数控机床故障分析与维修

1、第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.1 CNC系统的特点系统的特点2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障2.3 CNC系统的自诊断系统的自诊断2.4 伺服系统的自诊断伺服系统的自诊断第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.1 CNC系统的特点系统的特点 由图0.1.6数控机床工作原理示意图可见，CNC装置是数控系统的核心。CNC数控是由软件(存储的程序)来实现数字控制的。数控系统的特殊性(见0.1.4节)主要由它的核心装置CNC装置来体现的。而CNC装置结构包括了软件结构与硬件结构(见图0.1.4与图0.1.5)。图2.1.1

2、更清楚地给出了作为数控系统核心CNC装置的一般结构情况。(其中，纸带阅读器往往被磁盘驱动器与计算机通讯接口所替代)在硬件结构中，值得关注的是数量多而种类又复杂的I/O接口。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 管理软件控制软件软件结构数据运算器控制器CPU及其总线RAMEPROM存储器逻辑程序逻辑运算PLC装置硬件结构I接口O接口I / O接口电路MDI / CRT接口位置控制器纸带阅读机CNC装置的结构图2.1.1 一般CNC装置的结构 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 在数控系统的数字电路中传递的数字信号：无论是工作指令信号、反馈信号，还是控制指令信号，大多是数字信号，也

3、就是电脉冲信号。从图2.1.2上CNC装置输入与输出可以看出这一特点。实际上，在具有大规模数字电路的CNC装置中，信号输入与输出接口装置上，及其信号连接与传递途经中(注意：在技术资料中，电气图中的连线与节点，也是信号节点与信号电缆)，传送的多是电脉冲信号。这种信号极易受电网或电磁场感应脉冲的干扰。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 伺服控制器强电控制负反馈(电脉冲)输出各种工作指令与控制信号CNC装置点亮各种指示灯报警显示输入电脉冲(来自光电阅读机、录音机、软盘驱动器)图2.1.2 CNC装置的输入与输出信号 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 综上所述，CNC装置有哪几个重

4、要特点呢？/ 在学习中，请注意不断培养识图与总结能力。/ CNC装置的重要特点 软件数控。 具有软件结构与硬件结构。 工作与传递的信号为电脉冲。 具有自诊断功能。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障 2.2.1 内因与外因内因与外因前面已经介绍了数控机床按发生性质的故障分类方法，如图0.2.1所示。如果以CNC系统为研究对象，可按故障成因进行分类(即按CNC系统内因与外因分类方法)，如图2.2.1所示。(图中的“关联”是指与系统本身有关。)第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 非关联性故障(外因 造成)运输、安装、调试不当工作地环境不良

5、非器件本身断线、虚焊、异物短路、接触不良等的硬性故障电网电压不稳 / 突然停电 / 干扰突发性的欠压 / 过压 / 过流 / 热损耗等固有性、重演性故障在一定条件下必然发生的易找出规律来排除随机性、偶发性的故障需反复试验才能找出难找关联性故障(内因造成)按内/外成因的故障分类图2.2.1 故障按数控系统内因与外因分类 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 显然，操作员与维修员的工作失误，必然引发故障。“人为”因素，除了损坏性动作外，一般造成的故障是“软性故障”。所以，如果我们把人与机器视为“统一体”，那么把他们的失误造成故障的成因也可看作是数控系统的内因。“电磁干扰”，表面上是外因，但是

6、外因是通过内因而起作用的。所以，分析时需要寻找数控系统的防干扰措施不完备而“未御敌于门外”的原因。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障在图0.2.1中，已将数控机床故障按发生性质分类分成主机故障与电气故障。主机故障主要是发生于机床本体部分(机床侧)的机械故障。电气故障分成强电故障与弱电故障。强电故障，主要是指发生于机床侧的电器器件及其组成电路故障。弱电故障是数控机床故障诊断的主要难点，存在于CNC装置系统(CNC侧)，可以分成硬件故障与软件故障。可以用图2.2.2来说明数控机床的故障类型与发生部位。这里给出的“部位”，就是在诊断时要进行“

7、故障大定位”的部位。例如，机床侧、CNC侧或CNC装置等。第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 主机故障以发生于机床侧的机械故障为主强电故障 以发生于机床侧的电器器件及其组成电路中的故障为主弱电故障 多数是低压电器与需日常维护保养的器件故障硬件故障 发生于CNC侧的电子元器件 /检测元件 / 线路板 / 接线 / 接插件等故障软件故障 发生于CNC装置软件结构中的系统管理或控制程序、加工程序、参数等故障电气故障数控机床故障图2.2.2 数控机床的故障类型及其发生部位 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 数控机床的主要故障类型是电气故障，主要是系统内因所致。据统计： 约30的故障来

8、自于机床低压电器。 占有较高故障率的故障来自于：检测元件及其电路、复杂的I/O电路、印刷电路板及其元器件。约占5的“不明故障”是起因于被干扰的数字信号(或存储的数据与参数)。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 约10的故障起因于监控程序、管理程序以及微程序等造成的软件故障。新程序或机床调试阶段，操作工失误造成不少“软性”故障。 / 在实际应用中，经常将涉及操作失误、电磁干扰造成数据或参数混乱，归于“软性”故障。所以，以后分析中也常将故障分成“硬性故障”和“软性故障”。实际工作中，硬性故障泛指所有的低压电器、电子元器件及其连接与线路故障。/ 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术

9、2.2.3 CNC系统软件故障现象及其成因系统软件故障现象及其成因CNC系统的常见软件故障现象及其成因，由表2.2.1可提供参考。该表格分析归纳了常见软件故障现象及其成因。由表可见： 一种故障现象可以有不同的成因。(例如键盘故障，参数设置与开关都存在问题可能。) 同种成因可以导致不同的故障现象。有些故障现象表面是软件故障，而究其成因时，却有可能是硬件故障或干扰、人为因素所造成。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.2.1 CNC系统常见的软件故障现象及其成因系统常见的软件故障现象及其成因 故 障 成 因 软件故障现象 软件故障成因 硬件故障成因 人为/软性成因 各种干扰 RAM

10、/电池 失电或失效 器件/线缆/接插件/ 印刷板故障 1 操作错误信息 操作失误 2 超调 加/减 速或增益参数设置不当 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 3 死机或停机 4 失控 5 程序中断 故障停机 6 无报警不能运行或报警停机 7 键盘输入后无相应动作 参数设置错误或失匹/改写了RAM 中的标准控制数据/开关位置错置 编程错误 冗长程序的运算出错/死循环/运算中断/写操作 I/O 的破坏 8 多种报警并存 显示“没准 备好” 电磁干扰窜入总线导致时序出错 电网干扰电磁干扰/辐射干扰窜入 RAM，或 RAM 失效与失电造成 RAM 中的程序/数据/参数被更改或丢失: CNC/P

11、LC 中机床数据丢失 系统参数的改变与丢失 系统程序/PLC 用户程序的改变与丢失 零件加工程序编程错误 屏蔽与接地不良 电源线连接相序错误 负反馈接成正反馈 主板/计算机内保险丝熔断* 相关电器，如：接触器、继电器或接线的接触不良 传感器污染或失效 开关失效 电池充电电路线路中故障/各种接触不良/电池寿命终极 或失效 外因：突然停电、周围施工/感性负载 长期闲置后起用的机床，或老机床失修 说明 维修后/新程序的调试阶段/新操作工 内因：接口电路故障以及屏蔽与接地问题 *带电测量导致短路或撞车后所造成，是人为因素 表表2.2.1 CNC系统常见的软件故障现象及其成因系统常见的软件故障现象及其成

12、因 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.2.4 CNC系统硬件故障现象及其成因系统硬件故障现象及其成因通常为了方便起见，将电气器件故障与硬件故障混合在一起，通称为硬件故障。所以，在后面的分析中的“硬件故障”，是指CNC系统中电器与电子器件/线缆/线路板及其接插件/电气装置等故障。可能与硬件故障相关的常见故障现象，归纳于表2.2.2中。/ 为什么要加上“可能”两字？因为有些故障现象还可能与软件故障成因有关。/第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.2.2 数控系统常见的硬件或器件故障现象数控系统常见的硬件或器件故障现象 无 输 出 输 出 不 正 常 不能启动 不动作 无

13、反应 失控 异常 显示器不显示 数控系统不能 启动 不能运行 轴不动 程序中断 故障停机 刀架不转 刀架不回落 工作台不回落 机械手不能抓刀 键盘输入后 无相应动作 飞车 超程 超差 不能回零 刀架转而不停 显示器混乱/不稳 轴运行不稳 频繁停机 偶尔停机 振动与噪声 加工质量差 (如表面振纹) 欠压 过压 过流 过热 过载 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表2.2.2列出的故障现象中，有些故障现象表现为硬件不工作或工作不正常，而实际涉及的成因却可能是软性的或参数设置问题。例如，有的是控制开关位置置错的操作失误。控制开关不动作可能是在参数设置为“0”状态，而有的开关位置正常(例如急

14、停、机床锁住与进给保持开关)可能在参数设置中为“1”状态等。又如，伺服轴电机的高频振动就与电流环增益参数设置有关。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 再如，超程与不能回零可能是由于软超程参数与参照点设置不当引起的。同样，参数设置的失匹，可以造成机床的许多控制性故障。也就是说，故障机理中的软与硬经常是“纠缠”在一起，给诊断工作与故障定位带来困难。因此，“先软后硬”，先检查参数设置与相对硬件的实时状态，将有助于判别软件故障还是硬件故障。其实，“据理析象”就是基于分析、归纳与总结故障现象所有可能联系到的一切成因(故障机理)。器件故障包括：低压电器故障、传感器故障、总线装置故障、接口装置故障

15、、直流电源故障、控制器故障、调节器故障、伺服放大器故障等。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 器件故障的成因，可以归为两类：一类是，器件功能丧失引起的功能故障(或称“硬性故障”)。一般采用静态检查，容易查出。其中又可以分成可恢复性的和不可恢复性的。器件本身硬性损坏，就是一种不可恢复的故障，必须换件。而接触性、移位性、污染性、干扰性(例如散热不良或电磁干扰)以及接线错误等造成的故障是可以修复的。另一类是，器件的性能故障(或称“软性故障”)，即器件的性能参数变化以致部分功能丧失。一般需要动态检查，比较难查。例如传感器的松动、振动与噪声、温升、动态误差大、加工质量差等。 第2章 数控系统的

16、故障成因分析与自诊断技术 在1.2.4节中所例举的那些维护中应该特别关注的器件，也就是在不同条件下最易出现故障的器件。不同的条件，将引发不同机理的硬件故障。例如：长期闲置的机床上的接插件接头、保险丝卡座、接地点、接触器或继电器等触点、电池夹等易氧化与腐蚀，引发功能性故障。老机床易引发拖动弯曲电缆的疲劳折断以及含有弹簧的元器件(多见于低压电器中)弹性失效；机械手的传感器、位置开关、编码器、测速发电机等易发生松动移位；存储器电池、光电池、光电阅读器的读带、芯片与集成电路易出现老化寿命问题以及直流电机电刷磨损等；传感器(光栅/光电头/电机整流子/编码器)、低压控制电器的污染；过滤器与风道的堵塞以及伺

17、服驱动单元大功率器件失效造成温升等，即可以是功能性故障又可为性能故障。新机床或刚维修的机床容易出现接线错误等的软性故障。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.3 CNC系统的自诊断系统的自诊断 目前，CNC系统自诊断技术包括如下几种类型： 状态诊断 机床在负载情况下主轴与进给轴的运动状态。 动作诊断 诊断机床主轴、自动换刀(ATC)装置、工作台自动交换装置(APCC)的各个动作及动作的不良部位。 点检诊断 定时、循环式点检关键低压电器、伺服接口、液压及气动元件等的状态。 操作诊断 监视程序错误(奇偶校验等)、输入数据，以及操作错误等。系统诊断 诊断CNC装置本身的关键元器件与线路板

18、等的状态。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 系统诊断，是指由数控装置系统制造公司所设置程序来进行CNC装置系统故障诊断，以NC报警文本在CRT上显示数控装置(数控侧)故障内容的报警号或报警信息(软件报警)。对照技术手册上的报警说明，即可确定产生故障的可能原因。如果CNC板故障，则以在主板上LED指示灯不正常显示或报警灯点亮来进行硬件报警。状态诊断、动作诊断与点检诊断内容都在机床侧的硬件或器件上。操作诊断的内容是软性的。这四方面诊断，一般由PLC可编程控制器来完成。诊断结果的显示有三种方式： 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 PLC报警文本：由机床制造厂或使用者设置的故障报

19、警内容(例如802S的700000700003报警号以及其I/O板上有多个IQ.7端子留给最终用户设置各种报警号)。一旦PLC检测到相关的故障信号，即可在CRT上显示对应的报警号或报警信息。在技术手册或维修手册上可以查到报警号相关的可能故障成因。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 PLC报警报警(文本文本)内容内容用户程序错误；缓冲PLC数据错误或故障；机床接口电气控制(状态)故障；面板上各种元器件的状态信息(包括操作后状态信息)；运行中的各类故障报警(包括强电控制电路与低压电器等)。显然，来自PLC装置报警(简称“PLC报警”)内容大多数是发生在机床侧的硬件或器件故障。 第2章 数

20、控系统的故障成因分析与自诊断技术 是PLC装置根据机床电气控制程序化特点、结合了PLC程序中信号逻辑关系、应用了PLC实用程序编程语言与编制方法以及信号处理，来给出报警显示的。 PLC装置是通过它的I/O接口电路来检测的信号与输出报警信号。 PLC报警特点报警特点 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 PLC报警机理报警机理 PLC装置按程序要求、定时循环扫描其I板上各接口特定信号的输入。如果在规定的时间内,未检测到相应信号的正常逻辑值，PLC装置按照程序中规定的状态对比判别原则，处理后由它的相应O接口输出报警信号给CNC主板与CRT或报警继电器。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断

21、技术 定时扫描I接口逻辑状态对比被检测的信号输入 输出报警信号状态为“0”(无信号或不正常) PLC装置、装置、I/O板接口及其它们供电的正常与否，是能板接口及其它们供电的正常与否，是能否正常报警的前提否正常报警的前提。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 实时诊断画面上多页的实时信号状态表。被检测的信号以自己的代号(标志位)与地址在表中特定位置上显示它们的实时逻辑状态(0或1)。需要注意：信号采取的是正逻辑还是反逻辑。查阅技术手册上PLC接口说明，可获得它们的标志位与地址。查阅相关PLC程序段、梯形图或控制动作流程图，可以得到它们的正常/标准逻辑状态。实时与标准状态对比后即可得知异常

22、信号的器件。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 硬件报警：通过PLC装置或主板线路板上指示灯、警灯或CNC装置面板上的七段数码显示器进行报警。需要注意：有些硬件报警，例如过压、过流、过载、过热、欠压报警等，是保护性电器动作，而不是PLC报警。CNC系统的自诊断，包括了启动诊断、在线诊断与离线诊断三种。它们具体的诊断内容与特点，分别列于表2.3.1中，以便查阅与记忆。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.3.1 数控系统自诊断的种类、内容与诊断数控系统自诊断的种类、内容与诊断 分类 诊 断 特 点 诊 断 内 容 启动 诊断 作用于通电启动时期 诊断时间*1 分钟 按系

23、统内设程序进行 1. 检查所有存储器内容总和 2. 检查系统控制软件 3. 检测关键硬件。主要对主板(详见下一栏) 在线 诊断 “不断进行”是有条件的： 系统不断电情况下 系统在正常运行中 按内设程序进行 1. CNC 系统中硬件：总线及 I/O 装置、CRT/MDI 接口 2. CNC 主板(CNC 装置本身、位控、PLC 装置及其端口) 3. 主轴伺服单元与主轴电机以及关联的外部装置 4. 伺服是否准备好(各伺服单元及电机各系统不同) 离线 诊断 停机状态 脱机诊断 用专用诊断软件进行 它会冲掉 RAM 中原来存储的数据 1. CPU 与 RAM 测试(寻址测试、写入与读出测试) 2. 位

24、置控制器测试(坐标轴位置控制中控制器状态的测试) 3. 各轴控制接口与 I/O 接口测试(影响机床启/停等) 4. 阅读机可靠性测试(检查有无误读/重读？) 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 启动诊断启动诊断 启动诊断，或称“开机诊断”(Start-Up Diagnostics)。启动诊断，是按照系统内存中所设置的固有程序进行的“点检”。它工作于数控系统启动后，并且一般必须在不到1分钟的时间内完成诊断工作。如果在此时间内不能完成规定的诊断内容，正常的系统装置就会发出报警。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 例如，FANUC系统在执行启动自诊断时，其系统主板上的七段数码显示器

25、以0987654321倒序计数来反映诊断执行进程。每个数字代表诊断进程中所进行的检查内容。如果在某一阶段出错，就会以不同字母显示以代表故障信息。在机床的技术资料中可以查到启动自诊断内容与相关的报警信息。这里列于表2.3.2中。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.3.2 FANUC系统启动自诊断进程的数码显示系统启动自诊断进程的数码显示 正常显示 诊 断 内 容 出错显示 出 错 内 容 9 对 CPU 复位， 开始执行自诊断指令 8 对 RAM 的试验与检查 b RAM 出错 7 清除 RAM 中刚试验的内容。清除后为 0 A 主板与 CRT 之间有传输问题 C 存在连接或错

26、接无用单元问题 F I/O 板或电缆的连接不良 H 已接单元的识别号不对 c 光缆传输出错 6 总线随机控制的 BAC 芯片的初 始化 J PLC 或转换接口无信号输出 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 5 检查 MDI 4 CRT 的初始化 3 CRT 显示初始化画面(软件系列号，版本等) L PLC 控制软件有误 O 系统控制软件有问题，系统初始化未通过 2 系统初始化已完成 1 系统可以正常运行 E 系统出错。主板或 ROM 板上硬件故障、或 CNC 控制软件故障 表表2.3.2 FANUC系统启动自诊断进程的数码显示系统启动自诊断进程的数码显示 第2章 数控系统的故障成因分析

27、与自诊断技术 从表2.3.2中可以看到： 启动自诊断的时序性。总是从复位CPU、RAM内存检查等开始 某一检查未通过，就中止诊断。中止诊断时显示滞留于未完成的诊断序号，或显示出错字母。 有关系统或PLC控制软件问题，一般是由CRT显示系统软件信息及其报警信息的。当CRT未能显示时，需要借助于七段显示器来判断。(对于那些不具有七段显示器的系统，而显示器又不能显示时，如何判断是否存在系统软件故障呢? 参见例2.3.4。) 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 启动自诊断对关键硬件的检查，主要是对于数控系统主板进行。而对于主板外的单元(CRT、I/O装置、PLC装置、检测与反馈控制单元等等)，

28、是按照固有的内设程序化次序，由CPU与它们进行“通讯”发出信号与在规定的时间内接收信号来完成。凡是可造成信号传递的延时、传输阻塞、丢失以及失真、错接或出错等的原因(总线装置故障、单元或器件本身功能或性能故障、电缆或接插件的接触故障、接口或相关线路故障、接地与屏蔽不良而出现的电磁场干扰等等)，都将中止启动自诊断。(此时，给出的只是相关阶段的粗略信息给出故障的大致部位即给出故障大定位。) 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 需要指出，不同的数控系统的启动自诊断能力是不同的。而且报警显示功能也有不同。例如，系统上电后，CRT无显示或显示混乱而使系统瘫痪、启动诊断中止。中止诊断时的诊断序号或出

29、错内容所对应的字母，对于FANUC那样的数控系统，可由CRT与七段显示器同时显示。在CRT无显示而七段显示器如果显示中止程序6与出错内容为A的情况时，表明存在CRT信号传递中的连接或接触性故障，可以查CRT的输入电缆(5 VDC及与主板的连接电缆)与接插件。七段显示器如果显示中止程序3与出错内容为L的情况，应该查系统故障软件。如果CRT与七段显示器都无显示时，应该查CRT本身故障。但是，对于一般不具备七段显示器的数控系统，就不具备这种自诊断能力。此时，就必须对CRT采用独立单元分析方法来进行诊断，以判定故障的具体成因 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 例例2.3.1 具有FANUC-

30、6M系统的日本KT610B-01型数控火焰切割机，每次系统通电后，CRT上显示“SYSTEM ERROR 901”，主板上四位数码管显示状态为“0”(正常状态为“”)，系统无法进入正常工作。修前技术准备修前技术准备 这些显示是启动诊断时的故障报警信息。查维修手册，错误信息900908号都为磁泡存储器类故障。901号为系统未即时检测到磁泡的初始状态点。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 可能成因分析可能成因分析 硬件故障：可能有存储器本身故障、存储器充电电池及其电路故障、线缆连接与接触性故障。软件故障：可能是存储器内存混乱或未进行初始化。修前调查修前调查 未出现突然停电事故，机床又是在

31、正常使用期，相关硬件故障可能性较小。故障特征：表面为硬件故障，但是其最可能为：软件故障。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 确定诊断步骤 按照先软后硬原则，调出(已设置的)参数画面，发现参数混乱。先找到系统的有关参数、宏指令程序及加工程序等备份。然后按照说明书对磁泡存储器进行重新初始化操作与输入备份。排除故障排除故障 恢复设备恢复设备 重新输入机床参数与程序后，系统恢复正常。例例2.3.2 用FANUC-6M系统，改造意大利F90钻床所成的大型数控导轨钻床，每次系统通电后，CRT上显示“SYSTEM ERROR 908”，系统不能工作。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 修

32、前调查修前调查 这也是启动诊断时的故障报警。查阅故障记录时发现：反复出现908号报警信息，偶尔也出现081号报警。维修手册上查知：908为磁泡存储器(RAM)奇偶校验出错(软件故障)。081为ROM故障报警硬件故障报警信息。成因分析成因分析 如果ROM硬件故障，必然出现相关的软件出错，并导致RAM软件故障。软件与硬件故障信息都可与ROM相关。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 确定诊断步骤确定诊断步骤 采用备件替代法试验。用备用ROM板替代原来的。然后重新系统上电，故障消失。 / 注：事实情况是，当时维修人员匆忙上阵，没有先查记录，以至于先对磁泡存储器的重新初始化、重新输入数据无效后

33、，又用备用件替换等均无效之后才查阅故障记录的。从费时误工的低效率的教训中可见：操作员的故障记录、修前调查与准备是重要的！/ 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 上面两个例子，都是开机后出现的报警，而且都是软件报警，其涉及到的故障成因却可能为硬件故障。前一例可能的硬件成因：RAM本身损坏、上位器件损坏而无输出或是连线或接触不良而造成RAM的无信号输入、RAM无电源输入/失电(可能是充电电池的充电电路或接触问题，或电池本身已失效)或强电磁干扰(软性故障)所致。而后一例由于ROM是只读式的，不能读则就是该器件故障，所以081号涉及的是ROM硬件故障信息。这也说明了：第2章 数控系统的故障成因

34、分析与自诊断技术 RAM存储器中的参数丢失、混乱或被修改成出错时，启动诊断会发出报警而中止诊断。 同一种报警信息可能涉及不同的故障成因。尤其是下位(例磁泡存储器)报警往往可能是上位(上例中是ROM)输出状态不正常造成的。所以说，“报警点故障点”。软件报警可以涉及硬件故障信息，而软件故障可能具有软性成因。一种故障现象可能具有多种故障成因。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 系统的自诊断给出一个报警点信息，但是，这不一定就是发生的“故障点”，更不一定是唯一的“故障源”。一种故障现象，可能对应有多种故障成因。只有找出确切的故障成因真正的故障源(例如：应追查参数混乱的成因)，予以排除，才能真

35、正地排除故障。因此，系统的自诊断并不能取代维修员的综合诊断分析工作。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 在线诊断在线诊断 在线诊断(On-line Diagnostics)，也称为运行诊断。它是当系统处于正常运行状态下，通过CNC系统内装的诊断程序或内部循环监控测试电路，对CNC系统本身、PLC装置、各个伺服单元与伺服电机、主轴伺服单元和主轴电机，以及与数控系统相连的其它外部装置进行自动的诊断与检查，并且显示相关的状态信息和故障信息。只要系统不断电，在线诊断就会以一定的时间间隔反复进行而不停止。第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 自诊断的故障信息与报警号信息多则600多条，少

36、则几十条。内容的多少，取决于系统自诊断功能范围的大小。一般可以分成如表2.3.3所示的几大类。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.3.3 数控系统在线诊断显示故障信息的类型数控系统在线诊断显示故障信息的类型 过热报警类 例如：机内超温，或电机超温 存储器报警类 例如：RAM 电池电压过低 编程/设定错误类 例如：编程错误、操作错误等软故障 系统报警类 例如：主轴系统故障、伺服驱动系统故障 伺服系统报警类 包括伺服系统中有关伺服单元及其伺服电机等的故障 限位/超程报警类 包括软件限位/超程故障与硬件限位/超程故障 印刷线路板间连接故障类 例如：NC 与 PLC 间 I/O 故障

37、 误操作报警 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 在可调用的信号实时状态表(简称为“诊断画面”)上显示在线诊断检查结果。显示的状态信号可以分成两大类：内部状态信号与接口信号状态信号，如表2.3.4所示。可见，PLC报警内容包括软件故障与硬件故障。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 表表2.3.4 数控系统在线诊断状态显示的类型数控系统在线诊断状态显示的类型 内部状态信号诊断的显示 接口信号状态诊断的显示 操作面板上开关的状态显示 例：急停或复位，手动或自动 CNC 装置与机床之间 I/O 信号状态 由外因所致不执行指令的状态显示* CNC 装置与 PLC 装置之间 I/O 信

38、号状态 TH 报警状态显示(即显示纸带的水平与垂直校验结果) PLC 装置与机床之间 I/O 信号状态 CNC 装置内各存储器内容正常与否的状态显示 各坐标位置偏差量的显示 伺服系统控制信息的状态显示 刀具与机床参照点之间的距离显示 旋转变压器或感应同步器的频率、 脉冲编码器或测速器等检测结果显示 接口信号状态分析法，可用来进行故障大定位分辨故障发生在数控装置内部(CNC 侧)、 PLC 装置(PLC 侧)或机床侧 注：* 由外因造成系统的一些不执行指令的状态显示。例如显示 CNC 系统是否处于位置到位检查中、机床锁住、进给倍率设置为 0、速度到达信号接通的等待等状态。螺纹切削时是否处于等待主

39、轴 1转信号状态。主轴每转进给时是否处于等待位置编码器的旋转信号等等。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 例例2.3.3 采用TOSNUC600M数控系统、DSR-83型直流主轴调速单元的日本东芝MPA-45120数控龙门铣床，在正常使用期切削加工时突然出现停止工作，CRT上出现PC4-00号报警的现象。关机片刻后重新开机，正常工作一段时间后重复出现相同故障现象。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 修前准备修前准备 故障特征：正常使用期加工中与时间间隔有关的重复性报警停机故障。 查维修手册，PC4-00号报警为主轴调速单元故障故障大定位。初步分析故障现象，其故障特征表现为过

40、热性或过流性硬件故障类型。第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 PC4-00号是PLC报警，PLC报警机理： PLC循环检测发现主轴单元信号出错后，通过相关接口输给CNC装置，由CRT发出报警信息。所以，判定故障类型为硬件故障。确定采用PLC程序法。 查PLC-NC间信号名称、地址(代号)及其正常状态。得知：PC4-00号报警信号是由地址为E3F6的报警继电器闭合状态(“1”状态)时发出的报警信号。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 现场工作 调查环境与电源正常，调查正常切削工况、电机工作电流等正常。检查铣头正常磨损。调用相关部分的梯形图(见图2.3.1)，了解具体的报警流程。

41、 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 图2.3.1 有关PC4-00号报警的梯形图 51XE3F6X085R010T010T010X085R010第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 从图2.3.1梯形图中可知，该报警号报警流程为报警输出E3F6闭合 R010闭合R010断电 T010断开T010得电 X085闭合X085得电51K闭合过热(热继电器)第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 手摸主轴电机外壳，感到温升异常。由上述故障与时间间隔有关的重复性特点，可判定过热故障并非出自主轴电机内部成因，而是其外部成因：主轴通风冷却问题。 故障点检查：冷却电机及其风道检查。风道内积

42、满尘埃造成散热不良。清除尘埃后，故障排除。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 例例2.3.4 一台处于正常使用期的FANUC-3MA系统的XK5040数控立铣机床，一驱动Z轴CRT上就出现31号报警。 修前准备 查维修手册，31报警内容：误差寄存器的内容大于规定值。故障特征为：Z轴动差过大(即跟随误差)软件报警。据理析象据理析象 跟随误差涉及的是位置环问题，又因为是驱动Z轴时出现的报警，所以预估：故障大定位在Z轴位置环。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 分析动差过大报警机理(即分析报警条件) /详见随后的附注说明/：|动态误差|允许误差动差(见附注)，是控制器指令位置值与

43、实际位置测量反馈值之差。在运动中的动差即为跟随误差。它又与位置环的增益与进给速度有关(因为，动差进给速度/环增益)。由于故障发生在Z轴驱动的开始时，因此应该与速度和增益无关。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 分析闭环工作原理：位置环系统，是由控制单元与驱动单元为主链、位置检测反馈回路为副链的闭环。由闭环控制的原理(见图2.3.2)：控制指令CNC的工作指令位置测量反馈的实际值可知，允差设置太小、反馈信号丢失会造成实际进给值太大、指令值不正常，都可造成超差报警。可能涉及故障类型：机床参数设置的软件故障与位置环中的硬件故障。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 罗列故障成因 导

44、致报警条件成立有以下三种可能，现采用排他法来选出最有可能的成因。 允差值过小。可能成因有：a. 参数设置错误。因为机床并非处于调试阶段。b. 参数被修改了。可能是干扰或存储器失电。若干扰导致参数混乱的结果，那么被修改的参数就不止一个。应该先查参数 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 工作/控制指令值过大或过小。可能是CNC装置或控制器损坏或受干扰，但是可能性很小。 实测值过小或过大，而工作指令正常。可能成因有：a. 反馈信号线接反而成了“正反馈”，导致动差过大。不可能，因为并非维修或调试后的机床。第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 b. 反馈信号的滞后，在规定的监测时间内信号未

45、到达而使实测值为0。用久的机床上易发生：信号线的损坏以及接触不良、位置传感器的污染、位置偏移或损坏等。应查位检装置及其接线系统。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 c. 反馈信号的丢失或增加。因为信号线及监测系统的屏蔽与接地不良、周围有感性负载的干扰、传感器松动与摆动安装不良等原因。应查位检装置系统的屏蔽与接地，并调查环境。 d. 没有反馈信号。a) 传感器未安装或连接、传感器损坏而不工作。应查位检装置中传感器系统 b) 伺服单元故障不工作/伺服轴不动作。应该还有其它报警，但是没有！ 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 分析判断得出：最可能故障类型：硬件故障。最可能的故障成因

46、出于位检装置系统(故障大定位)，也不能排除环境干扰因素。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 确定诊断步骤 现场工作步骤：环境调查接口信号法查位置环参数信号追踪法位检系统，进行故障定位。 查找相关参数的正常状态值。查维修手册中有关X、Y与Z三轴位置环的诊断参数号(地址)及诊断的对象与内容：三轴分别对应于800、801与802号状态参数，正常工作状态下它们应该在1与1间变化。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 现场工作环境、电网与外观调查：周围无干扰源、无掉电与电网波动，环境与机床外貌无异常。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 查相关参数的实时状态值：启动系统后，分别

47、调出参数设置画面与诊断画面中相关参数的实时状态画面。参数设置画面上：参数并没有发生混乱表明无干扰与掉电。以手扳动各个伺服轴，在诊断画面上观察实时参数的状态变化。发现：参数800与801的值可以随机床动作而在正常区间变化，而802保持为0不变。参数状态对比：正常/标准/理论状态值与实时状态值进行对比，仅802参数不随动作进行实时变化。故障大定位：Z轴位置环内。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 由先外后内、先查输入后查输出、先一般后特殊的原则，采用信号追踪法检查。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 观察检查 先从接线与传感器开始。经查： 机床的Z轴反馈信号线良好。 以手扳动Z

48、轴电机轴，仔细听得有异常声音。 怀疑位置编码器松动。 故障点检查：打开Z轴电机，发现编码器与电机间的十字连接块脱落。故障成因：编码器上的固定螺丝折断导致Z轴编码器处于未与电机连接，故不工作而无反馈信号发出。 重新完好连接编码器，排除故障。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 31号报警，表面上看是软件故障，而实际的故障成因是硬件故障。在维修手册上的一条报警，往往只给出一个笼统的概念或者给出多个故障成因。所以对故障机理的了解、归纳总结的经验很重要。故障大定位依然还要依靠维修人员进行。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 附注 位置环闭环控制的工作原理可以简化为图2.3.2所示。位

49、置控制器实际上是一个“加法器”(简化符号为 )：控制指令|CNC工作指令值实际值|可以认为，数控就在于将动差作为控制指令，直到补偿动差为0。 动态误差(动差)，是控制器指令位置值与实际位置测量反馈值之差：|动差|控制指令值实际值| 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 误差寄存器是用来寄存与比较动差的。 来自CNC工作指令控制指令实测值的负反馈实测值的反馈输入是否真实，取决于： 位置传感器的性能、功能与位置的确定性 位置反馈装置及其反馈线路的完好 反馈接线的正确与完好图2.3.2 位置环的简化图 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 在机床调试阶段，必须完成对机床参数中有关误差寄存

50、器规定值的设定。误差寄存器规定值的设定，也就是允许误差的设定。一般采用机床出厂时的建议值或缺省值。在维修手册中可以查到，例如，规定值为32 767，即允差32 767。 误差寄存器具有容量限止区间，即(最小误差值最大误差值)区间，也就是允许误差的变动范围： 最小误差值允差最大误差值 “误差寄存器的内容”，就是指寄存的动差大小。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 动差必须小于允差，否则就会报警。即报警条件是：|动差|允差或者当 动差最大误差值必然报警本例32号关于“存储器内容超过32 767”的报警，即是：动差 32767。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 报警条件也可以表

51、达成：|控制指令值实际值|允差上述不等式的成立条件，或说满足报警条件有三种可能：设定值过小、指令值过大或实际值过小。本例为正常使用期的机床，参数又未被修改，那么必然只可能与动差过大有关。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 动差过大故障的成因分析： CNC指令错误或CNC装置损坏，造成输入指令过大。(可能性很小) 位置控制器本身损坏，导致在正常输入时的错误输出。(可能性很小) 实测值反馈信号输入不正常：无反馈信号、反馈信号丢失或受干扰等。与之相关的可能是：反馈回路中位置传感器故障或移位；反馈电缆断线或接触不良、屏蔽与接地不良；位置反馈接口或反馈放大装置不良等。 第2章 数控系统的故障成

52、因分析与自诊断技术 允差设定值(允差)过小。允差是在调试阶段完成的设置，随便修改会影响机床精度。如果是在新机床调试阶段，可以考虑将误差设定值在允许的参数范围内作试探性修改。(后面将介绍修改参数法)一般情况下，这种试探性修改目的只是为了消除报警。但是，对于正常使用期的机床，就不能简单地根据手册提示去就事论事，因为报警点故障点。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 离线诊断 当CNC系统出现故障，或需要判定CNC装置系统是否真有故障时，往往需要停机进行检查，即进行离线诊断，也称为脱机诊断(OffLine Diagnostics)。离线诊断的目的，是故障导通与系统内的故障定位，以判出是某个线

53、路板或其上的某部分电路，甚至某个芯片或器件的故障。离线诊断，可以在现场，也可以在维修中心或CNC系统制造厂进行。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 诊断纸带分成数种，分别可以测试装置系统中CPU的各种指令及其数据格式；试验有关寄存器与实时时钟中断工作是否正常，以判断控制程序是否工作；测试RAM存储器有关寻址与读/写功能是否正常，及其程序是否破坏；测试坐标轴位置控制是否正常；测试轴控制器是否功能正常，各I/O接口是否输出符合输入等。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 / 近年来，一些新概念和新方法成功地引入到了数控设备的诊断领域，发展了如下几种新的诊断技术。/1) 通讯诊断通

54、讯诊断，也称“远程诊断”。维修人员不必亲临现场，只需在约定时间内诊断机与用户机通过数据通讯来完成对机床一系列诊断工作。德国西门子公司采用了这种诊断技术。例如SINUMERIK880系统，用户只需将CNC系统中专用的通讯接口以通讯电缆连接到互联网的 线或宽带网线上，与公司维修中心的专用通讯诊断计算机进行数据通讯连接。由该计算机发送诊断程序，对现场的CNC系统进行测试，测试结果回送到计算机后经分析，其诊断结论与处理方法再通知用户。通讯诊断系统也能对用户系统作预防性诊断工作，以发现可能存在的故障隐患。 第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2) 自修复系统自修复系统，是在CNC系统中设置有备用模块(线路板)，并在系统软件中装有“自修复程序”。运行“自修复软件”时，一旦发现某模块有故障，就会在CRT上显示故障信息并同时自动搜索系统中是否具有备用模块。如果有备用模块，则系统可以自动让故障模块脱机而接通备用模块，从而使系统进入正常工作。所以，所谓“自修复”，是“冗余”概念的一种应用。例如，美国Cincinanti Milacron