华中数控系统故障检修方法的实践和探讨

摘要：数控机床（或实验台）在使用的过程中，或多或少总会出现不同的故障，影响了日常教学和生产进度。为此，快速查找故障点和解决故障成了一个急需解决的问题。本文从华中数控的HED-21S实验台多次实验及数控机床维修经验总结而得，从强电线路、弱电控制线路出发，分别介绍了电机运转故障、PLC的I/O口故障等分析，希望能为数控机床的部分故障提供借鉴和分享。

关键词：机床故障  PLC故障  机床强电故障  机床弱电故障  刀架故障  I/O接口

一、数控机床的结构框架及故障类型

数控机床由四大部分组成：CNC装置、输入输出、机床伺服电气控制和机床主体。而CNC装置是数控系统的核心，CNC数控是由软件（存储的程序）来实现数字控制，实现动作的执行，完成相关任务要求。而CNC装置结构包括了软件结构（管理软件、控制软件）与硬件结构。其中硬件结构由CPU及总线（数据运算、控制器）、存储器（RAM、EPROM）、PLC装置（逻辑程序、逻辑运算）、I/O接口电路（I接口、O接口）、MDI/CRT接口、位置控制器等构成。在一个设备的使用中或多或少会出现故障，有主机故障和电气故障。 主机故障主要是发生于机床本体部分（机床侧）的机械故障。 电气故障分成强电故障与弱电故障。强电故障，主要是指发生于机床侧的电器器件及其组成电路故障。弱电故障是数控机床故障诊断的主要难点，存在于CNC装置系统，可以分成硬件故障与软件故障。（如图一 数控机床故障类型）

根据统计，约30%的故障来自于机床低压电器，如：检测元件及其电路、机床的I/O接口电路、印刷电路板及其元器件； 约占5%的“不明故障”是起因于被干扰的数字信号（或存储的数据与参数）；约10%的故障起因于监控程序、管理程序以及微程序等造成的软件故障；新程序或机床调试阶段，操作工失误造成不少“软件”故障。

（注：本文重点集中在电气故障的分析与维修，对机械部件故障不做讲述）

二、数控机床电气故障维修原则

1、先经问、听、看诊后动手。先询问产生故障的前后经过及故障现象，了解其维修史，使用年限等，观察外围状况，有无明显裂痕、缺损，并熟悉电路原理和结构特点。拆卸前要充分熟悉每个电气部件的功能、位置、连接方式及周围其他器件的关系，做好标记。 

2、先外后内 。在拆卸前先检查设备周边的故障因素，由表及内，确定为机内故障后才能拆卸。否则，盲目拆卸，可能使设备越修越坏。

3、先机械后电气。只有在确定机械零件无故障后，再进行电气方面的检查。检查电路故障时，应利用检测仪器寻找故障部件，确认无接触不良故障后，再有针对性地查看线路与机械的动作关系，以免误判。 

4、先静态后动态。在设备未通电时，判断电气设备按钮接触器、热继电器以及保险丝的好坏，从而断定故障的所在。通电试验听其声，测参数判断故障，最后进行维修。如电机缺相时，若测量三相电压值无法判断时，就应该听其声单独测每相对地电压，方可判断那一相缺损。

5、先清洁后维修。对污染较重的电气设备，先对其按钮、接线点、接触点进行清洁，检查外部控制键是否失灵，许多故障都是由脏污及导电尘块引起的。经清洁故障往往会排除。

6、先电源后设备。电源部分的故障率在整个故障设备中占的比例很高，所以先检修电源往往可以事半功倍。 

7、先普遍后特殊。因装配配件质量或其他设备故障而引起的故障，一般占常见故障的50%，电气设备的特殊故障多为软故障，要靠经验和仪表来测量和维修。例如，一个0.5KW电机带不动负载，有人认为是负载故障，根据经验用手抓电机，结果是电机本身问题。

8、先故障后调试。对于调试和故障并存的电气设备，应先排除故障，再进行调试，调试必须在电气线路正常的前提下进行。

三、常见的故障分析及维修

对于机床的电气故障，按其原理可分为电源回路和动作回路（强电控制动作，弱电控制强电）。下面分别从结构到故障点再到解决方法进行陈述。

（一）强电控制回路（电源回路）

1）强电回路电气原理结构图（如图二  强电控制回路图）。从图可反映出两个信息：

（1）反映各部件所需电源的供电情况。三相电源经熔断器、电源开关导入系统，先后接入主轴电机、伺服电机、刀架电机、220V变压器和24V变压器（系统电源），为整个CNC系统提供了电源支持。

（2）反映直接使用交流强电的部件控制情况。其中三个部分使用了交流强电，而且连接简单明了。

2）故障分析及解决方法：

（1）黑屏或整机系统不通电。检查是否有电源，电源开关是否合上，熔断器是否烧损，用万用表测量是否来电，电压多少，检查是否缺相（如果缺相，会出现黑屏，同时部分电器元件通电；也可能系统可以启动，但是无法运行），合上电源总开关，更换熔断器。

（2）电网电压不稳/突然停电/干扰突发性的欠压/过压/过流/热损耗等。断开机床，可用万用表检测输入电源电压是否稳定，是否达到额定电压值，如果处于波动状态，请等待输入电压稳定后再启动。如果经常出现，请联系供电公司处理，尽量专线专供，避免因同网干扰而造成用电电器的损坏。例１：一台普通数控车床上电后NC无法启动，CRT有辉光。故障分析：初步分析是给数控装置供电的开关稳压电源工作异常，开关电源前的低频滤波器工作异常或者电网电压波动过大造成。用万用表检测电网电压正常，滤波器正常，稳压电源输入AC220V正常，输出电压只有DC16V，而正常输入为DC24V。通过电平调整修调回复，启动机床正常，本故障由于开关电源模块不良所致。

（3）电机有响声或跳动。用万用表检查各输入三相电压，发现一相电源与其他两相电源的电压值不同（多少值视电机容量和负载性质而定。如果是0V，说明电机内绕

图二  强电控制回路图

组已经烧毁,也不能转了），说明有一相断路，及时接上。确不可缺相运行电机，否则电机会因为其他两相电流的增大（负载越大，电流曾大越大）而烧毁。

（4）主轴电机正反转相反。本实验台使用日立(HITACHI)L200变频器，那么可以进入F004查看变频器的设定，00为正转，01为反转；或KA1和KA2中间继电器所控制的信号线互换了，更换过来即可；要不就是外部的三相电源接线互换了，任意改变两相电源接线即可。

（5）交流伺服电机及步进电机不转动。在排除非控制信号及非电源的原因后，就只能更换交流伺服器及步进控制器的驱动模块了（这两个元件均是高度集成的电子模块，难于维修）。其中X轴使用的是四相电机，驱动为两相，接线时将A+\A-、B+\B-分别和A+、C+、B+、D+连接，而A-、B-、C-、D-分别短接(如图三 X轴四相电机连接)。而Z轴输入电源的R、S、T无顺序之分，他们的顺序的改变不能改变转动的方向，r、t为驱动控制器电源线（图四 伺服控制器电源输入）。

（6）刀架及换刀常见故障和排除。①一台普通数控车床在输入换刀指令后接触器KM有动作而刀架无动作，经过约10秒钟后系统显示“刀架换刀超时”，机床电柜中换刀回路的空气开关跳闸。故障分析：机床各回路中换刀回路最为简单。初步分析为电柜的强电接入相序错误。用万用表测量回路为正常，断开电源后调换AC380的任意两相相序，故障排除。②一台车床无法实现换刀，刀架始终正转，找不到目标刀。故障分析：初步分析为控制刀架反转信号的继电器KA10或者强电回路的接触器KM2工作异常，也可能为刀位到位检测的霍尔元件DC+5V电源断路或信号电缆断路（后有叙述）。经万用表测量控制反转的接触器KM2线圈烧毁，进一步检查为该线圈两极并联的灭弧器不良。更换灭弧器和接触器后故障排除。

（7）刀架、X、Z均无动作。首先按下X轴移动，看X轴显示数值是否变化，如果有，且无错误提示，说明是电机的强电输入QF2段断路。用万用表检查接通即可。这种情况还会出现按下Z轴移动，刀架选择旋转按钮，显示出错。主要原因是Z轴、刀架是具有反馈装置的半闭环系统，而X轴是步进电机控制的开环控制系统所导致的不同现象表现。所以了解机床各个输出的控制系统类型才有利于故障的分析和解决。但是，如果只是QF3断路，表现只是有以上X轴所显示情况。

（二）交流控制回路（动作回路）

1）交流控制回路电气原理结构图（如图五 刀架电机的互锁控制电路图），通篇读图，交流控制主要出现在以下两个地方：

（1）负载电路的互锁控制。这是机床刀架的交流互锁控制回路，通过220V的继电器KA4、KA5来控制两个380V的高压接触器KM1、KM2，并且完成互锁的控制要求。

（2）不便通过直流控制的回路。如机床的照明电路（也可是24V）和备用插座等，也方便和日常用电电器连接。

2）故障分析及解决方法：

在重新连接时要注意连接，否则会出现控制刀架继电器无动作的故障或者只是单向转动，无法反转复位，使刀架无法入位。部分故障参考（一）强电控制回路的（5）（6）点。

（三）直流控制回路（动作回路）。

1）急停及超程解除回路（如图六）。急停按钮是两个串联两个限位开关共同控制一个中间继电器KA，用于外部允许信号的输入。而超程解除按钮与各个限位开关并联的常开触点，在限位开关断开的情况下通过按下超程解除按钮连接KA继电器，得到外部允许信号。

2）PLC信号控制回路（图七），应该说，在此端口图中包含了几乎80%的直流控制要求，从限位、回零、刀位信号等等，是机床故障的多发方地。

（注：由于PLC的输出多于孔座针直接接入控制单元，故障的发生率也较少，但是一旦发生故障，解决将倍加困难，基本上得更换控制总线或控制单元了，所以此处将不做讲述）

3）故障分析及解决方法：

（1）24V电源断路。使用万用表逆向沿电源线路检查，找出断路点接通。通常故障可能是在交-直变电器的输出端。

（2）超程无故障报警或始终超程报警。我们先来看图形分析（图八 限位开关连接图）：

①201、202、203、204分别是各点限位开关的常闭触点，127为急停接头触点一端，在他们全部接通时为外部使能信号输入PLC的X23，说明外部准备就绪。

②X00、X01、X02、X03为超程报警常开触点，X04、X05为回零信号常开触点。

综上所述，限位开关是一组常闭与常开的触点所组成（如图九 限位开关原理图）。所以在连接限位开关时勿把常开和常闭接反，这样会造成使能信号无法导通导致机床无法启动；接断路会导致无报警或者始终报警。当然，PLC软件上的设置也会引起类似问题。如本应该是高电平的报警输出设置成了低电平，这里只需要把“0”改为“1”。 而X04与X05的断路会导致无法使系统正确“回零”， “回零”就出现超程系统故障。

（3）刀架故障分析。刀架除上面介绍的故障情景外，还有如找不到某个刀位，转个不停，出现换刀超时的现象。例如：找不到4号到位，原因可能有俩：一是4号到位的反馈线X11断路，查找接通即可解决；二是电路板输入端口烧毁，解决方法就是利用多余的端口替换毁坏端口，同时在PLC到位的软件设置上增加一位“1”，原来的4号到位名设置为“-1,0”（否则只是有点点的动作又反转回），电平位均设置位“0”的低电平（原因是为“*”后PLC就不再扫描后面的端口，就检测不到新的修改端口，设置位“1”的高电平时刀架就转个不停，原因是置位重复了），换句话说就是给了4号刀位重新命名为了5号到位。

（4）一台普通数控车床启动后Ｘ轴无法执行系统默认的正向回零操作。按下回零按钮后作负向运动。故障分析：通过观察运动状态，判断其负向运动速度约为回参考点定位速度，而且只能通过拍下急停按钮才能停止其运动。初步分析为系统参数中回参考点方式、方向设置错误，或者是回零硬件电路出现断路。首先我们来了解下华中系统坐标轴的回零过程：如果机床不执行回零指令，回参考点电路应始终为通路，监测PLC状态显示，Ｘ回零输入信号X04应为高电平状态，只有在回零时，坐标轴先以回参考点快移速度逼近参考点，直到该常闭的行程开关被压下，通路断开，坐标轴会按照系统默认的＋－＋方式以回参考点定位速度再向负向运动直到行程开关被释放，再向正向移动至第二次压下开关，最后找到Z脉冲的正确位置，机床坐标系清零，回零结束。在确认这一过程之后，检查系统参数中回零方式、方向为正常，用万用表检查回零回路，发现由行程开关至机床电柜端子排的部分为断路，由于线路采用密封结构，如果要更换电缆必须作大量拆卸工作，会破坏机床的密闭性，因此考虑临时用Ｘ轴负向超程报警信号的一对电缆替代，这样做系统将在Ｘ轴负向超程时无报警，但不影响机床使用，随后再联系机床厂家前来更换。本故障为信号线路老化、破损导致断路所致。

（5）急停不能解除。在Y17的伺服允许未导通的时，显示为“急停”，KA10信号灯不亮，按急停按钮、超程按钮均无法解除急停现象。用万用表检查伺服允许信号线，找出断路点导通。但是此处的Y17为PLC输出口，检查要不就是更换输出控制总线，要不就是系统内部的微电子元件故障，维修难度较高。

（四）其他控制回路。

1）各部件接线图（主轴驱动或变频器、进给驱动、手摇等）。（如图十 主轴变频器与电机及控制器的连接图）涉及的有电机的三相电源输入输出、自我故障检测反馈X22、正反转及CNC送来的控制指令DAS+和DAS-。而速度跟踪系统是另一个支系，它直接通过编码器检测，通过数据总线导入CNC内部比较分析，再反馈回DAS信号线，达到速度的及时跟踪修正的目的。

2）PLC参数及信号线端的定义（数据做好备份）。前面讲直流控制回路时也涉及各端口信号的介绍，在此不再介绍，而参数的设置是厂家出厂前已经设置好的系统软件，数据量也多而杂。

3）故障分析及解决方法：

（1）一台普通数控车床在工作过程中主轴有转速，但CRT无速度显示。故障分析：初步分析是系统参数设置错误，或者主轴编码器损坏、断线。首先利用华中系统得PLC状态监视器观察系统发出信号正常，利用MDI功能让主轴转动但无速度到达，退出交互界面执行Editpara.exs进入系统参数设置，经检查参数正常，用万用表检查端子排上主轴编码器电源DC5V，没有电压显示，更换电缆线后正常。本故障为编码器电缆线断线所致。

（2）普通数控车床NC启动后进入交互界面正常，但机床无法执行任何操作，无故障显示。故障分析：初步分析为系统驱动数据文件丢失或PLC参数设置不对，导致输入输出点不匹配所致。进入PLC参数存储目录下执行参数设置文件，检查PLC参数设置正常，后将备份的Hnc-21.drv、Hnc-21v4.drv文件拷贝至DRV驱动文件存储目录下覆盖，启动机床后正常，本故障由于机床断电读写错误造成数据丢失所致。

（3）一台数控试验台可执行程序，手动操作工进时正常，但Ｚ轴一旦执行G00或者手动快移时就出现急停，系统报警为跟踪误差过大，消除报警后，故障仍然存在。故障分析：初步分析为系统参数中Ｚ轴定位允差限值过小，或Z轴的外部脉冲当量分子设置不对。经检查定位允差设置正常，用百分表测量机床工作台位移，发现实际位移和指令位移不一致，查阅说明书，经计算后重新修改外部脉冲当量分子值，故障消失。

（4）一台数控试验台手动移动工作台超程后无法解除。故障分析：初步分析为系统的超程信号接反或者数控机床运动方向相反，PLC文件编写错误，或者为系统参数设置错误。这里应介绍下：比如Ｘ负向超程后，急停回路断开，各轴伺服驱动器强电不允许，机床处于急停状态，按下超程解除按钮后急停回路接通，伺服上强电，但为保护工作台不继续因为操作者的错误导致继续向负向运动从而造成事故，PLC会限制操作者执行继续负向移动的指令，只能向正向运动才能解除超程，这就意味着如果超程信号接反或者机床的运动方向错误就会在硬件上导致不能超程解除的故障。经检查，硬件部分接线正常，通过华中系统提供的PLC状态监测功能发现指令信号也正常。用备份的PLC文件覆盖原文件，故障消失。此故障为PLC文件在编译过程中出现错误所致。

（5）一台普通数控车床在开始使用后发现机床工作台的Ｚ轴移动时出现“嚣叫”，震动较大，试加工一个零件完成后，对零件质量进行检测，相应轴向尺寸偏大超差。故障分析：初步分析为系统参数中位置环和速度环参数设置不合理导致。检查位置环开环增益值和前馈系数，经过调整测试，故障排除。注意：系统参数中速度环和位置环的参数设置应根据机床的自身情况进行合理的设置，如果设置不对，常会导致工作台运动出现噪音、振荡或者超调等现象，一般都在机床出厂时由机械专业、数控专业人员配合进行调整，因此此参数的设置应谨慎，否则会影响所加工零件的精度。

（6）一台数控车床在使用一段时间后主轴指令转速和编码器反馈的实际转速不符，有比较大的差距，在低速和高速也有不同的表现。故障分析：机床使用一段时间后通常都会出现转速偏差，多数为转速偏低的问题，华中数控系统可以通过PLC参数中主轴转速修调对其进行修正。解决方法为：在机床调速范围内选取一低、一高两个转速，例如50r/min和2500r/min，利用MDI功能让主轴转动，记录编码器的反馈值。分别输入到PLC参数中该档位的设定转速与实测转速的上下限内。经调整后，转速恢复正常，故障排除。由于篇幅有限，在以上例子中只列出了几种华中系统的常见故障，其他诸如机械部分、伺服驱动器及控制部分的故障处理无法一一阐述。总之，透过故障的表象，针对可能导致故障的原因，通过分析故障产生的过程，仔细思考，不断积累经验，才能够更加高效地找到故障所在并加以排除。

（7）Z轴手动可动，松手出错。Z轴可动，说明强电驱动部分正常，外部允许正常，问题可能出现在伺服系统与数控装置相连的数据总线上，更换数据总线。

（8）X轴运动故障。（图十一 X轴控制指令线图）。①X轴点动。按下X轴移动按钮，X轴出现点动，问题出在CP+和CP-互换连接了。②X轴只朝负方向运动。按下X轴移动按钮，X轴只能往负方向移动，不能外正方向移动，问题出在DIR+和DIR-之一断路，检查接通就可，其根本原因是DIR的两路不能同时输入，就得不到正传的组合值。（或许它们两是一个逻辑电路“与”联接或一组输入相位差为900的检测信号线）③X轴电机不动。步进脉冲分配器红灯亮，X轴不动，数值变化，也不显示出错，那是X

轴控制指令线中的电源线断路了，检查接通V和GND就可解决。

（9）手摇脉冲发生器故障。手动控制伺服电机运动的方式，相当于点动方式运行，伺服速度跟手轮脉冲的频率相关，伺服移动距离跟手轮转过的总脉冲数相关，方向与两条信号输入线的相位超前与滞后有关。（图十二 手摇脉冲线路连接图）手动脉冲发生器它中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，摇动手轮后，由光电发射和接收器件读取,获得2组

正弦波信号HA、HB、,每个正弦波相差900相位差。由于HA、HB两信号相差900，可通过A相在前还是B相在前，给出正转脉冲或反转脉冲.去控制伺服电机正转或反转。检查XS8接口、HA、HB是否断路、输入电源是否为5V，如果都没问题，那么更换手摇脉冲发生器。

(10)电脑白屏。出现白屏说明数控装置有外部电源输入，只是主板（集成）没有输出。问题多数出现在接口松动，主要是主板的电源接口松动、信号输出接口松动，检查装紧，基本能解决；如果还是没有办法恢复，可能是主板电器元件故障，得更换主板。

数控机床是一个技术知识的集合，它涵盖了光、机、电、磁、自动化和计算机技术等多学科的知识，而且随着工业生产的成熟，数控技术的应用也越来越广泛，所以对它的维护维修已经是一个必不可少的课题。本总结了一些基本故障并给出了基本的解决方法，但还是不能完全适用，因为同样的故障现象但原因相差甚远。如电机不转：原因可能是强电电路不通、电源模块故障、驱动模块故障、空气开关故障、参数设置不符、外部允许故障等等。所以，对于数控机床的维修还是需要现场不断的摸索学习和总结，这样才有利于故障问题的分析和解决。

对于数控机床的维修工作，个人认为对数控机床的保养比维修更为重要，定时对数控机床的维护保养能有效地减少故障的发生率，也更能体现机床的价值和减少维修成本，创造出更多的效益。

参考文献：  

[1] 谢培元.华中世纪星系统数控机床典型故障排除的方法探析  乌鲁木齐830011  2007年第1期

[2] 谢海亮.数控综合实验台电气原理及连接 

[3] 谢海亮.数控综合实验台介绍

[4] 武汉华中数控股份有限公司.HED-21S数控综合实验台电气原理图