数控机床故障诊断与维修.docx
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数控机床故障诊断与维修
数控机床故障
诊断与维修
厦门兴才学院孙长久林柳旺黄苏编著2010年1月
第一章数控机床的组成
第一节程序编制及程序载体
数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。
在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置；刀具与零件相对运动的尺寸参数；零件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。
得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用由文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。
编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（APT）或CAD/CAM设计。
编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带和磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。
第二节数控机床的基本结构
一、输入装置
输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。
根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。
数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。
零件加工程序输入过程有两种不同的方式：
一种是边读入边加工（数控系统内存较小时），另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从內部存储器中逐段逐段调出进行加工。
二、数控装置
数控装置是数控机床的核心。
数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。
零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。
但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求，因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动的各执行元件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。
三、驱动装置和位置检测装置
驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。
因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。
驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。
目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。
位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。
四、辅助控制装置
辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。
这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。
由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。
五、机床本体
数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。
但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都已发生了很大的变化。
这种变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。
第二章数控系统维修常用工具和仪器
第一节常用的数控机床维修工具
一、拆卸及装配工具
1、单头钩形扳手：
分为固定式和调节式，可用于扳动在圆周方向上开有直槽或孔的圆螺母。
2、端面带槽或孔的圆螺母扳手：
可分为套筒式扳手和双销叉形扳手。
3、弹性挡圈装拆用钳子：
分为轴用弹性挡圈装拆用钳子和孔用弹性挡圈装拆用钳子。
4、弹性手锤：
可分为木锤和铜锤。
5、拉带锥度平键工具：
可分为冲击式拉锥度平键工具和抵拉式拉锥度平键工具。
6、拉带内螺纹的小轴、圆锥销工具（俗称拨销器）。
7、拉卸工具：
拆装在轴上的滚动轴承、皮带轮式联轴器等零件时，常用拉卸工具，拉卸工具常分为螺杆式及液压式两类，螺杆式拉卸工具分两爪、三爪和铰链式。
8、拉开口销扳手和销子冲头。
二、常用的机械维修工具
1、尺：
分为平尺、刀口尺和90°角尺。
2、垫铁：
面为90°的垫铁、角度面为55°的垫铁和水平仪垫铁。
3、检验棒：
有带标准锥柄检验棒、圆柱检验棒和专用检验棒。
4、杠杆千分尺：
当零件的几何形状精度要求较高时，使用杠杆千分尺可满足其测量要求，其测量精度可达0．001mm。
5、万能角度尺：
用来测量工件内外角度的量具，按其游标读数值可分为2′和5′两种，按其尺身的形状可分为圆形和扇形两种。
第二节常用的数控机床维修仪表
一、百分表
百分表用于测量零件相互之间的平行度、轴线与导轨的平行度、导轨的直线度、工作台台面平面度以及主轴的端面圆跳动、径向圆跳动和轴向窜动。
二、杠杆百分表
杠杆百分表用于受空间限制的工件，如内孔跳动、键槽等。
使用时应注意使测量运动方向与测头中心成垂直，以免产生测量误差。
三、千分表及杠杆千分表
千分表及杠杆千分表的工作原理与百分表和杠杆百分表一样，只是分度值不同，常用于精密机床的修理。
四、比较仪
比较仪可分为扭簧比较仪与杠杆齿轮比较仪。
扭簧比较仪特别适用于精度要求较高的跳动量的测量。
五、水平仪
水平仪是机床制造和修理中最常用的测量仪器之一，用来测量导轨在垂直面内的直线度、工作台台面的平面度以及零件相互之间的垂直度、平行度等，水平仪按其工作原理可分为水准式水平仪和电子水平仪。
水准式水平仪有条式水平仪、框式水平仪和合像水平仪3种结构形式。
六、光学平直仪
在机械维修中，常用来检查床身导轨在水平面内和垂直面内的直线度、检验用平板的平面度，光学平直仪是当前导轨直线度测量方法中较先进的仪器之一。
七、经纬仪
经纬仪是机床精度检查和维修中常用的高精度的仪器之一，常用于数控铣床和加工中心的水平转台和万能转台的分度精度的精确测量，通常与平行光管组成光学系统来使用。
八、转速表
转速表常用于测量伺服电动机的转速，是检查伺服调速系统的重要依据之一，常用的转速表有离心式转速表和数字式转速表等。
第三节常用的数控机床维修仪器
在数控机床的故障检测过程中，借助一些必要的仪器是必要的，仪器能从定量分析角度直接反映故障点状况，起到决定作用。
一、测振仪器
测振仪是振动检测中最常用、最基本的仪器，它将测振传感器输出的微弱信号放大、变换、积分、检波后，在仪器仪表或显示屏上直接显示被测设备的振动值大小。
为了适应现场测试的要求，测振仪一般都做成便携式与笔式测振仪，测振仪外形如图1-18所示。
测振仪用来测量数控机床主轴的运行情况、电动机的运行情况，甚至整机的运行情况，可根据所需测定的参数、振动频率和动态范围，传感器的安装条件，机床的轴承型式（滚动轴承或滑动轴承）等因素，分别选用不同类型的传感器。
常用的传感器有涡流式位移传感器、磁电式速度传感器和压电加速度传感器。
也是有效的，这些专用的
目前常用的测振仪有美国本特利公司的TK-81、德国申克公司的VIBROMETER-20、日本RI-0N公司的VM-63以及一些国产的仪器。
测振判断的标准，一般情况下在现场最便于使用的是绝对判断标准，它是针对各种典型对象制定的，例如国际通用标准ISO2372和ISO3945。
相对判断标准适用于同台设备。
当振动值的变化达到4dB时，即可认为设备状态已经发生变化。
所以，对于低频振动，通常实测值达到原始值的1.5～2倍时为注意区，约4倍时为异常区；对于高频振动，将原始值的3倍定为注意区，约6倍时为异常区。
实践表明，评价机器状态比较准确可靠的办法是用相对标准。
二、红外测温仪
红外测温是利用红外辐射原理，将对物体表面温度的测量转换成对其辐射功率的测量，采用红外探测器和相应的光学系统接收被测物不可见的红外辐射能量，并将其变成便于检测的其他能量形式予以显示和记录，红外测温仪外形如图1-19所示。
按红外辐射的不同响应形式，分为光电探测器和热敏探测器两类。
红外测温仪用于检测数控机床容易发热的部件，如功率模块、导线接点、主轴轴承等。
主要制造厂商有中国昆明物理研究所的HcW系列，中国西北光学仪器厂的HCW-1、HCW-2，深圳江洋光公司的IR系列，美国LAND公司的CYCLOPS、SOLD型。
利用红外原理测温的仪器还有红外热电视、光机扫描热像仪以及焦平面热像仪等。
红外诊断的判定主要有温度判断法、同类比较法、档案分析法、相对温差法以及热像异常法。
三、激光干涉仪
激光干涉仪可对机床、三测机及各种定位装置进行高精度的（位置和几何）精度校正，可完成各项参数的测量，如线形位置精度、重复定位精度、角度、直线度、垂直度、平行度及平面度等。
其次，它还具有一些选择功能，如自动螺距误差补偿（适用大多数控系统）、机床动态特性测量与评估、回转坐标分度精度标定、触发脉冲输入输出功能等。
第三章数控系统的故障诊断方法
第一节故障诊断与维修界定
要保持数控机床的完好率，就要求对数控机床的可靠性、可维修性和可用性提出更高的标准，衡量可靠性的主要指标是平均故障间隙时间MTBF（MeanTimeBetweenFailure），MTBF就是数控机床在使用过程中发生了N次故障，每次故障修复后又投入使用。
测其每次故障前工作持续时间为T1、T2……TN，其平均故障间隙时间MTBF=T/N。
（T为T1、T2、TN之和）。
可维修性的衡量指标是平均修复时间（MTTR），MTTR是规定的条件虾和规定的时间内，机床在任一规定的维修级别上，修复性维修时间与在该级别上被修复产品的故障总数之比。
简单地说就是排除故障所需实际直接维修时间的平均值，MTBF=TI/N。
（TI为第I次修复时间，N修复次数），可用性是在要求的外部资源得到保证的前提下机床在规定的条件下和规定的时刻或时间区间内处于可执行规定的功能状态的能力。
它是产品可靠性、维修性和维修保障的综合反映，可靠性是从延长其正常工作时间来提高产品可用性，而维修性是从缩短因维修的停机时间来提高可用性。
近几年国产数控系统MTBF大都超过10000H。
但国际上先进企业数控系统MTBF已达80000H，虽然我国机床工业取得了较大进步，每年的产量达到了千台以上，但我国的机床大部分水平较低且又缺门。
一些用户对数控机床的故障还不能及时作出正确的判断和准确的排除故障，生产厂家的售后服务又不能及时的到现场服务。
目前，国内各行业中的数控系统开动率平均仅达到25%左右。
第二节故障的类型与特点分析
一、NC系统故障
NC系统故障会引起硬件故障和软故障。
二、伺服系统的故障
由于数控系统的控制核心是对机床的进给部分尽心数字控制，而进给是由伺服单元控制伺服电机，带动滚珠丝杠来实现的，由旋转编码器做位置反馈元件，形成位置控制系统。
伺服系统故障一般是由伺服控制单元、伺服电机、测速电机、编码器等问题引起的。
三、外部故障
由于现代的数控系统可靠性越来越高，故障率越来越低，很少发生故障。
大部分故障都是非系统故障，是由外部原因引起的。
数控机床故障的特点：
数控机床一般由数控系统，包含伺服电动机和检测反馈装置的伺服系统，强电控制柜，机床本体和各类辅助装置组成。
数控机床的复杂性使其故障具有复杂性和特殊性，引起数控机床故障的因素又很多，不能只看故障的表像，要透过现象去检查引起故障的综合因素，找到引起故障的根源，采取合理的方法给予排除。
第三节故障的诊断
一、搞清故障现象
当数控设备出现故障时，首先要搞清故障现象，向操作人员了解第一次出现故障时的情况，在可能的情况下观察故障发生的过程，观察故障是在什么情况下发生的，怎么发生的，引起怎样的后果。
只有了解到第一手情况，才有利于故障的排除，把故障过程搞清了，问题就解决一半了。
搞清了故障现象，然后根据机床和数控系统的工作原理，就可以很快地确诊问题所在并将故障排除，使设备恢复正常使用。
现在数控系统的自诊断能力越来越强，设备的大部分故障数控系统都能够诊断出来，并采取相应的措施，如停机等，一般都能产生报警显示。
当数控设备出现故障时，有时在显示器上显示报警信息，有时在数控装置上、PLC装置上和驱动装置上还会有报警指示。
这时要根据手册对这些报警信息进行分析，有些根据报警信息就可直接确认故障原因，只要搞清报警信息的内容，就可排除数控设备出现的故障。
另一些故障的报警信息并不能反映故障的根本原因，而是反映故障的结果或者由此引起的其它问题，这时要经过仔细的分析和检查才能确定故障原因。
二、要利用数控系统的PLC状态显示功能
许多数控系统都有PLC状态显示功能，如西门子3系统PC菜单下的PCSTATUS，西门子810系统DIAGNOSIS菜单下的PLCSTATUS功能，以及发那科0T系统DGNOSPARAM功能的PMC状态显示功能等，利用这些功能可显示PLC的输入、输出、定时器、计数器等的即时状态和内容。
根据机床的工作原理和机床厂家提供的电气原理图，通过监视相应的状态，就可确诊一些故障。
三、要利用机床厂家提供的PLC梯形图
数控设备出现的大部分故障都是通过PLC装置检查出来的，PLC检测故障的机理就是通过运行机床厂家为特定机床编制的PLC梯形图（即程序），根据各种输入、输出状态进行逻辑判断，如果发现问题，产生报警并在显示器上产生报警信息。
所以对一些PLC产生报警的故障，或一些没有报警的故障，可以通过分析PLC的梯形图对故障进行诊断，利用NC系统的梯图显示功能或者机外编程器在线跟踪梯形图的运行，可提高诊断故障的速度和准确性。
以上方法对机床侧故障的检测是非常有效的，因为这些故障无非是检测开关、继电器、电磁阀的损坏或者机械执行结构出现问题，这些问题基本都可以根据PLC程序，通过检测其相应的状态来确认故障点。
而遇到一些系统故障时，有时情况比较复杂，采用以下的方法及检测原则可快速确认故障点。
对于一些涉及到控制系统的故障，有时不容易确认哪一部分有问题，在确保没有进一步损坏的情况下，用备用控制板代换被怀疑有问题的控制板，是准确定位故障点的有效办法，有时与其它机床上同类型控制系统的控制板互换会更快速诊断故障（这时要保证不会把好的板子损坏）。
检查故障要本着先外围后内部、先机械后电气、先简单后复杂、先静后动、先公用后专用、先查软件后查硬件的原则。
对于数控设备出现较复杂的故障，特别是涉及到控制系统时，应用这些原则可简化故障的诊断过程，避免走弯路。
第四章数控系统的故障诊断与维修
第一节数控系统的硬件故障诊断
一、控制器的故障诊断
STATUS
ALARM
含义
处理方法
0000
---
电源未接通。
1111
---
电源接通撕的初始化状态（CPU尚未运行）。
1011
---
等待子CPU的回答（ID设定）。
0011
---
检测子CPU的回答（ID设定完成）。
1101
---
FANUC总线初始化。
0101
---
PMC初始化完成。
1001
---
全部CPU配置完成。
1110
---
PMC完成初始化运行。
0110
---
等待数字伺服初始化。
1000
---
CNC完成全部初始化，进入运行状态。
0100
110
RAM奇偶校验出错（主板、伺服驱动器或附加CPU板）。
0100
011
伺服驱动器监控报警（WATCHDOG）。
0100
010
CNC存在报警。
1111
010
CNC未运行。
1111
011
1111
110
1111
111
1100
000
基本SRAM出错。
二、伺服驱动器的故障诊断
数码管显示
含义
处理方式
备注
-
速度控制单元未准备好。
0
速度控制单元准备好。
1
风机单元报警。
2
速度控制单元+5V欠电压报警。
5
直流母线欠电压报警。
主回路断路器跳闸。
8
L轴电动机过电流。
一轴或二、三轴单元的第一轴。
9
M轴电动机过电流。
二、三轴单元的第二轴。
A
N轴电动机过电流。
二、三轴单元的第三轴。
b
L/M轴电动机同时过电流。
C
M/N轴电动机同时过电流。
d
L/N轴电动机同时过电流。
E
L/M/N轴电动机同时过电流。
8.
L轴的IPM模块过热、过流、控制电压低。
一轴或二、三轴单元的第一轴。
9.
M轴的IPM模块过热、过流、控制电压低。
二、三轴单元的第二轴。
A.
N轴的IPM模块过热、过流、控制电压低。
二、三轴单元的第三轴。
b.
L/M轴的IPM模块同时过热、过流、控制电压低。
C.
M/N轴的IPM模块同时过热、过流、控制电压低。
d.
L/N轴的IPM模块同时过热、过流、控制电压低。
E.
L/M/N轴的IPM模块同时过热、过流、控制电压低。
三、主轴驱动器的故障诊断
PIL
ALM
ERR
号码
内容
故障位置·处理
0
0
0
--
控制电源未输入。
0
-
-
--
控制电源已输入。
1
1
0
A0
A
程序不能正常启动。
SPM控制PCB上的ROM系统错误，或者硬件异常。
1更换SPM控制印刷板上的ROM；
2更换SPM控制印刷板。
1
1
0
A1
在SPM控制回路CPU的外围电路上检查出了异常。
更换SPM控制印刷板。
1
1
0
01
线圈内的温度控制器动作了。
电动机内部超过了规定温度。
连续在额定值以上使用或者是冷却异常。
1确认周围温度和负载状况；
2当风扇停止时，更换风扇。
1
1
0
02
电动机的速度不能跟从指令速度，电动机负载转矩过大。
参数4082中的加速度时间不足。
1确认切削条件后减少负载；
2修改参数4082。
1
1
0
03
PSM准备好（显示“00”）时，SPM中DC回路电源不足。
SPM内部的DC回路熔丝断了。
（电源不良或电动机短路）JX1A/JX1B连接电缆异常。
1更换SPM单元；
2检查电动机绝缘状态；
3更换接口电缆。
1
1
0
04
检查出PSM电源缺相。
（PSM显示5报警）。
检查PSM输入电源状态。
1
1
0
07
电动机速度超过了额定转速115%。
主轴在位置控制方式时，位置偏差量积存超过极限值（主轴同步时SER、SRV为OFF等）。
确认顺序上是否错（主轴不能在旋转状态指令主轴同步等）。
1
1
0
09
功率晶体管冷却用散热器的温度异常升高。
1改善散热器的冷却状况；
2当散热器冷却风扇停止时要换SPM单元。
1
1
0
11
检查出PSMDC回路过电压。
（PSM报警显示7）PSM选型错误（超过了PSM的最大输出规格）。
1确认PSM的选定；
2确认输入电源电压和电动机减速时的电源变动。
当超过了（200V系）AC253V（400系）AC530V时，改善电源阻抗。
1
1
0
12
电动机输出电流过大，电动机固有参数与电动机型号不同，电动机绝缘不良。
1检查电动机绝缘状态；
2确认主轴参数；
3更换SPM单元。
1
1
0
15
主轴切换输出切换时的切换顺序异常。
切换用的MC的接点状态确认信号和指令不一致。
1确认、修改梯形图顺序；
2更换用于切换的MC。
1
1
0
16
检测出SPM控制回路部件异常。
（外部数据RAM异常）。
更换SPM控制印刷板。
1
1
0
18
检测出SPM控制回路部件异常。
（程序ROM数据异常）。
更换SPM控制印刷板。
1
1
0
19
检测出SPM部件异常。
（U相电流检测回路初始值异常）。
更换SPM单元。
1
1
0
20
检测出SPM部件异常。
（V相电流检测回路初始值异常）。
更换SPM单元。
1
1
0
24
检测出CNC电源OFF（通常为OFF或电缆断线），检测出与CNC通信数据异常。
1使CNC和主轴间电缆原离动力线；
2更换电缆。
1
1
0
26
Cs轮廓控制用电动机检测信号（插头JY5）的信号振幅异常（电缆没连接，调整不良等）。
1更换电缆；
2再调整前置放大器。
1
1
0
27
1主轴位置编码器（插头JY5）的信号异常；
2MZ、BZ传感器的信号振幅（插头JY2）异常（电缆没连接，参数设定等）。
1更换电缆；
2再调整BZ传感器信号。
1
1
0
28
Cs轮廓控制用位置检测信号（插头JY5）异常。
（电缆未接，调整不良）。
1更换电缆；
2再调整前置放大器。
1
1
0
29
在一段连接时间内，有过大负载（在励磁状态下电动机抱轴时也发生）。
确认和修改负载状态。
1
1
0
30
在PSM主回路上检测出过电流（PSM报警显示1）。
电源不平衡。
PSM选型错（超出PSM最大输出规格）。
确认和修改电源电压。
1
1
0
31
不能按电动机指令速度旋转。
（旋转指令，一直在SST电平以下）速度检测信号异常。
1确认和修改负载状态；
2更换电动机传感器的电缆（JY2或JY5）。
1
1
0
32
检测出SPM控制电路的部件异常（串行传送LST异常）。
更换SPM控制印刷板。
1
1
0
33
放大器内部的电磁接触器ON时，电源回路的直流电源电压没有充分地充电（缺相、充电电阻不良等）。
1确认和修改电源电压；
2更换SPM单元。
1
1
0
34
设定了超过允许值的参数。
参照参数说明书进行修改，不知道号码时，连接主轴检查板，确认显示参数。
1
1
0
35
设定了超过允许值的齿轮比数据。
参照参数说明书，修改参数。
1
1
0
36
错误计数器溢出了。
确认位置增益的值是否过大，并修正。
1
1
0
37
速度检测器的脉冲数的参数设定不正确。
参照参数说明书，修改参数。
1
1
0
39
Cs轮廓控制时，检测出一转信号和AB相脉冲数的关系不正确。
1调整前置放大器的一转信号；
2确定电缆的屏蔽状态；
3更换电缆。
1
1
0
40
Cs轮廓控制时，不发生一转信号。
1调整前置放大器的一转信号；
2确定电缆的屏蔽状态；
3更换电缆。
1
1
0
41
1主轴位置编码器（插头JY4）的一转信号异常；
2MZ、BZ传感器一转信号（连接器JY2）异常；
3参数设定错。
1确认和修改参数；
2更换电缆；
3再调整BZ传感器的信号。
1
1
0
42
1主轴位置编码器（插头JY4）的一转信号断线；
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