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。在数控技术发展的前提下也给我们带来了一个新兴的行业——数控的维修与维护。数控维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，因此，目前它已经成为一门专门的学科。 
任何一台数控设备都是用于加工的一种过程控制设备，这就要求它在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。尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。
那么我们我们怎么才能做到高效率的维修呢？我想我们首先要清楚数控机床的结构与特点，数控系统由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。 
数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。
数控伺服系统是数控机床的核心，它按用途和功能可以分为：进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节可以分为：开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用元件可分为：电液伺服系统核电气伺服系统。对数控机床伺服系统的性能有何要求？唯一精度高、稳定性好、定位精度高、快速响应性能好、调速范围宽、系统可靠性好、低速大转矩。
数控机床伺服系统故障占机床总故障的比率较高。由于伺服系统涉及 的环节较多，加之种类繁多、技术原理各具特色，给维修诊断带来困难，因此归纳一些故障 诊断方法很有必要。 
    数控机床坐标轴的移动定位是由位置伺服系统来完成的。位置伺服系统一般采用闭环或半闭环控制。(半)闭环控制的特点就是任一环节发生故障都可能导致系统 定位不准确、不稳定或失效。诊断定位故障环节就成为维修的关键。根据伺服系统的控制原理和系统接口的特性，对系统进行分解判断，已成为行之有效的方法。本文结合维修实例介绍了位置环和速度环诊断方法。 
1 位置环故障诊断
    如果位置伺服系统的位置反馈和速度反馈各自采用一个反馈器件 ，可以断开位置环的控制作用，让速度环单独运行，以便判断故障出自位置环还是速度环。 
    断开位置环的控制作用，可以采用两种方法： 
（1）、机械断开，即断开位置反馈编码器与伺 服电动机之间的传动连接。 
（2）、电气断开，即断开位置反馈编码器与系统的连接。如果需要 屏蔽位置反馈断线报警，应按下图连接位置反馈输入信号线。
    在位置开环状态下 进行维修测试时，不允许给被测试轴任何方式的移动指令，否则将引起伺服电动机失控。 
例2、　CK6140A数控车床出现镗孔表面有振纹，在排除机械和工装因素后，对X轴伺服系统进行检查。机床数控系统为FANUC3T，伺服放大器 为FANUC H系列直流伺服。 
    观察X轴在停止和慢速移动时有不规则振动，初步判断X轴位置编码器与丝杠连结有间隙或速度环不稳定。检查编码器连轴节正常。由于X轴伺服系统有两个编码器，分别用于位置反馈和速度反馈，可以将位置反馈编码器与伺服电机之间的机械连接断开，以便作进一步的判断。首先用支撑物支撑X轴滑台，将X轴电动机和丝杠的传动皮带拿掉。启动机床，X轴在位置开环状态下运行，在伺服放大器零漂的作用下电动机慢速转动(如果电动机几乎不转动，可适当调整控制板上偏置电位器RV2)，此时电动机转到某一固定角度，总有打顿现象。由此可以认为速度环基本稳定，这可能是由于整流子在某一角度存在短路引起转速瞬间跌落，从而造成电机打顿现象。仔细清扫电动机整流子和电刷后， 电动机运转平稳。恢复系统连接，X轴恢复正常。 
例3、　[ST5BZ]CH-102数控车床Z轴移动出现一冲一冲的现象，速度越快，过冲越严重。停止时 观察伺服诊断画面，Z轴跟踪误差稳定，接近于零。机床数控系统SIMENS 810GA2，伺服系统为SIMENS 610。系统位置反馈和速度反馈各采用一只编码器。 
    初步判断为伺服放大器 超调或系统参数设定不良。首先调整系统参数MD2501(伺服增益)和MD2601(多种增益)无效。 为进一步判断，断电拿掉Z轴位置反馈插头。由于该机床CNC报警不影响伺服上电，故可以不屏蔽反馈断线报警。先用导线短接Z轴伺服驱动使能控制端，再用一只1.5V电池经 电位器分压给Z轴伺服放大器速度指令端，加上大约0.5V电压。机床上电，Z轴移动平稳，因此可以认为故障发生在位置反馈环节。用手拨动位置反馈编码器，联结无松动、损坏的感觉。交换X轴，Z轴位置反馈插头及速度指令控制线，试机故障仍在Z轴。此时可以认为故障仍在Z轴位置反馈，拆下Z轴位置反馈编码器，发现联轴节簧片上的一个螺钉已脱落。 修复后，试机故障消除。 
    如果位置反馈和速度反馈由一只反馈元件完成，位置反馈信号经转换电路变为速度控制信号，则要根据系统硬件具体特性和故障信息作出灵活判断。 
例4、　CK6150A Z轴时有突然快速移动失控的现象， 此时H系列直流伺服板上有TGLS报警。故障现象不稳定，关机再上电可能又恢复正常。 
    T GLS报警的原因有：动力线未接或接反；无速度反馈或正反馈；机械锁死。由于Z轴伺服电动机速度反馈信号是由电动机尾部位置反馈编码器信号送入CNC主板，经混合IC模块F/V转换后获得，而且系统始终无位置反馈报警，所以初步判断是CNC至伺服放大器电缆和控制板的接触有问题。检查电缆和速度控制板正常。由于从故障发生到伺服保护关断只有一两秒钟，使用示波器或万用表难以观察到速度反馈信号的有无。进一步分析，位置反馈编码器的信号电平正常，而A、B两相信号不产生移动变化，则会产生上述故障。于是就更换Z轴位置编码器，机床恢复正常。这可能是原来的编码器光栅盘松动，与轴之间有相对位移或编码器内光源二极管接近失效，造成A、B信号不变化。
2 速度环故障诊断
    在速度开环的方式下，对速度控制单元进行测试。该方法需要对系统硬件较熟悉，以避免误操作损坏部件。 
例5、一台维修过的FB15B-2直流伺服电动机安装到机床后失控。 
    现象表明速度反馈不正常，检查尾部测速电动机电刷及引线正常。为测试测速电动机的性能，应做以下操作： 
1、将电动机固定可靠，连接动力线，不连反馈线； 
2、拿掉FANUCH系列伺服板上的S20短路跳线，取消TGLS报警使能； 
3、接通电源，伺服放大器在速度开环下运行， 电动机处于2000r/min的高速运转中。此时测量测速电动机输出电压只有6V，正常的数据是14V，可以判定伺服电动机的测速电动机不正常。更换测速电动机，机床恢复正常。
例6、　DM3600数控车床出现主轴转速上不去，最高只有50r/ min，且负载转矩显示很大。机床数控系统为三菱M3/L3，主轴伺服放大器的型号为FR-SF-2-11K-T。故障原因可能是：负载过大；主轴驱动功率模块或控制模块有故障；速度反馈 不正常。 
    检查机械传动良好，测量控制模块各测试点电压及功率模块正常，再检查主轴电动机至驱动单元之间反馈电缆和驱动运行参数也正常。设定驱动单元运行参数P00为1，给主轴运转指令，电动机在速度开环下低速运行，观察负载转矩几乎为零，由此可以判断速度反馈不正常。用示波器观察速度反馈波形，没A相波形，打开电动机上方盖子，可以看到PLC输出电路板，重新拔插电路板上的小插头，再检测A相波形正常。恢复系统闭环运行，主轴运行正常。
3．超程故障诊断
当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关设定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除报警。
例7、故障现象：一台配套FANUC 6M的加工中心，机床起动后，手动进行第4轴回参考点操作，速度控制单元出现TGLS报警。
分析与处理过程：速度控制单元出现TGLS报警的含义是“速度测量系统断线”。根据故障的含义以及实际机床情况，维修时按下列顺序进行了检查与确认：
1)检查电动机内装式脉冲编码器，未发现不良。
2)检查电动机、驱动器各连接器，均已经牢固连接。
3)用万用表测量电动机各电缆的连接，未发现问题。
4)交换驱动器的控制板未见异常。
    重新起动机床，报警消失，但回转工作台回零后，又重现报警。
为了分清故障部位，考虑到机床伺服系统为半闭环结构，试着脱开电动机与丝杠的联接后，再次开机试验，发现故障消失，因此判定故障原因在回转工作台的机械部分。
    检查后发现回转工作台的齿牙盘位置已经发生了偏离，经重新调整机械位置后，报警消除，机床恢复正常。
4．过载
     当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链润滑状态不良时，均会引起过载报警。一般会在CRT上显示伺服电动机过载、过热或过流等报警信息。同时，在强电柜中的进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过载、过电流等信息。
例8．故障现象：某配套FANUC 0T MATE系统的数控车床，在加工过程中，经常出现伺服电动机过热报警。
分析与处理过程：本机床伺服驱动器采用的是FANUC S系列伺服驱动器，当报警时，触摸伺服电动机温度在正常的范围，实际电动机无过熟现象。所以引起故障的原因应是伺服驱动器的温度检测电路故障或是过热检测热敏电阻的不良。
    通过短接伺服电动机的过热检测热敏电阻触点，再次开机进行加工试验，经长时间运行，故障消失，证明电动机过热是由于过热检测热敏电阻不良引起的，在无替换元件的条件下，可以暂时将其触点短接，使其系统正常工作。 
例9．故障现象：某配套FANUC 0T MATE系统的数控车床，在加工过程中，经常出现X轴伺服电动机过热报警。
分析与处理过程：故障分析过程同上例，经检查X轴伺服电动机外表温度过高，事实上存在过热现象。
    测量伺服电动机空载工作电流，发现其值超过了正常的范围。测量各电枢绕组的电阻，发现A相对地局部短路；拆开电动机检查发现，由于电动机的防护不当，在加工时冷却液进入了电动机，使电动机绕阻对地短路。修理电动机后，机床恢复正常。 
5．爬行
发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是：伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动与伺服电动机的转动不同步，从而使进给运动忽快忽慢，产生爬行现象。
例10．故障现象：一台配套FANUC 7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。
分析与处理过程：加工过程中坐标轴出现振动、爬行现象与多种原因有关，故障可能是机械传动系统的原因，亦可能是伺服进给系统的调整与设定不当等等。
为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下：
1)电动机负载过重。
2)机械传动系统不良
3)位置环增益过高。
4)伺服电动机不良，等等。
    维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现6个电刷中有2个的弹簧已经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起Y轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。 
6．机床出现振动
     机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以就应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。
例11．开机后发生周期性振动的报警维修
故障现象：一台配套FANUC llM的加工中心，开机时，CRT显示SV008号报警，Z轴发生周期性振动。   
分析与处理过程：FANUC llM系统出现SV008报警的含义是“坐标轴停止时的误差过大”，引起本报警的可能原因有：
1)系统位置控制参数设定错误。
2)伺服系统机械故障。
3)电源电压异常。
4)电动机和测速发电机、编码器等部件连接不良。
    根据上述可能的原因，再结合Z轴作周期性振动的现象综合分析，并通过脱开电动机与丝杠的连接试验，初步判定故障原因在伺服驱动系统的电气部分。
为了进一步判别故障原因，维修时更换了X、Z轴的伺服电动机，进行试验，结果发现故障不变，由此判定故障原因不在伺服电动机。
    由于X、Y、Z伺服驱动器的控制板规格一致，在更改设定、短接端后，更换控制板试验，证明故障原因在驱动器的控制板上。
更换驱动器控制板后，故障排除，机床恢复正常。
7．伺服电动机不转
数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V继电器线圈电压。伺服电动机不转，常用诊断方法有：①检查数控系统是否有速度控制信号输出；②检查使能信号是否接通。通过CRT观察I/O状态，分析机床PLC梯形图(或流程图)，以确定进给轴的起动条件，如润滑、冷却等是否满足；③对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；④进给驱动单元故障；⑤伺服电动机故障。
例12．外部故障引起电动机不转的故障维修 
故障现象：一台配套SIEMENS 6M系统的进口立式加工中心，在换刀过程中发现刀库不能正常旋转。
分析与处理过程：通过机床电气原理图分析，该机床的刀库回转控制采用的是6RA**系列直流伺服驱动，刀库转速是由机床生产厂家制造的“刀库给定值转换/定位控制”板进行控制的。
    现场分析、观察刀库回转动作，发现刀库回转时，PLC的转动信号已输入，刀库机械插销已经拔出，但6RA26**驱动器的转换给定模拟量未输入。由于该模拟量的输出来自“刀库给定值转换/定位控制”板，由机床生产厂家提供的“刀库给定值转换/定位控制”板原理图逐级测量，最终发现该板上的模拟开关(型号DG201)已损坏，更换同型号备件后，机床恢复正常工作。
8．位置误差
当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。主要原因有：①系统设定的允差范围小；②伺服系统增益设置不当；③位置检测装置有污染；④进给传动链累积误差过大；⑤主轴箱垂直运动时平衡装置(如平衡液压缸等)不稳。
例13．连接不良引起跟随误差报警的故障维修
故障现象：一台配套FANUC 6M系统的数控铣床(二手设备)，开机后移动X轴，CNC显示ALM411、ALM401报警。
分析与处理过程：FANUC 6M系统ALM401报警的内容同前，ALM411报警的含义是“运动时X轴跟随误差超过”。
    进一步分析、试验，发现系统全部参数设置正确，开机时驱动器无报警，且利用增量方式或手轮方式少量移动X轴(≤0.2mm)，机床仍无报警，且显示变化，但电动机不转。通过诊断参数检查X轴跟随误差DGN800的值，发现在X轴运动时，其值不断增加，当超过±200时，即出现报警，这一点与系统的“停止时允差”监控参数一致。
    由于机床开机时速度控制单元均无报警，且CNC跟随误差能变化，初步判定机床的CNC与速度控制单元均无故障。利用万用表测量驱动器的VCMD(速度给定电压)输入，发现此值始终为“0”，即：故障原因为CNC的速度给定电压未输入到驱动器。在故障确定后，检查CNC至速度控制单元的连线，发现X轴速度给定输出线中间已断裂；重新连接后，故障排除，X轴即可正常工作。 
9．漂移
当指令值为零时，坐标轴仍移动，从而造成位置误差。通过误差补偿和驱动单元的零速调整来消除。
例14．进给轴漂移的故障维修 
故障现象：一台配套FANUC l6B系统、α系列伺服驱动的卧式加工中心，在用户因驱动器损坏，重新更换Y轴驱动器后，开机后移动Y轴时，出现ALM414报警。
分析与处理过程：FANUC l6B出现ALM414报警的含义是“数字伺服报警”，故障原因可以通过诊断参数DGN200~DGN204进行检查。
    检查发现，该机床DGN200 bit2=“1”，表明再生制动电路存在不良，进一步检查驱动器，其状态显示为“4”，•表明再生制动电路存在报警。
    考虑到驱动器更换的是全新备件，据现场了解，更换驱动器前已经确认Y轴电动机、连接电缆均无异常，分析以上几点，初步确定故障原因是驱动器设定不正确引起的。
通过检查实际机床电气控制系统的设计，确认该轴驱动器使用了外接200W的再生制动电阻。因此，驱动器设定必须与此相对应。打开驱动器前盖检查，发现驱动器的再生制动设定(S3/S4)不正确。进行正确的设定后，故障排除，机床恢复正常工作。
例15．故障现象：一台配套FAGOR 8025MG，型号为XK5038-1的数控机床，工件铣削精度超差，镗孔失圆。
分析及处理过程：查已加工件，发现误差出现在横向，纵向正常；而横向加工对应X轴，故怀疑X轴有问题。手动移动X轴，发现X轴定位后位置坐标示值在0.05范围波动，而正常波动为0.001，同时X轴电动机有轻微嗡嗡声，估计X轴漂移。打开电柜，在X驱动单元上找到标志为drift的电位器，仔细调节，使X轴示值波动回复到0.001。再进行加工，精度恢复正常
10．机械传动部件的间隙与松动
在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构之外，对加工和装配必须进行严查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。
例16．电动机联轴器松动的故障维修
故障现象：一台数控车床，加工零件时，常出现径向尺寸忽大忽小的故障。
分析及处理过程：检查控制系统及加工程序均正常，然后检查传动链中电动机与丝杠的联接处，发现电动机联轴器紧固螺钉松动，使得电动机轴与丝杠产生相对运动。由于半闭环系统的位置检测器件在电动机侧，丝杠的实际转动量无法检测，从而导致零件尺寸不稳定：紧固电动机联轴器后故障消除。
     数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护。数控系统经过一段较长时间的使用，电子元器件性能要老化甚至损坏，有些机械部件更是如此，为了尽量地延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对数控系统进行日常的维护。概括起来，要注意以下几个方面。
1. 制订数控系统日常维护的规章制度
2. 应尽量少开数控柜和强电柜的门
3. 定时清扫数控柜的散热通风系统
4. 经常监视数控系统用的电网电压
5. 定期更换存储器用电池
6. 数控系统长期不用时的维护
通过学习这门《数控机床的故障诊断与维修》使我了解了许多关于数控领域的知识，明年我们就要参加工作了并且我们今后工作的重点就是对机床的检测与维修，可以说这门课程是我们最为重要的一门专业课。我想经过这学期的学习我的各个方面的能力都会提升许多的。



参考文献：《数控机床故障诊断与维修》
           中国工控网：www.gongkong.com
           数控在线： www.shukong.com
           百度贴吧： www.baidu.com
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