数控车床电气原理图【数控车床的组成及工作原理】

数控车床的组成及工作原理

1.数控车床的组成

虽然数控车床种类较多，但一般均由车床主体、数控装置和伺服系统三大部分组成。图12-3是数控车床的基本组成方框图。

图12-3 数控车床的基本组成方框图

（1） 车床主体

除了基本保持普通车床传统布局形式的部分经济型数控车床外，目前大部分数控车床均已通过专门设计并定型生产。

1）主轴与主轴箱

a）主轴 数控车床主轴的回转精度，直接影响到零件的加工精度；其功率大小、回转速度影响到加工的效率；其同步运行、自动变速及定向准停等要求，影响到车床的自动化程度。

b）主轴箱 具有有级自动调速功能的数控车床，其主轴箱内的传动机构已经大大简化；具有无级自动调速(包括定向准停)的数控车床，起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了，其主轴箱也成了"轴承座"及"润滑箱"的代名词；对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床，则基本上保留其原有的主轴箱。

2）导轨

数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性，是影响零件加工质量的重要因素之一。除部分数控车床仍沿用传统的滑动导轨(金属型)外，定型生产的数控车床已较多地采用贴塑导轨。这种新型滑动导轨的摩擦系数小，其耐磨性、耐腐蚀性及吸震性好，润滑条件也比较优越。

3）机械传动机构

除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外，数控车床已在原普通车床传动链的基础上，作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构，而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构，并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。 a）螺旋传动机构 数控车床中的螺旋副，是将驱动电动机所输出的旋转运动转换成刀架在纵、横方向上直线运动的运动副。构成螺旋传动机构的部件，一般为滚珠丝杠副，如图12-4所示。

如图12-4 滚珠丝杠副

1一螺母 2一丝杠 3一滚珠 4一滚珠循环装置

滚珠丝杠副的摩擦阻力小，可消除轴向间隙及预紧，故传动效率及精度高，运动稳定，动作灵敏。但结构较复杂，制造技术要求较高，所以成本也较高。另外，自行调整其间隙大小时，难度亦较大。

b）齿轮副。在较多数控车床的驱动机构中，其驱动电动机与进给丝杠间设置有一个简单的齿轮箱（架）。齿轮副的主要作用是，保证车床进给运动的脉冲当量符合要求，避免丝杠可能产生的轴向窜动对驱动电动机的不利影响。

4）自动转动刀架

除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外，数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架，有的车床还带有各种形式的双刀架。

5）检测反馈装置

检测反馈装置是数控车床的重要组成部分，对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类，其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。

6）对刀装置

除了极少数专用性质的数控车床外，普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架，以进行多刀车削。这样，每把刀的刀位点在刀架上安装的位置，或相对于车床固定原点的位置，都需要对刀、调整和测量，并以确认，以保证零件的加工质量。

（2） 数控装置和伺服系统

数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。如果说，数控车床的检测装置相当于人的眼睛，那么，数控装置相当于人的大脑，伺服系统则相当于人的双手。这样，就不难看出这两大部分在数控车床中所处的重要位置了。

a）数控装置

数控装置的核心是计算机及其软件，它在数控车床中起“指挥”作用：数控装置接收由加工程序送来的各种信息，并经处理和调配后，向驱动机构发出执行命令；在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，以便经处理后发出新的执行命令。

b）伺服系统

伺服系统准确地执行数控装置发出的命令，通过驱动电路和执行元件（如步进电机等），完成数控装置所要求的各种位移。

2.数控车床的工作过程

数控车床的工作过程如图12-5所示。

图12-5 数控车床的工作过程

（1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

（2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。

（3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如穿孔带或磁带）上。

（4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

（5）数控装置将所接受的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统统发出执行的命令。

（6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。

数控机床一般由数控系统、伺服系统(包含伺服电机和检测反馈装置)、强电控制柜、机床本体和各类辅助装置组成。

(1)控制介质

控制介质叉称信息载体，是联系人与数控机床之间的中间媒介物质。反映了数控加工中的全部信息。数控机床的加工程序可以存储在控制 质上。常用的控制介质有穿孔纸带、磁带和磁盘等。

(2)输入装置

输^装置的作用是将程序载体(信息载体)上的数控代码传递并存人 数控系统内。

(3)数控装置

数控装置是数控机床的核心，其作用是：从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或 统软件进行编译，运算处理后，输出几种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。

(4)伺服单元和驱动装置

伺服单元是cNc和机床本体的联系环节，它把来自cNc装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接收指令的不同，伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类叉可分为直流伺服单元和交流伺服单元。伺服单元还包括位置检测装置。位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移检测出来，经反馈系统反馈到机床的数控系统中。

驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动，通过简单的机械连接部件驱动机床，使工作台精确定位或接规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。和伺服单元相对应，驱动装置有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机等。

伺服单元和驱动装置可台称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。cNc装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分。从某种意义上说，数控机床功能的强弱主要取决于cNc装置，而数控机床性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

(5)辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过翻译、逻辑判断和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令．刀具的选择和交换指令．冷却、润}骨装置的启停，工件和机床部件的松开和夹紧，分度工作台的转位分度等开关辅助动作。当今数控机床已广泛采用可编程控制器作为辅助控制装置。

(6)机廉本体

数控机床的本体指其机械结构宴体。它与传统的普通机床相似，但数控机床在整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大的变化。归纳起来主要有以下几个方面：

①采用高性能主轴及主传动部件。

②进给传动采用高效传动件。一般采用滚珠丝杠副、直线滚动导轨副等。

◎具有完善的刀具自动交换和管理系统。

④机床本身具有很高的动、静刚度。

⑤采用全封闭罩壳。由于数控机床是自动完成加工的，为了操作安全等因素，一般采用移动门结构的全封闭罩壳．对机床的加工部件进行全

数控机床工作原理和结构简介

随着科学技术的发展，机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是宇航、军工、造船、汽车和模具加工等行业，用普通机床进行加工（精度低、效率低、劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是一种综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计等新技术的机电一体化典型产品。

数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体地讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过译码、运算，从而实现控制刀具与工件相对运动，加工出所需要的零件的机床，即为数控机床。

1. 数控机床工作原理

按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件。

2. 数控机床结构

数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成，如图所示。

数控机床的加工过程

1）控制介质 控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

2）数控装置 数控装置是数控机床的核心，其功能是接受输入的加工信息，经过数控装置的系统软件和逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理，向伺服系统发出相应的脉冲，并通过伺服系统控制机床运动部件按加工程序指令运动。

3）伺服系统 伺服系统由伺服电机和伺服驱动装置组成，通常所说数控系统是指数控装置与伺服系统的集成，因此说伺服系统是数控系统的执行系统。数控装置发出的速度和位移指令控制执行部件按进给速度和进给方向位移。每个进给运动的执行部件都配备一套伺服系统，有的伺服系统还有位置测量装置，直接或间接测量执行部件的实际位移量，并反馈给数控装置，对加工的误差进行补偿。

4）机床本体

数控机床的本体与普通机床基本类似，不同之处是数控机床结构简单、刚性好，传动系

统采用滚珠丝杠代替普通机床的丝杠和齿条传动，主轴变速系统简化了齿轮箱，普遍采用变频调速和伺服控制。

数控车床的刀具

（1）对刀具的要求

数控车床能兼作粗、精加工。为使粗加工能以较大切削深度、较大进给速度地加工，要求粗车刀具强度高、耐用度好。精车首先是保证加工精度，所以要求刀具的精度高、耐用度好。为减少换刀时间和方便对刀，应可能多地采用机夹刀。

数控车床还要求刀片耐用度的一致性好，以便于使用刀具寿命管理功能。在使用刀具寿命管理时，刀片耐用度的设定原则是以该批刀片中耐用度最低的刀片作为依据的。在这种情况下，刀片耐用度的一致性甚至比其平均寿命更重要。

（2）数控车床的刀具

数控车削用的车刀一般分为三类，即尖形车刀、圆弧形车刀和成型车刀。以直线形切削刃为特征的车刀一般称为尖形车刀。这类车刀的刀尖(同时也为其刀位点)由直线形的主、副切削刃构成，如90º内、外圆车刀，左、右端面车刀，切槽(断)车刀及刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀。用这类车刀加工零件时，其零件的轮廓形状主要由一个独立的刀尖或一条直线型主切削刃位移后得到，它与另两类车刀加工时所得到零件轮廓形状的原理是截然不同的。

圆弧形车刀是较为特殊的数控加工用车刀。其特征是，构成主切削刃的刀刃形状为一圆度误差或线轮廓度误差很小的圆弧；该圆弧刃每一点都是圆弧形车刀的刀尖，因此，刀位点不在圆弧上，而在该圆弧的圆心上；车刀圆弧半径理论上与被加工零件的形状无关，并可按需要灵活确定或测定后确认。当某些尖形车刀或成型车刀(如螺纹车刀)的刀尖具有一定的圆弧形状时，也可作为这类车刀使用。圆弧形车刀可以用于车削内、外表面，特别适宜于车削各种光滑连接(凹形)的成型面。

成型车刀俗称样板车刀，其加工零件的轮廓形状完全由车刀刀刃的形状和尺寸决定。数控车削加工中，常见的成型车刀有小半径圆弧车刀、非矩形车槽刀和螺纹车刀等。在数控加工中，应尽量少用或不用成型车刀，当确有必要选用时则应在工艺准备文件或加工程序单上进行详细说明。

为了适应数控机床自动化加工的需要(如刀具的对刀或预调、自动换刀或转刀、自动检测及管理工作等)，并不断提高产品的加工质量和生产效率，节省刀具费用，应多使用模块化和标准化刀具。

2. 数控车床的卡盘

液压卡盘是数控车削加工时夹紧工件的重要附件，对一般回转类零件可采用普通液压卡盘；对零件被夹持部位不是圆柱形的零件，则需要采用专用卡盘；用棒料直接加工零件时需要采用弹簧卡盘。

3. 数控车床的尾座

对轴向尺寸和径向尺寸的比值较大的零件，需要采用安装在液压尾架上的活顶尖对零件尾端进行支撑，才能保证对零件进行正确的加工。尾架有普通液压尾架和可编程液压尾座。

4. 数控车床的刀架

刀架是数控车床非常重要的部件。数控车床根据其功能，刀架上可安装的刀具数量—般为8把、10把、12把或16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。

刀架的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀架上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀架为直排式，刀具沿一条直线安装。

数控车床可以配备两种刀架：

（1）专用刀架 由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这种刀架的优点是制造成本低，但缺乏通用性。

（2）通用刀架 根据一定的通用标准而生产的刀架，数控车床生产厂商可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。

5. 数控车床的铣削动力头

数控车床刀架上安装铣削动力头可以大大扩展数控车床的加工能力。

数控机床保养维修技术

随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。

数控维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，因此，目前它已经成为一门专门的学科。

另外任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。 我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：人员素质较差，缺乏数字测试分析手段，数域和数域与频域综合方面的测试分析技术等有待提高等等。

下面我们从现代数控系统的基本构成入手，探讨数控系统的诊断与维修。

1 数控系统的构成与特点

目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。

控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。

数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。

2 现代数控系统维修工作的基本条件

2.1 维修工作人员的基本条件

维修工作开展得好坏首先取决于人员条件。维修工作人员必须具备以下要求：

（1）高度的责任心与良好的职业道德；

（2）知识面广，掌握计算机技术、模拟与数字电路基础、自动控制与电机拖动、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与一定的外语水平；

（3）经过良好的技术培训，掌握有关数控、驱动及PLC的工作原理，懂得CNC编程和编程语言；

（4）熟悉结构，具有实验技能和较强的动手操作能力；

（5）掌握各种常用（尤其是现场）的测试仪器、仪表和各种工具。

2.2 在维修手段方面应具备的条件

（1）准备好常用备品、配件；

（2）随时可以得到微电子元器件的实际支援或供应；

（3）必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机。最好有小型编程系统或编程器，用以支援设备调试；

（4）完整资料、手册、线路图、维修说明书（包括CNC操作说明书）以及接口、调整与诊断、驱动说明书，PLC说明书（包括PLC用户程序单），元器件表格等。

2.3 维修前的准备

接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场信息、现场情况及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。据此预先分析可能出现的故障原因与部位，而后在出发到现场之前，准备好有关的技术资料与维修服务工具、仪器备件等，做到有备而去。

3 现场维修

现场维修是对数控机床出现的故障（主要是数控部分）进行诊断，找出故障部位，以相应的正常备件更换，使机床恢复正常运行。这过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。从整机定位到插线板，在某些场合下甚至定位到元器件。这是整个维修工

作的主要部分。

3.1 数控系统的故障诊断

（1）初步判别 通常在资料较全时，可通过资料分析判断故障所在，或采取接口信号法根据故障现象判别可能发生故障的部位，而后再按照故障与这一部位的具体特点，逐个部位检查，初步判别。在实际应用中，可能用一种方法即可查到故障并排除，有时需要多种方法并用。对各种判别故障点的方法的掌握程度主要取决于对故障设备原理与结构掌握的深度。

（2）报警处理 ①系统报警的处理：数控系统发生故障时，一般在显示屏或操作面板上给出故障信号和相应的信息。通常系统的操作手册或调整手册中都有详细的报警号，报警内容和处理方法。由于系统的报警设置单一、齐全、严密、明确、维修人员可根据每一警报后面给出的信息与处理办法自行处理。②机床报警和操作信息的处理：机床制造厂根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过特定键，看到更详尽的报警说明。这类报警可以根据机床厂提供的排除故障手册进行处理，也可以利用操作面板或编程器根据电路图和PLC程序，查出相应的信号状态，按逻辑关系找出故障点进行处理。

（3）无报警或无法报警的故障处理 当系统的PLC无法运行，系统已停机或系统没有报警但工作不正常时，需要根据故障发生前后的系统状态信息，运用已掌握的理论基础，进行分析，做出正确的判断。下面阐述这种故障诊断和排除办法。

故障诊断方法

常规检查法

目测 目测故障板，仔细检查有无保险丝烧断，元器件烧焦，烟熏，开裂现象，有无异物断路现象。以此可判断板内有无过流，过压，短路等问题。

手摸 用手摸并轻摇元器件，尤其是阻容，半导体器件有无松动之感，以此可检查出一些断脚，虚焊等问题。

通电 首先用万用表检查各种电源之间有无断路，如无即可接入相应的电源，目测有无冒烟，打火等现象，手摸元器件有无异常发热，以此可发现一些较为明显的故障，而缩小检修范围。

例如：在哈尔滨某工厂排除故障时，机床的数控系统和PLC运行正常，但机床的液压系统无法启动，用编程器检查PLC程序运行正常，各所需信号状态均满足开机条件。进一步检查中发现，PLC信号状态与图纸和设备上的标记不一致，停机拔出电路板检查，发现PLC两块输出板编址不对，与另两块位置搞错，经交换后，机床正常运转。对于发生这个故障的机床所采用的SIMATIC S5—150K可编程控制器，只要编址正确，无论将线路板的位置怎样排列，系统均能正常运转，但相应地执行元件和信号源必须正确地对应，一旦对应错误就会发生故障，甚至毁坏机床。另外，根据用户提供的故障现象，结合自己的现场观察，运用系统工作原理亦可迅速做出正确判断。

仪器测量法 当系统发生故障后，采用常规电工检测仪器，工具，按系统电路图及机床电路图对故障部分的电压，电源，脉冲信号等进行实测判断故障所在。如电源的输入电压超限，引起电源监控可用电压表测网络电压，或用电压测试仪实时监控以排除其它原因。如发生位置控制环故障可用示波器检查测量回路的信号状态，或用示波器观察其信号输出是否缺相，有无干扰。例如，上海某厂在排除故障中，系统报警，位置环硬件故障，用示波器检查发现有干扰信号，我们在电路中用接电容的方法将其滤掉使系统工作正常。如出现系统无法回基准点的情况，可用示波器检查是否有零标记脉冲，若没有可考虑是测量系统损坏。 用可编程控制器进行PLC中断状态分析：可编程序控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障所在。在可编程序控制器的维修中这是最常用有效和快速的办法。

接口信号检查：通过用可编程序控制器检查机床控制系统的接口信号，并与接口手册的正确信号相对比，亦可查出相应的故障点。

诊断备件替换法：现代数控系统大都采用模块化设计，按功能不同划分不同模块，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，而一

旦系统发生故障，为了缩短停机时间，我们可以根据模块的功能与故障现象，初步判断出可能的故障模块，用诊断备件将其替换，这样可迅速判断出有故障的模块。在没有诊断备件的情况下可以采用现场相同或相容的模块进行替换检查，对于现代数控的维修，越来越多的情况采用这种方法进行诊断，然后用备件替换损坏模块，使系统正常工作。尽最大可能缩短故障停机时间，使用这种方法在操作时注意一定要在停电状态下进行，还要仔细检查线路板的版本，型号，各种标记，跨接是否相同，对于有关的机床数据和电位计的位置应做好记录，拆线时应做好标志。

利用系统的自诊断功能判断：现代数控系统尤其是全功能数控具有很强的自诊断能力，通过实施时监控系统各部分的工作，及时判断故障，给出报警信息，并做出相应的动作，避免事故发生。然而有时当硬件发生故障时，就无法报警，有的数控系统可通过发光管不同的闪烁频率或不同的组合做出相应的指示，这些指示配合使用就可帮助我们准确地诊断出故障模板的位置。如SINUMERIK 8系统根据MS100 CPU板上四个指示灯和操作面板上的FAULT灯的亮灭组合就可判断出故障位置。

上述诊断方法，在实际应用时并无严格的界限，可能用一种方法就能排除故障，亦可能需要多种方法同时进行。其效果主要取决于对系统原理与结构的理解与掌握的深度，以及维修经验的多少。

3.2 数控系统的常见故障分析

根据数控系统的构成，工作原理和特点，结合我们在维修中的经验，将常见的故障部位及故障现象分析如下。

（1）位置环 这是数控系统发出控制指令，并与位置检测系统的反馈值相比较，进一步完成控制任务的关键环节。它具有很高的工作频度，并与外设相联接，所以容易发生故障。

常见的故障有：①位控环报警：可能是测量回路开路；测量系统损坏，位控单元内部损坏。②不发指令就运动，可能是漂移过高，正反馈，位控单元故障；测量元件损坏。③测量元件故障，一般表现为无反馈值；机床回不了基准点；高速时漏脉冲产生报警可能的原因是光栅或读头脏了；光栅坏了。

（2）伺服驱动系统 伺服驱动系统与电源电网，机械系统等相关联，而且在工作中一直处于频繁的启动和运行状态，因而这也是故障较多的部分。

其主要故障有：①系统损坏。一般由于网络电压波动太大，或电压冲击造成。我国大部分地区电网质量不好，会给机床带来电压超限，尤其是瞬间超限，如无专门的电压监控仪，则很难测到，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。如华北某厂由于雷击中工厂变电站并窜入电网而造成多台机床伺服系统损坏。②无控制指令，而电机高速运转。这种故障的原因是速度环开环或正反馈。如在东北某厂，引进的西德WOTAN公司转子铣床在调试中，机床X轴在无指令的情况下，高速运转，经分析我们认为是正反馈造成的。因为系统零点漂移，在正反馈情况下，就会迅速累加使电机在高速下运转，而我们按标签检查线路后完全正确，机床厂技术人员认为不可能接错，在充分分析与检测后我们将反馈线反接，结果机床运转正常。机床厂技术人员不得不承认德方工作失误。还有一例子，我们在天津某厂培训讲学时，应厂方要求对他们厂一台自进厂后一直无法正常工作的精密磨床进行维修，其故障是：机床一启动电机就运转，而且越来越快，直至最高转速。我们分析认为是由于速度环开路，系统漂移无法抑制造成。经检查其原因是速度反馈线接到了地线上造成。③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，或电机低速爬行或振动，这类故障一般是由于伺服系统调整不当，各轴增益系统不相等或与电机匹配不合适引起，解决办法是进行最佳化调节。④保险烧断，或电机过热，以至烧坏，这类故障一般是机械负载过大或卡死。

（3）电源部分 电源是维持系统正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。一般在欧美国家，这类问题比较少，在设计上这方面的因素考虑的不多，但在中国由于电源波动较大，质量差，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，加上人为的因素（如突然拉闸断电等）。这些原因可造成电源故障监控或损坏。另外，数控系统部分运行数据，设定数据以及加工程序等一般存贮在RAM存贮器内，系统断电后，靠电源的后备蓄电池或锂电池来保持。因而，停机时间比较长，拔插电源或

存贮器都可能造成数据丢失，使系统不能运行。

（4）可编程序控制器逻辑接口 数控系统的逻辑控制，如刀库管理，液压启动等，主要由PLC来实现，要完成这些控制就必须采集各控制点的状态信息，如断电器，伺服阀，指示灯等。因而它与外界种类繁多的各种信号源和执行元件相连接，变化频繁，所以发生故障的可能性就比较多，而且故障类型亦千变万化。

（5）其他 由于环境条件，如干扰，温度，湿度超过允许范围，操作不当，参数设定不当，亦可能造成停机或故障。有一工厂的数控设备，开机后不久便失去数控准备好信号，系统无法工作，经检查发现机体温度很高，原因是通气过滤网已堵死，引起温度传感器动作，更换滤网后，系统正常工作。不按操作规程拔插线路板，或无静电防护措施等，都可能造成停机故障甚至毁坏系统。

一般在数控系统的设计、使用和维修中，必须考虑对经常出现故障的部位给予报警，报警电路工作后，一方面在屏幕或操作面板上给出报警信息，另一方面发出保护性中断指令，使系统停止工作，以便查清故障和进行维修。

3.3 故障排除方法

（1）初始化复位法 一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存贮区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。

（2）参数更改，程序更正法 系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。例如，在哈尔滨某厂转子铣床上采用了测量循环系统，这一功能要求有一个背景存贮器，调试时发现这一功能无法实现。检查发现确定背景存贮器存在的数据位没有设定，经设定后该功能正常。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。

（3）调节，最佳化调整法 调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。如某军工厂维修中，其系统显示器画面混乱，经调节后正常。在山东某厂，其主轴在启动和制动时发生皮带打滑，原因是其主轴负载转矩大，而驱动装置的斜升时间设定过小，经调节后正常。

最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。

（4）备件替换法 用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。

（5）改善电源质量法 目前一般采用稳压电源，来改善电源波动。对于高频干扰可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。

（6）维修信息跟踪法 一些大的制造公司根据实际工作中由于设计缺陷造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员。以此做为故障排除的依据，可正确彻底地排除故障。

3.4 维修中应注意的事项

（1）从整机上取出某块线路板时，应注意记录其相对应的位置，连接的电缆号，对于固定安装的线路板，还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。拆卸下的压件及螺钉应放在专门的盒内，以免丢失，装配后，盒内的东西应全部用上，否则装配不完整。

（2）电烙铁应放在顺手的前方，远离维修线路板。烙铁头应作适当的修整，以适应集成电路的焊接，并避免焊接时碰伤别的元器件。

（3）测量线路间的阻值时，应断电源，测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。

（4）线路板上大多刷有阻焊膜，因此测量时应找到相应的焊点作为测试点，不要铲除焊膜，有的板子全部刷有绝缘层，则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。

（5）不应随意切断印刷线路。有的维修人员具有一定的家电维修经验，习惯断线检查，但数控设备上的线路板大多是双面金属孔板或多层孔化板，印刷线路细而密，一旦切断不易焊接，且切线时易切断相邻的线，再则有的点，在切断某一根线时，并不能使其和线路脱离，需要同时切断几根线才行。

（6）不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下只是凭感觉那一个元件坏了，就立即拆换，这样误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。

（7）拆卸元件时应使用吸锡器及吸锡绳，切忌硬取。同一焊盘不应长时间加热及重复拆卸，以免损坏焊盘。

（8）更换新的器件，其引脚应作适当的处理，焊接中不应使用酸性焊油。

（9）记录线路上的开关，跳线位置，不应随意改变。进行两极以上的对照检查时，或互换元器件时注意标记各板上的元件，以免错乱，致使好板亦不能工作。

（10）查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电。应注意高压，有的线路板直接接入高压，或板内有高压发生器，需适当绝缘，操作时应特别注意。

4 数控机床开机调试

数控机床是一种技术含量很高的机电仪一体化的机床，用户买到一台数控机床后，是否正确的安全地开机，调试是很关键的一步。这一步的正确与否在很大程序上决定了这台数控机床能否发挥正常的经济效率以及它本身的使用寿命，这对数控机床的生产厂和用户厂都是事关重大的课题。数控机床开机，调试应按下列的步骤进行。

4.1 通电前的外观检查

（1）机床电器检查 打开机床电控箱，检查继电器，接触器，熔断器，伺服电机速度，控制单元插座，主轴电机速度控制单元插座等有无松动，如有松动应恢复正常状态，有锁紧机构的接插件一定要锁紧，有转接盒的机床一定要检查转接盒上的插座，接线有无松动，有锁紧机构的一定要锁紧。

（2）CNC电箱检查 打开CNC电箱门，检查各类接口插座，伺服电机反馈线插座，主轴脉冲发生器插座，手摇脉冲发生器插座，CRT插座等，如有松动要重新插好，有锁紧机构的一定要锁紧。按照说明书检查各个印刷线路板上的短路端子的设置情况，一定要符合机床生产厂设定的状态，确实有误的应重新设置，一般情况下无需重新设置，但用户一定要对短路端子的设置状态做好原始记录。

（3）接线质量检查 检查所有的接线端子。包括强弱电部分在装配时机床生产厂自行接线的端子及各电机电源线的接线端子，每个端子都要用旋具紧固一次，直到用旋具拧不动为止，各电机插座一定要拧紧。

（4）电磁阀检查 所有电磁阀都要用手推动数次，以防止长时间不通电造成的动作不良，如发现异常，应作好记录，以备通电后确认修理或更换。

（5）限位开关检查 检查所有限位开关动作的灵活及固定性是否牢固，发现动作不良或固定不牢的应立即处理。

（6）操作面板上按钮及开关检查，检查操作面板上所有按钮，开关，指示灯的接线，发现有误应立即处理，检查CRT单元上的插座及接线。

（7）地线检查 要求有良好的地线，测量机床地线，接地电阻不能大于1Ω。

（8）电源相序检查 用相序表检查输入电源的相序，确认输入电源的相序与机床上各处标定的电源相序应绝对一致。

有二次接线的设备，如电源变压器等，必须确认二次接线的相序的一致性。要保证各处相序的绝对正确。此时应测量电源电压，做好记录。

4.2 机床总电压的接通

（1）接通机床总电源，检查CNC电箱，主轴电机冷却风扇，机床电器箱冷却风扇的转向是否正确，润滑，液压等处的油标志指示以及机床照明灯是否正常，各熔断器有无损坏，如有异常应立即停电检修，

无异常可以继续进行。

（2）测量强电各部分的电压特别是供CNC及伺服单元用的电源变压器的初次级电压，并作好记录。

（3）观察有无漏油，特别是供转塔转位、卡紧，主轴换档的以及卡盘卡紧等处的液压缸和电磁阀。如有漏油应立即停电修理或更换。

4.3 CNC电箱通电

（1）按CNC电源通电按扭，接通CNC电源，观察CRT显示，直到出现正常画面为止。如果出现ALARM显示，应该寻找故障并排除，此时应重新送电检查。

（2）打开CNC电源，根据有关资料上给出的测试端子的位置测量各级电压，有偏差的应调整到给定值，并作好记录。

（3）将状态开关置于适当的位置，如日本FANUC系统应放置在MDI状态，选择到参数页面。逐条逐位地核对参数，这些参数应与随机所带参数表符合。如发现有不一致的参数，应搞清各个参数的意义后再决定是否修改，如齿隙补偿的数值可能与参数表不一致，这在进行实际加工后可随时进行修改。

（4）将状态选择开关放置在JOG位置，将点动速度放在最低档，分别进行各坐标正反方向的点动操作，同时用手按与点动方向相对应的超程保护开关，验证其保护作用的可靠性，然后，再进行慢速的超程试验，验证超程撞块安装的正确性。

（5）将状态开关置于回零位置，完成回零操作，参考点返回的动作不完成就不能进行其它操作。因此遇此情况应首先进行本项操作，然后再进行第（4）项操作。

（6）将状态开关置于JOG位置或MDI位置，进行手动变档试验，验证后将主轴调速开关放在最低位置，进行各档的主轴正反转试验，观察主轴运转的情况和速度显示的正确性，然后再逐渐升速到最高转速，观察主轴运转的稳定性。

（7）进行手动导轨润滑试验，使导轨有良好的润滑。

（8）逐渐变化快移超调开关和进给倍率开关，随意点动刀架，观察速度变化的正确性。

4.4 MDI试验

（1）测量主轴实际转速 将机床锁住开关放在接通位置，用手动数据输入指令，进行主轴任意变档，变速试验，测量主轴实际转速，并观察主轴速度显示值，调整其误差应限定在5％之内。

（2）进行转塔或刀座的选刀试验 其目的是检查刀座或正、反转和定位精度的正确性。

（3）功能试验 根据定货的情况不同，功能也不同，可根据具体情况对各个功能进行试验。为防止意外情况发生，最好先将机床锁住进行试验，然后再放开机床进行试验。

（4）EDIT功能试验 将状态选择开关置于EDIT位置，自行编制一简单程序，尽可能多地包括各种功能指令和辅助功能指令，移动尺寸以机床最大行程为限，同时进行程序的增加，删除和修改。

（5）自动状态试验 将机床锁住，用编制的程序进行空运转试验，验证程序的正确性，然后放开机床，分别将进给倍率开关，快速超调开关，主轴速度超调开关进行多种变化，使机床在上述各开关的多种变化的情况下进行充分地运行，后将各超调开关置于100％处，使机床充分运行，观察整机的工作情况是否正常。

至此，一台数控机床才算开机调试完毕。

5 维修调试后的技术处理

在现场维修结束后，应认真填写维修记录，列出有关必备的备件的清单，建立用户档案，对于故障时间，现象，分析诊断方法，采用排故方法，如果有遗留问题应详尽记录，这样不仅使每次故障都有据可查，而且也可以积累维修经验。

以上对于数控系统维修技术的阐述，是我们几年中近百次数控系统的调试和维修的经验的总结。虽然，数控系统种类繁多，故障千变万化，维修方法也不尽相同，一篇短文很难尽述，但是我们仍希望把一些基本方法与思路写出来，与大家交流以期能引起人们对数控系统维修技术的重视，维修技术的直接目的和结果是使数控系统恢复正常运行，从而保证生产的顺利进行。目前在我们国家数控技术正迅速向各工业部门

渗透，随着电子技术的发展，数控技术在国民经济中的地位也就随之提高，那么对于数控技术重要组成部分—数控系统维修技术也应迅速适应数控技术飞速发展的要求，作为一名数控系统维修技术人员，就应该不断地学习和掌握新的知识与技术，寻找新的维修诊断的方法和手段，为推动数控系统维修技术的发展做出应有的贡献。

数控机床维修保养技术详解

数控技术及数控机床的应用，成功地解决了某些形状复杂，一致性要求高的中、小批零件的自动化问题，这不仅大大提高了生产效率和加工精度，还减轻了工人的劳动强度，缩短了生产准备周期。但是，在数控车床使用过程中，数控车床难免会出现各种故障，所以故障的维修就成了数控车床使用者最关键的问题。一方面销售公司售后服务不能得到及时保证，另一方面掌握一些维修技术可以快速判断故障所在，缩短维修时间，让设备尽快运转起来。在日常故障中，我们经常遇见的是刀架类、主轴类、螺纹加工类、系统显示类、驱动类、通信类等故障。而刀架故障在其中占有很大比例。在这里，分类介绍一下日常工作中遇见的四工位电动刀架各类故障及相应地解决方法，希望能给大家提供一些有益的借鉴。所用数控系统是广州数控设备有限公司所生产的GSK系列车床数控系统。

故障现象一：电动刀架锁不紧

故障原因 处理方法

①发信盘位置没对正 :拆开刀架的顶盖，旋动并调整发信盘位置，使刀架的霍尔元件对准磁钢，使刀位停在准确位置。

②系统反锁时间不够长:调整系统反锁时间参数即可（新刀架反锁时间ｔ＝１.2ｓ即可）。

③机械锁紧机构故障 :拆开刀架，调整机械，并检查定位销是否折断.

故障现象二：电动刀架某一位刀号转不停，其余刀位可以转动

故障原因 处理方法

①此位刀的霍尔元件损坏:确认是哪个刀位使刀架转不停，在系统上输入指令转动该刀位，用万用表量该刀位信号触点对+24V触点是否有电压变化，若无变化，可判定为该位刀霍尔元件损坏，更换发信盘或霍尔元件。

②此刀位信号线断路，造成系统无法检测到位信号:检查该刀位信号与系统的连线是否存在断路，正确连接即可。

③系统的刀位信号接收电路有问题:当确定该刀位霍尔元件没问题，以及该刀位信号与系统的连线也没问题的情况下更换主板。

节省机床校准时间的测量方法

常规测量数控机床位移误差的方法是静态的——在每次测量间隔机器要停几秒钟稳定下来，然后采集定位数据。对于小间距或长行程机床的测量，这意味着需要相当可观的停机时间。而同样的测量，采用不间断的同步数据采集，仅需几分钟。事实上，不间断的同步数据采集还可以测量更多的点，提供更多的细节且

省时间。譬如，如果每25毫米间隔要停5秒钟的话，1,250毫米的轴长以及5个来回的操作需要50分钟以上的时间。

此外，静态定位误差通常是由于几何尺寸、导轨以及结构刚性引起的。而一般不测量的动态定位误差则是由伺服参数、谐振频率以及加速度或减速度引起的。换句话说，因为机床在采集数据前停下来了，这就遗漏了伺服或动态误差。理论上轨迹精度应该可以用动态位移误差表来改进，而不是静态位移误差表。对于模具制造商来说，这一点特别重要，因为必须要保证模具腔与多种表面组成的复杂几何形状完全一致。

位移测量手段

1881年Michelson 发明了干涉仪。他后来在1907年为此获得了诺贝尔物理奖。Michelson 干涉仪用白光作光源，并用了固定和可移动的反射镜。Michelson 干涉仪通过计算干涉条纹一直被用来测量距离或比较距离。随着激光的发明，单频的氦氖激光取代了白光作为光源，并用二个角锥棱镜代替了平面镜。

单频的氦氖激光束被一分束器分成二束光，一半光束通过一可移动的角锥棱镜，另一半则反射到一固定的角锥棱镜。二反射光束回来时在分束器相遇。将所有光路精密地调准后，这二相遇的光束就相互干涉，并产生干涉条纹。用一小面积的光电探测器计数条纹。每一周期的强度变化表示可移动角锥棱镜行程的半波长。假如已知激光的波长，那么可移动角锥棱镜行程也可精确地得到。单频干涉仪的问题是对于噪声太敏感。因此，从移动中无法辨别电噪声还是增益漂移。

双频的干涉仪使用一双频的氦氖激光器，将二个不同频率光束混合后产生一载波频率。因此，携带的距离信息是以交流波形式而不是直流波形式。双频干涉仪的问题是需要笨重的永磁铁以及精密的光学元件以稳定激光频率，保持偏振，并使回到激光谐振腔的散射光减到最小。由于该系统体积笨重，并有大量的光学元件，因此测量时大部分机床需要打开机床罩。

激光多普勒校准系统

激光多普勒校准系统使用一激光多普勒位移测量仪（LDDM），该系统结合了微波雷达技术、多普勒效应以及光学外差技术。LDDM采用了电光、光学外差工艺及相位解调器来得到移动角锥的位置信息。

LDDM是用一氦氖激光束照射一反射镜来测量位移的。当反射镜移动时被反射的激光束发生频率变化。由于被反射激光束的相位正比于反射镜的位置，因此可以测量得到位置的变化。

对于LDDM来说，偏振及弥散光不是一个问题，也不需要精密的光学系统。镜子可以随意插入光路，简单的反射镜就可以用来反射激光束到任意的角度。

如何使用激光多普勒校准系统

要校准普通或者滚珠丝杆，在轴上放一刀片，马达驱动丝杆触发了位置传感器。例如可以用四个位置传感器来采集四套每转的数据。位置传感器送出一TTL脉冲到 PCMCIA卡以触发数据采集。不间断地采集数据的关键是外部触发器和数据采集与TTL触发脉冲同步，也即同时采集数据。用四个位置传感器测得的典型的滚珠丝杆的螺距误差是每转0.2英寸。因此在超过20英寸的丝杆上每英寸可以测20个数据。在

这个例子中，热膨胀误差比螺距误差小得多。

要校准数控机床的一个轴，将激光头放置在床身上，反射镜或者靶标被安置在主轴上。将激光束与常规静态的激光校准一样调整到平行与主轴。但是与通常每走一步要停5秒钟一直走到终点不同，现在将主轴调整到可以从开始一直连续移动到终点而不需要任何停止。

位置传感器可放置在滚珠丝杆上或者滚珠丝杆的转轮上。非接触的触发器固定在磁座上。触发器的刀片放置在丝杆的转轮上。转轮每转动一次，触发信号被送到PCMCIA卡以采集数据。有一些机床触发信号是来自机床的控制器或者编码器的输出。

每转4个 触发脉冲校准滚珠丝杆的示意图

实验过程

用一带高数据速率PCMCIA界面卡以及外触发器的多普勒系列的激光校准系统，以每秒10,000数据速率不停地同步采集数据。

大气压力传感器、空气温度传感器及材料温度传感器可以自动补偿波长变化带来的测量误差，材料的热膨胀在激光系统的标准以内。LDDM的激光头放在工作平台上，而反射镜安置在垂直加工中心的主轴上。一个非接触的触发器被固定在一磁座的杆上，而一触发刀片则固定在转轮上。

用一带有高速PCMCIA卡的笔记本电脑采集数据。用一特制的电缆将LDDM处理器的输出与PCMCIA卡连接，触发器的信号连接到LDDM处理器。在 LDDM软件的主菜单中，2-D时间基数按钮是用来为数据采集设置的。可选择数据速率、时间间隔以及外触发器。最大的速度是每秒5米，最高的数据速率是每秒10,000个数据。从触发脉冲到位移读出之间的数据寿命小于100纳秒。

在实验中，二个激光头放置在Y轴方向分开4.25英寸（10.8厘米）距离。位移数据先用常规的静态数据采集方法采集，每2英寸停一下，整个行程18英寸。最大误差为 0.02英寸，反向间隙0.005英寸。

然后同样设置，而用不停顿同步外触发器采集位移数据。用0.2英寸的间隔，整个行程19英寸，走了至少5个来回采集了数据。

不停顿同步采集了二套LDDM位移数据。通过二个位移误差的差值除以分开距离，可以计算出角度误差。最大的角度误差为8.5弧秒。最大的直线读误差为0.00012英寸。

与静态采集的数据相比，同步采集的数据的结果是相似的，但具有更详细的信息。用此位移数据去补偿机床的误差，要比常规静态采集的数据补偿的结果更好。此外，使用同步数据采集可以节省时间，特别是对于小间隔或大型机床的测量更是如此。

数控机床各种故障维修的方法列举

由于现代数控系统的可靠性越来越高，数控系统本身的故障越来越低，而大部分故障的发生则是非系统本身原因引起的。系统外部的故障主要指由于检测开关、液压元件、气动元件、电气执行元件、机械装置等出现问题而引起的。

数控设备的外部故障可以分为软故障和外部硬件损坏引起的硬故障。软故障是指由于操作、调整处理不当引起的，这类故障多发生在设备使用前期或设备使用人员调整时期。对于数控系统来说，另一个易出故障的地方为伺服单元。由于各轴的运动是靠伺服单元控制伺服电机带动滚珠丝杠来实现的。用旋转编码器作速度反馈，用光栅尺作位置反馈。一般易出故障的地方为旋转编码器与伺服单元的驱动模块。也有个别的是由于电源原因而引起的系统混乱。特别是对那些带计算机硬盘保存数据的系统。例如，德国西门子系统840C。

例1：一数控车床刚投入使用的时候，在系统断电后重新启动时，必须要返回到参考点。即当用手动方式将各轴移到非干涉区外后，再使各轴返回参考点。否则，可能发生撞车事故。所以，每天加工完后，最好把机床的轴移到安全位置。此时再操作或断电后就不会出现问题。

外部硬件操作引起的故障是数控修理中的常见故障。一般都是由于检测开关、液压系统、气动系统、电气执行元件、机械装置出现问题引起的。这类故障有些可以通过报警信息查找故障原因。对一般的数控系统来讲都有故障诊断功能或信息报警。维修人员可利用这些信息手段缩小诊断范围。而有些故障虽有报警信息显示，但并不能反映故障的真实原因。这时需根据报警信息和故障现象来分析解决。

例2：我厂一车削单元采用的是SINUMERIK840C系统。机床在工作时突然停机。显示主轴温度报警。经过对比检查，故障出现在温度仪表上，调整外围线路后报警消失。随即更换新仪表后恢复正常。

例3：同样是这台车削中心，工作时CRT显示9160报警“9160 NO PART WITH GRIPPER 1 CLOSED VERIFY V14-5”。这是指未抓起工件报警。但实际上抓工件的机械手已将工件抓起，却显示机械手未抓起工件报警。查阅PLC图，此故障是测量感应开关发出的。经查机械手部位，机械手工作行程不到位，未完全压下感应开关引起的。随后调整机械手的夹紧力，此故障排除。

例4：一台立式加工中心采用FANUC-OM控制系统。机床在自动方式下执行到X轴快速移动时就出现414＃和410＃报警。此报警是速度控制OFF和X轴伺服驱动异常。由于此故障出现后能通过重新启动消除，但每执行到X轴快速移动时就报警。经查该伺服电机电源线插头因电弧爬行而引起相间短路，经修整后此故障排除。

例5：操作者操作不当也是引起故障的重要原因。如我厂另一台采用840C系统的数控车床，第一天工作时完全正常，而第二天上班时却无论如何也开不了机，工作方式一转到自动方式下就报警“EMPTYING SELECTED MOOE SELECTOR”。加工完工件后，主轴不停，机械手就去抓取工件，后来仔细检查各部位都无毛病，而是自动工作条件下的一个模式开关位置错了。所以，当有些故障原因不明的报警出现的话，一定要检查各工作方式下的开关位置。

数控车床的对刀原理及对刀方法

对刀是数控加工中的主要操作和重要技能。在一定条件下，对刀的精度可以决定零件的加工精度，同时，对刀效率还直接影响数控车床的加工效率。

仅仅知道对刀方法是不够的，还要知道数控系统的各种对刀设置方式，以及这些方式在加工程序中的调用方法，同时要知道各种对刀方式的优缺点、使用条件（下面的论述是以FANUC OiMate数控系统为例）等。

1 为什么要对刀

一般来说，零件的数控加工编程和上机床加工是分开进行的。数控编程员根据零件的设计图纸，选定一个方便编程的坐标系及其原点，我们称之为程序坐标系和程序原点。程序原点一般与零件的工艺基准或设计基准重合，因此又称作工件原点。

数控车床通电后，须进行回零（参考点）操作，其目的是建立数控车床进行位置测量、控制、显示的统一基准，该点就是所谓的机床原点，它的位置由机床位置传感器决定。由于机床回零后，刀具（刀尖）的位置距离机床原点是固定不变的，因此，为便于对刀和加工，可将机床回零后刀尖的位置看作机床原点。

编程员按程序坐标系中的坐标数据编制刀具（刀尖）的运行轨迹。由于刀尖的初始位置（机床原点）与程序原点存在X向偏移距离和Z向偏移距离，使得实际的刀尖位置与程序指令的位置有同样的偏移距离，因此，须将该距离测量出来并设置进数控系统，使系统据此调整刀尖的运动轨迹。

所谓对刀，其实质就是侧量程序原点与机床原点之间的偏移距离并设置程序原点在以刀尖为参照的机床坐标系里的坐标。 2 试切对刀原理

对刀的方法有很多种，按对刀的精度可分为粗略对刀和精确对刀；按是否采用对刀仪可分为手动对刀和自动对刀；按是否采用基准刀，又可分为绝对对刀和相对对刀等。但无论采用哪种对刀方式，都离不开试切对刀，试切对刀是最根本的对刀方法。

试切对刀步骤如下：

①在手动操作方式下，用所选刀具在加工余量范围内试切工件外圆，记下此时显示屏中的X坐标值，记为Xa。（注意：数控车床显示和编程的X坐标一般为直径值）。

②将刀具沿＋Z方向退回到工件端面余量处一点（假定为α点）切削端面，记录此时显示屏中的Z坐标值，记为Za。

③测量试切后的工件外圆直径，记为φ。

如果程序原点O设在工件端面（一般必须是已经精加工完毕的端面）与回转中心的交点，则程序原点O在机床坐标系中的坐标为

Xo＝Xa-φ(1）

Zo＝Za

注意：公式中的坐标值均为负值。将Xo、Zo设置 进数控系统即完成对刀设置。3 程序原点（工件原点）

的设置方式

在FANUC数控系统中，有以下几种设置程序原点的方式：①设置刀具偏移量补偿；②用G50设置刀具起点；③用G54~G59设置程序原点；④用“工件移”设置程序原点。

程序原点设置是对刀不可缺少的组成部分。每种设置方法有不同的编程使用方式、不同的应用条件和不同的工作效率。各种设置方式可以组合使用。

（1)设置刀具偏移量补偿车床的刀具补偿包括刀具的“磨损量”补偿参数和“形状”补偿参数，两者之和构成车刀偏移量补偿参数。试切对刀获得的偏移一般设置在“形状”补偿参数中。

试切对刀并设置刀偏步骤如下： ①用外圆车刀试车-外圆，沿＋Z轴退出并保持X坐标不变。

②测量外圆直径，记为φ。

③按“OFSET SET”（偏移设置）键→进入“形状”补偿参数设定界面→将光标移到与刀位号相对应的位置后，输人Xφ（注意：此处的φ代表直径值，而不是一符号，以下同），按“测量”键，系统自动按公式（1)计算出X方向刀具偏移量。

注意：也可在对应位置处直接输人经计算或从显示屏得到的数值，按“输人”键设置。

④用外圆车刀试车工件端面，沿＋X轴退出并保持Z坐标不变。

⑤按“OFSET SET”键→进人“形状”补偿参数设定界面→将光标移到与刀位号相对应的位置后，输人Zo，按“测量”键，系统自动按公式（1)计算出Z方向刀具偏移量。同样也可以自行“输入”偏移量。

⑥设置的刀具偏移量在数控程序中用T代码调用。

这种方式具有易懂、操作简单、编程与对刀可以完全分开进行等优点。同时，在各种组合设置方式中都会用到刀偏设置，因此在对刀中应用最为普遍。

(2）用G50设置刀具起点

①用外圆车刀试车一段外圆，沿＋Z轴退至端面余量内的一点（假定为a点）。

②测量外圆直径，记为φ。

③选择“MDI”（手动指令输入）模式，输人GO1 U一φF0. 3，切端面到中心（程序原点）。

④选择“MDI”模式，输人G50 X0 ZO,按“启动”按钮。把刀尖当前位置设为机床坐标系中的坐标（0,0），此时程序原点与机床原点重合。

⑤选择“MDI”模式，输入GO X150 2200，使刀尖移动到起刀点。该点为刀具离开工件、便于换刀的任意位置，此处假设为b点，坐标为（1.50、200)。

⑥加工程序的开头必须是G50 X150 2200，即把刀尖所在位置设为机床坐标系的坐标(150,200)。此时刀尖的程序坐标（150，200)与刀尖的机床坐标（150，200)在同一位置，程序原点仍与机床原点重合。

⑦当用G50 X150 2200设置刀具起点坐标时，基准刀程序起点位置和终点位置必须相同，即在程序结束前，需用指令GO X150 2200使基准刀具回到同一点，才能保证重复加工不乱刀。

⑧若用第二参考点G30，并在数控系统的参数里将第二参考点设为起刀点位置，能保证重复加工不乱刀，此时程序开头为：G30 UO WO; G50 X150 Z200。

⑨若不用上述③、④、⑤步骤中的GO1 U~φF0.3、G50 XO ZO.GO X150 2200指令来获得起刀点位置，也可用下述公式计算指定起刀点在机床坐标系（显示屏）中的坐标：

Xb=Xa-φ＋150（2)

Zb=Za+200

然后用点动或脉冲操作，使刀尖移动到（Xb，Zb）位置。

注意：运行程序前要先将基准刀移到设定的位置。

在用G50设置刀具的起点时，一般要将该刀的刀偏值设为零。

此方式的缺点是起刀点位置要在加工程序中设置，且操作较为复杂。但它提供了用手工精确调整起刀点的操作方式，有的人对此比较喜欢。

(3)用G54~G59设置程序原点

①试切和测量步骤同前述一样。

②按“OFSET SET”键，进人“坐标系”设置，移动光标到相应位置，输入程序原点的坐标值，按“测量”或“输入”键进行设置。如图4所示。

③在加工程序里调用，例如：G55 X100 Z5...。G54为默认调用。

注意：若设置和使用了刀偏补偿，最好将G54~G59的各个参数设为0，以免重复出错。对于多刀加工，可将基准刀的偏移值设置在G54~G59的其中之一，将基准刀的刀偏补偿设为零，而将其它刀的刀偏补偿设为其相对于基准刀的偏移量。

这种方式适用于批量生产且工件在卡盘上有固定装夹位置的加工。铣削加工用得较多。

执行G54~G59指令相当于将机床原点移到程序原点。

(4)用“工件移”设置程序原点

①通过试切工件外圆、端面，测量直径，根据公式（1)计算出程序原点（工件原点）的X坐标，记录显示屏显示的原点Z坐标。

②按“OFSET SET”键，进入“工件移”设置，将光标移到对应位置，分别输入得到的X. Z坐标值，按机床MDI键盘上的“INPUT”键进行设置。如图5所示。

③使X、Z轴回机床原点（参考点），建立程序原点坐标。

“工件移”设置亦相当于将机床原点移到程序原点（工件原点）。对于单刀加工，如果设置了“工件移”，最好将其刀偏补偿设为0，以防重复出错；对于多刀加工，“工件移”中的数值为基准刀的偏移值，将其它刀具相对于基准刀的偏移值设置在相应的刀偏补偿中。4 多刀对刀

FANUC数控系统多刀对刀的组合设置方式有：①绝对对刀；②基准刀G50＋相对刀偏；③基准刀“工件移”＋相对刀偏；④基准刀G54~G59＋相对刀偏。

(1）绝对对刀所谓绝对对刀即是用每把刀在加工余量范围内进行试切对刀，将得到的偏移值设置在相应刀号的偏置补偿中。这种方式思路清晰，操作简单，各个偏移值不互相关联，因而调整起来也相对简单，所

以在实际加工中得到广泛应用。

(2）相对对刀所谓相对对刀即是选定一把基准刀，用基准刀进行试切对刀，将基准刀的偏移用G50,“工件移”或G54~G59来设置，将基准刀的刀偏补偿设为零，而将其它刀具相对于基准刀的偏移值设置在各自的刀偏补偿中。

下面介绍如何获得其它刀相对基准刀的刀偏值。

①当用基准刀试切完外圆，沿Z轴退到a点时，按显示器下方的“相对”软键，使显示屏显示机床运动的相对坐标。

②选择“MDI”方式，按"SHIFT"换档键，按"XU"选择U，这时U坐标在闪烁，按“ORIGIN”置零，如图6所示。同样将w坐标置零。

③换其它刀，将刀尖对准a点，显示屏上的U坐标、W坐标即为该刀相对于基准刀的刀偏值。此外，还可用对刃仪测定相对刀偏值。5 精确对刀

从理论上说，上述通过试切、测量、计算；得到的对刀数据应是准确的，但实际上由于机床的定位精度、重复精度、操作方式等多种因素的影响，使得手动试切对刀的对刃精度是有限的，因此还须精确对刀。

所谓精确对刀，就是在零件加工余量范围内设计简单的自动试切程序，通过“自动试切→测量→误差补偿”的思路，反复修调偏移量、或基准刀的程序起点位置和非基准刀的力偏置，使程序加工指令值与实际测量值的误差达到精度要求。由于保证基准刀程序起点处于精确位置是得到准确的非基准刀刀偏置的前提，因此一般修正了前者后再修正后者。

精确对刀偏移量的修正公式为：

记:δ=理论值（程序指令值）-实际值（测量值），则

xo2=xo1 ＋δx（3）

Zo2=Zo1-δZ

注意：δ值有正负号。

例如：用指令试切一直径40、长度为50的圆柱，如果测得的直径和长度分别为040.25和49.85，则该刀具在X、Z向的偏移坐标分别要加上-0.25和-0.15,当然也可以保持原刀偏值不变，而将误差加到磨损栏。6 结束语

笔者设计了一段多刀加工程序，在FANUC Oi数控车削系统上验证了上述几种组合对刀设置方式，取得了相同的效果。对其它数控系统也具有一定推广价值。