數控系統維修

數控系統，也叫計算機數字控制系統（CNC，NC）,是通過計算機實現數字程序控制位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量等的一種控制器。廣泛應用於機械加工、飛剪、同步傳動、機器人等行業，是基於一種多軸聯動的一種控制系統。中國作為世界性的加工工廠，數控系統使用日益增多，數控系統維修成了生產過程中最根本的保證，數控系統維修也因此成為了當前控制行業的一個技術熱點，已經成了一個行業，它也是在工控維修的基礎上發展起來的另外一門技術學科。

數控系統一般都是採用DSP等高速芯片作為控制核心（有些採用PC架構），板件集成度非常高，同時數控系統不單隻存在CNC控制器，同時擴連有伺服系統、光柵編碼器器等傳感系統、邏輯控制器（PLC）、顯示界面，另外還同絲桿等機械部件關係緊密，所以數控系統維修也是一項龐大的技術工程，對維修工程師不僅僅是硬件和軟件的，還有系統性的分析能力要求，因此數控系統維修是一種技術含量非常高的專業了。

數控系統的故障可按故障的性質、表象、原因或後果等分類。

(1) 以故障發生的部位，分為硬件故障和軟件故障。硬件故障是指電子、電器件、印製電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態甚至損壞，這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟件故障一般是指PLC邏輯控制程序中產生的故障，需要輸入或修改某些數據甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬於軟件故障。最嚴重的軟件故障則是數控系統軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產廠商或其服務機構聯繫解決了。

(2) 以故障出現時有無指示，分為有診斷指示故障和無診斷指示故障。當今的數控系統都設計有內置的自診斷程序，時實監控整個系統的軟、硬件性能，一旦發現故障則會立即報警或者還有簡要文字説明在屏幕上顯示出來，結合系統配備的診斷手冊不僅可以找到故障發生的原因、部位，而且還有排除的方法提示。機牀製造者也會針對具體機牀設計有相關的故障指示及診斷説明書。上述這兩部分有診斷指示的故障加上各電氣裝置上的各類指示燈使得絕大多數電氣故障的排除較為容易。無診斷指示的故障一部分是上述兩種診斷程序的不完整性所致(如開關不閉合、接插鬆動等)。這類故障則要依靠對產生故障前的工作過程和故障現象及後果，並依靠維修人員對機牀的熟悉程度和技術水平加以分析、排除。

(3) 以故障出現時有無破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對於破壞性故障，損壞工件甚至設備的故障，維修時不允許重演，這時只能根據產生故障時的現象進行相應的檢查、分析來排除之，技術難度較高且有一定風險。如果可能會損壞工件，則可卸下工件，試着重現故障過程，但應十分小心。

(4) 以故障出現的或然性，分為系統性故障和隨機性故障。系統性故障是指只要滿足一定的條件則一定會產生的確定的故障；而隨機性故障是指在相同的條件下偶爾發生的故障，這類故障的分析較為困難，通常多與機牀機械結構的局部鬆動錯位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內部温度過高有關。此類故障的分析需經反覆試驗、綜合判斷才可能排除。

(5)以設備的運動品質特性來衡量，則是設備運動特性下降的故障。在這種情況下，設備雖能正常運轉卻加工不出合格的工件。例如設備定位精度超差、反向死區過大、座標運行不平穩等。這類故障必須使用檢測儀器確診產生誤差的機、電環節，然後通過對機械傳動系統、數控系統和伺服系統的最佳化調整來排除。

這是排故的第一階段，是非常關鍵的階段，主要應作好下列工作：

① 詢問調查在接到機牀現場出現故障要求排除的信息時，首先應要求操作者儘量保持現場故障狀態，不做任何處理，這樣有利於迅速精確地分析故障原因。同時仔細詢問故障指示情況、故障表象及故障產生的背景情況，依此做出初步判斷，以便確定現場排故所應攜帶的工具、儀表、圖紙資料、備件等，減少往返時間。

② 現場檢查到達現場後，首先要驗證操作者提供的各種情況的準確性、完整性，從而核實初步判斷的準確度。由於操作者的水平，對故障狀況描述不清甚至完全不準確的情況不乏其例，因此到現場後仍然不要急於動手處理，重新仔細調查各種情況，以免破壞了現場，使排故增加難度。

③ 故障分析根據已知的故障狀況按上節所述故障分類辦法分析故障類型，從而確定排故原則。由於大多數故障是有指示的，所以一般情況下，對照設備配套的數控系統診斷手冊和使用説明書，可以列出產生該故障的多種可能的原因。

④ 確定原因對多種可能的原因進行排查從中找出本次故障的真正原因，這時對維修人員是一種對該設備熟悉程度、知識水平、實踐經驗和分析判斷能力的綜合考驗。 ⑤排故準備有的故障的排除方法可能很簡單，有些故障則往往較複雜，需要做一系列的準備工作，例如工具儀表的準備、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的採購甚至排故計劃步驟的制定等等

數控系統故障的調查、分析與診斷的過程也就是故障的排除過程，一旦查明瞭原因，故障也就幾乎等於排除了。因此故障分析診斷的方法也就變得十分重要了。

這是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的檢查。

① 詢問向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障後果，並且在整個分析判斷過程中可能要多次詢問。

② 目視總體查看設備各部分工作狀態是否處於正常狀態(例如各座標軸位置、主軸狀態、刀庫、機械手位置等)，各電控裝置(如數控系統、温控裝置、潤滑裝置等)有無報警指示，局部查看有無保險燒煅，元器件燒焦、開裂、電線電纜脱落，各操作元件位置正確與否等等。

③ 觸摸在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、各功率及信號導線(如伺服與電機接觸器接線)的聯接狀況等來發現可能出現故障的原因。

④ 通電這是指為了檢查有無冒煙、打火、有無異常聲音、氣味以及觸摸有無過熱電動機和元件存在而通電，一旦發現立即斷電分析。

使用常規電工儀表，對各組交、直流電源電壓，對相關直流及脈衝信號等進行測量，從中找尋可能的故障。例如用萬用表檢查各電源情況，及對某些電路板上設置的相關信號狀態測量點的測量，用示波器觀察相關的脈動信號的幅值、相位甚至有無，用PLC編程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。

① 硬件報警指示這是指包括數控系統、伺服系統在內的各電子、電器裝置上的各種狀態和故障指示燈，結合指示燈狀態和相應的功能説明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法。

② 軟件報警指示如前所述的系統軟件、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示，依據顯示的報警號對照相應的診斷説明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。

現代數控系統多將PLC集成於其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的，這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示，有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示，而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本設備的接口信號，又要熟悉PLC編程器的應用。

數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同設備、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體設備相匹配，而且更是使設備各項功能達到最佳化所必需的。因此，任何參數的變化(尤其是模擬量參數)甚至丟失都是不允許的；而隨機牀的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障多指故障分類一節中後一類故障，需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的，不僅要對具體系統主要參數十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較豐富的電氣調試經驗。

當故障分析結果集中於某一印製電路板上時，由於電路集成度的不斷擴大而要把故障落實於其上某一區域乃至某一元件是十分困難的，為了縮短停機時間，在有相同備件的條件下可以先將備件換上，然後再去檢查修復故障板。備件板的更換要注意以下問題。

更換任何備件都必須在斷電情況下進行。

許多印製電路板上都有一些開關或短路棒的設定以匹配實際需要，因此在更換備件板上一定要記錄下原有的開關位置和設定狀態，並將新板作好同樣的設定，否則會產生報警而不能工作。

某些印製電路板的更換還需在更換後進行某些特定操作以完成其中軟件與參數的建立。這一點需要仔細閲讀相應電路板的使用説明。

有些印製電路板是不能輕易拔出的，例如含有工作存儲器的板，或者備用電池板，它會丟失有用的參數或者程序。必須更換時也必須遵照有關説明操作。

鑑於以上條件，在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細閲讀相關資料，弄懂要求和操作步驟之後再動手，以免造成更大的故障。

當發現故障板或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下，可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查，例如兩個座標的指令板或伺服板的交換從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應特別注意，不僅硬件接線的正確交換，還要將一系列相應的參數交換，否則不僅達不到目的，反而會產生新的故障造成思維的混亂，一定要事先考慮周全，設計好軟、硬件交換方案，準確無誤再行交換檢查。

當今的數控系統已進入PC基、開放化的發展階段，其中軟件含量越來越豐富，有系統軟件、設備製造者軟件、甚至還有使用者自己的軟件，由於軟件邏輯的設計中不可避免的一些問題，會使得有些故障狀態無從分析，例如死機現象。對於這種故障現象則可以採取特殊手段來處理，比如整機斷電，稍作停頓後再開機，有時則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實踐中摸索其規律或者其他有效的方法

這是排故的第二階段，是實施階段。

如前所述，數控系統故障的分析過程也就是故障的排除過程，因此數控故障的一些常用排除方法在上面的分析方法中已綜合介紹過了，下邊則列舉幾個常見數控系統故障做一簡要介紹，供數控系統維修者參考。

電源是維修系統乃至整個設備正常工作的能量來源，它的失效或者故障輕者會丟失數據、造成停機。重者會毀壞系統局部甚至全部。西方國家由於電力充足，電網質量高，因此其電氣系統的電源設計考慮較少，這對於我國有較大波動和高次諧波的電力供電網來説就略顯不足，再加上某些人為的因素，難免出現由電源而引起的故障。我們在設計數控機牀的供電系統時應儘量做到：

提供獨立的配電箱而不與其他設備串用。

電網供電質量較差的地區應配備三相交流穩壓裝置。

電源始端有良好的接地。

進入數控機牀的三相電源應採用三相五線制，中線(N)與接地(PE)嚴格分開。

電櫃內電器件的佈局和交、直流電線的敷設要相互隔離。

① 位置環報警。可能是位置測量回路開路；測量元件損壞；位置控制建立的接口信號不存在等。

② 座標軸在沒有指令的情況下產生運動。可能是漂移過大；位置環或速度環接成正反饋；反饋接線開路；測量元件損壞。

可能是零方向在遠離零點；編碼器損壞或接線開路；光柵零點標記移位；回零減速開關失靈。

工件加工質量下降，甚至在一定速度下機牀發生振動

這其中有很大一種可能是機械傳動系統間隙過大甚至磨損嚴重或者導軌潤滑不充分甚至磨損造成的；對於電氣控制系統來説則可能是速度環、位置環和相關參數已不在最佳匹配狀態，應在機械故障基本排除後重新進行最佳化調整。

這裏有兩種可能的情況：一種情況是如前所述的相關軟件設計中的問題造成在某些特定的操作與功能運行組合下的停機故障，一般情況下數控系統斷電後重新通電便會消失；另一種情況是由環境條件引起的，如強力干擾(電網或周邊設備)、温度過高、濕度過大等。這種環境因素往往被人們所忽視，例如南方地區將設備置於普通廠房甚至靠近敞開的大門附近，電櫃長時間開門運行，附近有大量產生粉塵、金屬屑或水霧的設備等等。這些因素不僅會造成故障，嚴重的還會損壞數控系統與設備，務必注意改善。

數控系統的核心技術都掌握在外國人的手裏，數控系統的軟件、圖紙等都比較缺乏，國內自主品牌這幾年的發展雖然很快，但市場佔有率還不夠高特別是高端產品幾乎為零，因此國內的數控數控維修還沒有形成很大的行業規模，很多數控系統維修公司都停留在摸索階段，或者只能是解決一些部件問題和局部故障，用户在選擇數控系統維修供應商時候一定要找規模比較大，技術實力比較強的企業，比如LONGI等大的技術服務公司，客户不要因為貪圖小便宜和廣告而誤了自己的大事，有些責任心和技術差的維修公司可能會把小問題搞成大故障，給自己的設備帶來不可修復的遺憾。

隨着數控系統技術的發展，數控系統維修從時域維修趨向於數據域維修，新出的數控系統的傳輸基本上已經開始以SERCOS等總線為主，網絡化控制，靠以往的那種頭痛醫頭，腳痛醫腳的傳統方法是無法診斷這類故障的了，數控系統維修也必須藉助網絡診斷工具來分析整體系統的數據才可能找到故障點，這些對數控維修工程師的技術都是一種考驗和挑戰。