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【摘要】 介绍数控设备常见故障及其检测方法，诸如利用设备系统自诊断功能、程序测试法诊断隐性故障、接口信号检查、备件替换等方法检测常见故障，并结合实际故障案例进行分析判断。
【关键词】 数控设备故障检测
【文献编码】 doi:10.3969/j.issn.0450-
9889（C）.2011.07.057
数控设备集中了高级精密尖端技术和机械、电子光学、液压等技术。数控设备具有加工精度高、加工质量稳定可靠、生产效率高、适应性强、灵活性好等特点，在各个行业得到了广泛的应用，它是现代工业设备加工的首选。由于数控设备集强、弱电，数字控制技术，机械制造于一体，因此，数控设备故障产生的原因多种多样，有机械的、数控系统的、传感元件的、驱动元件的、强电部分的、线路连接等诸多方面。一旦系统的某些部分出现故障，就会使整个设备瘫痪，影响正常生产，因此，正确维护设备及准确判断设备出现的故障，是保障生产正常进行的关键。
一、 数控设备的日常维护及降低故障出现几率的方法
对于数控设备，合理的日常维护措施可以有效预防和降低设备的故障发生率。利用设备档案，建立经常性的检查制度，针对每一台设备的具体性能和加工对象制定操作规程，建立工作、故障、维修档案是非常重要的，包括保养内容以及功能器件和元件的保养周期。如条件许可，可安排专人对设备进行定期保养。比如，在工作车间的空气中，大多含有油雾、灰尘甚至金属粉末之类的污染物，数控系统内的印制线路或电子器件容易受污染，从而引起元器件之间绝缘电阻下降，电容系数改变，甚至导致元器件及印制线路损坏。因此，数控设备的生产环境必须保持清洁；一般情况下不允许随便开启柜门，更不允许在使用过程中敞开柜门。维修或者调整设备前，应对车间的环境及设备周边的环境进行清理，清理以后，还应等空气洁净程度较好时才开始工作。
另外，电网电压的不稳定是造成数控设备故障的另一个重要原因。对数控系统的电网电压应实行实时监控制度或者对配电系统安装自动检测和过压保护设备。因为一旦超出正常的工作电压，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件的损坏。因此，配电系统在设备不具备自动检测保护的条件下，应有专人负责监视电压的波动变化情况，或尽量改善配电系统的稳定作业。
最容易令人忽视的是数控设备本身的弱点。因为数控设备基本都是采用直流电机，负责进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动，所以，设备闲置时，应注意将电刷从直流电动机中取出，以避免由于化学、电解双重腐蚀作用造成换向器表面腐蚀损坏，或导致换向器跳火造成电动机损坏。
二、 数控设备的常用检查方法
（一） 经常性检查inspection
设备发生故障后，首先应判断故障出现的具体位置和产生的原因，然后通过目测故障板，仔细检查有无电路板的污染，保险丝（管）是否熔断，元器件有无烧焦烟熏、有无过热点；有无杂物，断路、短路现象。观察阻容、半导体器件的管脚有无断脚、虚焊等，通过这些程序，一般情况下可发现一些较为明显的故障，缩小检修范围，判断故障产生的原因或者简单地排除故障。
（二） 充分利用系统自诊断 self-diagnostics功能查找故障点
和传统的机械加工设备不同，数控设备由电脑控制，数控系统的自诊断系统能随时监视数控系统的工作状态，一旦发生异常情况，会立即在CRT显示屏上显示并报警，或者通过发光LED二极管指示故障的大致起因，这是日常监测和使用中比较常见的现象，也是提供维修检查途径的最有效的方法。
近年来，随着技术的发展，新型设备大都使用了新的接口诊断技术，使用JTAG规范进行边界扫描，该规范提供了有效检测引线间隔致密的电路板上零件的能力，进一步完善了系统的自我诊断能力，但是在实时监控程度上，不如系统的自诊断功能。
（三） 利用功能程序测试法诊断设备隐性故障
功能程序测试法是将数控系统的常用功能和特殊功能用手工编程或自动编程的方法编制成一个功能测试程序系统，然后将这个程序送入数控系统，再让数控系统以安全模式运行这个测试程序，通过这个测试程序实验设备的各种运行状态的数据反馈情况，利用统计学方法得出故障概率。通过测试结果，检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能原因，为维修人员提供帮助。
（四） 利用接口信号检查故障
新型设备大多使用测试接口监测故障点，所以，通过用可编程序的控制器，在线检查机床控制系统的测试——反馈信号，将这些信号与设备附带的接口手册中规定的正确信号相对比，便可查出相应的故障点。但这种方法有一定的局限性，如果出现多个信号与手册上不符，就要求维修人员分析故障的整体现象，找出问题的关键所在，对维修人员的素质和经验要求较高。
（五） 备件替换法
随着现代技术的发展，电路的集成规模越来越大，技术也越来越复杂，按常规方法，很难把故障定位到一个很小的区域。从操作实践来说，对大规模集成电路的检测和维修是专业工厂的事情，而一旦系统发生故障，为了缩短停机时间，在没有其他检测手段的情况下，可以采用相同或相容的模块对故障模块进行替换检查，利用逻辑学上的排除法找出故障所在的模块，进行替换。在实际应用中，由于检测设备、检修人员素质等各方面的局限，为了不影响正常生产，常用备件替换法代替被损件，使系统尽快恢复生产。
三、 数控设备故障分析判断实例
（一） 故障一：设备驱动部分故障
数控设备的驱动部分，主要包括主轴驱动器和伺服驱动器。它由电源模块和驱动模块两部分组成。电源模块的作用是将380伏三相交流电经过变压器升压，再通过电桥整流成为高压直流。而驱动部分实际上是一个逆变换，将高压直流电转换为三相交流电驱动伺服电机，完成对整个伺服轴的运动和主轴的运转。因此驱动部分是最容易出故障的部件。下面以CJK6136数控机床和802S数控系统的故障现象为例，分析控制电路与机械传动接口的故障及维修。
设备的故障表现为：数控机床在加工过程中，主轴的运行发生软故障，时而回参考点，时而不能。同时，在数控操作面板上，主轴的转速显示时有时无，而设备的主轴运转正常。
应用检查设备档案的方法，对出现的故障原因进行分析，得知该机床采用变频调速，转速信号由编码器提供显示，排除了编码器损坏的可能。因为编码器损坏无法传递转速信号，所以只可能是编码器与其连接单元出现故障。从故障本身来分析，可以从两方面考虑：一是可能和数控系统连接的ECU连接松动，二是可能是和主轴的机械连接出现问题。由此，开始有的放矢地解决问题。首先检查编码器与ECU的连接。若不存在问题，就卸下编码器，检查主传动与编码器的连接键是否脱离键槽，发现问题后，修复并重新安装排除了故障。
（二） 故障二：脉冲编码器光电盘划分导致工作台定位不准
故障现象：芬兰VMC800 SIMES 880立式加工中心的工作台为双工作台，通过交换工作台完成两工件加工，工作台靠鼠盘定位，鼠牙盘等分360个齿，每个齿对应1°。工作台靠油缸上下运动实现工作的离合，通过伺服电机拉动同步齿形带，带动工作台旋转，通过脉冲编码器来检测工作台的旋转角度和定位。工作台在1996年8月份出现定位故障，工作台不能正确参考点，每次定位错误不管自动还是手动都相差几个角度，角度数，有时1°，有时2°，但是工作台如果分别正转几个角度如30°、60°、90°，再相应的反转30°、60°、90°时，定位准确，出现定位错误时，CRT出现NC 228*报警显示。
故障分析：查询228*报警内容为：M19选择无效，即M19定位程序在运行时没有完成，当时我们认为是M19定位程序和有关的NC MD出错，但检查程序和数据正常。经分析有可能是下面几种原因引起工作台定位错误：同步齿形带损坏，导致工作台实际转数与检测到的数值不符；编码器联轴节损坏；测量电路不良导致定位错误。
排除方法：根据故障原因，我们对同步齿形带和编码器联轴节进行逐一检查，发现一切正常，排除上述原因后，我们判断极有可能是测量电路不良引起的故障，本机床是由RAC 2：2-200驱动模块，驱动交流伺服电机构成Sl轴，由6Fxl l21-4BA测量模块与一个1024脉冲的光电脉冲编码器组成NC测量电路，在工作台定位出现故障时，检查工作台定位PLC图，PLC图4Al-C8上输入点E9.3、E9.4、E9.5、E9.6、E9.7是工作台在旋转联结定位的相关点，输出板4Al-C5上A2.2、A2.3、A2.4、A2.5、A2.6是相应的输出点，检查这几个点，工作状态正常，从PLC图上无法判断故障原因，于是我们检查测量电路模块6Fx1，121- 4BA无报警显示正常。在工作台定位的过程中，用示波器测量编码器的反馈信号，判定编码器出现故障。于是拆下编码器，拆下其外壳，发现光电盘与底下的指示光栅距离太近，旋转时产生摩擦，光电盘里圈不透光部分被摩擦划了一个透光圆环，导致产生不良脉冲信号，经更换编码器后正常运行，再考虑当初的报警没有显示测量电路故障，原因为编码器光电盘还没有完全损坏，是一个随机性故障，CNC无法真实显示真正的报警内容所致，因此数控设备的报警并不能完全说明故障原因，需要更加深入地进行分析。
综上所述，数控设备产生的故障原因复杂多样，因此在检修过程中，应认真分析故障产生的可能原因，然后针对故障范围进行逐步排除，直到找出故障点，才能有效排除故障。同时，还应做好设备的日常维护，做到有的放矢维修。
【参考文献】
［1］邱先念.数控设备故障诊断及维修［J］.设备管理与维修，2003（1）
［2］王超.数控设备的电器故障诊断及维修［J］.芜湖职院学报，2003（2）
［3］王刚.数控设备维修几例［J］.机械工人冷加工，2005（3）
【作者简介】陈国庆（1964-），男，广东兴宁人，广西电力职业技术学院讲师，高级技师。
（责编黎原）
【关键词】 数控设备故障检测
【文献编码】 doi:10.3969/j.issn.0450-
9889（C）.2011.07.057
数控设备集中了高级精密尖端技术和机械、电子光学、液压等技术。数控设备具有加工精度高、加工质量稳定可靠、生产效率高、适应性强、灵活性好等特点，在各个行业得到了广泛的应用，它是现代工业设备加工的首选。由于数控设备集强、弱电，数字控制技术，机械制造于一体，因此，数控设备故障产生的原因多种多样，有机械的、数控系统的、传感元件的、驱动元件的、强电部分的、线路连接等诸多方面。一旦系统的某些部分出现故障，就会使整个设备瘫痪，影响正常生产，因此，正确维护设备及准确判断设备出现的故障，是保障生产正常进行的关键。
一、 数控设备的日常维护及降低故障出现几率的方法
对于数控设备，合理的日常维护措施可以有效预防和降低设备的故障发生率。利用设备档案，建立经常性的检查制度，针对每一台设备的具体性能和加工对象制定操作规程，建立工作、故障、维修档案是非常重要的，包括保养内容以及功能器件和元件的保养周期。如条件许可，可安排专人对设备进行定期保养。比如，在工作车间的空气中，大多含有油雾、灰尘甚至金属粉末之类的污染物，数控系统内的印制线路或电子器件容易受污染，从而引起元器件之间绝缘电阻下降，电容系数改变，甚至导致元器件及印制线路损坏。因此，数控设备的生产环境必须保持清洁；一般情况下不允许随便开启柜门，更不允许在使用过程中敞开柜门。维修或者调整设备前，应对车间的环境及设备周边的环境进行清理，清理以后，还应等空气洁净程度较好时才开始工作。
另外，电网电压的不稳定是造成数控设备故障的另一个重要原因。对数控系统的电网电压应实行实时监控制度或者对配电系统安装自动检测和过压保护设备。因为一旦超出正常的工作电压，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件的损坏。因此，配电系统在设备不具备自动检测保护的条件下，应有专人负责监视电压的波动变化情况，或尽量改善配电系统的稳定作业。
最容易令人忽视的是数控设备本身的弱点。因为数控设备基本都是采用直流电机，负责进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动，所以，设备闲置时，应注意将电刷从直流电动机中取出，以避免由于化学、电解双重腐蚀作用造成换向器表面腐蚀损坏，或导致换向器跳火造成电动机损坏。
二、 数控设备的常用检查方法
（一） 经常性检查inspection
设备发生故障后，首先应判断故障出现的具体位置和产生的原因，然后通过目测故障板，仔细检查有无电路板的污染，保险丝（管）是否熔断，元器件有无烧焦烟熏、有无过热点；有无杂物，断路、短路现象。观察阻容、半导体器件的管脚有无断脚、虚焊等，通过这些程序，一般情况下可发现一些较为明显的故障，缩小检修范围，判断故障产生的原因或者简单地排除故障。
（二） 充分利用系统自诊断 self-diagnostics功能查找故障点
和传统的机械加工设备不同，数控设备由电脑控制，数控系统的自诊断系统能随时监视数控系统的工作状态，一旦发生异常情况，会立即在CRT显示屏上显示并报警，或者通过发光LED二极管指示故障的大致起因，这是日常监测和使用中比较常见的现象，也是提供维修检查途径的最有效的方法。
近年来，随着技术的发展，新型设备大都使用了新的接口诊断技术，使用JTAG规范进行边界扫描，该规范提供了有效检测引线间隔致密的电路板上零件的能力，进一步完善了系统的自我诊断能力，但是在实时监控程度上，不如系统的自诊断功能。
（三） 利用功能程序测试法诊断设备隐性故障
功能程序测试法是将数控系统的常用功能和特殊功能用手工编程或自动编程的方法编制成一个功能测试程序系统，然后将这个程序送入数控系统，再让数控系统以安全模式运行这个测试程序，通过这个测试程序实验设备的各种运行状态的数据反馈情况，利用统计学方法得出故障概率。通过测试结果，检查机床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能原因，为维修人员提供帮助。
（四） 利用接口信号检查故障
新型设备大多使用测试接口监测故障点，所以，通过用可编程序的控制器，在线检查机床控制系统的测试——反馈信号，将这些信号与设备附带的接口手册中规定的正确信号相对比，便可查出相应的故障点。但这种方法有一定的局限性，如果出现多个信号与手册上不符，就要求维修人员分析故障的整体现象，找出问题的关键所在，对维修人员的素质和经验要求较高。
（五） 备件替换法
随着现代技术的发展，电路的集成规模越来越大，技术也越来越复杂，按常规方法，很难把故障定位到一个很小的区域。从操作实践来说，对大规模集成电路的检测和维修是专业工厂的事情，而一旦系统发生故障，为了缩短停机时间，在没有其他检测手段的情况下，可以采用相同或相容的模块对故障模块进行替换检查，利用逻辑学上的排除法找出故障所在的模块，进行替换。在实际应用中，由于检测设备、检修人员素质等各方面的局限，为了不影响正常生产，常用备件替换法代替被损件，使系统尽快恢复生产。
三、 数控设备故障分析判断实例
（一） 故障一：设备驱动部分故障
数控设备的驱动部分，主要包括主轴驱动器和伺服驱动器。它由电源模块和驱动模块两部分组成。电源模块的作用是将380伏三相交流电经过变压器升压，再通过电桥整流成为高压直流。而驱动部分实际上是一个逆变换，将高压直流电转换为三相交流电驱动伺服电机，完成对整个伺服轴的运动和主轴的运转。因此驱动部分是最容易出故障的部件。下面以CJK6136数控机床和802S数控系统的故障现象为例，分析控制电路与机械传动接口的故障及维修。
设备的故障表现为：数控机床在加工过程中，主轴的运行发生软故障，时而回参考点，时而不能。同时，在数控操作面板上，主轴的转速显示时有时无，而设备的主轴运转正常。
应用检查设备档案的方法，对出现的故障原因进行分析，得知该机床采用变频调速，转速信号由编码器提供显示，排除了编码器损坏的可能。因为编码器损坏无法传递转速信号，所以只可能是编码器与其连接单元出现故障。从故障本身来分析，可以从两方面考虑：一是可能和数控系统连接的ECU连接松动，二是可能是和主轴的机械连接出现问题。由此，开始有的放矢地解决问题。首先检查编码器与ECU的连接。若不存在问题，就卸下编码器，检查主传动与编码器的连接键是否脱离键槽，发现问题后，修复并重新安装排除了故障。
（二） 故障二：脉冲编码器光电盘划分导致工作台定位不准
故障现象：芬兰VMC800 SIMES 880立式加工中心的工作台为双工作台，通过交换工作台完成两工件加工，工作台靠鼠盘定位，鼠牙盘等分360个齿，每个齿对应1°。工作台靠油缸上下运动实现工作的离合，通过伺服电机拉动同步齿形带，带动工作台旋转，通过脉冲编码器来检测工作台的旋转角度和定位。工作台在1996年8月份出现定位故障，工作台不能正确参考点，每次定位错误不管自动还是手动都相差几个角度，角度数，有时1°，有时2°，但是工作台如果分别正转几个角度如30°、60°、90°，再相应的反转30°、60°、90°时，定位准确，出现定位错误时，CRT出现NC 228*报警显示。
故障分析：查询228*报警内容为：M19选择无效，即M19定位程序在运行时没有完成，当时我们认为是M19定位程序和有关的NC MD出错，但检查程序和数据正常。经分析有可能是下面几种原因引起工作台定位错误：同步齿形带损坏，导致工作台实际转数与检测到的数值不符；编码器联轴节损坏；测量电路不良导致定位错误。
排除方法：根据故障原因，我们对同步齿形带和编码器联轴节进行逐一检查，发现一切正常，排除上述原因后，我们判断极有可能是测量电路不良引起的故障，本机床是由RAC 2：2-200驱动模块，驱动交流伺服电机构成Sl轴，由6Fxl l21-4BA测量模块与一个1024脉冲的光电脉冲编码器组成NC测量电路，在工作台定位出现故障时，检查工作台定位PLC图，PLC图4Al-C8上输入点E9.3、E9.4、E9.5、E9.6、E9.7是工作台在旋转联结定位的相关点，输出板4Al-C5上A2.2、A2.3、A2.4、A2.5、A2.6是相应的输出点，检查这几个点，工作状态正常，从PLC图上无法判断故障原因，于是我们检查测量电路模块6Fx1，121- 4BA无报警显示正常。在工作台定位的过程中，用示波器测量编码器的反馈信号，判定编码器出现故障。于是拆下编码器，拆下其外壳，发现光电盘与底下的指示光栅距离太近，旋转时产生摩擦，光电盘里圈不透光部分被摩擦划了一个透光圆环，导致产生不良脉冲信号，经更换编码器后正常运行，再考虑当初的报警没有显示测量电路故障，原因为编码器光电盘还没有完全损坏，是一个随机性故障，CNC无法真实显示真正的报警内容所致，因此数控设备的报警并不能完全说明故障原因，需要更加深入地进行分析。
综上所述，数控设备产生的故障原因复杂多样，因此在检修过程中，应认真分析故障产生的可能原因，然后针对故障范围进行逐步排除，直到找出故障点，才能有效排除故障。同时，还应做好设备的日常维护，做到有的放矢维修。
【参考文献】
［1］邱先念.数控设备故障诊断及维修［J］.设备管理与维修，2003（1）
［2］王超.数控设备的电器故障诊断及维修［J］.芜湖职院学报，2003（2）
［3］王刚.数控设备维修几例［J］.机械工人冷加工，2005（3）
【作者简介】陈国庆（1964-），男，广东兴宁人，广西电力职业技术学院讲师，高级技师。
（责编黎原）