数控机床的故障分析及消除措施

PAGE11/NUMPAGES11数控机床的故障分析及消除措施山东广播电视大学

毕业论文（设计）评审表题目___数控机床的故障分析及消除措施

姓名孙中波教育层次专科

学号省级电大山东广播电视大学专业市级电大泰安广播电视大学指导教师于婷教学点宁阳

目录

题目：数控机床的故障分析及消除措施

【

迅速下降。

2.偶发故障期：数控机床在经历了初期的各种老化、磨合和调整后，开始进入相

对稳定的正常运行期。在这个阶段，故障率低而且相对稳定，近似常数。偶发故障是由于偶然因素引起的。

3.耗损故障期：耗损故障期出现在数控机床使用的后期，其特点是故障率随着运

行时间的增加而升高。出现这种现象的基本原因是由于数控机床的零部件及电子元器件经过长时间的运行，由于疲劳、磨损、老化等原因，寿命已接近衰竭，从而处于频发故障状态。

2.2数控机床故障诊断的一般步骤：

无论是处于哪一个故障期，数控机床故障诊断的一般步骤都是相同的。当数控

机床发生故障时，除非出现危险及数控机床或人身安全的紧急情况，一般不要关断

电源，要尽可能地保持机床原来的状态不变，并对出现的一些信号和现象做好记录，

这主要包括：

①故障现象的详细记录

②故障发生的操作方式及内容

③故障号及故障指示灯的显示内容

④故障发生时机床各部分的状态与位置

有无其他偶然因素，如突然停电、外线电压波动较大、打雷、某部位进水等。

数控机床一旦发生故障，首先要沉着冷静，根据故障情况进行全面的分析，确定查

找故障源的方法和手段，然后有计划、有目的地一步步仔细检查，切不可急于动手，

凭着看到的部分现象和主观臆断乱查一通。

故障诊断一般按下列步骤进行：

(1)详细了解故障情况。例如，当数控机床发生颤振、振动或超调现象时，要弄清楚

是发生在全部轴还是某一轴；如果是某一轴，是全程还是某一位置；是一运动就发

生还是仅在快速、进给状态某速度、加速或减速的某个状态下发生。为了进一步了

解故障情况，要对数控机床进行初步检查，并着重检查荧光屏上的显示内容，控制

柜中的故障指示灯、状态指示灯等。当故障情况允许时，最好开机试验，详细观察

故障情况。

(2)根据故障情况进行分析，缩小范围，确定故障源查找的方向和手段。对故障现象

进行全面了解后，下一步可根据故障现象分析故障可能存在的位置。有些故障与其

他部分联系较少，容易确定查找的方向，而有些故障原因很多，难以用简单的方法

确定出故障源的查找方向，这就要仔细查阅数控机床的相关资料，弄清与故障有关

的各种因素，确定若干个查找方向，并逐一进行查找。

(3)由表及里进行故障源查找。故障查找一般是从易到难、从外围到内部逐步进行。

所谓难易，包括技术上的复杂程度和拆卸装配方面的难易程度。技术上的复杂程度

是指判断其是否有故障存在的难易程度。在故障诊断的过程中，首先应该检查可直

接接近或经过简单的拆卸即可进行检查的那些部位，然后检查需要进行大量的拆卸

工作之后才能接近和进行检查的那些部位。

2.3数控机床的常用检修方法

数控机床是涉及多个应用学科的十分复杂的系统，加之数控系统和机床本身的种类繁多，功能各异，不可能找出一种适合各种数控机床、各类故障的通用诊断方法。这里仅对一些常用的一般性方法作以介绍，这些方法互相联系，在实际的故障诊断中，对这些方法要综合运用。

（1）根据报警号进行故障诊断

计算机数控系统大都具有很强的自诊断功能。当机床发生故障时，可对整个机床包括数控系统自身进行全面的检查和诊断，并将诊断到的故障或错误以报警号或错误代码的形式显示在CRT上。

报警号(错误代码)一般包括下列几方面的故障(或错误)信息：

①程序编制错误或操作错误；

②存储器工作不正常；

③伺服系统故障；

④可编程控制器故障；

⑤连接故障；

⑥温度、压力、液位等不正常；

⑦行程开关(或接近开关)状态不正确。

利用报警号进行故障诊断是数控机床故障诊断的主要方法之一。如果机床发生了故障，且有报警号显示于CRT上，首先就要根据报警号的内容进行相应的分析与诊断。当然，报警号多数情况下并不能直接指出故障源之所在，而是指出了一种现象，维修人员

就可以根据所指出的现象进行分析，缩小检查的范围，有目的地进行某个方面的检查。（2）根据控制系统LED灯或数码管的指示进行故障诊断

控制系统的LED(发光二极管)或数码管指示是另一种自诊断指示方法。如果和故障报警号同时报警，综合二者的报警内容，可更加明确地指示出故障的位置。在CRT上的报警号未出现或CRT不亮时，LED或数码管指示就是唯一的报警内容了。

（3）根据PC状态或梯形图进行故障诊断

现在的数控机床上几乎毫无例外地使用了PC控制器，只不过有的与NC系统合并起来，统称为NC部分。但在大多数数控机床上，二者还是相互独立的，二者通过接口相联系。无论其形式如何，PC控制器的作用却是相同的，主要进行开关量的管理与控制。控制对象一般是换刀系统，工作台板转换系统，液压、润滑、冷却系统等。这些系统具有大量的开关量测量反馈元件，发生故障的概率较大。特别是在偶发故障期，NC部分及各电路板的故障较少，上述各部分发生的故障可能会成为主要的诊断维修目标。因此，对这部分内容要熟悉。首先要熟悉各测量反馈元件的位置、作用及发生故障时的现象与后果。对PC控制器本身也要有所了解，特别是梯形图或逻辑图要尽量弄明白。这样，一旦发生故障，可帮助你从更深的层次认识故障的实质。

例如，DIALOG4系统是用PC控制器的输入输出板上的LED指示灯表示其输入输出状态的。灯亮为1，灯熄为0，可十分方便地确定出PC控制器的输入输出状态。

（4）根据机床参数进行故障诊断

机床参数也称为机床常数，是通用的数控系统与具体的机床相匹配时所确定的一组数据，它实际上是NC程序中未定的数据或可选择的方式。机床参数通常存于RAM中，由厂家根据所配机床的具体情况进行设定，部分参数还要通过调试来确定。机床参数大都随机床以参数表或参数纸带的形式提供给用户。由于某种原因，如误操作、参数纸带不良等，存于RAM中的机床参数可能发生改变甚至丢失而引起机床故障。在维修过程中，有时也要利用某些机床参数对机床进行调整，还有的参数须要根据机床的运行情况及状态进行必要的修正。

（5）用诊断程序进行故障诊断

绝大部分数控系统都有诊断程序。所谓诊断程序就是对数控机床各部分包括数控系统本身进行状态或故障检测的软件，当数控机床发生故障时，可利用该程序诊断出故障源所在范围或具体位置。

诊断程序一般分为三套，即启动诊断、在线诊断或称后台诊断和离线诊断。启动诊断指从每次通电开始至进入正常的运行准备状态止，CNC内部诊断程序自动执行的诊断，一般情况下数秒之内即告完成，其目的是确认系统的主要硬件可否正常工作。主要检查的硬件包括：CPU、存储器、I/O单元等印刷板或模块；CRT/MDI单元、阅读机、软盘单元等装置或外设。若被检测内容正常，则CRT显示表明系统已进入正常运行的基本画面(一般是位置显示画面)。否则，将显示报警信息。在线诊断是指在系统通过启动诊断进入运行状态后由内部诊断程序对CNC及与之相连接的外设、各伺服单元和伺服电机等进行的自动检测和诊断。只要系统不断电，在线诊断也就不会停止，在线诊断的诊断范围大，显示信息的内容也很多。一台带有刀库和台板转换的加工中心报警内容有五六百条。离线诊断是利用专用的检测诊断程序进行的旨在最终查明故障原因，精确确定故障部位的高层次诊断，离线诊断的程序存储及使用方法一般不相同

（6）其他诊断方法

a、备板置换法（替代法）

用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。（故障被排除或范围缩小）

注意：断电状态下/选择开关/跨线一致，只改变模板。

b、将功能相同的模板或单元相互交换，

观察故障的转移情况，就能快速判断故障的部位。

c、敲击法

数控系统是由各种电路板组成，电路板上、接插件等处有虚焊或接口槽接触不良都会引起故障。可用绝缘物轻轻敲打疑点处，若出现，则敲击处很可能就是故障部位。

d、升温法

设备运行较长时间或环境温度较高时，机床就会出现故障，可用电吹风、红外灯照射可疑的元件或组件。确定故障点。

e、功能程序测试法

当数控机床加工造成废品而无法确定是编程、操作不当还是数控系统故障时，或是闲置时间较长的数控机床重新投入使用时。将G、M、S、T、F功能的全部指令编写一个试验程序并运行在这台机床，可快速判断哪个功能不良或丧失。

f、隔离法

隔离法是将某些控制回路断开，从而达到缩小查找故障区域的目的。例：某加工中心，

在JOG方式下，进给平稳，但自动则不正常。首先要确定是NC故障还是伺服系统故障，先断开伺服速度给定信号，用电池电压作信号，故障依旧。说明NC系统没有问题。进一步检查是Y轴夹紧装置出故障。

g、测量比较法

为了检测方便，在模板或单元上设有检测端子，用万用表、示波器等仪器对这些端子的电平或波形进行测试，将测试值与正常值进行比较，可以分析和判断故障的原因和及故障的部位。各种故障诊断方法各有特点，要根据故障现象的特点灵活的组合应用。

3数控机床常见故障诊断与维修

3.1数控机床机械结构故障诊断与维修

（1）主轴部件的常见故障及其诊断维修

（2）进给运动系统（滚珠丝杠螺母副）的故障诊断

a、滚珠丝杠在运转中转矩过大

1)二滑板配合压板过紧或研损

2)滚珠丝杠螺母反向器坏，滚珠丝杠卡死或轴端螺母预紧力过大

3)丝杠研损

4)伺服电动机与滚珠丝杠联接不同轴

5)无润滑油

6)超程开关失灵造成机械故障

7)伺服电动机过热报警

b、丝杠螺母润滑不良

1)分油器是否分油

2)油管是否堵塞

c、滚珠丝杠副噪声

1)滚珠丝杠轴承压盖压合不良

2)滚珠丝杠润滑不良

3)滚珠破损

4)电动机与滚珠丝杠联轴器松动

（3）刀架、刀库及换刀装置故障诊断

a、转塔刀架没有抬起动作

1)控制系统是否有T指令输出信号

2)抬起电磁铁断线或抬起阀杆卡死

3)压力不够

4)抬起液压缸研损或密封损坏

5)与转塔抬起联接的机械部分研损

b、转塔转位速度缓慢或不转位

1)是否有转位信号输出

2)转位电磁阀断线或阀杆卡死

3)压力不够

4)转位速度节流阀是否卡死

5)凸轮轴压盖过紧

6)抬起液压缸体与转塔平面产生摩擦、研损

7)安装附具不配套

c、转塔转位时碰牙

抬起速度或抬起延时时间短

d、转塔不正位

1)转位盘上的撞块与选位开关松动，使转塔到位时传输信号超期或滞后

2)上下联接盘与中心轴花键间隙过大产生位移偏差大，落下时易碰牙顶，引起不到位

3)转位凸轮与转位盘间隙过大

4)凸轮在轴上窜动

5)转位凸轮轴的轴向预紧力过大或有机械干涉

e、转塔转位不停

1)两计数开关不同时计数或复置开关损坏

2)转塔上的24V电源断线

f、转塔刀重复定位精度差

1)液压夹紧力不足

2)上下牙盘受冲击，定位松动

3)上下牙盘间有污物或滚针脱落在牙盘中间

4)转塔落下夹紧时有机械干涉（如夹铁屑）

5)夹紧液压缸拉毛或研损

6)转塔座落在二层滑板之上，由于压板和楔铁配合不牢产生运动偏大

g、刀具不能夹紧

1)风泵气压不足

2)增压漏气

3)刀具卡紧液压缸漏油

4)刀具松卡弹簧上的螺丝母松动

h、刀具夹紧后不能松开

松锁刀的弹簧压力过紧

i、刀套不能夹紧刀具

检查刀套上的调节螺母

j、机械手换刀速度过快

气压太高或节流阀开口过大

k、换刀时找不到刀

刀位编码用组合行程开关、接近开关等元件损坏、接触不好或灵敏度降低（4）液压与气动系统故障诊断

a、液压泵不供油或油量不足

1)压力调节弹簧过松

2)流量调节螺钉调节不当，定子偏心方向相反

3)液压泵转向相反

4)油的粘度过高，使叶片运动不灵活

5)液压泵转速太低，叶片不能甩出

6)油量不足，吸油管露出油面吸入空气

7)吸油管堵塞

8)进油口漏气

9)叶片在转子槽内卡死

b、液压泵有异常噪声或压力下降

1)油量不足，滤油器露出油面

2)吸油管吸入空气

3)回油管高出油面，空气进入油池

4)进油口滤油器容量不足

5)滤油器局部堵塞

6)液压泵转速过高或液压泵装反

7)液压泵与电动机联接同轴度差

8)定子和叶片磨损，轴承和轴损坏

9)泵与其他机械共振

c、液压泵发热、油温过高

1)液压泵工作压力超载

2)吸油管和系统回油管距离太近

3)油箱油量不足

4)摩擦引起机械损失，泄漏引起容积损失

5)压力过高

d、系统及工作压力低，运动部件爬行

泄漏

e、尾座顶不紧或不运动

1)压力不足

2)液压缸活塞拉毛或研损

3)密封圈损坏

4)液压阀断线或卡死

5)套筒研损

f、导轨润滑不良

1)分油器堵塞

2)油管破裂或渗漏

3)没有气体动力源

4)油路堵塞

g、滚珠丝杠润滑不良

1)分油管是否分油

2)油管是否堵塞

3.2常见伺服系统故障及诊断

a、伺服超差:机床的实际进给值与指令值之差超过限定的允许值.

1)检查CNC控制系统与驱动放大模块之间,CNC控制系统与位置

2)检测器之间,驱动放大器与伺服电机之间的边线是否正确、可靠

3)检查位置检测器的信号及相关的D/A转换电路是否有问题

4)检查驱动放大器电压是否有问题

5)检查电动机轴与传动机械间是否配合良好，是否有松动或间隙存在

6)检查位置环增益是否符合要求，若不符合要求对有关的电位器应予以调整

b、机床停止时，有关进给轴振动

1)检查高频脉动信号并观察其波形及振幅，若不符合应调节有关电位器

2)检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器

3)检查位置检测用编码盘的轴、联轴节、齿轮系是否啮合良好

c、机床运行时声音不好，有摆动现象

1)检查测速发电机换向器表面是否光滑、清洁，电刷与换向器间是否接触良好

2)检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器

3)检查伺服放大器位置环增益是否符合要求，若不符合要求对有关的电位器应予以调

整

4)检查位置检测器与联轴节间的装配是否有松动

5)检查由位置检测器来的反馈信号的波形及D/A转换后的波形幅度

d、飞车现象

1)位置传感器或速度传感器的信号反相，或者是电枢线接反了，即整个系统不是负反

馈而变成正反馈了

2)速度指令给的不正确

3)位置传感器或速度传感器的反馈信号没有接或者是有接线断开

4)CNC控制系统或伺服控制板有故障电源板有故障而引起的逻辑混乱

e、所有的轴均不运动

1)用户保护性锁紧如急停\制动,或有关运动的相应开关位置不正确

2)主电源熔丝断

3)由于过载保护用断路器动作或监控用继电器的触点未接触好

f、电动机过热

1)滑板运行时摩擦力或阻力太大

2)热保护继电器脱扣,电流设定错误

3)励磁电流太低或永磁式电动机失磁时,为获得所需力矩也可引起电枢电流增高而使

电动机发热

4)切削条件恶劣

5)运动夹紧/制动装置没充分释放

6)齿轮传动系损坏或传感器有问题

7)电机本身内部匝间短路而引起的过热

8)带风扇冷却的电动机,风扇坏

g、机床定位精度不准

1)滑板运行时阻力太大

2)位置环的增益或速度环的低频增益太低

3)机械传动部分有反向间隙

4)位置环或速度环的零点平衡调整不合理

5)接地\屏蔽不好或电缆布线不合理

h、零件加工表面粗糙

1)检查测速发电机换向器的表面光滑状况及电刷的磨合状况

2)检查高频脉冲波形的振幅、频率、及滤波形状

3)检查切削条件是否合理，刀尖是否损坏

4)检查机械传动的反向间隙

5)检查位置检测信号的振幅

6)检查机床的振动状况如机床水平状态、地基、主轴旋转时有否振动等

3.3数控机床PLC故障诊断的方法

（1）根据报警信号诊断故障

数控系统的故障报警信息，为用户提供排除故障的信息。

（2）根据动作顺序诊断故障

数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作，都是按一定的顺序来完成因此，观察机械装置的运动过程，比较故障和正常时的情况，就可发现疑点，诊断出故障原因。（3）根据控制对象的工作原理诊断故障

数控机床的PLC程序是按照控制对象的工作原理设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合PLC的I/O状态是诊断故障很有效的方法。

（4）根据PLC的I/O状态诊断故障

在数控机床中，输入/输出信号的传递，一般要通过PLC的I/O接口来实现，因此一些故障会在PLC的I/O接口通道上反映出来。数控机床的这个特点为故障诊断提供了方便。如果不是数控系统硬件故障，可以不必查看梯形图和有关电路图，通过查询PLC的I/O通常状态和故障状态来进行诊断。

另外一种简单实用的方法，就是将数控机床的输入/输出状态列表，通过比较通常状态和故障状态，就能迅速诊断出故障部位。

（5）通过PLC梯形图诊断故障

根据PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。如果采用这种方法诊断机床故障，首先应该查清机床的工作原理、动作顺序和连锁关系，然后利用CNC系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC梯形图查看相关的输入、输出及标志的状态，以确定故障原因。

（6）动态跟踪梯形图诊断故障

有些PLC发生故障时，查看输入/输出及标志状态均为正常，此时必须通过PLC动态跟踪，实时跟踪输入/输出及标志状态的瞬间变化。根据PLC动作原理作出诊断。

综上所述，PLC故障诊断的要点是:要了解数控机床各部分检测开关的安装位置。如加工中心的刀库，机械手和回转工作台，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关，接近开关和压力开关等，要清楚检测开关作为PLC输入信号的标志。要了解执行机构的动作顺序。如液压缸、气缸的电磁换向阀等，要清楚对应的PLC输出信号标志。要了解各种条件标志。如启动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号借助编程器跟踪梯形图的动态变化，分析故障的原因，根据机床的工作原理作出正确的诊断。

4、数控机床常见故障诊断及维修实例

（1）主轴出现噪声的故障维修

故障现象：主轴噪声较大，主轴无载荷情况下，负载表指示超过40%。

分析诊断：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号、电动机型号及伺服增益等，在确

认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机旋转情况，发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，讲主轴参数00号设定为1，即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测元件有问题。经检查发现安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。

（2）丝杠窜动引起的故障维修

故障现象：TH6380卧式加工中心，启动液压后，手动运行Y轴时，液压自动中断，CRT显示报警，驱动失效，其他各轴正常。

分析诊断：该故障涉及电气、机械、液压等部分。任一环节有问题均可导致驱动失效，因此检查的顺序大致如下。

伺服驱动装置→电动机及测量器件→电动机与丝杠连接部分→液压平衡装置→开口螺母和滚珠丝杠→轴承→其他机械部分。

①检查驱动装置外部接线及内部元器件的状态良好，电动机与测量系统正常。

②拆下Y轴液压抱闸后情况同前，将电动机与丝杠的同步传动带脱离，手摇Y轴丝杠，发现丝杠上下窜动。

③拆开滚珠丝杠上轴承座正常。

④拆开滚珠丝杠下轴承座后发现轴向推力轴承的紧固螺母松动，导致滚珠丝杠上下窜动。

由于滚珠丝杠上下窜动，造成伺服电动机转动带动丝杠空转约一圈。在数控系统中，当NC指令发出后，测量系统应有反馈信号，若间隙的距离超过了数控系统所规定的范围，即电动机空走若干个脉冲后光栅尺无任何反馈信号，则数控系统必报警，导致驱动失效，机床不能运行。拧好紧固螺母，滚珠丝杠不再窜动，则故障排除。

（3）刀架、刀库、换刀装置的故障维修

故障现象：某加工中心采用凸轮机械手换刀。换刀过程中，动作中断，发出2035号报警，显示机械手伸出故障。

分析诊断：根据报警内容，机床是因为无法执行下一步“从主轴和刀库中拔出刀具”，而使换刀过程中断并报警。

机械手未能伸出完成从主轴和刀库中拔刀动作，产生故障的原因可能有：

①“松刀”感应开关失灵。在换刀过程中，各动作的完成信号均由感应开关发出，只有

上一动作完成后才能进行下一动