数控机床常见故障分析和维修方法

数控机床的修理，重要的是发现问题。特别是数控机床的外部故障。有时诊断过程比较复杂，但一旦发现问题所在，解决起来比较简单。对外部故障诊断应遵从以下两条原则。首先要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序。其次，要会利用PLC梯形图及NC系统的状态显示功能监测PLC的运行状态，只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障都会及时排除。

电源是电路板的能源供应部分，电源不正常，电路板的工作必然异常。而且，电源部分故障率较高，修理时应足够重视，在外观法检查后，可先对电源部分进行检查。电路板的工作电源，有的是由外部电源系统供给；有的由板上本身的稳压电路产生，电源检查包括输出电压稳定性检查和输出纹波检查。输出纹波过大，会引起系统不稳定，用示波器交流输入挡可检查纹波幅值，纹波大一般是由集成稳压器损坏或滤波电容不良引起。运算放大器、比较器，有些用单电源供电，有些用双电源供电，用双电源的运放，要求正负供电对称，其差值一般不能大于0.2V（具有调零功能的运放除外）。

系统中对各电路板供电的系统电源大多数采用开关型稳压电源。这类电源种类繁多，故障率也较高，但大部分都是分立元件，用万用表、示波器即可进行检查，机修开关电源时，最好在电源输入端接一只1∶1的隔离变压器，以防触电。关于电源类常见的几种故障现象，现总结了几点见表8-1所示。

表8-1 电源类故障及维修

数控系统不能正常显示的原因很多，当系统的软件出错，在多数情况下会导致系统显示的混乱、不正常或无法显示，当电源出现故障、系统主板出现故障是都有可能导致系统的不正常显示。显示系统本身的故障是造成系统显示不正常的主要原因，因此，系统在不能正常显示的时候，首先要分清造成系统不能正常显示的主要原因，不能简单地认为系统不能正常显示就是显示系统的故障。

数控系统显示的不正常，可以分为完全无显示和显示不正常两种情况。当系统电源、系统的其他部分工作正常时，系统无显示的原因，在大多数的情况下是由于硬件原因引起，而显示混乱或显示不正常，一般来说是由于系统软件引起的。当然，系统不同，引起的原因也不同，要根据实际情况进行分析研究。关于电系统显示类常见的几种故障现象，现总结了下面几点，见表8-2所示。

表8-2 系统显示类故障及维修

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屏幕上无显示的故障原因很多，首先必须找出原因排除，如还有其他故障，根据机床的报警和其他故障信息做出处理。

CNC系统软件由管理软件和控制软件组成。管理软件包括输入、I/O处理、显示、诊断等。控制软件包括译码、刀具补偿、速度处理、插补计算、位置控制等。数控系统的软件结构和数控系统的硬件结构两者相互配合，共同完成数控系统的具体功能。早期的CNC装置，数控功能全部由硬件实现，而现在的数控功能则由软件和硬件共同完成。

目前数控系统的软件一般有两种结构：前后台型结构和中断型结构。所谓前后台型是指在一个定时采样周期中，前台任务开销一部分时间，后台任务开销剩余部分的时间，共同完成数控加工任务。前台任务一般设计成中断服务程序。

下面以西门子系统为例说明系统软件的配置。系统软件包括三部分：

1）数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环、测量循环等。

2）由机床厂家编制的针对具体机床所用的NC机床数据、PLC机床程序、PLC机床数据、PLC报警文本、R参数等组成。

3）由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置等组成。

软件故障一般是由软件中文件的变化或丢失而形成的。机床软件一般存储于RAM中，软件故障可能形成的原因如下。

（1）误操作引起

在调试用户程序或者修改参数时，操作者删除或更改了软件内容，从而造成了软件故障

（2）供电电池电压不足

为RAM供电的电池或电池电路短路或断路、接触不良等都会造成RAM得不到维持电压，从而使系统丢失软件及参数。

（3）干扰信号引起

有时电源的波动或干扰脉冲会串入数控系统总线，引起时序错误或数控装置停止运行。

（4）软件死循环

运行比较复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环引起系统中断，造成软件故障。

（5）系统内存不足或软件的溢出引起

在系统进行大量计算时，或者是误操作，引起系统的内存不足，从而引起系统的死机。

（6）软件的溢出引起

调试程序时，调试者修改参数不合理，或进行了大量错误的操作，引起了软件的溢出。CNC单元系统软件故障维修见表8-3所示。

表8-3 CNC单元故障系统软件故障分析与维修

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数控装置操作面板和手持单元上，均设有急停按钮，用于当数控系统或数控机床出现紧急情况，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；当数控系统出现自动报警信息后，须按下急停按钮。待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。该急停按钮及相关电路所控制的中间继电器（KA）的一个常开触点应该接入数控装置的开关量输入接口，以便为系统提供复位信号。

机床一直处于急停状态，不能复位：系统急停不能复位是一个常见的故障现象，引起此故障的原因大致可以分为如下几种。

1）电气方面的原因 图8-1为一普通数控机床的整个电气回路的接线图，从图8-1上可以清晰地看出可以引起急停回路不闭和的原因有：①急停回路断路；②限位开关损坏；③急停按钮损坏。

如果机床一直处于急停状态，首先检查急停回路中KA继电器是否吸合，继电器如果吸合而系统仍然处于急停状态，可以判断出故障不是出自电气回路方面，这时可以从别的原因查找，如果继电器没有吸合，可以判断出故障是因为急停回路断路引起，这时可以利用万用表对整个急停回路逐步进行检查，检查急停按钮的常闭触点，并确认急停按钮或者行程开关是否损坏。急停按钮是急停回路中的一部分，急停按钮的损坏，可以造成整个急停回路的断路，检查超程限位开关的常闭触点，若未装手持单元或手持单元上无急停按钮，XS8接口中的4、17脚应短接，逐步测量，最终确认故障的出处。

图8-1 电气回路的接线图

2）系统参数设置错误，使系统信号不能正常输入输出或复位条件不能满足引起的急停故障。

PLC软件未向系统发送复位信息。检查KA中间继电器；检查PLC程序。

3）松开急停按钮，PLC中规定的系统复位所需要完成的信息未满足要求。如伺服动力电源准备好、主轴驱动准备好等信息。

若使用伺服，伺服动力电源是否未准备好：检查电源模块；检查电源模块接线；检查伺服动力电源空气开关。

4）PLC程序编写错误，检查逻辑电路。

另外，急停回路是为了保证机床的安全运行而设计的，所以整个系统的各个部分出现故障均有可能引起急停，其常见故障现象和排除方法如表8-4所示。

表8-4 急停报警类故障分析与维修(www.xing528.com)

操作类故障分析与维修见表8-5。

表8-5 操作类故障分析与维修

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按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回机床参考点的方法有两种，即栅点法和磁开关法。在栅点法中，检测器随着电机一转信号同时产生一个栅点或一个零位脉冲，在机械本体上安装一个减速挡块及一个减速开关，当减速挡块压下减速开关时，伺服电机减速到接近原点速度运行。当减速挡块离开减速开关时，即释放开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。在磁开关法中，在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关或者接近开关，当磁感应开关或接近开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止运行，该停止点被认作原点。

栅点法的特点是如果接近原点速度小于某一特定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。磁开关法的特点是软件及硬件简单，但原点位置随着伺服电机速度的变化而成比例的漂移，即原点不确定，目前，大多数机床采用栅点法。

栅点法中，按照检测元件的不同分为以绝对脉冲编码器方式归零和以增量脉冲编码器方式归零。在使用绝对脉冲编码器作为测量反馈元器件的系统中，机床调试时第一次开机后，通过参数设置配合机床回零操作调整到合适的参考点后，只要绝对编码器的后备电池有效，此后每次开机，不必进行回参考点操作。在使用增量脉冲编码器的系统中，回参考点有两种方式，一种是开机后在参考点回零模式下直接回零，另一种在存储器模式下，第一次开机手动回原点，以后均可用G代码方式回零。

回参考点的方式一般可以分为如下几种：

1）手动回原点时，回原点轴先以参数设置的快速移动的速度向原点方向移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回零轴减速到系统参数设置较慢的参考点定位速度，继续向前移动，当减速开关被释放后，数控系统开始检测编码器的栅点或零脉冲，当系统检测到第一个栅点或零脉冲后，电机马上停止转动，当前位置即为机床零点

2）回原点轴先以参数设置的快速移动的速度向原点方向移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回零轴减速到系统参数设置较慢的参考点定位速度，轴向相反方向移动，当减速开关被释放后，数控系统开始检测编码器的栅点或零脉冲，当系统检测到第一个栅点或零脉冲后，电机马上停止转动，当前位置即为机床零点。

3）回原点轴先以参数设置的快速移动的速度向原点方向移动，当减速挡块压下原点减速开关时，回零轴减速到系统参数设置较慢的参考点定位速度，轴向相反方向移动，当减速开关被释放后，回零轴再次反向，当减速开关再次被压下后，数控系统开始检测编码器的栅点或零脉冲，当系统检测到第一个栅点或零脉冲后，电机马上停止转动，当前位置即为机床零点。

4）回原点轴接到回零信号后，就在当前位置以一个较慢的速度向固定的方向进行移动，同时数控系统开始检测编码器的栅点或零脉冲，当系统检测到第一个栅点或零脉冲后，电机马上停止转动，当前位置即为机床零点。

使用增量式检测反馈元件的机床，开机第一次各伺服轴手动回原点大多采用挡块式复归，其后各次的原点复归可以用G代码指令，以快速进给速度复归至开机第一次回原点的位置。

使用绝对式检测反馈元件的机床第一次回原点时，首先，数控系统与绝对式检测反馈元件进行数据通信以建立当前的位置，并计算当前的位置到机床原点的距离及当前位置到距离最近栅点的距离，系统将所得数值计算后，赋给计数器，栅点即被确立。

当数控机床回参考点出现故障时，先检查原点减速挡快是否松动，减速开关固定是否牢靠或被损坏。用百分表或激光干涉仪进行测量，确定机械相对位置是否漂移；检查减速挡快的长度，安装的位置是否合理；检查回原点的起始位置，原点位置和减速开关的位置三者之间的关系；确定回原点的模式是否正确；确定回原点所采用的反馈元器件的类型；检查有关回原点的参数设置是否正确；确认系统是全闭环还是半闭环的控制；用示波器检查是否脉冲编码器或光栅尺的零点脉冲出现了问题；检查PLC的回零信号的输入点是否正确。

参考点、编码器类常见故障现象及分析见表8-6所示。

表8-6 参考点、编码器类故障分析与维修

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数控机床在出厂前，已将所用的系统参数进行了调试优化，但有的数控系统还有一部分参数需要到用户那里去调试，如果参数设置不对或者没有调试好，就有可能引起各种各样的故障现象，直接影响到机床的正常工作和性能的充分发挥。在数控维修的过程中，有时也利用参数来调试机床的某些功能，而且有些参数需要根据机床的运动状态来进行调整。有的系统参数很多，如果要维修人员逐步去查找不现实，数控机床的参数一般分为：状态型参数、比率型参数、真实值参数；如果按照机床参数所具有的性质又可以分为普通型参数和秘密级参数。普通型参数是数控厂家在各类公开发行的资料中公开的参数，对参数都有详细的说明及规定，有些允许用户进行更改调试。秘密级参数是数控厂家在各类公开发行的资料中不公开的参数，或者是系统文件中进行隐藏的参数，此类参数只有数控厂家进行更改与调试，用户没有权限去更改。

（1）数控系统参数丢失

1）数控系统的后备电池失效。后备电池的失效将导致全部参数的丢失，机床长时间停用最容易出现后备电池失效的现象，机床长时间停用时应定期为机床通电，使机床空运行一段时间，这样不但有利于后备电池的使用时间延长和及时发现后备电池是否无效，更重要的是可以延长整个数控系统包括机械部分的使用寿命。

2）操作者的误操作使参数丢失或者受到破坏。这种现象在初次接触数控机床的操作者中经常遇到，由于误操作，有的将全部参数进行清除，有的将个别参数更改，有的将系统中处理参数的一些文件不小心进行了删除，从而造成了系统参数的丢失。

3）机床在DNA方式下加工工件或者在进行数据传输时电网突然停电。

（2）参数设定错误引起的部分故障现象

1）系统不能正常启动；

2）机床不能正常运行；

3）机床运行时经常报跟踪误差；

4）机床轴运动方向或回零方向相反；

5）运行程序不正常；

6）螺纹加工不能够进行；

7）系统显示不正常；

8）死机。

参数是整个数控系统中很重要的一部分，如果参数出现了问题可以引起各种各样的问题，所以在维修调试的时候一定要注意检查参数，首先排除是因为参数的设置而引起的故障，再从别的位置查找问题的根源。

数控系统在换刀时，换刀信号已经发出，控制刀架电机的接触器也已经闭合，如果现在刀架电机不运转，有可能是因为刀架电机电源缺相，另一个原因有可能是因为刀架电机正反转信号接反，因为普通经济型车床所使用的刀架是通过刀架电机的正反转来进行选刀，并进行锁紧等动作，一般的工作顺序是刀架首先正转进行选泽刀具，刀具选择到位后，电机再进行反转，把所选择的刀具进行锁紧。整个换刀过程才结束，如果刀架电机电源的相序接反或者是所发出的正反转信号相反，那么数控系统选择刀具时所发出的刀架电机正转信号，刀架电机此时的运动状态恰好是反转锁紧，所以刀架电机就会静止不动，一直处在锁紧状态。此时将刀架电机的电源线任换两相，或者是将PLC的刀架输出信号相互调节一下，故障即可以消除。刀架、刀库及换刀常见故障分析与维修见表8-7所示。

表8-7 刀架、刀库及换刀常见故障分析与维修

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误差故障的现象较多，在各种设备上出现时的表现不一。如数控车床在直径方向出现时大时小的现象较多；在加工中心上垂直轴出现误差的情况较多，常见的是尺寸向下逐渐增大，但也有尺寸向上增大的现象，在水平轴上也经常会有一些较小误差的故障出现，有些经常变化，时好时坏使零件的尺寸难以控制。造成数控机床中误差故障但又无报警的情况，数控机床中的无报警故障大都是一些较难处理的故障。在这些故障中，以机械原因引起的较多，其次是一些综合因素引起的故障，对这些故障的修理一般具有一定的难度，特别是对故障的现象判断尤其重要。在数控机床的修理中，对这方面故障的判断经验只有在实践中进行摸索，不断总结，不断提高。

数控加工类故障分析与维修，见表8-8所示。

表8-8 数控加工类故障分析与维修

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数控机床一般分为三类，即数控车床、数控铣床和加工中心。下面分别说明这三类机床的故障维修实例。