数控系统故障分析与维修

数控系统故障分析与维修随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在一定的差距。下面我们从现代数控系统的基本构成入手，探讨数控系统的诊断与维修。数控系统的构成与特点:目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。有的系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而有的系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。数控系统是由硬件控制系统和软件控制系统两大部分组成。其中硬件控制系统是以微处理器为核心，采用大规模集成电路芯片、可编程控制器、伺服驱动单元、伺服电机、各种输入输出设备（包括显示器、控制面板、输入输出接口等）等可见部件组成。软件控制系统即数控软件，包括数据输入输出、插补控制、刀具补偿控制、加减速控制、位置控制、伺服控制、键盘控制、显示控制、接口控制等控制软件及各种参数、报警文本等组成。数控系统出现故障后，就要分别对软硬件进行分析、判断，定位故障并维修。作为一个好的数控设备维修人员，就必须具备电子线路、元器件、计算机软硬件、接口技术、测量技术等方面的知识。由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，数控设备的外部故障可以分为软件故障和外部硬件损坏引起的硬故障。软件故障是指由于操作、调整处理不当引起的，这类故障多发生在设备使用前期或设备使用人员调整时期。数控机床的修理，重要的是发现问题。特别是数控机床的外部故障。有时诊断过程比较复杂，但一旦发现问题所在，解决起来比较简单。对外部故障诊断应遵从以下两条原则。首先要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序。其次，要会利用PLC梯形图。NC系统的状态显示功能或机外编程器监测PLC的运行状态，一般只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障都会及时排除。外部硬件操作引起的故障是数控修理中的常见故障。一般都是由于检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件、机械装置出现问题引起的。这类故障有些可以通过报警信息查找故障原因。对一般的数控系统来讲都有故障诊断功能或信息报警。维修人员可利用这些信息手段缩小诊断范围。而有些故障虽有报警信息显示，但并不能反映故障的真实原因。这时需根据报警信息和故障现象来分析解决。数控系统的组成数控（国外早已改称计算机数控，即CNC，而我国仍习称数控，即NC系统一般由输入输出装置、数控装置（或数控单元）、主轴单元、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程控制器PLC及电气控制装置、辅助装置、测量装置组成。图1虚线框内即为计算机数控系统（CNC），它与机床本体一起构成数控机床。计算机数控系统操作面板PLC辅助装置电气回路主轴驱动装置主轴单元机床图1数控机床的组成（1）数控装置数控装置是数控系统的核心，这一部分主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及与数控系统其它组成部分联系的接口等。其原理是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件（伺服单元、驱动装置和机床），加工出所需要的零件。因此，输入、轨迹插补、位置控制是数控装置的三个基本部分（即一般计算机的输入-决策-输出三个方面）。而所有这些工作是由数控装置内的系统程序（亦称控制程序）进行合理的组织，使整个系统有条不紊地进行工作。I/O设备计算机主板显示卡功能模板m功能模板1电子盘多功能卡位置控制板n位置控制板1PLC模块主轴控制模板机床I/O控制面板速度控制单元1速度控制单元n功能驱动1功能驱动m…………系统总线（BUS）1.计算机部分CNC装置CNC系统（2）输入输出装置输入输出装置主要用于零件加工程序的编制、存储、打印和显示或是机床的加工的信息的显示等。简单的输入输出装置只包括键盘和若干个数码管，较高级的系统一般配有CRT显示器和液晶显示器。一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT显示器外，还有纸带阅读机、磁带机或磁盘，高级的输入输出装置还包括自动编程机或CAD/CAM系统。（3）可编程控制器可编程控制器（PC，ProgrammableController）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。由于最初研究这种装置的目的，是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制，故也称为可编程逻辑控制器（PLC，ProgrammableLogicController）。当PLC用于控制机床顺序动作时，也可称为可编程逻辑机床控制器（PMC，ProgrammableMachineController）。PLC主要完成与逻辑预算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受数控装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它还机床操作面板的指令，一方面直接控制机床动作，另一方面将指令送往数控装置用于加工过程的控制。（4）伺服单元和驱动装置伺服单元接受来自数控装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。因此伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接受指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又分为直流伺服单元和交流伺服单元。驱动装置把放大的指令信号变成为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，是工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。从某种意义上说，数控机床功能强弱主要取决于数控装置，性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。（5）主轴驱动系统主轴驱动系统和进给伺服驱动系统有很大的差别，主轴驱动系统主要是旋转运动。现代数控机床对主轴驱动系统提出了更高的要求，这包括有很高的主轴转速和很宽的无级调速范围等，为满足上述要求，现在绝大多数数控机床均采用鼠笼式感应交流异步电动机配矢量变换变频调速的主轴驱动系统（6）测量装置测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。此外，由测量装置和数显环节构成数显装置，可以在线显示机床坐标值，可以大大提高工作效率和工件的加工精度。常见测量装置有光电编码器、光栅尺、旋转变压器等。（7）其他辅助装置①转位刀架是一种刀具储存装置，可以同时安装4、6、8、12把刀具不等。主要用于数控车床，是数控车床中的一种专用的自动化机械。它不但可以储存刀具，而且在切削时要连同刀具一起承受切削力，在加工过程中完成刀具交换转位、定位夹紧等动作。在卸装过程中要认真分析它的转位定位和夹紧等机构的工作原理。②刀库是加工中心机床的关键部件之下，在加工中心机床中用来储存和运送刀具，它的结构形式很多主要有盘式和链式两种结构形式（还有其它形式），盘式刀库存储容量较小（30把刀以下），链式刀库存储容量较大。在加工过程中进行换刀时控制系统选定刀具后，刀库必须把选定的刀具运送到特定的位置准备由机械手取刀具或机床的主轴直接取刀。有的大型的加工中心还装有特殊刀具运输装置，从刀库上取出刀具送到换刀位置。就机械运动来讲刀库的结构主要是由刀具的运送和定位机构组成，运送速度要快，定位要准。此外，刀具在刀库中装卡方法不同刀库结构也不相同，但是要求各个刀具的刀柄在刀库中安装位置必须一致，并且固定可靠又要便于新旧刀具交换（取下和装上）。③机械手是加工中心换刀机构的核心部件。换刀时机械手在机床主轴（或刀架）与刀库之间，执行新旧刀具交换的任务，在一个换刀程序中要完成抓刀、拔刀、交换（新旧刀对调）装刀，复位等动作。通常有三个自由度，即抓刀与复位的是一个自由度；拔刀与装刀是一个自由度；新旧刀具位置交换是一个自由度。换刀动作在加工过程中是一个辅助动作，要求换刀时间尽量缩短，目前多数机械换刀时间为5-8秒，少数可达0.7秒。要求机械手动动作迅速平稳可靠。特别是在高速旋转中交换刀具时，刀具不能从机械手中甩出来，因此机械手必须具有相应的锁紧机构。机械手完成各个动作是靠位置控制的，一个动作结束后，必须发出一个回答信号给PLC，以便启动下一个动作。拆装时要着重分析它的锁紧机械和各行程开关的安装部位。本章内容只对数控装置，输入输出设备，PLC及其他一些辅助装置常见故障进行分析，对于伺服、主轴部分在以后的部分进行介绍。4.1电源类故障电源是电路板的能源供应部分，电源不正常，电路板的工作必然异常。而且，电源部分故障率较高，修理时应足够重视，在外观法检查后，可先对电源部分进行检查。电路板的工作电源，有的是由外部电源系统供给；有的由板上本身的稳压电路产生，电源检查包括输出电压稳定性检查和输出纹波检查。输出纹波过大，会引起系统不稳定，用示波器交流输入档可检查纹波幅值，纹波大一般是由集成稳压器损坏或滤波电容不良引起。运算放大器、比较器，有些用单电源供电，有些用双电源供电，用双电源的运放，要求正负供电对称，其差值一般不能大于0.2V（具有调零功能的运放除外）数控系统中对各电路板供电的系统电源大多数采用开关型稳压电源。这类电源种类繁多，故障率也较高，但大部分都是分立元件，用万用表、示波器即可进行检查，机修开关电源时，最好在电源输人端接一只1:1的隔离变压器，以防触电。另外为了防止在修理过程中可能导致好的元件损坏，或引发新的故障发生，最好按图1.5－3的接线方法，使输入电压从OV开始逐渐增大，在输入和输出回路中都有电流、电压检测，一旦发现有过压或过流现象，即可失掉，不致造成损失。关于电源类常见的几种故障现象，现总结了几点见下表：故障现象故障原因排除方法系统上电后系统没有反应，电源不能接通：电源指示灯不亮1．外部电源没有提供、电源电压过低、缺相或外部形成了短路2．电源的保护装置跳闸或熔断形成了电源开路3．PLC的地址错误或者互锁装置使电源不能正常接通4．系统上电按钮接触不良或脱落5．电源模块不良、元气件的损坏引起的故障（熔断器熔断、浪涌吸收器的短路等）1.检查外部电源2.合上开关、更换熔断器3.更改PLC的地址或接线4.更换按钮重新安装5.更换元器件或更换电源模块电源指示灯亮系统无反应1.接通电源的条件未满足2.系统黑屏3.系统文件被破坏，没有进入系统1.检查电源的接通条件是否满足2.见“显示类故障”排除方法3修复系统强电1）.机床设计时选择的空气开关容量过小，1.更换空气开部分接通后，马上跳闸或空气开关的电流选择拨码开关选择了一个较小的电流2）.机床上使用了较大功率的变频器或伺服驱动，并且在变频器或伺服驱动的电源进线前没有使用隔离变压器或电感器，变频器或伺服驱动在上强电时电流有较大的波动，超过了空气开关的限定电流，引起跳闸。3）系统强电电源接通条件未满足关，或重新选择使用电流。2.在使用时须外接一电抗。3.逐步检查电源上强电所需要的各种条件，排除故障。电源模块故