数控机床故障发生原因及预防措施

霍 伟

（西山煤电（集团）有限责任公司机电厂，太原 030053）

0 引言

数控机床（以下简称：CNC）是机电一体化相结合的高科技产品，由于其精度高、效率高、程序化工作，在现在工业制造领域的应用极为广泛。一台CNC在运行过程中，由于机械部件损耗、电子元器件损坏、液压系统缺油、程序出错等原因，均会使数控机床出现故障。引起故障的原因有单个系统出错、多系统综合发生故障等。在我国从事CNC运行、维护工作的人员众多，然而，由于此项技术的集成度高、复杂性、多变性以及一些客观因素的制约，在处理CNC故障的过程中，对检修人员的综合技能素质要求极高。但在实际维护检修中，往往依靠检修人员的经验和运气，并没有形成一套成熟、完整的理论体系。随着电力电子技术、机械制造技术的日益发展，CNC的数字化程度、精度也越来越高，检修人员的业务素质也需要不断提高。因此，如何系统性、全面性地分析故障发生的原因，帮助运维检修人员了解CNC设备，预防CNC的故障是值得探讨的课题。本文从概括介绍CNC故障常见原因的角度出发，介绍了处理故障的常见方法和思路，并对日常维护提出了一些贴近实际的总结和维护建议。

1 故障发生原因

区分故障发生的原因，可以多维度、多角度地进行分析归纳。

（1）按控制系统可分为硬故障和软故障。硬故障通常指CNC的机械、电气硬件部分，如传动机构、换刀机构、其他机械元器件、CNC控制器、伺服驱动、传感器、PLC模块等，当这些系统组成部分出现故障时不能简单进行修理，通常需要整体进行更换。软故障通常指软件程序如控制系统配置参数设置错误、程序紊乱或丢失等引起的机床不能正常工作，这些故障往往是由于误操作、备用RAM掉电、电网谐波串入CNC总线引起时序紊乱等，但这类故障大多可通过设备重启得以初步解决。

（2）按故障性质可分为确定性故障及随机性故障。确定性故障和硬故障相似，一般由于CNC各子系统中的某些零部件损坏或者工作环境变化导致CNC不能正常工作，这类故障也是发生频率最高的故障，类似于消耗类配件需要周期性更换，这类故障的发生有一定的规律，因此为预防及检修维护也带来一定的便捷[1]。随机性故障指的是CNC在正常运行过程中偶然发生的故障。这类故障发生具有随机性和隐藏性，故障点不好查找，因此没有一定的规律可寻，查找故障方面比较困难。随机性故障很多是因为在安装调试过程中积累下的隐患，随着CNC的运行时间增加，慢慢暴露了出来。随机性故障大多都是程序故障，多数是人为因素引起的，可通过复位、关机重启等得到解决，但是这种处理方式没有找到根本原因，故障还可能再次发生。

（3）按故障发生原因可归纳为内部原因引起的故障和外部环境引起的故障。内部原因引起的故障是CNC运行过程中自己产生的故障，与外部原因无关。外部原因故障指的是由于外部环境变化或机床不适应新的运行环境引起的CNC故障，如温度和湿度的变化、震动、输入电压波动、外部粉尘进入机床、外部干扰源侵入等。

2 CNC常见故障分析

2.1 位置环

位置环在数控系统中称为三环（速度环、电流环、位置环）之中的最外环，其作用是保证CNC的平稳性。位置环的动作频率很高，使数控系统发出控制信号，并与位置检测系统的反馈值相比较，完成一套控制任务的流程。因其与外部系统交互频繁，因此发生故障频率高、查找难度大[2]。常见的故障如下。

（1）位控环报警。一般产生原因有测量回路开路、测量系统损坏、位控单元内部损坏。

（2）无任务命令就动作。一般原因是位控单元中测量元件损坏，影响漂移值过高。

（3）测量元件损坏。一般表现为无反馈值，机床无法回归基准点或无任务动作。

（4）机床运行时产生报警，一般是由于光栅或读头脏污或损坏造成的漏脉冲。

2.2 伺服驱动系统

伺服驱动系统的控制对象机械位置或角度。其与电气系统和机械系统相关联，工作时处于频繁地停止和工作状态，是故障多发部位。其主要故障如下。

（1）系统损坏。一般由电网电压不稳定或高次谐波造成。区域供电质量不佳会造成CNC电压超限报警，且大部分电网电压波动是瞬时的，监测起来十分困难，若无专门的电压监控仪，很难判断系统或元器件损坏原因是电压波动造成的。在查找故障原因时要加以注意，还有一些是由于特殊原因造成的损坏。

（2）加工时工件表面达不到要求，走圆弧插补轴换向时出现凸台，电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服驱动系统参数调整不当，与电机匹配不合适引起[3]。

（3）保险烧断，电机过热或烧坏。这类故障一般是由于长时间过负荷或机械装置卡死造成电流升高。

2.3 电源部分

突然失去电源造成停机可以毁坏整个系统。过去我国由于电网电压不稳还伴有高次谐波的干扰，经常会发生由于电能质量问题造成的设备电源模块损坏，不过随着电力技术的成熟，供电网络的稳定性越来越高，由于电网波动引起高频谐波造成的机床故障越来越少。人为的因素如突然拉闸断电，可造成电源失控或损坏。CNC加工程序、参数设置等一般存贮在后备RAM存贮器内，RAM存储器是与CPU直接交互的存储器，一旦断电，所存储的数据立即消失，CNC很可能在下次开机时不能正常启动。

2.4 PLC（可编程控制器）故障

数控系统的逻辑控制主要由PLC实现，如机床位移、刀头切换、精细动作等均由PLC控制，可编程控制器的程序执行必须采集很多相关信号，然后与外界各种信号和执行元件高频次地交互，故障发生位置的不确定性大大增加，故障点非常难以查找。

2.5 环境条件

其他由于环境条件，例如温度、湿度、粉尘超过允许范围，参数设定不当等都可能造成停机或故障。无静电防护措施等也可能造成停机故障甚至毁坏系统[4]。

3 故障预防措施

3.1 加强管理与人员培训

CNC涉及的技术领域非常广，如电子技术、工控自动化、测控仪器、软件工程、半导体技术等等。要求运维人员不但有计算机数字控制方面的知识，还应了解机械结构、加工工艺等，因此运维人员应加强培训，不断更新数据库知识。同时还应对机床的备件、资料、维修工器具和仪器等应妥善保管。

3.2 加强日常维护

（1）定期清理设备散热和通风，防止机床出现过热。

（2）安装电网电压监测仪器及稳压装置。安装稳压装置可以极大保护由于供电系统原因引起的电力电子元器件烧坏。监测机构可以记录瞬时电网电压波动，对于判断故障发生的原因具有很大的参考意义。

（3）定期检查和更换主轴伺服电动机和各轴伺服电动机的电刷。

（4）保证数控系统的清洁，电气柜门要经常保持密封状态，经常检查各插件的接插情况，防止松动。CNC所在车间空气中漂浮着粉尘以及加工零件留存的金属性微粒，如果电气机构与这些粉尘长时间接触，容易造成元件间被击穿或烧坏。有些运维人员在夏天车间室内温度过高时，甚至会打开电气柜门采用自然降温甚至接电风扇送风降温的方式为设备降温，这种方式反而容易造成二次接线松动或粉尘进入电子元器件造成元器件损坏，加速了CNC的损坏[5]。

（5）存储器所用的电池应定期检查和更换。通常如果发生停电，数控系统中部分COMS存储器中贮存的内容靠蓄电池供电保持。蓄电池的电压或容量的降低会导致设备参数的丢失，因此蓄电池很有必要定期做直流蓄电池内阻及容量预防性试验。对容量不合格，内阻升高的蓄电池要及时更换。

（6）对机床各润滑部位定期检查。为保证各传动机构正常运转，要按照说明书的维护周期定期对各润滑部位进行检查、润滑。

（7）定期清洗液压系统中的过滤装置。过滤器如果不按时清洗，会造成液压系统油质脏污，引起液压油缸带动的执行机构动作缓慢，发出超时报警，并且压力传感器、流量传感器等信号传递装置信号传递不正常，引起机床报警[6]。

（8）定期检查清洁气源状态。CNC中用来清洁光栅尺、吹扫主轴及刀具，油雾润滑以及用气缸带动一些机械部件传动等都要使用到压缩后的干燥清洁空气。如果气源湿度较大或气管中有杂质，会对光栅尺造成极大的影响甚至会损坏光栅尺，进而影响CNC运行中直线轴不能按照指令运行到指定位置[7]。

（9）备板的维护。印刷电路板长期不用容易积尘，使用时出故障，因此备板应定期安装在数控系统中通电运行一段时间，以防止损坏。同时，长时间停机不使用的CNC也应该定时通电，让其空载运行，将堆积在机床内部的潮气和杂质排除[8]。

4 结束语

引起数控机床故障的原因有很多，在实际使用过程中要及时总结经验，做好故障点的记录和总结。机床的故障预防措施也应该在使用过程中不断积累，同时对检修运维人员应加大培训力度，学习当下最前沿的机床维护技术。对CNC的维护和管理要从细节做起，才能确保机床的稳定运行，这既是对自身切实利益的保障，又能照顾单位生产进度，在正确使用与维护CNC的道路上任重而道远。