数控机床典型电气故障诊断与维修

作者；张毅

     数控机床综合应用了计算机技术、自动化控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，随着数控技术的快速发展，数控机床的故障诊断与维修也越来越重要。

1  数控机床的加工原理及特点

1.1  数控机床的加工原理

  在机械加工过程中，依据工件的尺寸形状，刀具的走刀轨迹为直线或圆弧时，数控机床的工作过程如下：①按照坐标的方向，将刀具与工件的运动轨迹分割成一些最小的移动量（称为脉冲当量）；②通过数控系统的插补软件或运算器，把运动轨迹用“最小移动量”为单位的等效折线进行拟合；③根据拟合折线的轨迹，数控系统给机床相应的坐标轴连续不断分配进给脉冲，伺服驱动系统驱动机床做相应运动。

  刀具沿着各坐标轴的相对运动，完全是以脉冲当量为单位的，脉冲当量的单位往往是mm/脉冲，按照零件程序的要求，使刀具按照坐标的移动方向移动若干个最小位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，数控机床正是通过控制刀具运动轨迹来完成零件加工的。数控装置在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”处理（微分处理），求出一系列中间点的坐标值，然后按这些计算出来的中间点的坐标值向各坐标输出脉冲数。这些脉冲数决定了刀具运动的方向与距离，使最终的运动轨迹与加工零件的外形完全吻合，从而保证加工出的工件具有最终需要的直线或圆弧轮廓。数控装置进行的这种“数据点的密化”称为插补，一般数控装置都具有通过基本函数进行插补的功能。

1.2  数控机床的特点

  除了少数使用步进电机驱动的简易数控机床以及作为特殊用途的数控机床之外，一般来说，数控机床都具有以下一些特点。

  (1)生产效率高。数控机床主轴转速高，结构刚性好，可以选择最佳的切削参数，从而缩短实际加工时间；数控机床可以实现准确快速的自动定位，选择最佳的走刀路线，从而缩短了辅助时间；数控机床可以自动进行工件装夹，更换加工零件时，无需重新调整，并且一次装夹可以完成多工序的加工，真正实现了一机多用，大大地节省了安装调试的时间。

  (2)加工精度高。数控机床的机械传动系统和结构、部件的制造和装配精度都很高；数控机床按照程序自动加工，无需人工干预，而且还可以利用软件进行校正，实现自动补偿。因此，使用数控机床进行生产，可以保证零件的加工精度，稳定产品质量。

  (3)生产柔性大。在数控机床上，对于不同的加工零件只需改变加工程序，就能改变零件的加工工艺与工序，实现多品种、小批量零件的生产，以及新产品的试制加工；数控机床具有多轴联动的曲线和曲面加工能力，从而能够完成很多普通机床难以完成或者根本不能加工的复杂型面零件加工。

  (4)生产自动化。数控机床能够实现生产加工过程中的自动加工、自动换刀、自动排屑、自动冷却和自动润滑，能够大大减轻操作者的劳动强度，改善劳动条件。

  (5)经济效益良好。生产者可以精确计算生产成本，并对生产进度进行合理的安排，从而在一定程度上加速资金的周转，切实提高经济效益。

2数控机床电气故障的诊断与维修

2.1  数控机床典型电气故障

  数控机床电气故障分为弱电故障和强电故障。弱电部分主要有CNC装置、PMC控制器、CRT显示器以及伺服单元、输入／输出装置等电子电路。强电部分是指继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电动机、电磁铁、行程开关等电气组件及其所组成的电路。

  电气故障具体表现为：系统黑屏或者是系统启动开关失灵、系统启动后电路板空开跳闸；系统启动后机床一直报“急停”警；刀架不能换刀；主轴不转，X、Y、Z轴或其他轴不动等。

2.2  故障产生的主要原因

  故障产生的主要原因如下：①机械零部件的锈蚀、磨损和失效；②电气组件的老化、损坏和失效；③电气组件接触不良；④使用环境变化，如电流或电压波动、温度变化、液压压力和流量的波动及油污；⑤随机干扰和噪声、软件程序丢失或被破坏；⑥操作不当等。

2.3  数控机床电气故障排除方法

  数控机床电气故障排除步骤如下：①侦察，即现场调查故障，查看故障现象；②计划，即收集信息，拟定排除方法；③诊断，即进行故障定位；④维修，即解决发现的机床故障；⑤试机，即测试机床是否正常工作。

3  数控机床常见电气故障及排除方法

3.1  系统黑屏和启动开关失灵故障及排除方法

图1为数控系统启动电路原理图。若数控机床按下启动按钮后，系统不启动，首先应该检查数控机床总开关是否打开；其次，观察电气柜中电源盒的指示灯是否亮了，以此来判断电源盒是否有220 V电源电压的输入。若指示灯不亮，检查电源盒是否有220 V电源，若有220 V电源，指示灯不亮或没有24 V电源输出，则为电源盒损坏。若有24 V电源，检查系统后面是否有24 V电源，若没有，则需检查电缆线是否断路。需注意，24 V电源短路，是电压达不到24 V，也有可能使系统不启动，这就需检查其他24 V电源是否短路；还有图1所示的电路图中，若有一路断路或开关损坏，也可导致系统不启动，若系统后面有24 V电源，电路图检查也没故障，则有可能是系统坏了，需更换数控系统。

3.2机床启动后系统一直报“急停”警

  数控机床一直报“急停”警的原因有很多，包括外部急停与内部急停，无论哪种急停，一旦报“急停”警，机床就停止不能运行。不同机床报警的处理方法不同，而机床报“急停”警时，常伴随着其他报警信息的显示，根据不同报警信息，选择不同的方法。其不同故障处理方法如下：

  (1)数控机床只报“急停”警，无其他报警信息。出现这种故障时，首先应该在数控系统中PLC状态下查看PLC是否有输入和输出。若有，则根据机床电气原理图的急停电路，一次排查；若电路无故障，则需要检查急停开关是否损坏。

  (2)数控机床既报“急停”警，同时又报某轴超程。这种情况下，首先判断机床是软限位超程还是硬限位超程。若硬限位超程，在操作面板上找到超程解除，将操作方式调在手轮方式下，按住超程解除，同时手摇机床，使机床不报警为止，按几次复位键。若机床报软限位超程，则可直接在手摇方式下，使机床不报警为止。

3.3在手动方式下刀位不转换

  遇到数控机床不换刀时，首先应该在PLC状态下，按下换刀按钮，查看机床PLC是否有输入／输出信号。若没有输入信号，则需检查刀架的输入信号线或者是刀架的发信盘是否损坏。若刀架发信盘损坏，则需更换刀架发信盘；若发信盘完好，则需检查刀架的信号线与发信盘连接处是否牢靠，同时检查信号线是否有断路的情况。

  若机床有输入／输出信号，则需打开电气柜，查看继电器指示灯是否亮，接触器是否吸合，若不吸合，则有可能为接触器损坏；若吸合，检查刀架在吸合的瞬间是否有电压，若有电压，电机不转动，则有可能为刀架电机损坏。

3.4在手动方式下冷却电机不工作

  出现这种情况时，首先在PLC状态下查看冷却是否有输入和输出；其次，根据机床冷却电路图，查看线路是否有断路的情况；最后，检查电路中各电器元件是否有损坏，检查无误后，查看冷却电机是否有电压或冷却电机是否损坏。

3.5  一上电就出现空开跳闸

  出现这种情况时，不要盲目上电，先检查空开跳闸的原因。第一，有可能是空开的额定电流限值小，不够负载的电流；第二，有可能是三相电短路，或者是某路电路出现问题。

3.6  手动方式下机床主轴不转

  不同数控机床主轴转动的控制方式不同，一般机床主轴的转动是由变频器控制。系统控制PLC，PLC通过继电器控制变频器，变频器输出控制主轴的正反转。当主轴不转时，首先应该查看PLC，其次查看继电器，最后看主轴电机是否有电压，依次查看，直到查出原因为止。

4数控系统的日常维护保养

  数控系统是数控机床电气控制系统的核心。机床的数控系统在经过较长一段时间的使用后，某些元器件难免出现一些损坏或者故障。为了尽量地延长元器件的使用寿命和零部件的磨损周期，预防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与保养。

  数控系统的日常维护主要包括以下几方面：①制订并且严格执行数控系统日常维护的规章制度；②定期维护数控系统的输入／输出设备；③定期检查和更换直流电机的电刷；④定时清理数控柜的散热通风系统，以防止数控装置过热；⑤应尽量少开数控柜门和强电柜的门；⑥经常监视数控装置用的电网电压；⑦定期检查和更换存储器用的电池；⑧对备用印制线路板进行维护；⑨对长期不用的数控系统进行维护。

5结语

所有的数控机床其基本原理都相同，了解了其工作原理，才能对机床故障进行检测与维修。在进行机床维修时，首先要沉着冷静，在脑海中有一个完整的思路，避免做无用功。

6摘要：随着数控技术的发展，数控机床的维修已越来越重要。主要对数控机床电气部分的故障诊断与维修进行了介绍。基于对机床电气原理的认识，可以更好地对机床电气系统进行维修与维护。