数控设备常见故障分析及维修方法

摘要:近年来，随着国民经济和科学技术的不断发展，我国各机械制造行业纷纷采用数控设备。它们在加工现场发挥出了强大的技术优势。在高效率的自动化生产中，如果数控设备出现了故障，轻则影响设备的利用率，重则影响企业的兴衰。所以，加强数控设备使用管理，降低数控机床故障发生率已是一个必须要解决的重要问题。 

一、数控系统的构成与特点 
　 
控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。 
　　
数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。 
　　 
二、数控系统的常见故障分析 
　　 
根据数控系统的构成，工作原理和特点，我们将常见的故障部位及故障现象分析如下： 
　　
位置环。这是数控系统发出控制指令，并与位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节。它具有很高的工作频度，并与外设相联接，所以容易发生故障。 
　　
常见的故障有：

①位控环报警：可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏。
②不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件损坏。
③测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报警可能的原因是光栅或读头脏了；光栅坏了。 
　　
伺服驱动系统。伺服驱动系统与电源电网，机械系统等相关联，而且在工作中一直处于频繁的启动和运行状态，因而这也是故障较多的部分。 
　　
其主要故障有：

①系统损坏。一般由于网络电压波动太大，或电压冲击造成。我国大部分地区电网质量不好，会给机床带来电压超限，尤其是瞬间超限，如无专门的电压监控仪，则很难测到，在查找故障原因时，要加以注意，还有一些是由于特殊原因造成的损坏。如华北某厂由于雷击中工厂变电站并窜入电网而造成多台机床伺服系统损坏。

②无控制指令，而电机高速运转。这种故障的原因是速度环开环或正反馈。如在东北某厂，引进的西德WOTAN公司转子铣床在调试中，机床X轴在无指令的情况下，高速运转，经分析我们认为是正反馈造成的。

因为系统零点漂移，在正反馈情况下，就会迅速累加使电机在高速下运转，而我们按标签检查线路后完全正确，机床厂技术人员认为不可能接错，在充分分析与检测后我们将反馈线反接，结果机床运转正常。机床厂技术人员不得不承认德方工作失误。

还有一例子，我们在天津某厂培训讲学时，应厂方要求对他们厂一台自进厂后一直无法正常工作的精密磨床进行维修，其故障是：机床一启动电机就运转，而且越来越快，直至最高转速。我们分析认为是由于速度环开路，系统漂移无法抑制造成。经检查其原因是速度反馈线接到了地线上造成。

③加工时工件表面达不到要求，走圆弧插补轴换向时出现凸台，或电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服系统调整不当，各轴增益系统不相等或与电机匹配不合适引起，解决办法是进行最佳化调节。

④保险烧断，或电机过热，以至烧坏，这类故障一般是机械负载过大或卡死。 
　　
电源部分。电源是维持系统正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。一般在欧美国家，这类问题比较少，在设计上这方面的因素考虑的不多，但在中国由于电源波动较大，质量差，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，加上人为的因素（如突然拉闸断电等）。这些原因可造成电源故障监控或损坏。

另外，数控系统部分运行数据，设定数据以及加工程序等一般存贮在RAM存贮器内，系统断电后，靠电源的后备蓄电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或存贮器都可能造成数据丢失，使系统不能运行。 可编程序控制器逻辑接口。数控系统的逻辑控制，如刀库管理，液压启动等，主要由PLC来实现，要完成这些控制就必须采集各控制点的状态信息，如断电器，伺服阀，指示灯等。因而它与外界种类繁多的各种信号源和执行元件相连接，变化频繁，所以发生故障的可能性就比较多，而且故障类型亦千变万化。 

其他。由于环境条件，如干扰，温度，湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可能造成停机或故障。有一工厂的数控设备，开机后不久便失去数控准备好信号，系统无法工作，经检查发现机体温度很高，原因是通气过滤网已堵死，引起温度传感器动作，更换滤网后，系统正常工作。不按操作规程拔插线路板，或无静电防护措施等，都可能造成停机故障甚至毁坏系统。 
　　
一般在数控系统的设计、使用和维修中，必须考虑对经常出现故障的部位给予报警，报警电路工作后，一方面在屏幕或操作面板上给出报警信息，另一方面发出保护性中断指令，使系统停止工作，以便查清故障和进行维修。 

三、故障排除方法 
　　 
初始化复位法一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存贮区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。 
　　
参数更改，程序更正法系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。例如，在哈尔滨某厂转子铣床上采用了测量循环系统，这一功能要求有一个背景存贮器，调试时发现这一功能无法实现。检查发现确定背景存贮器存在的数据位没有设定，经设定后该功能正常。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。 
　　
调节，最佳化调整法调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。如某军工厂维修中，其系统显示器画面混乱，经调节后正常。在山东某厂，其主轴在启动和制动时发生皮带打滑，原因是其主轴负载转矩大，而驱动装置的斜升时间设定过小，经调节后正常。 
　　
最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。

在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。 备件替换法用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。 
　　
改善电源质量法目前一般采用稳压电源，来改善电源波动。对于高频干扰可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。 
　　
维修信息跟踪法一些大的制造公司根据实际工作中由于设计缺陷造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员。以此做为故障排除的依据，可正确彻底地排除故障。 

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