数控机床的故障诊断白恩远（华北工学院机械工程系）［摘要］针对数控机床的故障特点，主要介绍 了数控机床机械类故障和电气类故障的诊断程序和诊断方法。［关键词］
数控机床，故障，故障诊 断程序数控机床是机械、计算机、自动控制、测量等多种技术的综合体，即机、电、液（或气）和 光等一体化、自动化程度高，构造复杂，技术先进，价格昂贵的机器。目前，大中型企业普遍应用 了数控机床。它是生产中的关键设备，一旦出现故障，将会严重地影响生产，带来巨大的经济损失 甚至发生人员伤亡事故，所以，应特别重视对其进行监测与诊断。对数控机床的诊断，要比一般设 备的诊断难度大得多。本文主要介绍数控机床的常见故障及其诊断方法。数控机床的工作过程是由 计算机数控系统发出控制指令，经过电气、液压（或气动）等元器件，驱动机械执行机构完成一定 的功能。在运行过程中是一个闭环或半闭环系统，故障现象和故障原因很复杂，某一个环节出了故 障，可能在其他环节出现报警信号；甚至，故障现象反映在机械上，如停车或运动方向不按指令运 行等，而故障源也可能在控制系统的硬件或软件上，还有可能出现有故障而不报警。凡此种种，给 故障诊断带来了许多困难。数控机床的故障主要分为两类：一类是电子、电气类故障，包括电子元 器件、控制装置及测试系统等故障，另一类是机械故障。前者出现的概率要比后者高，约占全部故 障的一半。下文简要分析两类故障的特点及诊断方法。１机械与电子类故障的特点机械传动中，无 论是相对运动的回转副零部件，还是相对移动的往复运动副零部件，统称为机械传动副，它们都存 在着摩擦磨损的物理现象，于是传动副的间隙，则因摩擦磨损而产生动态变化，这就成为数控机床 在运行过程中出现机械类故障原因的主要方面。机械类故障主要反映在机床主轴、传动轴、轴承、 齿轮等传动部件的不平衡，不对中，松动，表面剥落，裂纹，变形等。这些故障一般是通过状态信 号，如振声、温度、压力、油液及机床的一些性能参数在时域、频域或幅域的变化情况来诊断。近 二十多年来，我国在机械故障诊断技术方面发展很快，并在工矿企业得到广泛的应用。诊断效果比 较好的方法有：振声诊断法，声发射诊断法，时间序列诊断法，全息谱诊断法，模糊诊断法，油污 染分析法等等。此外，故障诊断的方向——故障专家系统在一些企业已开始运用，并正在研究开发 专家集成的故障诊断系统。电子、电气类故障反映在机床数控系统中，而数控系统是用电子元器件 组成的数字电路，传输的是数字信号。这些信号是由许多（二进制）位的信息组成，信号的传送是 通过种种代码来实现的。研究这种信息的方法，不同于机械信息的时域、频域分析法，而是在数据 域内进行分析。数域的信息有如下特性：①数字信息几乎都是多线的。②在执行一个程序时，许多 信号不只出现一次，但关键情况只出现一次。③有些信号重复出现，但不是周期性的。④因为激励 几乎是不可控的，就不可能回答经典的时域问题。⑤一个数字数据流内的记录是由唯一的布尔表达 式或数据字实现的，因而测量仪器需有能对数字函数的触发事件进行触发并由此事件引出显示。③ 数字信号的速度变化范围甚广，在高速中央处理器中涉及两个脉冲的潜在重叠时，需要几十纳秒的 分辨率，要求测试分析仪器具有比工作速度高得多的速度。此外，电子、电气易受外界随机因素的 干扰和影响，所以故障多而难诊断。传统的测试仪器与设备和测试技术不可能将故障分离，必须研 究新的测试仪器与设备和新的测试技术。如美国专利生产的ＢＷ４０４０系列电路维修测试仪，Ｔ ＡＤ９０２４Ａ型ＩＣ在线测试仪（普及型），ＣＢ２０００短路追踪仪和ＢＡ—１６１０型便携 式逻辑分析仪等。电子元器件的主要故障类型有：①编程／设定错误；②伺服系统或电机故障；③ 行程开关故障；④印刷线路板连接故障；⑤过热故障；③系统故障。２数控机床的故障诊断程序现 代数控机床都具有自诊断功能。一般数控系统均具有自动诊断几十到几百种故障的报警功能，将各 种传感器设置在各元件交接节点处及机床的关键部位，只要信号超限就发出报警显示，或自动停车 。例如，为了反映主轴的烧损故障，在主轴内部设置主轴温控传感器（热敏电阻），可以进行温度 监测和控制，并发出报警。再如，电池的报警；确认工具夹紧的传感器不良的报警；回归原点方向 不正确报警等。将报警信号进行编组，根据报警信号的编号就很容易了解大致的故障内容。例如某 数控系统编号分组如下：与ＣＮＣ硬件有关的报警编号为ｌ～９９，与机械控制有关的报警编号为 １００～３９９，与操作失误有关的报警编号为４００～４９９，有关外部通讯对话的报警编号为 ５００～５９９，有关加工程序编号失误的报警编号为６００～６９９等。当机床出现故障时，自 诊断程序通过ＣＲＴ和指示灯报警，并显示故障信息，包括故障发生的时间、故障部位及类型，其 中程序显示可指示故障出现时程序中断部位，坐标值显示能指示故障出现时运动部件的坐标位置， 状态显示能揭示功能执行结果。维修人员就可根据这些报警信息分析故障原因，以便进行保养、排 障维修。但是，还有少数故障无报警信息，或报警信息指示不明确、不具体，甚至出现某个环节发 生故障，可能在其他环节发出报警信号。所以，为了保证机床无故障运行，还不能完全靠自诊断功 能，应辅助于专门设置的状态监控与诊断仪器和软件（见下面诊断方法）。数控机床在诊断过程中 ，一般按下列程序进行：２．ＩＨ作前的预检查工作前，操作者对输入数据（如语法、数据、指令 等）、工作条件（指输入坯件的编号、尺寸、形态、破损、装夹状态等）和设备状态（如设备和刀 具状态）进行检查，以保证工作正常进行。２·２启动自诊断程序每次通电后，数控机床ＣＮＣ自 诊断程序检查系统的主要硬件，如中央处理器（ＣＰＵ）、存储器、输入／输出（Ｉ／Ｏ）单元、 显示器／手动数据输入（ＣＲＴ／ＭＤＴ）单元、阅读机和软盘单元等，当确认所有项目无误后， 系统才能进行正常的初始化完成状态或运行准备状态。否则，系统将通过ＣＲＴ或发光二极管等显 示故障信息。这是一种预防性故障诊断。２·３联机诊断联机诊断是指机床在运行中的诊断，诊断 程序置于系统程序之中。它将随时诊断数控机床ＣＮＣ系统、外部设备、伺服系统等的状态，当故 障发生时，系统诊断程序将给出故障的类型、级别等详细信息。２·４脱机诊断脱机诊断是在机床 因故障停止运行状态下，将计算机和与之相连的外部设备断开，按照诊断程序设计的方式运行计算 机及其接口线路等各控制部分的自诊断程序。脱机诊断因为是机床在运行中出故障后进行的，其主 要目的是对系统的硬件故障进行诊断。脱机诊断程序是和系统程序分开的专用程序。通常，为了准 确地诊断出故障部位，还需要专门设计一些检测线路。诊断时，计算机和外部设备脱开而接通检测 线路。脱机诊断采用响应原理，即将整个系统划分为若干个诊断区，由诊断计算机向诊断区发送测 试码，然后观察被测对象的响应，将它与标准结果相比较，便可确定被测对象是否有故障。诊断区 基本上根据功能划分，有时也根据线路插件板划分，即每个插件板为一个诊断区。３数控机床的诊 断方法３·１常规检查（ｌ）外观检查。系统发生故障后，首先进行外观检查。用感观检查明显的 故障怀疑部分的元器件，通过看、摸、嗅的办法，检查空气断路器、热继电器是否脱扣，熔丝是否 熔断，印刷线路板有无元件破损、断裂、过热，连接线路是否断裂，插接件是否松动、脱落等；通 过ＣＲＴ画面观察润滑油或冷却液的液面高度是否低于界面；若有人动过，还得检查开关位置、电 位器设定、短路选择、线路更改是否与原来状态相符；并注意故障出现时的噪声振动、焦糊味、异 常发热、冷却风扇是否转动正常等，这些常规工作很简单，但很直观、很必要。（２）连接电缆、 连接线路检查。针对故障有关部分，用一些简单工具，如万用表、蜂鸣器，检查各连接电缆、线路 ，看是否断裂或出现电阻。尤其注意检查机械运动部位的接线与电缆，这些部位的软接线易受力、 疲劳而断裂。（３）连接端及插接件检查。针对故障的有关部位，检查接线端子、单元接插件。这 些部件容易松动、发热、氧化、电化腐蚀而断裂或接触不良。《４）恶劣环境下的元器件检查。针 对故障的有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。防止这些无锡件受武摄用、受振动、粘灰尘 或油污而失效或老化。（５）易损部件的元器件检查。元器件易损部位应按规定定期检查。例如直 流伺服电机的电枢、电刷及整流子、测速发电机电刷及整流子都容易磨损和粘污物，前者造成转速 下降，后者造成转速不稳。纸带阅读机光电读入部件光学元件透明度降低，发光元件及光敏元件老 化都会造成读带出错。（６）定期保养的部件及元器件检查。这些部件、元器件按规定应及时清洗 、润滑，若失修易出现故障。如冷却风扇若不及时清洗风道等，易造成过负荷。轴承若不及时检查 ，则会因润滑不良，而造成通电后转不动，或使电机烧毁。（７）电源电压检查。电源电压正常是 机床控制系统正常工作的必要条１于，否则，一般会造成故障停机，或造成控制系统动作紊乱。硬 件故障出现后，检查电源电压不可忽视，检查步骤可参考调试说明，从前（电源侧）向后检查电源 电压。应注意到电源组件功耗大、易发热、易出现故障，且多数情况电源故障由负载引起，因此更 应在仔细检查后继环节后再进行处理，切不可只换熔丝而了事，应检查短路或电流过负荷的原因。 检查电源时，不仅要检查电源自身馈电线路，还应检查由它馈电的无电源部分是否得了应得的电压 ；不仅要注意到正常时供电状态，还要注意到故障发生时电源的瞬时变化。３·２试车程序判定法 输入试车程序，检查机床执行指令的情况，判断故障所在的部位。例如，用Ｇ、Ｍ、Ｆ、Ｔ指令编成可执行直线插补和圆弧插补的专用诊断程序。３·３开环检查方法对闭环系统采用开环检查，可判定故障是发生在数控系统、伺服系统，还是在机械系统。３·４备件置换法在确定故障所在功能区的基础上，用好的备件替代怀疑板，根据故障转移情况，可以使故障诊断准确到某一块印刷电路