硬件故障检测与分析

3.2　硬件故障检测与分析

数控系统的硬件由输入/输出设备、CNC装置、可编程控制器、主轴驱动装置和进给驱动装置等组成。CNC装置是数控系统的核心，其硬件主要包括CPU、存储器、输入/输出接口、MDI/CRT接口、位置控制单元等。硬件故障是指系统具体的部件损坏或者是因安装不良而造成的故障。故障诊断过程因故障类型而异，以下所述方法无先后次序之分，可穿插进行，综合分析，逐个排除。

1．常规检查

（1）外观检查：系统发生故障后，首先进行外观检查。运用自己的感官判断明显的故障，有针对性地检查可疑部分的元器件，观察空气断路器、继电器是否脱扣，继电器是否有跳闸现象，熔丝是否熔断，印制线路板上有无元件破损、断裂、过热，连接导线是否断裂、划伤，插接件是否脱落等；若有人检修过电路板，还得检查开关位置、电位器设定、短路捧选择、线路更改是否与原来状态相符；并注意观察故障出现时的噪声、振动、焦煳味、异常发热、冷却风扇是否转动正常等。

（2）连接电线、连接线检查：针对故障有关部分，用一些简单的维修工具检查各连接线、电线是否正常。尤其注意检查机械运动部位的接线部分及电缆，这些部位的接线易受力、疲劳而断裂。

例：WY203型自动换箱数控组合机床Z轴一启动，既出现跟随误差过大报警而停机。经检查发现位置控制环反馈元件光栅电缆由于运动中受力而拉伤断裂，造成丢失反馈信号。

（3）连接端及接插件检查：针对故障有关部位，检查接线端子、单元接插件。这些部件容易松动、发热、氧化、电化腐蚀而断线或接触不良。

例：TCl000型加工中心启动后出现114号报管。经检查发现，Y轴光栅适配器电缆插头松脱。

（4）恶劣环境下工作的元器件检查：针对故障有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。这些元器件容易因受热、受潮、受震动、粘灰尘或油污而失效或老化。

例：WY203型自动换箱数控组合机床一次X轴报警跟随误差太大。经检查发现，受冷却水及油的污染，光栅标尺栅和指示栅都变脏。清洗后，故障消失。

（5）易损部位的元器件检查：元器件易损部位应按规定定期检查直流伺服电机电枢、电刷及整流子，测速发电机电刷及整流子都容易磨损、粘污物，前者造成转速下降，后者造成转速不稳。

例：WY203型自动换箱数控组合机床出现一次X轴电机不能启动故障。打开电机检查发现碳刷磨损、整流子磨损、电缆接头电化学腐蚀接触不良。

（6）定期保养的部件及元器件的检查：有些部件、元器件按规定应及时清洗润滑，否则容易出现故障。如果冷却风扇不及时或清洗风道等，则易造成过负荷。如果不及时检查轴承，则在轴承润滑不良时，易造成通电后不转动。

例：TC1000型加工中心NC系统运行异常，经检查，NC系统冷却风扇未能按时清除污物，空气道堵塞，风扇过负荷而烧杯，导致冷却对象过热，出现异常。

（7）电源电压检查：电源电压检查是非常重要的环节。首先要检查电源电压是否正常，这是数控机床正常工作最重要的条件，只要电压不正常，必然造成故障停机，甚至造成系统工作状态紊乱。有很多在国外试过车的机床或试验台，运到国内安装后就是不正常，也经常是电源的问题。检查时，一定不要让事故扩大，保证局部可靠地进行电源检查，譬如先拿下负载，单独测量供电电压、各控制电压值，然后逐步扩大测量范围。

电源组件功耗大，容易出问题，而大多数情况电源故障是由负载引起的。要注意熔断器更换，因为熔断线是保护过流的，在更换新的熔丝之前一定要消除负载引起过流的因素才行。检查电源时一方面要检查电源的供电线路，另一方面，也要检查由它供电的无电源部分是否得到了正确的电压，同时，还要检查那些不该得到电的部分是否也有了电，特别还要注意到是否真的得到了该电压。例如，某设备24V与5V电压插反了，可经过实际分析，24V根本没有加到5V线路上去。这样，如果忙着去换板、换片子，就是多余。

例：TC50型加工中心INDRAMAT，X轴交流伺服单元一接通电源就出现停机现象。维修人员把X轴控制电压线路接到其他轴伺服单元供给控制电压，其他调节器正常且故障现象消失。拆下X轴伺服单元进行测量，直流电压+15V，在X轴伺服单元中有短路现象，+15V 与0V间电阻为0。检查出+l 5V与0V在PCB上有一47µF50V电容被击穿，更换该电容后，再检查+15V，伺服单元恢复正常。

2．故障现象分析法

故障分析是寻找故障的特征。如有条件最好是组织机械、电气技术人员及操作者共同会诊，捕捉出现故障时机器的异常现象，分析产品检验结果及仪器记录的内容，必要时（会出现故障发生的现象）或可能（设备还可以运行到这种故障再现而无危险）时可以让故障再现，经过分析就有可能找到故障规律和线索。

例如：某厂加工齿轮时，表面出现刀痕，机械维修人员肯定会说是电气的问题。但看过刀痕，却找不出规律，因此电气维修人员就主动地修电气，最后把相同的控制箱拿过来，还是出刀痕。这个问题直到对伺服系统的Z轴VCMD进行测量，才弄清楚是由于主轴的震动引起的刀痕，Z进给为0，刀痕照样有，拆开主轴后，发现主轴前轴承破碎。还有一些过负荷报警是由于夹头不同心，造成装夹应力使工件主轴回转时阻力太大。或由于夹爪旋转机构失效造成干滑动磨损，从而加大了工件主轴回转时负荷扭矩等。总之，一个现象的出现，要求维修人员做出准确地判断。比如齿轮面有刀痕，我们可以切一个平面，看一看是否有刀痕，然后，再看一看刀架在Z方向上是否有进给，这可以用磁性靠表来试验。有刀痕，但磁性靠表一动不动，这个合成运动一个方面不动，自然是另一方面了。所以，可以肯定是由于主轴振动引起的不规律的刀痕。这个试验是电气人员已知Z轴无VCMD情况下，想要说明机械人员通过拆主轴而做的试验方法。对于电气人员来说，无Z轴VCMD就已经说明问题了。

又如：TC1000型加工中心一次出现PLC SIMATIC S5150 S功能异常，经换件无效。检查人员发现其底座上的冷却风机损坏，转动不灵活。更换风机后系统功能正常。

3．面板显示与指示灯显示分析法

数控机床控制系统多配有面板显示器、指示灯。面板显示器能把大部分被监控的故障识别并以报警的方式给出。对于各个具体的故障，系统有固定的报警号和文字显示给予提示。特别是彩色CRT的广泛使用及反衬显示的应用使故障报警更为醒目。出现故障后，系统会根据故障情况、故障类型，提示或者同时中断运行而停机。对于加工中心运行中出现的故障，必要时，系统会自动停止加工过程，等待处理。指示灯只能粗略地提示故障部位及类型等。程序运行中出现的故障，程序会显示报警出现时程序的中断部位，坐标值显示提示故障出现时运动部件坐标位置、状态显示能提示功能执行结果。在维修人员未到现场前，操作者尽量不要破坏面板显示状态、机床故障后的状态，并向维修人员报告故障现象。维修人员应抓住故障信号及有关信息特征，分析故障原因。故障出现的程序段可能有指令执行不彻底而应答。故障出现的坐标位置可能有位置检测元件故障、机械阻力太大等现象发生。维修人员和操作者要熟悉本机床报警目录；对有些针对性不强、含义比较广泛的报警要不断总结经验，掌握这类故障报警发生的具体原因。

例：TC500型加工中心启动不起来，而板显示EPROM故障并提示出报警部位在EPROM CHIP41。因为系统软件全部存储于EPROM存储器中，它们的正确无误是系统正常工作的基本条件，因此，机床每次启动时系统都会对这些存储器的内容进行校验和检查，一旦发现检测校验有误，立即显示文字报警并指示出错芯片的片号。据此可知故障与芯片41有关。经检查41号芯片在伺服处理器MS250上，更换芯片41无效，更换MS250后故障消失。

4．系统分析法

这也是一种查找故障、缩小故障范围的方法。这种方法的要点就是弄清楚整个系统的方框图，特别是要清楚每一个单元的输入与输出信号。然后就测试这个单元的输入与输出，确定是否正常。有时甚至分割开来，另外输入一个相应的信号来判断这个单元是否正常。如果输出不正常则可以肯定问题是在这个单元。单独供给输入信号时，要特别注意原来信号的性质、大小、在不同运行状态下的信号状态以及它的作用。

确定是某一个单元之后，就要对这个单元内部状况及工作原理分析清楚，必要时，可以测绘这个局部的电气原理图，再详细地分析各单元的输入/输出关系。

某厂一个探伤机就出现过类似的情况。去分析每个单元，分析清楚它的输入/输出关系，分析它的波形，最后找出了为什么交直流同时加入时，会出现晶闸管的错误触发。值得特别强调的就是输出是由输入引起的。观察、分析输入信号是非常重要的，一定要仔细分析造成输入错误的原因，绝不要把解决问题的重点放在输出。比如说，输出有严重的干扰，我们就想方设法去滤波、选频，在输出电路上大做文章。可是，这不如在输入上加一个小小的电容，问题就都解决了。这种情况，在实际工作中肯定会碰到。

在这里还要说一下更换器件的问题。目前，我们维修的差不多都是老设备，具体地说，ROM或RAM还是采用双电压的，现在这种片子也几乎找不到了，只能用买到的片子代换。换的时候要注意哪些问题，有很多书上都有一些介绍，但最主要的是时序问题，否则，换上去也不好用。一定要把它们之间各脉冲出现的时间弄准确了，或者是用示波器看清楚了。至于管脚与电压就好办了，更换一下电平，用一个二层管脚座就可以解决问题。系统分析法要求维修人员不但有踏实的理论基础，还要有较强的动手能力才行。

例：WY203型自动换箱数控组合机床回转台控制系统为位置半闭环。系统由PLC上的程序构成位置调节器，模拟输出插件输出模拟量转速设定电压，数字输入插件输入位置反馈，交流转速调节器控制交流电机，电机内装转速传感器，位置反馈元件为脉冲编码器，一次运行中突然出现电机不启动故障。在诊断中拆除系统引向转速调节器的设定和允许信号，拆除转速调节器到电机的引线，对调节器补加设定和允许信号后发现调节器无输出，诊断出调节器自身有故障。更换之，机床恢复正常。

5．信号追踪法

信号追踪法是指按照控制系统方框图从前往后或从后向前地检查有关信号的有否、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，看有什么差异或是否符合逻辑。如果线路中由各元件“串联”组成，则出现故障时“串联”的所有元件和连接线都值得怀疑。在较长的“串联”电路中，适宜的做法是将电路分成两半，从中间开始向两个方向追踪，直到找到有问题的元件（单元）为止。两个相同的线路，可以对它们部分地交换试验。这种方法类似于把一个电机从其电源上拆下，接到另一个电源上试验电机。类似地，在其电源上另接电机测试该电源，这样可以判断出是电机还是电源有问题。但对数控机床来讲，问题就没有这么简单了，交换一个单元一定要保证该单元所处大环节（如位置控制环）的完整性，否则，可能闭环受到破坏，保护环节失效，I调节器输入得不到平衡。例如，改用Y轴调节器驱动X轴电机，若只换X轴电机及转速传感器于Y轴调节器，而不改接X轴位置反馈于Y轴反馈上，改接X轴转速设定于Y调节器上（或在NC中改X轴为Y轴号），给指令于Y轴，这时X轴各限位开关失效，且X轴移动无位置反馈，可能机床一启动即产生X轴测量回路硬件故障报警，且X轴各限位开关不起作用。

（1）接线系统（继电器-接触器系统）信号追踪法

硬接线系统具有可见接线、接线端子、测试点。故障状态可以用试电笔、万用表、示波器等简单测试工具测量电压、电流信号大小、性质、变化状态、电路的短路、断路、电阻值变化等，从而判断出故障的原因。在此举例给予说明。有一个继电器线圈K在指定工作方式下，其控制线路为经X、Y、Z三个触点接在电源P、N之间，在该工作方式中K应得电，但无动作。经检查P、N间有额定电压，再检查X-Y接点与N间有无电压，若有，则向下测Y-Z接点与N间有无电压；若无，则说明Y轴点可能不通，其余以此类推，可找出各触点、接线或K本身的故障。

例如控制板上的一个三极管元件，若C极、E极间有电源电压，B极、E极间有可使其饱和电压，接法为射极输出。如果E极对地间无电压，就说明该三极管有问题。当然对一个较复杂的单元来讲，问题就会更复杂一些，但道理是一样的。影响它的因素要多一些，关联单元相互间的制约要多一些。

（2）NC、PLC系统状态显示法

NC、PLC程序是软件结构，有些机床面板，编程仪可以进行状态显示，显示其输入、输出及中间环节标志位等的状态，用于判别故障位置。例如，PLC的输出Q由输入I0.0、中间标志位F0.1和来自NC的信号F0.2的与逻辑控制，可分别检查I0.0、F0.1、F0.2的状态。若I0.1＝0，则为外接开关断开；若F0.1＝0，则要检查F0.1的软件线路；若F0.2＝0，则要检查NC为什么不使其为1。这种检查要比硬接线系统方便得多。但由于NC、PLC功能很强而较复杂，因此要求维修人员熟悉具体机型控制原理、PLC使用的汇编语言。例如，PLC程序中多有触发器支持，有的置位信号和复位信号自维持时间不长，有些环节动作时间很短，不仔细观察，很难发现已起过作用但状态已经消失的过程。

（3）硬接线系统的强制

在追踪中也可以在信号线上加上正常情况的信号测试后继线路，但这样做是很危险的，因为这在无形之中忽略了许多连锁环节。因此要特别注意：

①要把涉及前级的线断开，避免所加电源对前级造成的损害；

②要尽量地移动可能移动的机床部分到可以较长时间移动而不至于触及限位，以免飞车碰撞；

③弄清楚所加信号是什么类型，例如，是直流还是脉冲，是恒流源还是恒压源等？

④设定要尽可能小些（因为有时运动方式和速度与设定关系很难确定）；

⑤密切注意可能忽略的连锁和可能导致的后果；

⑥要密切观察运动情况，勿使飞车或超程。

（4）NC、PLC控制变量强制

例如，SINUMKRIK SYSTEM8的ST方式和SS系列编程仪CONTRVAR方式可强制PLC输出，标志位置位或复位，借以区分故障在NC内、PLC内还是外设。接在PLC输出上的执行元件不动作，可强制该输出为1，看该元件是否带电。程序不执行若是由于PLC的一个中间标志位不为1所致，可以强制该标志位为1。当然，若程序中的该元素定义不可能为1时，强制只能得到瞬间效果。若想对标志位或输出长期强制，最好在程序中清除它的定义程序段或使该程序段虽有但不被执行。在诊断出故障单元后，亦可利用系统分析法和信号追踪法把故障范围缩小到单元内部的某个插件、芯片、元件。

6．静态测量法

静态测量法主要是用万用表测量元器件的在线电阻及晶体管上的PN结电压，用测试仪检查集成电路块等元件的好坏。

7．动态测量法

动态测量法是通过直观检查和静态测量后，根据电路原理图给印制电路板上加上必要的交、直流电压、同步电压和输入信号，然后用万用表、示波器等对印制电路板的输出电压电流及波形等全面诊断并排除故障。动态测量有：电压测量法、电流测量法及信号注入及波形观察法。

电压测量法是对可疑电路的各点电压进行普遍测量，根据测量值与已知值或经验值进行比较，再应用逻辑推理方法判断出故障所在。

电流测量法是通过测量晶体管、集成电路的工作电流、各单元电路电流和电源板负载电流来检查印制电路板的常规方法。

信号注入及波形观察法是利用信号发生器或直流电源在待查回路中的输入信号，用示波器观察输出波形。