数控机床的维护与故障排除

1.数控机床维修的基本知识

（1）有关可靠性的概念

数控机床的可靠性和稳定性是人们十分关心的问题，为了对可靠性建立完整的概念，不仅要有对可靠性的定性概念，而且还要对可靠性建立定量的概念。下面介绍有关可靠性的基本参数、基本术语、可靠性的尺度等。

①平均无故障工作时间（Mean Time Between Failures，MTBF）。平均无故障工作时间定义为可修复产品的相邻两次故障间的系统能正确工作时间的平均值。它是伺服系统可靠性的主要指标。我国《机床数字控制系统通用技术条件》 规定，数控系统可靠性验证用平均无故障工作时间tMTBF作为衡量指标，具体数值应在产品标准中给出。

②平均修复时间（Mean Time to Repair，MTTR）。平均修复时间定义为可修复调和在规定的条件下和规定时间之内能够完成修复的概率，它反映系统的可修复性，其实质是指修复故障的平均时间tMTTR。

③有效度（或可利用率）A。如果把MTBF 看作系统的能工作时间（有用时间），把MTTR 看作系统的不能工作时间，那么有效度（可利用率）就是能工作时间与总时间之比，即有效度A为

④失效率曲线（或浴盆曲线）。失效率曲线是一条瞬时故障变化曲线。它描述了数控设备瞬时故障随时间变化的关系，如图6-2-1 所示。

图6-2-1　失效率曲线

由大量统计分析资料表明，数控设备的失效率曲线如图6-2-1 所示。该曲线恰似一个浴盆，因此又称为浴盆曲线。从失效的类型来分，该曲线可分为早期失效、稳定期、耗散期失效。早期失效与设计、制造、装配和元器件的质量有关，一般采取措施可消除。稳定期的故障较少，主要有因为操作或维护不良造成的偶发故障。耗散期失效又称为操作或维护不良造成的偶发故障。耗散期又称为磨损期，故障较多，其故障是由于年久失修和磨损而产生的故障，这说明系统的寿命将尽。由失效率曲线可知，数控设备在早期和耗散期可靠性较低。由上可知，数控设备的可靠性指标主要包括两方面，一是平均无故障工作时间tMTBF值；二是有效度A 值和tMTTR值。目前，根据机械加工的特点，一般用途数控系统的可靠性指标至少应达到的要求为：

平均无故障工作时间tMTBF≥300 h；

有效度A≥0.95。

对于特殊要求或用于FMS 和CIMS 的CNC 系统，其可靠性的要求要高得多。

此外，有些国家常采用单位时间内发生故障次数的平均值，即平均故障率，作为可靠性的主要指标。如占世界CNC 系统产量近一半的日本FANUC 公司FANUC 系统，就是采用平均月故障作为可靠性的主要指标。

（2）维修的概念

数控机床是一种高效率、高精度、高价格的自动化设备。要发挥数控机床的高效益，就应保证它的开动率。这不仅对数控机床的各部分提出了很高的稳定性、可靠性要求，而且对数控机床的使用与维修提出了很高要求。数控机床维修概念不能单纯局限于发生故障时，如何排除故障和及时修复，这当然是维修很重要的方面，另一方面还应该包括日常维护。即维修的概念包括两方面；一是日常维修（预防性维护），这可以有效地延长MTBF；二是故障维修，在出现故障后尽快修复，尽量缩短MTTR，提高机床的有效度指标。

（3）对维修工作的基本要求

数控机床属于技术密集和知识密集的设备，数控机床的故障往往不是简单易见的。这对维修人员提出了很高的要求。它不仅要求维修人员具有电子技术、计算机技术、电机技术、自动化技术、检查技术、机械物理和机械加工工艺、液压传动等技术知识，还要求他们具有综合分析和解决问题的能力，能尽快查明故障原因，及时排除故障，提高数控机床的开动率。要做好维修工作，必须首先熟悉数控机床说明书等相关资料，对数控机床的系统、结构布置等有详细的了解，并做好故障维修前期的准备工作。

（4）故障维修前期的准备工作

为了能及时排除故障，应在平时做好维修前的准备工作，主要有技术准备、工具准备和备件准备和建立维护记录档案四个方面。

①技术准备。维修人员在平时要充分了解系统的性能，为此应熟悉有关数控机床的操作说明书和维修说明书，掌握CNC 系统的框图、结构布置、常见故障及处理方法、需经常部分在印制线路板上可供维修的检测点及其正常状态时的电平或波形。维修人员应妥善保存好CNC 系统现场调试完成之后的系统参数文件和PLC （可编程序控制器）的参数文件。这些参数文件是以随机附带的参数表或参数纸带的形式出现的。另外，随机提供的PLC 系统功能测试纸带，与机床的性能和使用有关，需妥善保存。如有可能，维修人员还应备有系统所用的各种元器件手册，以供随时查阅。

②工具准备。作为用户，需准备一些常规的仪器设备、维修工具，如电压表（测量误差在±2%范围内）、万用表、各种规格的旋具、清洁液和润滑油等。如有条件，最好还准备一台带存储功能的双线示波器和逻辑分析仪。这样，在查找故障时，可使故障缩小到某个器件。

③备件准备。为能及时排除由于CNC 系统的部件或元器件损坏使系统发生的故障，应准备一些常用的备件，具体备件应视所用系统的作用情况来定。一般来说，应配备一定数量的各种保险、晶体管模块以及直流电动机用的电刷。至于价格昂贵的印制线路板可以不准确，尤其是不易发生故障的印制线路板，因为长期不用，反而更易损坏。

④建立维护记录档案。数控机床的维护记录档案包括故障发生的时间、现象原因及维护措施等。

（5）故障的概念和分类

数控机床的故障是指数控机床丧失了规定的功能，包括机械系统和控制部分等各方面的故障。一般所说的数控系统故障是统指数控装置、进给伺服系统及主轴伺服系统这三部分的故障。

数控机床的故障按表现形式、故障性质、起因等有多种分类。

①按起因的相关性分为关联性和非关联性故障。所谓非关联性故障，即与系统本身无关，如由于运输、安装等外因造成的故障。而关联性故障又可分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指机床或数控系统部分在一定的条件下必然出现的故障，是一种可重演的故障。随机性故障是指偶然出现的故障，一般随机性故障往往是由于机械故障结构的局部松动错位、系统控制软件不完善、硬件工作特性曲线漂移、机床电气元器件可靠性下降等原因造成的，这类故障在同样条件下只偶然出现一两次，往往需要经过反复实验和综合判断才能排除。

②按有无诊断显示分为有诊断显示和无诊断显示的故障。有诊断显示的故障一般都与控制部分有关，根据报警信号，较容易找到故障原因。而无诊断显示的故障，往往机床停在某一位置不能动，甚至手动操作也失灵，工作循环进行不下去，这类故障无诊断显示，维修人员只能根据出现故障前后的情况来分析判断，所以排除故障的难度大。

③按性质分为破坏性和非破坏性故障。对于因伺服系统失控造成的飞车、短路烧保险等破坏性故障，维修排除时无法复现，只能根据操作者提供的情况进行修理，所以难度较高。非破坏性故障，可以反复试验，重演故障，因此其排除容易。

除上述分类以外，还有多种分类法，如从时间上可分为早期故障、稳定期的偶然故障和耗散期的耗损故障；从使用角度可分为使用故障和本质故障；从严重性而言，可分为灾难性、致命性、严重和轻度四类故障；按过程可分为突发故障和渐变故障，等等。

（6）故障的处理

在数控机床出现故障时，操作人员应采取急停措施，停止系统运行并保护好现场。如果操作人员不能排除故障，除应及时通知维修人员外，还应对故障作尽可能详细的记录，这些记录是分析、查找故障原因的重要依据，记录内容如下。

①故障的种类。系统处于何种工作方式（MDI、EDIT、JOD 等）；系统处于何种工作状态（执行G 或M 功能、自动运转、暂停等）；有无报警；刀具设计及速度是否正常等。

②故障的频率。故障发生的时间及次数；加工同类工件时发生故障的情况；故障发生的特定状况（换刀、切削螺纹等）；出现故障的程序段。

③故障的重复性。在不危害人身安全和设备安全前提下，将引起故障的程序段重复执行，进行多次观察。

④外界状况。环境温度及变化情况；周围是否有强烈振源；输入电压是否有波动，电压值是多少；是否受到切削液、润滑油的浸渍，等等。

⑤有关操作情况。经过什么操作后才发生故障；操作方式是否有错误，等等。(www.xing528.com)

⑥机床情况。机床调整状况；切削是否正常（振动、刀尖损坏等）；间隙补偿量是否恰当，等等。

⑦运转情况。在运转过程中是否改变或调整过运动方式；机床是否处于锁住状态；系统是否处于急停状态；系统保险是否烧断；操作面板上方式开关设定是否正确，等等。

⑧机床和系统间接线情况。电缆是否完整无损；电源线和信号线是否分开走线；继电器、电磁铁等是否装有噪声抑制器，等等。

⑨CNC 装置的外观检查。机框门是否打开，有无切屑进入；机框内风扇电动机是否正常；电缆连接插头是否完全插入、拧紧；印制线路板有无缺损，等等。

总之，需要记录的原始数据材料很多，应将现场原始材料记录在预先准备的记录表上，供维修人员维修时使用。

2.常用维修工具

①电烙铁。电烙铁是最常用的焊接工具，用于芯片时可选30 W 左右的电烙铁。电烙铁使用时，接地线要可靠，防止烙铁漏电出现意外事故或损坏元器件。

②吸锡器。吸锡器是用以将元器件从电路板上分离出来的一种工具。吸锡器有手动和电动两种，手动的吸锡器价格便宜，但在一些场合吸锡效果不好，如拆多层电路板上芯片引脚和电源引脚时，因散热快，难以吸净焊锡。电动吸锡器带电热丝和吸气泵，使用效果较好。

③螺丝刀。常用的螺丝刀有平口和十字口，有时需要专用螺丝刀，如拆下伺服模块需用头部为六角形的螺丝刀。

④钳类工具。常用的是平头钳、尖嘴钳、斜口钳、剥线钳。

⑤扳手。大小活络扳手、各种尺寸的内六角扳手。

⑥化学用品。松香、纯酒精、清洁触点用喷剂、润滑油等。

⑦其他。剪刀、镊子、刷子、吹尘器、清洗盘、连接线等。

这些是最基本的拆装、焊接等工具，一般机床厂会随机配备一小部分基本工具，绝大多数需要使用者自己配置。在使用过程中注意它们的规格型号、使用方法、使用场合、绝缘情况等。

3.数控机床故障维修的难点

数控机床故障维修的难点也是最重要的环节，就是查找故障原因。为了确定故障原因，不仅需要丰富的理论知识和实践经验，而且必须采用一定的方法，在经过充分的调查分析后，才能作出准确的判断和正确处理。

在查找故障时，一般要遵循下述两条原则。

（1）充分调查故障现场

这是维修人员取得第一手材料的一个重要手段，一方面要向操作者调查，详细询问出现故障的全过程，查看故障记录单，了解发生过什么现象，曾采取过什么措施等；另一方面要对现场作细致的勘查，从系统的外观到系统内部各印制线路板都应细心地查看是否有异常之处；在确认系统通电无危险的情况下，通电。观察系统有何异常以及CRT 显示的内容等。

一般来说，机械故障类型可分为以下几种。

①功能型故障。功能型故障主要指工件加工精度方面的故障，表现为加工精度不稳定、加工误差大、正反向误差大、工件表面粗糙度大。

②动作型故障。动作型故障主要指机床各种动作故障，表现为主轴不转动、液压变速不灵活、工件夹不紧、转塔刀架定位精度低等。

③结构型故障。结构型故障主要指主轴发热、主轴箱噪声大、产生切削振动等。

④使用型故障。使用型故障主要指使用及操作不当引起的故障，如过载引起的机床零件损坏、撞车等。

各种机械故障通常可通过细心维护保养、精心调整（如调整配合间隙、供油、气压力、流量、轴承及滚珠丝杠的预紧力）来解决。对于已磨损、损坏或者已失去功能的部件，可通过修复或更换部件来排除故障，但因床身结构刚性差、切削振动大、制造质量差等原因产生的故障很难排除。

（2）认真分析产生故障的起因

当前的CNC 系统，其智能化程度都比较低，系统尚不能自动诊断出故障的确切原因，往往是同一报警信号可以有多种起因，不可能将故障缩小到具体的某一部分。因此，在分析故障的起因时一定要思路开阔。经常有这样一种情况：机床已自诊断出系统的某一部分有故障，但究其原因，却不在控制部分，而在机械部分。所以，无论是控制系统、机床强电，还是机械系统、液压、气路等，只要有可能引起该故障的原因，都要尽可能全面地列出来，进行综合判断和筛选，然后通过必要的试验，达到确诊和最终排除故障的目的。查找故障的方法很多，在此介绍故障检查的一般方法。

①直观法。这是一种最基本的方法。充分利用人的看、听、闻等感官来缩小故障检查范围，往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印制线路板。这要求维修人员具有丰富的实践经验，要有多学科的较宽知识面和综合判断能力。

②自诊断功能法。现代的数控系统已经具备了较强的自诊断功能，能随时监视数控系统硬件和软件的工作状况。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，也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控制部分，并指示出故障的大致部位，这个方法是当前维修时最有效的一种方法。

③功能程序测试法。所谓功能程序测试法，就是将数控系统的常用功能和特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序输入数控系统中，然后启动数控系统使之运行，借以检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能起因。对于长期闲置的数控机床第一次开机时的检查，以及机床加工造成废品但又无报警的情况下，难以确定是编程错误或是操作错误，还是机床故障时，本方法是一种较好的方法。

④换板法。这是一种简单易行的方法，也是现场判断时最常用的方法之一。所谓换板法，就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印制线路板、模块、集成电路芯片或元件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印制线路板或芯片级别。它实际上也是在验证分析的正确性。

在备板交换之前，应仔细检查备板是否完好，并且备板的状态应与原板状态完全一致。这包括检查板上的选择开关、短路棒的设定位置以及电位器的位置。在置换CNC 装置的存储器板时，往往还需要对系统作存储器初始化操作（如日本FANUC 公司的FS-6 系统用的磁泡存储器就需要进行这项工作），设定各种数控数据，否则系统仍将不能正常工作。

⑤转移法。所谓转移法，就是将CNC 系统中具有相同功能的两块印制线路板、模块、集成电路芯片或元器件相互交换，观察故障是否随机转移，从而迅速确定系统的故障部位。这个方法实际上就是换板法的一种。因此，有关注意事项同换板法所述。

⑥参数检查法。系统参数能直接影响数控机床的性能，参数通常是存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM 中，一旦电池不足或由于外界某种干扰因素，会使个别参数丢失、变化，或发生混乱，使机床不能正常工作。此时，通过核对、修正参数就能将故障排除。当机床长期闲置，工作时无缘无故地出现故障或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。

⑦测量比较法。CNC 系统生产厂在设计印制线路板时，为了调整、维修的便利，在印制线路板上设计了多个检查用端子。用户也可以利用这些端子，比较、测量正常的印制线路板和有故障的印制线路板之间的差异。通过检测这些测量端子的电压或波形，分析故障所在位置。甚至，有时还可以对正常的印制线路板人为地制造“故障”，如断开连接或短路，拔去组件等，以判断真实故障的起因。

⑧原理分析法。根据CNC 系统的组成原理，可从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数（如电压值或波形），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪进行测量、分析和比较，从而对故障定位。运用这种方法，要求维修人员必须对整个系统或每个电路的原理有清楚的、较深的了解。

除了上述常用的故障检查测量方法外，还有拔板法、电压拉偏法、开环检测法、敲击法、局部升温法、离线诊断法等多种方法。这些检测方法各有特点，按照不同的故障现象，可以同时选择几种方法灵活应用，对故障进行综合分析，才能逐步缩小故障范围，较快地排除故障。

一旦故障部位找到，暂无可替代的备件时，可以采用移植的办法作为应急措施来解决。例如某一组件坏了（如与非门或触发器等），但损坏的只有组件中的一部分，没有全部用满，此时可将没有使用的富余部分取来作为应急用。具体的做法是，切断已损坏部分的插脚（包括输入和输出脚），然后用机床内信号输入、输出线引至富余的组件插脚上即可，从而可使数控机床尽快地恢复工作。