数控机床常见故障诊断方法

1.数控机床常见故障分类

（1）有诊断显示和无诊断显示故障 当故障出现时，按有无自诊断显示可分为有诊断显示故障和无诊断显示故障。目前，现代数控机床配置的数控系统和PLC可编程序控制器中都有较丰富的自诊断功能。有诊断显示的故障一般与控制部分有关，根据报警内容，容易找到故障原因。无诊断显示的故障，分析诊断难度较大，需要维修人员有丰富的实践经验，具体情况具体分析，根据故障发生的前后现象来分析判断。例如机床通电后，在手动方式或自动方式运行时，X轴出现爬行现象，无任何报警显示。这时可首先判断是NC故障还是伺服部分故障，具体做法是：在手摇脉冲进给方式中，可均匀地旋转手摇脉冲发生器，同时分别观察比较CRT显示器上Y轴、Z轴与X轴进给数字的变化速率。通常，如数控部分正常，三个轴的上述变化速率应基本相同，从而可确定爬行故障是X轴的伺服部分或是机械传动所造成的。

（2）硬件故障和软件故障 按发生故障的部位可分为硬件故障和软件故障两种。排除硬件故障需要更换某些元器件。软件故障是程序编制造成的软故障，只要改变相应程序内容，或修改机床设定参数等就能排除。

（3）运动品质特性故障 这是因为机床运动品质特性下降而引起的故障，此时机床照常运行，也没有任何报警显示，但加工零件不合格。如机床定位精度超差、反向死区过大、两坐标直线插补运动中发生振荡等。针对这类故障，必须在检测仪器配合下，通过对机械部件、控制系统、伺服系统等进行调整来解决。

（4）系统性和随机性故障 以故障出现的必然性和偶然性分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指机床和系统到某一环节必然出现的故障；而随机性故障是在偶然条件下出现的故障。因此，随机性故障的分析与排除更为困难。一般随机性故障往往与机械结构局部松动和错位、控制系统中部分元器件工作特性漂移及机床电气元件可靠性下降等有关。故排除这类故障要经过反复试验，然后进行综合判断。

2.数控机床故障诊断原则

一般在诊断故障时，应掌握以下原则：

（1）先外部后内部 数控机床是机械、液压、电气一体化的机床，故其故障的发生必然要从这三者综合反映出来。当数控机床发生故障后，维修人员应由外向内逐一进行排查。尽量避免随意地启封、拆卸，否则就会扩大故障，使机床大伤元气，丧失精度，降低性能。

（2）先机械后电气 数控机床是一种自动化程度高、技术复杂的先进加工设备，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断则难度较大些。先机械后电气就是在数控机床的维修中，首先检查机械部分是否正常，行程开关是否灵活，气动、液压部分是否有阻塞现象等。在故障检修之前，首先注意排除机械性的故障，往往可以达到事半功倍的效果。

（3）先静后动 通常，维修人员本身要做到先静后动，不能盲目动手。对有故障的机床，先在断电的静止状态下，通过了解、观察测试、分析并确认为非恶性故障后，方可给机床通电，在运行工况下，进行动态的观察、检验和测试，查找故障。而对恶性的破坏性故障。必须先行排除危险后，方可进行通电，在运行工况下进行动态诊断。

（4）先简单后复杂 当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。常常简单问题解决后，难度大的问题也可能变得容易。

（5）先一般后特殊 在排除某一故障时，要先考虑最常见的可能原因，然后再分析很少发生的特殊原因。例如，一台FANUC 0T数控车床Z轴回零不准，往往是由于降速档块位置走动所造成。一旦出现这一故障，应先检查该档块位置，在排除这一常见的可能性故障之后，再检查脉冲编码器、位置控制等环节。

3.数控机床的故障诊断技术

数控系统是高技术密集型产品，要想迅速而正确地查明原因并确定其故障的部位，一般要借助于诊断技术。现代数控系统一般都有诊断程序，所谓诊断程序就是对数控机床各部分包括数控系统本身进行状态或故障检测的软件。当数控机床发生故障时，可利用该程序诊断出故障源所在范围或具体位置。随着微处理器的快速发展，数控系统的自诊断能力越来越强，诊断技术也从原来简单的诊断朝着多功能和智能化方向发展。故障自诊断技术是当今数控系统一项十分重要的技术，它的强弱是评价CNC数控系统性能的一项重要指标。目前所使用的各种CNC系统的诊断技术大致可分为以下四大类。

（1）启动诊断（Start Up Diagnostics） 所谓启动诊断是指CNC系统每次从通电开始到进入正常的运行准备状态为止，系统内部诊断程序自动执行的诊断。诊断的内容为系统中最关键的硬件和系统控制软件，如CPU、存储器、I/O单元等模块以及CRT/MDI单元、纸带阅读机、软盘单元等装置或外围设备。有的CNC系统启动诊断程序还能对配置进行检查，用以确定所有指定的设备、模块是否都已正常地连接，甚至还能对某些重要的芯片，如RAM、ROM、LSI（专用大规模集成电路）是否插装到位，选择的规格型号是否正确进行诊断。只有当全部项目都确诊无误之后，整个系统才能进入正常运行的准备状态，否则，CNC系统将通过CRT画面或用硬件（如发光二极管）报警方式指出故障信息。此时，启动诊断过程不能结束，系统不能投入运行。

（2）在线诊断（On-Line Diagnostics） 在线诊断是指通过CNC系统的内装程序，在系统处于正常运行状态时，对CNC系统本身以及与CNC装置相连的各个进给伺服单元、伺服电动机、主轴伺服单元和主轴电动机以及外围设备等进行自动诊断、检查。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。

在线诊断的内容很丰富，它主要包括自诊断功能的状态显示和故障信息显示两部分。其中自诊断功能状态显示有上千条，常以二进制的0、1来显示其状态。对正逻辑来讲，0表示断开状态，1表示接通状态，借助状态显示可以判断故障发生的部位。如要区分出故障发生在数控系统内部，还是在PLC或机床侧。常用的有I/O接口状态显示和内部状态显示，如利用I/O接口状态显示，再结合PLC梯形图和强电控制线路图，用推理法和排除法即可判断出故障点所在的真正位置。而故障信息显示的内容一般有上百条，最多可达上千条。这许多信息大都以报警号和适当注释的形式出现。一般可分为几大类：①过热报警类；②系统报警类；③存储器报警类；④编程/设定类，这类故障均为操作、编程错误引起的软故障；⑤伺服类，即与伺服单元和伺服电动机有关的故障报警；⑥行程开关报警类；⑦印刷电路板间的连接故障类。

上述在线诊断功能，对CNC系统的操作者和维修人员分析系统故障原因，确定故障部位大有帮助。充分利用CNC系统提供的这些信息，就能快速准确地查明故障，排除故障。

（3）离线诊断（Off-Line Diagnostics） 离线诊断是指当CNC系统出现故障后，数控系统制造厂家或专业维修中心利用专用的诊断软件和测试装置进行停机（或脱机）检查。力求把故障定位到尽可能小的范围内，如缩小到某个功能模块、某个印刷电路板上的某部分电路，甚至某个芯片或元件，这种故障定位更精确，便于彻底修复故障。离线诊断可以在现场，也可以在维修中心或CNC系统制造厂进行。现代CNC系统离线诊断用软件，一般多已与CNC系统控制软件一起存在CNC系统中，这样在维修诊断时更为方便。(www.xing528.com)

（4）现代诊断技术 随着计算机科学技术的发展和微机的性能/价格比的提高，近年来，国外已将一些新的概念和方法成功地引入到诊断领域，使诊断技术进入到一个更高的阶段。这些新的诊断技术主要有下述几种：

1）通信诊断。通信诊断也称远程诊断或“海外诊断”，即利用电话通信线，把带故障的CNC系统和专业维修中心或CNC系统制造厂家的专用通信诊断计算机相连接来进行测试诊断。如德国西门子公司在CNC系统诊断中采用了这种诊断功能。用户只需把CNC系统中专用的“通信接口”连接到普通电话线路上，而在西门子公司维修中心的专用通信诊断计算机的“数据电话”也连接到普通电话线路上，然后由计算机向CNC系统发送诊断程序，并将测试数据输回到计算机进行分析并得出结论，随后又将诊断结论和处理办法通知用户。诊断系统除用于故障发生后的诊断外，还可为用户作定期的预防性诊断，维修人员不必亲临现场，只需按预定时间对机床进行一系列运行检查，在维修中心分析诊断数据，以发现可能存在的故障隐患。当然，这类CNC系统必须具备远程诊断接口及联网功能。

2）自修复系统。所谓自修复系统就是在系统内设置有备用模块，在CNC系统的软件中装有自修复程序，当该软件在运行时一旦发现某个模块有故障时，系统一方面将故障信息显示在CRT上，同时自动寻找是否有备用模块。如有备用模块，则系统能自动使故障模块脱机而接通备用模块，从而使系统较快地进入正常工作状态。由此可见，所谓自修复实际上是“冗余”概念的一种应用，如同作战中的预备役。该方案适用于无人管理的自动化或是不允许长时间停工的重要场合。

3）人工智能（AI）专家故障诊断系统。所谓专家系统是指：在处理实际问题时，本来需要有具有某个领域专门知识的专家，通过分析和解释数据并作出决定。为了像专家那样解决问题，以计算机为基础的专家系统就是力求去收集足够多的专家知识。专家系统利用专家推理方法的计算机模型来解决问题，并且得到的结论和专家相同。因此，专家系统的重要部分是推理，这也是专家系统区别于一般的资料库系统和知识库系统的地方。

4.数控机床的故障诊断方法

（1）直观检查法 直观检查法是维修人员首先使用的方法，它要求维修人员在故障诊断时应采用望、听、嗅、问、摸等方法，由外向内逐一进行检查。认真查看待修的各部位，特别要注意观察电路板的元器件及线路有否烧伤、裂痕、腐蚀迹象，还应注意电路板上有否短路、断路、芯片接触不良等现象。对于他人已维修过的电路板，更要注意有无缺件、错件及断线等情况。直观检查法不仅在维修开始时是必要的，就是在维修过程中往往也有效，甚至可起到事半功倍之效。

例如，XHK716立式加工中心，在安装调试时，CRT显示器突然出现无显示故障，而机床还可继续运转。停机后再开，又一切正常，但在设备运转中常出现这种故障。观察发现，每当车间上方的门式起重机经过时，往往会出现故障，由此初步判断是元件接触不良。检查显示板，用手触动板上元件，当触动某一集成块管脚时，CRT上显示就会消失。仔细观察发现该脚没完全插入插座中。另外，发现此集成块旁边的晶振有一个引脚没有焊锡。将这两种原因排除后，故障消除。

（2）功能程序测试法 所谓功能程序测试法是将数控系统的G、M、F、S、T功能用编程法编制成一个功能试验程序，并存储于相应的介质如纸带或软盘上。在故障诊断时运行该程序，以判定哪个功能不良或丧失，进而找出故障发生的可能原因。

功能程序测试法常应用于以下场合：

1）机床加工造成废品而一时无法确定是编程、操作不当，还是数控系统故障引起的。

2）数控系统出现随机性故障，一时难以区别是外来干扰，还是系统稳定性不好。

3）闲置时间较长的数控机床在投入使用或对数控机床作定期检修。

例如，配有FANUC9系统的立式铣床在自动加工某一曲线零件时出现爬行现象，表面粗糙度极差。在运行测试程序时，直线、圆弧插补时皆无爬行，由此确定故障原因出在编程方面。在对加工程序仔细检查后，发现该加工曲线由众多小段圆弧组成，而编程时又使用了正确定位检查G61指令之故。将程序中的G61取消，改用G64后，爬行现象消除。

（3）自诊断功能法 现代的数控系统已具备了较强的自诊断功能，能随时监视系统的硬件和软件的工作状态。一旦发现异常，立即在CRT上显示报警信息或用发光二极管指示出故障的大致起因。利用自诊断功能，还能显示出系统与主机之间接口信号的状态，从而判断出故障发生在机械部分还是数控系统部分，并指示出故障的大致部位。这是当前维修时最为有效的一种方法。

（4）试探交换法 所谓试探交换法即是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员利用备用的印刷电路板、模块板、集成电路芯片或元器件来替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷电路板或芯片一级。采用此法之前要注意有的放矢，不能盲目换板。一般不要轻易更换CPU板及存储器板，否则有可能造成程序和机床参数的丢失，造成故障的扩大；要注意备用板上拨动开关的位置，短路棒的设置是否与原板一致等。

（5）参数检查法 系统参数能直接影响数控机床的性能。参数一般存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOSRAM中，一旦电池不足或由于外界的干扰等因素，使个别参数丢失或变化，发生混乱，使机床无法正常工作。此时，通过核对、修正参数，将故障排除。

（6）原理分析法 可根据数控系统的组成原理，从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数（如电压值与波形），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪进行测量、分析和判断，从而对故障进行定位。采用该方法，需要维修人员对整个系统或各电路的原理都有清楚、深入的全面了解。

除上述常用的故障检测方法之外，还有测量比较法、敲击法、局部升温法等。在维修实践中，应按照不同的故障现象，可同时选用多种方法灵活应用，综合分析，才能逐步缩小故障范围，较快地排除故障。