第4章 数控系统故障诊断与维修

第4章数控系统故障诊断与维修广东省科学技术职业技术学院帅旗单元四数控系统故障诊断与维修项目1数控系统电源类故障诊断与维修项目2数控系统显示类故障诊断与维修项目3数控系统软件类故障诊断与维修项目4数控系统回参考点类故障诊断与维修项目5数控系统参数设定类故障诊断与维修项目6数控系统急停报警类故障诊断与维修项目7数控机床操作类故障诊断与维修项目8数控机床PLC类故障诊断与维修电源的维护与保养1.电源的组成：三相输入线路、熔断器、电源开关、电源变压器、控制变压器、断路器、各种继电器、接触器等。2.通过电源配置提供给数控机床所需要的各种电源，以满足不同负载的要求。一般有：380V、220V、200V、24V以及5V等。电源的故障诊断

数控机床的电源装置通常出电源变压器、机床控制变压器、断路器、熔断器和开关电源等组成。通过电源配置提供给数控机床各种电源，以满足不向负载的要求。电网的电压波动，负载对地短路均会影响到电源的正常供给。（3）电源单元结构

FS6稳压电源单元用于产生系统所需要的各种直流电压。常用“自立型”电气柜的电源单元主要有A14B-0061—B001／B002两种型号，其中以A14B-0061-B002为常见1）+5V：提供用于逻辑线路、固态继电器的+5V电源。2）+24V：提供用于纸带阅读机、I／O信号，磁泡存储器、CRT等的+24V电源。3）+15V：提供用于位置控制线路的+15V电源。4）-15V：提供用于位置控制线路、磁泡存储器的-15V电源。5）TPll：稳压电源单元外部电源输入连接端6）ALA、ALB：来自外部的报警信号输入。7）CP34：稳压电源单元与输入单元CPl的连接信号。8）CP35：稳压电源单元与系统主板的连接信号。4．华中世纪星数控系统电源华中世纪星数控系统电源部分工作原理图如图4-12所示。图4-12华中世纪星数控系统电源部分工作原理图

从图中可以看出，AC380V电源经过总空气开关T-QF1、空气开关T-QF2、伺服变压器给伺服驱动装置、刀架电机提供电源。取AC380V中的两相通过控制变压器T-TC1、空开T-QF4、开关电源T-VC1给下列装置提供DC24V直流电源：二、电源系统抗干扰技术数控系统中常采用的干扰抑制措施有以下几种：1．物理隔离2．屏蔽（1）静电屏蔽（2）低频磁场屏蔽（3）电磁屏蔽3．接地（1）保护接地

（2）工作接地方式(3)多点接地方式4．屏蔽接地5．滤波技术数控机床的抗干扰一、电磁波干扰电火花、中、高频电加热设备的电源都会产生强烈的电磁波，通过空间传播被附近的数控系统所接受，如果能量足够就会干扰数控机床的正常工作。（远离这些设备）二、供电线路干扰输入电压过压或欠压引起电源报警而停机电源波形畸变引起错误信息会导致CPU停止运行数控机床的抗干扰三、信号传输干扰数控信号在传递过程中受到外界的干扰串模干扰—干扰电压叠加在有用信号上，由绝缘不良、漏电阻及供电线路等引入。共模干扰—干扰电压对二根或以上信号线的干扰大小相等、相位相同。装置的共模抑制比较高，影响不大。当不平衡时，一部分转为串模。抗干扰措施1.减少供电线路的干扰数控机床远离具有中、高频电源的设备数控机床不要和大功率且频繁起、停的设备在同一供电干线上在电源电压波动较大的地区，加稳压电源动力线和信号线分开走线信号线采用屏蔽线或双绞线控制线和电源线相交时，要采用直角相交抗干扰措施2.减少机床控制中的干扰压敏电阻保护（浪涌吸收器）—可对线路中的瞬变、尖蜂等噪声进行保护阻容保护—交流接触器和电机频繁起停时，因电磁感应会在机床电路中产生浪涌或尖蜂，可抑制、吸收干扰噪声续流二极管保护—直流电感元件在断电时，在线圈着将产生较大的感应电动势并联的二极管可减少对控制电路的干扰抗干扰措施3.屏蔽技术（电磁、静电屏蔽）信号线采用屏蔽线（铜质网状）、穿在铁质蛇皮管或铁管中关键元件或组件采用金属容器屏蔽4.保证“接地”良好“接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”对机床起作用的。信号地—用来提供电信号的基准电压（0V）框架地—是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统。它是装置的面板、单元的外壳、操作板及各装置间接口的屏蔽线系统地—是将框架地和大地相连接接地要可靠（接地电阻应小于10欧姆）接地线要粗（应大于电源线的截面积）

数控机床的地线系统地线设计

地线结构大致有保护地、系统地、机壳地（屏蔽地）、数字地、模拟地等。在设计时，数字地和模拟地要分开，分别与电源端地线相连；屏蔽线根据工作频率可采用单点接地或多点接地；保护地的接地是指接大地。不能把接地线与动力线的零线混淆。

5．滤波技术滤波技术是用来抑制沿导线传输的传导干扰，主要用于抑制电源干扰和信号线干扰。滤波器是由电感、电容、电阻或铁氧体器件构成的频率选择性网络，可以插入传输线中，抑制不需要的频率进行传播。

(1)采用电源滤波器抑制电源线传输电磁干扰电源滤波器的作用是双向的，它不仅可以阻止电网中的噪声进入设备产生的噪声污染电网。也可以抑制设备。2)采用吸收型滤波器抑制电源线中的快速瞬变脉冲串干扰。采用隔离变压器供电，可以有效抑制电源中的脉冲串、雷击浪涌干扰。3）隔离变压器是一种应用得相当广泛的电源线抗干扰器件，它最基本的作用是实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰。

(4)采用交流稳压器对于电网电压较长时间的欠电压、过电压和电压波动，需要安装交流稳压器给数控系统供电。三、电源类故障诊断与维修1．常见电源类故障及排除（1）电源指示灯不亮电源指示灯不亮，常见有以下原因造成：1）没有提供外部电源，电源电压过低、缺相或外部形成了短路。排除方法是检查外部电源。2）电源的保护装置跳闸或熔断形成了电源开路。排除方法是合上开关，找出故障原因，更换熔断器。3）PLC地址错误或者互锁装置使用电源不能正常接通。排除方法是更改PLC地址或接线。4）系统上电按钮接触不良或脱落。排除方法是更换按钮，重新安装。5）电源模块不良、元器件的损坏引起故障。排除方法是更换元器件或电源模块。（2）电源指示灯亮但系统无反应电源指示灯亮但系统无反应可能有以下原因：1）接通电源的条件未满足。排除方法是检查电源接通条件是否满足。2）系统黑屏3）系统文件被破坏，没有进入系统。排除方法是修复系统。（1）交流电压和频率的检查与确认机床通电前必须检查交流电源的输入电压和频率是否与数控设备的设定参数相匹配。我国供电制式是交流380V、三相，交流220V、单相，频率均为50Hz。有些国家的供电制式与我国不同，如日本的供电制式为交流200V、三相，交流100V、单相，频率均为60Hz。（2）交流电源电压波动的检查与确认输入数控系统的单相电源电压波动范围超过规定时，电气干扰大大增加，故障率随之上升。数控系统通常规定其允许电源电压在额定值的-15%～+10%之间波动。实践证明，对于电源电压波动太大的工作环境，采取配备交流稳压电源等措施后，将会明显地减少发生故障的几率，提高数控设备的稳定性和可靠性。（3）三相交流电源相序的检查与确认对主轴和进给伺服系统中的交流伺服电机，如果相序不符合要求，则可能在接通电源时烧断速度控制单元的熔丝（放炮），导致电机不能启动。故在通电前，一定要认真检查输入电源的相序。检查方法很简单，可用相序表检查（表针顺时针方向旋转即为相序正确），也可采用双踪示波器观察两相之间的波形（两相间相位上相差120°为正确）进行确认。当检查相序不符合要求时，只要将和T,S,R中任两个接线端子相连的接线对调位置即可。（4）直流电源输出端是否短路的检查与确认数控系统内部使用的+5V,±15V及±24V等直流输出端电压，均系其直流稳压电源提供，如果发生对地短路，则会烧坏该电源。因此，在通电前应使用万用表测量各输出端对地的阻值，发现短路必须查清原因并予以排除。（5）熔断器的检查与确认机床通电前，还必须仔细检查所有熔断器的质量和规格是否符合要求。熔断器是机床电路的“卫士”，除供电主线路外，几乎每一块电路板或电路单元都装有它。当电路超过额定负荷，电压过高或负载端发生意外短路时，熔断器能立即“熔断”并切断电源，起到保护电路安全的作用。故检查熔断器的工作不可忽视，也不允许用细铜丝等做熔断器的替代品，以免酿成大错。（3）系统强电部分接通后马上跳闸可能原因有：1）机床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。排除方法是在使用时外接一电抗。2）系统强电电源接通条件未满足。排除方法是逐步检查电源上强电所需要的各种条件，排除故障。（4）电源模块故障可能原因有：1）整流桥损坏引起电源故障。排除方法是更换整流桥。2）续流二极管损坏引起短路。排除方法是更换。3）电源模块外部电源短路。排除方法是调整线路。4）滤波电容损坏引起的故障。排除方法是更换。5）供电电源功率不足使电源模块不能正常工作。排除方法是增大供电电源功率。（5）系统在工作过程中突然断电可能的原因有：1）切削力过大，使机床过载引起空气开关跳闸。排除方法有调整切削参数。2）机床设计时选择的空气开关容量过小，引起空气开关跳闸。排除方法是更换空气开关。3）机床出现漏电。排除方法是检查线路。事例1：故障现象：一台进口卧式加工中心，开机时屏幕一片黑，操作面板上的NC电源开关已按下，红、绿灯都亮，查看电柜中开关和主要部分无异常，关机后重开，故障一样。故障分析：经查，确定其电源部分无故障，各处电压都正常，仔细检查发现数控系统有多处损坏，在更换了显示器，显示控制板后屏幕出现了显示，使机床能进入。事例3：一加工中心，开机后打开急停，系统在复位的过程中，伺服强电上去后系统总空开马上跳闸

该加工中心使用国产数控系统，经对故障进行了检查分析，首先怀疑是否是空开电流选择过小，经过计算分析后确认所选择的空开有点偏小，但基本符合机床要求，然后用示波器观察机床上电时的电流的变化波形，发现伺服强电在上电时电流冲击比较大，也就是电流波形变化较大，进一步分析发现由于所选伺服功率较大，且伺服内部未加阻抗等装置，在使用时须外接一电抗与制动电阻，电气人员在设计时加了制动电阻，为了节省成本没有使用阻抗。按照要求加上阻抗后，系统上电恢复正常。1系统上电后，屏幕显示暗淡但是可以正常操作，系统运行正常

1）系统显示屏亮度调节调节过暗

2）显示器或显示器的灯管损坏

3）显示控制板出现故障2.系统上电后花屏或乱码：原因：

1）系统文件被破坏

2）系统内存不足

3）外部干扰3.系统上电后，NC电源指示灯亮但是屏幕无显示或黑屏

1）显示模块损坏，

2）显示模块电源不良或没有接通

3）显示屏由于电压过高被烧坏

4）系统显示屏亮度调节调节过暗4.运行或操作中出现死机或重新启动

1）参数设置错误或参数设置不当所引起

2）同时运行了系统以外的其他内存驻留程序；

3）系统文件受到破坏或者感染了病毒

4）电源功率不够

5）系统元器件受到损害

5系统上电后，屏幕显示高亮但没有内容

1）

系统显示屏亮度调节调节过亮

2）系统文件被破坏或者感染了病毒

3）显示控制板出现故障事例1：故障现象： 一数控系统，机床送电，CRT无显示，查NC电源+24V、+15V、-15V、+5V均无输出故障分析： 此现象可以确定是电源方面出了问题，所以可以根据电气原理图逐步从电源的输入端进行检查，当检查到保险后的电噪声滤波器时发现性能不良，后面的整流、振荡电路均正常，拆开噪声滤波器外壳发现里面烧焦，更换噪声滤波器后，系统故障排除。项目3数控系统软件类故障诊断与维修一、数控系统软件的基本配置数控系统软件包括以下三个部分：①由数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环程序、测量循环程序等组成。出于安全和保密的需要，这些程序出厂前被预先写入到EPROM中，构成了具体的系统。这部分软件对于机床生产厂家和机床用户来说，读出、复制和恢复都很难。如果因为意外破坏了该部分软件，应注意所使用的机床型号和所使用的软件版本号，及时与数控系统的生产厂家取得联系，要求更换或复制软件。②由机床制造厂家编制的针对具体机床所用的NC机床数据、PLC机床数据、PLC报警文本、PLC用户程序等组成。PLC用户可以随时根据具体的使用要求和具体机床的性能对它进行修改。这部分软件是由生产厂家在出厂前分别写入到RAM和EPROM中，并且提供技术资料加以说明。由于存储于RAM中的数据容易丢失，所以机床用户可以对这部分软件数据进行改写、清除。②由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置参数、R参数等组成。这部分软件或参数被存储于RAM中，是与具体的加工密切相关的。因此，它们的设置、更换等是机床止确完成加工所必备的。二、软件故障发生的原因软件故障是由软件变化或丢失而形成的。机床软件一般存储于RAM中。软件故障形成的可能原因如下：

1．误操作引起的改障在调试用户程序或修改机床参数时，操作者删除或更改了软件内容或参数件故障。

2．供电电池电压不足引起的故障从而造成软件故障为RAM供电的电池电压经过长时间的使用后，电池电压降低到额定值以下，或在停电情况下拔下为RAM供电的电池或电池电路断路或短路、接触不良等都会造成RAM得不到稳定的电压，从而使系统丢失软件及参数。这里要特别注意以下几点。①应对长期闲置不用的数控机床经常定期开机，以防电池长期得不到充电，造成机床软件的丢失。实际上，数控机床开机也是对电池充电的过程。②为RAM供电的电池当出现电量不足报警时，应及时更换新的电池，以防最后连报警服务都无法提供，出现软件和数据的丢失。

3。干扰信号引起的故障有时电源的波动及干扰脉冲会串入数控系统总线，运行。

4。软件死循环引起的故障引起时序错误或造成数控装置等停止运行复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环引起系统中断，造成软件故障。

5．操作不规范引起的故障这里指操作者违反了机床的操作规程，后没有回参考点，就进行加工零件的操作。

6．用户程序出错引起的故障这里指由于用户程序中出现语法错误、从而造成机床报警或停机现象。如数控机床开机非法数据、运行或输入中出现故障等现象。三．软件故障排除方法其基本原则就是把出错的软件改过来。但能够查出来哪部分有问题是不容易的，所以最好消掉，重新输入。1)对于软件丢失或变化造成的运行异常，程序中断，停机故障，可采取对数据、程序更改补充方法，亦可采用清除、重新输入法。2)对于机床程序和数据处理中发生了引起中断的运行结果而造成的故障停机，可采取硬件复位的方法，即关后再开系统电源来排除。

示例4—17：电池电压不足引起的故障。故障现象：有一台TCl000型加工中心，故障现象是CRT显示混乱，重新输入机床数据，机床恢复正常，但停机断电后数小时再启动时，故障现象再一次出现。分析与处理过程：经检查是MSl40电源板上的电池电压降到下限以下，换电池重新输入数据后，故障消失。项目4数控系统回参考点类故障诊断与维修一、机床返回参考点的必要性大多数数控机床采用增量编码器作为位置检测装置，系统断电后，工件坐标系的坐标值就失去记忆，机械坐标值尽管靠电池维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的实际位置，所以机床首次启动系统或在执行了系统“急停”或“复位”操作后，要进行返回参考点操作，使系统的位置记数与脉冲编码器的零位脉冲同步。机床执行返回参考点操作具有以下优点：1）系统通过参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。2）可以消除丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距误差补偿对加工的影响。图

四倍频电路(a)四倍频细分电路；(b)四倍频细分电路波形

机床在运动过程中，从扫描单元输出三组信号，两组增量信号和一组基准信号数控机床回参考点的故障诊断按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回机床参考点的方法有两种，即栅点法和磁开关法。在栅点法中，检测器随着电机一转信号同时产生一个栅点或一个零位脉冲，在机械本体上安装一个减速挡块及一个减速开关，当减速撞块压下减速开关时，伺服电机减速到接近原点速度运行。当减速撞块离开减速开关时，即释放开关后，数控系统检测到的第一个栅点或零位信号即为原点。在磁开关法中，在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关或者接近开关，当磁感应开关或接近开关检测到原点信号后，伺服电机立即停止运行，该停止点被认作原点

栅点法的特点是如果接近原点速度小于某一特定值，则伺服电机总是停止于同一点，也就是说，在进行回原点操作后，机床原点的保持性好。磁开关法的特点是软件及硬件简单，但原点位置随着伺服电机速度的变化而成比例的漂移，即原点不确定，目前，大多数机床采用栅点法数控机床回参考点的故障诊断数控机床接通电源首先要做回零操作能否正确回参考点影响零件的加工质量各种补偿的基准回参考点方式方式1数控机床回参考点的故障诊断回参考点方式方式2数控机床回参考点的故障诊断回参考点方式方式3数控机床回参考点的故障诊断回参考点方式方式4故障现象故障原因排除方法机床回原点后原点漂移或参考点发生整螺距偏移的故障

参考点发生单个螺距偏移1.是因为减速开关与减速撞块安装不合理，使减速信号与零脉冲信号相隔距离过近2.机械安装不到位

1.调整减速开关或者是撞快的位置使机床轴开始减速的位置大概处在一个栅距或一个螺距的中间位置，2.调整机械部分参考点发生多个螺距偏移1.参考点减速信号不良引起的故障2.减速挡块固定不良引起寻找零脉冲的初始点发生了漂移3.零脉冲不良引起1.检查减速信号是否有效，接触是否良好2.重新固定减速挡块3.对码盘进行清洗

系统开机回不了参考点、回参考点不到位

1）系统参数设置错误2）零脉冲不良引起的故障，回零时找不到零脉冲3）减速开关损坏或者短路4）数控系统控制检测放大的线路板出错5）导轨平行/导轨与压板面平行/导轨与丝杠的平行度超差

1.重新设置系统参数2.对编码器进行清洗或者更换3.维修或更换4.更换线路板5.重新调整平行度6.清洗光栅尺找不到零点或回参考点时超程

1）回参考点位置调整不当引起的故障，减速挡块距离限位开关行程过短2）零脉冲不良引起的故障，回零时找不到零脉冲3）减速开关损坏或者短路4）数控系统控制检测放大的线路板出错5）导轨平行/导轨与压板面平行/导轨与丝杠的平行度超差6）当采用全闭环控制时光栅尺进了油污

1.调整减速挡块的位置2.对编码器进行清洗或者更换3..维修或更换更换线路板5.重新调整平行度6.清洗光栅尺

回参考点的位置随机性变化

1.干扰2.编码器的供电电压过低3.电机与丝杠的联轴节松动4.电动机扭矩过低或由于伺服调节不良，引起跟踪误差过大5.零脉冲不良引起的故障，6.滚珠丝杠间隙增大1.找到并消除干扰2.改善供电电源3.紧固联轴节4.调节伺服参数，改变其运动特性5..对编码器进行清洗或者更换6.修磨滚珠丝杆螺母调整垫片，重调间隙四、机床回参考点常见故障及排除1．机床回不了参考点故障2．机床回参考点找不到零点故障3．回参考点位置随机性变化故障4．回参考点后原点漂移或参考点发生整螺距偏移二、机床返回参考点的几种方式1．回参考点的Z脉冲方式（零脉冲方式）2．回参考点的“+-”方式3．回参考点的“+-+”方式五、机床回参考点故障维修示例例4-20机床轴开始减速时位置距离光栅尺或脉冲编码器的零点太近引发故障例4-21机械误差导致回参考点故障例4-22编码器导致回参考点故障例4-23行程开关故障导致回参考点故障例4-24伺服板卡故障引发回零故障例4-25回参考点后机床无法继续操作的故障维修例4-26参考点位