前言
數控機床是一種技術含量很高的機、電、儀一體化的高效的自動化機床，綜合了計算機技術、自動化技術、伺服驅動、精密測量和精密機械等各個領域的新的技術成果，是一門新興的工業控制技術。不同的數控系統雖然在結構和性能上有所區別，但在故障診斷上有它的共性，現結合工作實際談一下數控系統故障分析和維修的一般方法。
數控系統故障維修通常按照：現場故障的診斷與分析、故障的測量維修排除、系統的試車這三大步進行。
1、數控機床故障診斷
在故障診斷時應掌握以下原則：
1.1 先外部后內部
現代數控系統的可靠性越來越高，數控系統本身的故障率越來越低，而大部分故障的發生則是非系統本身原因引起的。由於數控機床是集機械、液壓、電氣為一體的機床，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，使機床喪失精度、降低性能。系統外部的故障主要是由於檢測開關、液壓元件、氣動元件、電氣執行元件、機械裝置等出現問題而引起的。
1.2 先機械后電氣
一般來說，機械故障較易發覺，而數控系統及電氣故障的診斷難度較大。在故障檢修之前，首先注意排除機械性的故障。
1.3 先靜態后動態
先在機床斷電的靜止狀態，通過了解、觀察、測試、分析，確認通電后不會造成故障擴大、發生事故后，方可給機床通電。在運行狀態下，進行動態的觀察、檢驗和測試，查找故障。而對通電後會發生破壞性故障的，必須先排除危險后，方可通電。
1.4 先簡單后複雜
當出現多種故障互相交織，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。
2、數控機床的故障診斷技術
數控系統是高技術密集型產品，要想迅速而正確的查明原因並確定其故障的部位，要藉助於診斷技術。隨著微處理器的不斷發展，診斷技術也由簡單的診斷朝著多功能的高級診斷或智能化方向發展。診斷能力的強弱也是評價CNC數控系統性能的一項重要指標。目前所使用的各種CNC系統的診斷技術大致可分為以下幾類：
2.1 起動診斷
起動診斷是指CNC系統每次從通電開始，系統內部診斷程序就自動執行診斷。診斷的內容為系統中最關鍵的硬體和系統控制軟體，如 CPU、存儲器、I/O 等單元模塊，以及MDI/CRT單元、紙帶閱讀機、軟盤單元等裝置或外部設備。只有當全部項目都確認正確無誤之後，整個系統才能進入正常運行的準備狀態。否則，將在CRT畫面或發光二極體用報警方式指示故障信息。此時起動診斷過程不能結束，系統無法投入運行。
2.2 在線診斷
在線診斷是指通過CNC系統的內裝程序，在系統處於正常運行狀態時對CNC系統本身及CNC裝置相連的各個伺服單元、伺服電機、主軸伺服單元和主軸電動機以及外部設備等進行自動診斷、檢查。只要系統不停電，在線診斷就不會停止。
在線診斷一般包括自診斷功能的狀態顯示有上千條，常以二進位的0、1來顯示其狀態。對正邏輯來說，0表示斷開狀態，1表示接通狀態，藉助狀態顯示可以判斷出故障發生的部位。常用的有介面狀態和內部狀態顯示，如利用I/O介面狀態顯示，再結合PLC梯形圖和強電控制線路圖，用推理法和排除法即可判斷出故障點所在的真正位置。故障信息大都以報警號形式出現。一般可分為以下幾大類：過熱報警類；系統報警類；存儲報警類；編程/設定類；伺服類；行程開關報警類；印刷線路板間的連接故障類。
2.3 離線診斷
離線診斷是指數控系統出現故障后，數控系統製造廠家或專業維修中心利用專用的診斷軟體和測試裝置進行停機（或離線）檢查。力求把故障定位到儘可能小的範圍內，如縮小到某個功能模塊、某部分電路，甚至某個晶元或元件，這種故障定位更為精確。
2.4 現代診斷技術
隨著電信技術的發展，IC和微機性價比的提高，近年來國外已將一些新的概念和方法成功地引用到診斷領域。
(1) 通信診斷
也稱遠程診斷，即利用電話通訊線把帶故障的CNC系統和專業維修中心的專用通訊診斷計算機通過連接進行測試診斷。如西門子公司在CNC系統診斷中採用了這種診斷功能，用戶把CNC系統中專用的「通信介面」連接在普通電話線上，而兩門子公司維修中心的專用通迅診斷計算機的「數據電話」也連接到電話線路上，然後由計算機向 CNC系統發送診斷程序，並將測試數據輸回到計算機進行分析並得出結論，隨後將診斷結論和處理辦法通知用戶。
通訊診斷系統還可為用戶作定期的預防性診斷，維修人員不必親臨現場，只需按預定的時間對機床作一系列運行檢查，在維修中心分析診斷數據，可發現存在的故障隱患，以便及早採取措施。當然，這類CNC系統必須具備遠程診斷介面及聯網功能。
(2) 自修復系統
就是在系統內設置有備用模塊，在CNC系統的軟體中裝有自修復程序，當該軟體在運行時一旦發現某個模塊有故障時，系統一方面將故障信息顯示在CRT上，同時自動尋找是否有備用模塊，如有備用模塊，則系統能自動使故障離線，而接通備用模塊使系統能較快地進入正常工作狀態。這種方案適用於無人管理的自動化工作場合。
需要注意的是：機床在實際使用中也有些故障既無報警，現象也不是很明顯，對這種情況，處理起來就不那樣簡單了。另外有此設備出現故障后，不但無報警信息，而且缺乏有關維修所需的資料。對這類故障的診斷處理，必須根據具體情況仔細檢查，從現象的微小之處進行分析，找出它的真正原因。要查清這類故障的原因，首先必須從各種表面現象中找山它的真實故障現象，再從確認的故障現象中找出發生的原因。全面地分析一個故障現象是決定判斷是否正確的重要因素。在查找故障原因前，首先必須了解以下情況：故障是在正常工作中出現還是剛開機就出現的；山現的次數是第一次還是已多次發生；確認機床加工程序的正確性；是否有其他人
3、數控機床的常見故障排除方法
由於數控機床故障比較複雜，同時數控系統自診斷能力還不能對系統的所有部件進行測試，往往是一個報警號指示出眾多的故障原因，使人難以入手。下面介紹維修人員任生產實踐中常用的排除故障方法。
3.1直觀檢查法
直觀檢查法是維修人員根據對故障發生時的各種光、聲、味等異常現象的觀察，確定故障範圍，可將故障範圍縮小到一個模塊或一塊電路板上，然後再進行排除。一般包括：
a.詢問:向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障後果等；
b.目視：總體查看機床各部分工作狀態是否處於正常狀態，各電控裝置有無報警指示，局部查看有無保險燒斷，元器件燒焦、開裂、電線電纜脫落，各操作元件位置正確與否等等；
c.觸摸：在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、各功率及信號導線的聯接狀況以及用手摸並輕搖元器件，尤其是大體積的阻容、半導體器件有無鬆動之感，以此可檢查出一些斷腳、虛焊、接觸不良等故障；
d.通電：是指為了檢查有無冒煙、打火，有無異常聲音、氣味以及觸摸有無過熱電動機和元件存在而通電，一旦發現立即斷電分析。如果存在破壞性故障，必須排除後方可通電。
例：一台數控加工中心在運行一段時間后，CRT顯示器突然出現無顯示故障，而機床還可繼續運轉。停機后再開又一切正常。觀察發現，設備運轉過程中，每當發生振動時故障就可能發生。初步判斷是元件接觸不良。當檢查顯示板時，CRT顯示突然消失。檢查發現有一晶振的兩個引腳均虛焊鬆動。重新焊接后，故障消除。
3.2 初始化複位法
一般情況下，由於瞬時故障引起的系統報警，可用硬體複位或開關係統電源依次來清除故障。若系統工作存貯區由於掉電、撥插線路板或電池欠壓造成混亂，則必須對系統進行初始化清除，清除前應注意作好數據拷貝記錄，若初始化后故障仍無法排除，則進行硬體診斷。
例：一台數控車床當按下自動運行鍵，微機拒不執行加工程序，也不顯示故障自檢提示，顯示屏幕處於複位狀態（只顯示菜單）。有時手動、編輯功能正常，檢查用戶程序、各種參數完全正確；有時因記憶電池失效，更換記憶電池等，系統顯示某一方向尺寸超量或各方向的尺寸都超最（顯示尺寸超過機床實斤能加工的最大尺寸或超過系統能夠認可的最大尺寸）。排除方法：採用初始化複位法使系統清零複位（一般要用特殊組合健或密碼）。
3.3 自診斷法
數控系統已具備了較強的自診斷功能，並能隨時監視數控系統的硬體和軟體的工作狀態。利用自診斷功能，能顯示出系統與主機之間的介面信息的狀態，從而判斷出故障發生在機械部分還是數控部分，並顯示出故障的大體部位（故障代碼）。
a.硬體報警指示：是指包括數控系統、伺服系統在內的各電氣裝置上的各種狀態和故障指示燈，結合指示燈狀態和相應的功能說明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法；
b.軟體報警指示：系統軟體、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示，依據顯示的報警號對照相應的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及排除方法。 3.4 功能程序測試法
功能程序測試法是將數控系統的G、M、S、T、F功能用編程法編成一個功能試驗程序，並存儲在相應的介質上，如紙帶和磁帶等。在故障診斷時運行這個程序，可快速判定故障發生的可能起因。
功能程序測試法常應用於以下場合：
a. 機床加工造成廢品而一時無法確定是編程操作不當、還是數控系統故障引起；
b. 數控系統出現隨機性故障，一時難以區別是外來干擾，還是系統穩定性個好；
c. 閑置時間較長的數控機床在投入使用前或對數控機床進行定期檢修時。
例：一台FANUC9系統的立式銑床在自動加工某一曲線零件時出現爬行現象，表面粗糙度極差。在運行測試程序時，直線、圓弧插補時皆無爬行，由此確定原因在編程方面。對加工程序仔細檢查后發現該曲線由很多小段圓弧組成，而編程時又使用了正確定位外檢查C61指令之故。將程序中的G61取消，改用G64后，爬行現象消除。
3.5 備件替換法
用好的備件替換診斷出壞的線路板，即在分析出故障大致起因的情況下，維修人員可以利用備用的印刷電路板、集成電路晶元或元器件替換有疑點的部分，從而把故障範圍縮小到印刷線路板或晶元一級。並做相應的初始化起動，使機床迅速投入正常運轉。
對於現代數控的維修，越來越多的情況採用這種方法進行診斷，然後用備件替換損壞模塊，使系統正常工作。盡最大可能縮短故障停機時間，使用這種方法在操作時注意一定要在停電狀態下進行，還要仔細檢查線路板的版本、型號、各種標記、跨接是否相同，若不一致則不能更換。拆線時應做好標誌和記錄。
一般不要輕易更換CPU板、存儲器板及電地，否則有可能造成程序和機床參數的丟失，使故障擴大。
例：一台採用西門子SINUMERIK SYSTEM 3系統的數控機床，其PLC采川S5—130w/B，一次發生故障時，通過NC系統PC功能輸入的R參數，在加工中不起作用，不能更改加上程序中R參數的數值。通過對NC系統工作原理及故障現象的分析，認為PLC的主板有問題，與另一台機床的主板對換后，進一步確定為PLC主板的問題。經專業廠家維修，故障被排除。
3.6 交叉換位法
當發現故障板或者個能確定是否是故障板而又沒有備件的情況下，可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查，例如兩個坐標的指令板或伺服板的交換，從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應特別注意，不僅要硬體接線的正確交換，還要將一系列相應的參數交換，否則不僅達不到目的，反而會產生新的故障造成思維混亂，一定要事先考慮周全，設計好軟、硬體交換方案，準確無誤再行交換檢查。 例：一台數控車床出現X向進給正常，Z向進給出現振動、噪音大、精度差，採用手動和手搖脈衝進給時也如此。觀察各驅動板指示燈亮度及其變化基本正常，疑是Z軸步進電動機及其引線開路或Z軸機械故障。遂將Z軸電機引線換到X軸電機上，X軸電機運行正常，說明Z軸電動機引線正常；又將X軸電機引線換到Z軸電機上，故障依舊；可以斷定是Z軸電動機故障或Z軸機械故障。測量電動機引線，發現一相開路。修復步進電動機，故障排除。
3.7 參數檢查法
系統參數是確定系統功能的依據，參數設定錯誤就可能造成系統的故障或某功能無效。發生故障時應及時核對系統參數，參數一般存放在磁泡存儲器或存放在需由電池保持的 CMOS RAM中，一旦電池電量不足或由於外界的干擾等因素，使個別參數丟失或變化，發生混亂，使機床無法正常工作。此時，可通過核對、修正參數，將故障排除。
例：一台數控銑床上採用了測量循環系統，這一功能要求有一個背景存貯器，調試時發現這一功能無法實現。檢查發現確定背景存貯器存在的數據位沒有設定，經設定后該功能正常。
又如：一台數控車床數控刀架換對突然出現故障，系統無法自動運行，在手動換刀時，總要過一段時間才能再次換刀。遂對刀補等參數進行檢查，發現一個手冊上沒有說明的參數P20變為20，經查有關資料P20是刀架換刀時間參數，將其清零，故障排除。
有時由於用戶程序和參數錯誤亦可造成故障停機，對此可以採用系統的程序自診斷功能進行檢查，改正所有錯誤，以確保其正常運行。
3.8 測量比較法
CNC系統生產廠在設計印刷線路板時，為了調整和維修方便，在印刷線路板上設計了一些檢測端子。維修人員通過測量這些檢測端子的電壓或波形，可檢查有關電路的工作狀態是否正常。但利用檢測端子進行測量之前，應先熟悉這些檢測端子的作用及有關部分的電路或邏輯關係。
3.9 敲擊法
當系統故障表現為有時正常有時不正常時，基本可以斷定為元器件接觸不良或焊點開焊，利用敲擊法檢查時，當敲擊到虛焊或接觸不良的故障部位時，故障就會出現。
3.10 局部升溫法
數控系統經過長期運行后元件均要老化，性能變壞。當它們尚未完全損壞時，出現的故障就會時有時無。這時用電烙鐵或電吹風對被懷疑的元件進行局部加溫，會使故障快速出現。操作時，要注意元器件的溫度參數等，注意不要損壞好的元器件。
3.11 原理分析法
根據數控系統的組成原理，可從邏輯上分析各點的邏輯電平和特性參數，如電壓值和波形，使用儀器儀錶進行測量、分析、比較，從而確定故障部位。
除以上常用的故障檢測方法之外，還可以採用拔插板法、電壓拉偏法、開環檢測法等。總之，根據不同的故障現象，可以同時選用幾個方法靈活應用、綜合分析，才能逐步縮小故障範圍，較快地排除故障。
4、數控機床維修后的開機調試
機床的故障排除后通常分兩大步進行通電試車：
4.1 自動狀態試驗
將機床鎖住，用編製的程序進行空運轉試驗，驗證程序的正確性，然後放開機床，分別將進給倍率開關、快速超凋開關、主軸速度超調開關進行多種變化，使機床在上述各開關的多種變化的情況下進行充分地運行，后將各超調開關置於100％處，使機床充分運行，觀察整機的工作情況是否正常。
4.2 正常加工試驗
夾裝好工件按正常程序進行加工，加工后檢查工件的加工精度是否符合標準要求
5、維修調試后的技術處理
在現場維修結束后，應認真填寫維修記錄，列出有關必備的備件清單，建立用戶檔案。對於故障時間、現象、分析診斷方法、採用排故方法，如果有遺留問題應詳盡記錄，這樣不僅使每次故障都有據可查，而且也可以不斷積累維修經驗。
