换的内容，搞清楚某一动作不执行是由于NC没给PLC指令，还是由于NC给了PLC指令而PLC未执行，或者是由于PLC未准备好应答信号，NC不可能提供该指令等。

图4-7 HSSB接口PC计算机一侧的接口板（PCI总线用）

5.信号追踪法

信号追踪法是指按照控制系统框图从前往后或从后向前地检查有关信号的有无、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，看有什么差异或是否符合逻辑。如果线路由各元件“串联”组成，则出现故障时，“串联”的所有元件和连接线都值得怀疑。在较长的“串联”电路中，适宜的做法是将电路分成两半，从中间开始向两个方向追踪，直到找到有问题的元件（单元）为止。

两个相同的线路，可以对它们部分地交换试验。这种方法类似于把一个电动机从其电源上拆下，接到另一个电源上试验，类似地，在其电源上另接一电动机测试电源，这样可以判断出电动机有问题还是电源有问题。但对数控机床来讲，问题就没有这么简单，交换一个单元，一定要保证该单元所处大环节（如位置控制环）的完整性，否则闭环可能受到破坏，保护环节失效，I调节器输入得不到平衡。例如：改用Y轴调节器驱动X轴电动机，若只换接X轴电动机及转速传感器，而X轴位置传感器不动，这时X轴各限位开关失效，且X轴移动无位置反馈，可能机床一启动即产生X轴测量回路硬件故障报警，且X轴各限位开关不起作用。

1）接线系统（继电器——接触器系统）信号追踪法。硬接线系统具有可见接线、接线端子、测试点。故障状态可以用试电笔、万用表、示波器等简单测试工具测量电压、电流信号的大小、性质、变化状态，电路的短路、断路、电阻值变化等，从而判断出故障的原因。举简单的例子加以说明：有一个继电器线圈K在指定工作方式下，其控制线路为经X、Y、Z三个触点接在电源P、N之间，在该工作方式中K应得电，但无动作；经检查P、N间有额定电压；再检查X-Y接点与N间有无电压，若有，则向下测Y-Z接点与N间有无电压，若无，则说明Y触点可能不通，其余类推，可找出各触点、接线或K本身的故障；例如控制板上的一个晶体管元件，若C极、E极间有电源电压，B极、E极间有可使其饱和的电压，接法为射极输出。如果E极对地间无电压，就说明该晶体管有问题。当然对一个比较复杂的单元来讲，问题就会更复杂一些，但道理是一样的。影响它的因素要多一些，关联单元相互间的制约要多一些。

2）NC、PMC系统状态显示法。机床面板和显示器可以进行状态显示，显示其输入、输出及中间环节标志位等的状态，用于判别故障位置。但由于NC、PMC功能很强而较复杂，因此要求维修人员熟悉具体控制原理、PMC使用的汇编语言。例如PMC程序中多有触发器支持，有的置位信号和复位信号都维持时间不长，有些环节动作时间很短，不仔细观察，很难发现已起过作用、但状态已经消失的过程。

3）硬接线系统的强制法。在追踪中也可以在信号线上输入正常情况的信号，以测试后继线路，但这样做是很危险的，因为这无形之中忽略了许多联锁环节，因此要特别注意：

①要把涉及前级的线断开，避免所加电源对前级造成损害。

②要将可动的机床部件移动于可以较长时间移动而不至于触限位，以免飞车碰撞。

③弄清楚所加信号是什么类型。例如：是直流还是脉冲；是恒流源还是恒压源等。

④设定要尽可能小些（因为有时运动方式和速度与设定关系很难确定）。

⑤密切注意可能忽略的联锁导致的后果。

⑥要密切观察运动情况，避免飞车超程。

6.静态测量法

静态测量法主要是用万用表测量元器件的在线电阻及晶体管上的PN结电压；用晶体管测试仪检查集成电路块等元件的好坏。

例如：一台加工中心的X轴交流伺服单元接通电源后，出现停机现象。维修人员把X轴控制电压线路接到其他轴伺服单元供给控制电压，其他调节器正常并没有故障发生，这说明供电的电源没有故障。拆下X轴伺服单元进行测量，直流电压15V，在X轴伺服单元中有短路现象，15V与0V之间电阻为0。继续检查，查出15V与0V之间有一个47μF、50V电容被击穿。更换该电容后，再检查15V不再短路，伺服单元恢复正常。

7.动态测量法

动态测量法是通过直观检查和静态测量后，根据电路原理图给印制电路板上加上必要的交直流电压、同步电压和输入信号，然后用万用表、示波器等对印制电路板的输出电压、电流及波形等全面诊断并排除故障。动态测量有：电压测量法、电流测量法、信号注入及波形观察法。

电压测量法是对可疑电路的各点电压进行普遍测量，根据测量值与已知值或经验值进行比较，再应用逻辑推理方法判断出故障所在。

电流测量法是通过测量晶体管、集成电路的工作电流、各单元电路电流和电源板负载电流来检查电子印制电路板的常规方法。

信号注入及波形观察法是利用信号发生器或直流电源在待查回路中的输入信号，用示波器观察输出波形。