數控機床常見故障診斷及維修

摘要：數控機床是集機、電、液、氣、光高度一體化的現代技術設備，數控機床維修技術不僅是保障數控機床正常運行的前提，對數控機床的發展和完善也起到了巨大的推動作用。數控機床出現的故障多種多樣，機械磨損、機械銹蝕、機械失效、加工誤差大、工件表面粗糙度大、插件接觸不良、電子元器件老化、電流電壓波動、溫度變化、干擾、滾珠絲杠副有噪聲、軟件丟失或本身有隱患、灰塵、操作失誤等都可導致數控機床出故障。

關鍵詞：數控機床 故障診斷 維修 機械 電子

數控機床是一種集自動控制、計算機、微電子、伺服驅動、精密機械等技術于一身的高技術產物。一旦系統的某些部分出現故障，就勢必使機床停機，影響生產。所以，如何正確維護設備和出現故障時迅速診斷，確定故障部位，及時排除解決，保證正常使用，是保障生產正常進行的必不可少的工作。

1 數控機床故障診斷原則

1.1 先外部后內部

數控機床是集機械、液壓、電氣為一體的機床，故其故障的發生也會由這三者綜合反映出來。維修人員應先由外向內逐一進行排查，盡量避免隨意地啟封、拆卸，否則會擴大故障，使機床大傷元氣，喪失精度，降低性能。

1.2 先靜后動

先在機床斷電的靜止狀態，通過了解、觀察測試、分析確認為非破壞性故障后，方可給機床通電。在運行工況下，進行動態的觀察、檢驗和測試，查找故障。而對破壞性故障，必須先排除危險后，方可通電。

1.3 先簡單后復雜

當出現多種故障互相交織掩蓋，一時無從下手時，應先解決容易的問題，后解決難度較大的問題。往往簡單問題解決后，難度大的問題也可能變得容易。

1.4 先機械后電氣

一般來說，機械故障較易發覺，而數控系統故障的診斷則難度較大些。在故障檢修之前，首先注意排除機械性的故障，往往可達到事半功倍的效果。

2 數控機床常見故障分析

根據數控機床的構成，工作原理和特點，將常見的故障部位及故障現象分析如下。

2.1 數控系統故障

2.1.1 位置環 這是數控系統發出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環節。它具有很高的工作頻度，并與外部設備相聯接，容易發生故障。

常見的故障有：

①位控環報警：可能是測量回路開路；測量系統損壞，位控單元內部損壞。

②不發指令就運動，可能是漂移過高，正反饋，位控單元故障；測量元件損壞。

③測量元件故障，一般表現為無反饋值；機床回不了基準點；高速時漏脈沖產生報警的可能原因是光柵或讀頭臟了；光柵壞了。

2.1.2 電源部分 電源是維持系統正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統的停機或毀壞整個系統。

由于中國電源波動較大，還隱藏有如高頻脈沖這一類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監控或損壞。另外，數控系統部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內，系統斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存貯器都可能造成數據丟失，使系統不能運行。

2.1.3 可編程序控制器邏輯接口 數控系統的邏輯控制，如刀庫管理，液壓啟動等，主要由PLC來實現，要完成這些控制就必須采集各控制點的狀態信息，如斷電器，伺服閥，指示燈等。因而它與外界種類繁多的各種信號源和執行元件相連接，變化頻繁，所以發生故障的可能性就比較多，而且故障類型亦千變萬化。

2.1.4 其他 由于環境條件，如干擾，溫度，濕度超過允許范圍，操作不當，參數設定不當，亦可能造成停機或故障。

2.2 進給伺服系統故障

進給伺服系統的故障報警現象有三種：一是利用軟件診斷程序在CRT上顯示報警信息；二是利用伺服系統上的硬件（如發光二極管、保險絲熔斷等）顯示報警；三是沒有任何報警指示。

2.2.1 軟件報警形式

現代數控系統都具有對進給系統進行監視、報警的能力。在CRT上顯示進給驅動的報警信號大致可分為三類：

①伺服進給系統出錯報警 這類報警的起因，大多是速度控制單元方面的故障引起的，或是主控制印刷線路板內與位置控制或伺服信號有關部分的故障。

②檢測出錯報警 指檢測元件（測速發電機、旋轉變壓器或脈沖編碼器）或檢測信號方面引起的故障。

③過熱報警。

2.2.2 硬件報警形式

硬件報警包括速度單元上的報警指示燈和保險絲熔斷以及各種保護用的開關跳開等報警。報警指示燈的含義隨速度控制單元設計上的差異也有所不同。一般有下述幾種。

①電流報警 此時多為速度控制單元上的功率驅動模塊損壞。檢查方法是在切斷電源的情況下，用萬用表測量模塊集電極和發射極之間的阻值，與正常值相比較，以確認該模塊是否損壞。

②高電壓報警 原因是由于輸入的交流電源電壓超過了額定值的10%，或是電動機絕緣能力下降，或是速度控制單元的印刷線路板接觸不良。

③電壓過低報警 由于輸入電壓低于額定值的85%或是電源連接不良引起的。

④速度反饋斷線報警 多是由伺服電動機的速度或位置反饋線不良或連接器接觸不良引起的。

⑤保護開關動作 此時應首先分清是何種保護開關動作，然后再采取相應的措施解決。如伺服單元上熱繼電器動作，應先檢查熱繼電器的設定是否有誤，然后再檢查機床工作時的切削條件是否太苛刻或機床摩擦力矩是否太大。

⑥過載報警 造成過載報警的原因有機械負載不正常，或是速度控制單元上電動機電流的上限值設定的太低。

2.2.3 無報警顯示的故障

這類故障多以機床處于不正常運動狀態的形式出現，故障的根源在進給驅動系統。

①機床失控 由于伺服電動機內檢測元件的反饋信號接反或元件故障本身造成的。

②機床振動 此時應首先確認振動周期與進給速度是否成比例變化，如果成比例變化，則故障的原因是機床、電動機、檢測器不良，或是系統插補精度差，檢測增益太高；如果不成比例，且大致固定時，則大都是因為與位置控制有關的系統參數設定錯誤，速度控制單元上短路棒設定錯誤或增益電位器調整不好，以及速度控制單元的印刷線路不好。

③機床過沖 數控系統的參數（快速移動時間常數）設定的太小或速度控制單元上的速度環增益設定太低都會引起機床過沖。另外，如果電動機和進給絲杠間的剛性太差，如間隙太大或傳動帶的張力調整不好也會造成此故障。

④機床在快速移動時振動或沖擊 原因是伺服電動機內的測速發電機電刷接觸不良。

2.3 機械故障

所謂機械故障，就是指機械系統（零件、組件、部件、整臺設備和設備組合）因偏離其設計狀態而喪失部分或全部功能的現象。如機床運轉不平穩、軸承噪聲過大、機械手夾持刀柄不穩定等現象都是機械故障的表現形式。

數控機床的機械故障主要包括機械結構、潤滑、冷卻、排屑、液壓、氣動和防護等裝置。常見的主機故障有：因機械安裝、調試和操作使用不當等原因引起的機械傳動故障與導軌運動摩擦過大故障。故障表現為傳動噪聲大、加工精度差、運行阻力大。

3 數控系統常見故障維修實例

3.1 FANUC 0—M數控銑床，主軸或其它軸運動時出現擺動現象

現象：在手輪狀態下移動主軸，移動一段距離（約20mm），主軸出現顫動。

原因：數控系統的參數設置與實際的伺服裝置不相匹配。

解決方法：查閱參數設置說明書與伺服裝置說明書，將其相應的參數設置進行修改使之匹配。此類故障往往是由于數控系統的參數受到干擾引起參數變化而導致的故障。

3.2 FANUC 0—M數控銑床，主軸拉刀時出現報警

故障現象：手動狀態下，主軸拉刀時，有時出現報警。

產生問題的原因及解決方法：報警信息為壓縮空氣壓力不足，經檢查空壓機工作正常，氣壓壓力表指示氣壓符合要求，氣壓管路無破損漏氣現象。而故障為時有時無，經分析引起故障的原因可能是壓力開關設定不良、壓力開關故障、壓力開關接觸不良。經檢查壓力開關及壓力開關設定均正常。于是，打開主軸箱護蓋，觀察主軸拉刀動作，發現主軸在拉刀時，一個檢查主軸拉刀是否到位的行程開關松動，致使主軸拉刀到位信號不能送到數控系統，將該行程開關調整好位置擰緊，問題得以解決。

3.3 FANUC 0—M數控銑床，加工過程中，出現Z軸過載報警

故障現象：機床在加工的過程中，機床的Z軸出現過載，剛開始出現故障的時候，頻率不頻繁，關機后重新開機，該故障可以自動消失，隨加工時間的增長，出現該故障的頻率越來越高，且關機后重新開機，系統在進行自檢的時候就出現報警，以至于自檢通不過，機床開不了機。

故障原因：產生過載的原因一是伺服電機發熱，熱保護開關（雙金屬片構成）動作，二是伺服系統瞬時電流過大，引起過電流保護。

解決方法：通過故障的現象，由于開機時就產生報警，懷疑是伺服電機內部的熱保護開關損壞，雙金屬片不能閉合（正常情況下，該金屬片是閉合的），打開產生故障的伺服電機的保護蓋，找出熱保護開關的兩個接線點，測量這兩個接線點，發現是閉合的，說明熱保護開關是正常的。斷開過流保護，重新開機，該故障現象仍然存在。最后懷疑，有可能是熱保護開關到CNC系統的線路接觸不良造成的，但仔細測量Z軸電機到系統板之間的電纜連線，發現電纜也沒有問題。懷疑是編碼器出現故障，采用交換法，將Z軸的編碼信號與X軸或Y軸對調，結果該故障又出現在被調換的軸上，從而確認是Z軸編碼器出現故障，更換Z軸編碼器，問題得到解決。

3.4 華中I型數控車床

故障現象：零件加工尺寸不穩定或不準確。

分析故障原因：

①滾珠絲杠軸承或鋼球有損壞。

②電機與絲杠連接同步齒形帶磨損后，使傳動鏈松動。

③反向間隙變化或設置不適當。

④滾珠絲杠的預緊力不適當。

故障排除方法：直觀看齒形帶傳動狀況穩定，于是重新測量反向間隙，經測量反向間隙與設置補償量差距過大，重新進行設置補償，故障排除。

3.5 華中I型數控車床

故障現象：數控車床回轉刀架故障。

①NC系統有輸出換刀信號，但刀架不轉動。

分析故障原因：機械卡死或刀架電機無信號輸入。

故障排除方法：機械卡死應拆開重新清洗修配后，加以潤滑處理后裝好。無信號輸入則測試電路斷路源，檢查繼電器是否損壞或連接電纜斷路。

②刀架連續運轉到位不停。

分析故障原因：霍爾元件開路或短路，控制電路中刀架反轉繼電器無法接通。

故障排除方法：打開刀架，檢查霍爾元件是否損壞，損壞則予以更換。測試反轉繼電器損壞，予以更換。

③刀架越位過沖或轉不到位。

分析故障原因：霍爾元件位置不當。

故障排除方法：調整霍爾元件與磁鋼的相對位置，一般霍爾元件位置超前磁鋼約1/3。

4 結語

數控機床故障的產生是多種多樣的。維修時需要根據現象分析、排除，最后達到維修的目的。切勿盲目的亂動，否則可能會導致故障更加的嚴重。在面對數控機床故障和維修問題時，要防患于未燃，不能在數控機床出現問題后才去解決問題。

參考文獻：

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