数控系统故障分析及维修论文答辩

(4)现代诊断技术 随着电信技术的发展，IC和微机性价比的提高，如通信诊断也称远程诊断，即利用电话通讯线把带故障的CNC系统和专业维修中心的专用通讯诊断计算机通过连接进行测试诊断.三 数控机床各部故障分析及维修3.1 数控机床主轴伺服系统故障检查及维修电子工业的飞速发展，使各种集成度高、性能先进的调速驱动层出不穷，给数控机床的更新换代提供了有利条件，但对于目前大中型企业还无法将旧数控机床全部改造的现实，修理旧的驱动系统，仍是维修战线上的一项艰巨任务。在维修主回路采用错位选触无环流可逆调速驱动系统的数控车床中所遇到的部分故障及处理方法。1. 故障现象：1.8m卧车在点动时，花盘来回摆动。检查：测量驱动控制系统中的±20V直流稳压电源的纹波为4V峰峰值，大大超过了规定的范围。分析：在控制系统的放大电路中，高、低通滤波器可以滤掉，如：测速机反馈，电流反馈，电压反馈中的各次谐波干扰信号，但无法滤除系统本身直流电源电路中的谐波分量，因它存在于整个系统中，这些谐波进入放大器就会使放大器阻塞，使系统产生各种不正常的现象。在点动状态下，因电机的转速较低，这些谐波已超过了点动时的电压值，造成了系统的振荡，使主轴花盘来回摆动，而且一旦去除谐波信号，故障马上消失。处理：将电压板中的100MF和1000MF滤波电容换下焊上新电容，并测量纹波只有几个毫伏后将电源板安装好，开机试运行，故障消除。2. 故障现象：5m立车在运行加工中发出哐哐声后，烧保险。检查：发现5FC5FG、5RG5RQ正反组全无脉冲输出(线路见图2)，测量结果，IC7反相器损坏，又发现1FG1FC输出波形较其他波形幅值低得多。分析：5m立车主驱动直流电机的驱动电压由晶闸管全控桥反并联整流电路提供。12路触发脉冲中，有两路消失，另一路触发脉冲的幅值较其它正常触发脉冲要短三分之一，当出现哐哐的齿轮撞击声时，误以为液压马达联轴节处出现了问题，但过了一会儿两路保险丝烧坏，实际上，在这次故障的前一段时间里已烧过两次保险，当时只认为是偶然的电网不稳造成，因换上保险丝后，故障就消除了。由于5m立车加工运行时的转速较低，虽然可控硅整流电路是桥式整流，但是线路中触发脉冲丢失和幅值小同时存在时，也会造成电流不连续，输出的电压不稳，从而使电机的转速不稳。一开始出现的哐哐声，实际就是转速不稳的表现。由于电流断续而引起的烧保险故障能发生在运行后停车和正常运行的任何时刻。处理：将放大管T1(另一组触发电路中的放大管，功能如图2中的T7)及反相器IC7换下，故障消除。3.2 机床PLC初始故障的诊断机床PLC初始故障的诊断为了保护机床和维修方便，PLC有显示和检测机床故障的能力。一旦发生故障，维修人员就能根据机床的故障显示号去确定故障类别，予以排除。但在实际加工过程中，我们发现有时PLC同时显示几个故障，它们是由某一个故障引起的连锁故障，排除了初始的引发故障，其它故障报警就消失了。可是从机床PLC显示的所有报警故障中，维修人员并不知道哪个故障是初始引发故障，维修人员只能逐个故障去查，这就增加了维修难度。机床PLC初始故障诊断功能，通过PLC程序，准确判断出初始故障的报警号。维修中，首先排除初始故障，其它引发故障自行消失，这样就极大地方便了机床的维修，提高了机床维修的快速性和准确性。 2 初始故障诊断原理设计的PLC程序不单单是把各个故障都能检测和显示出来，还能把最关键的初始故障自动判断出来。初始故障诊断原理：以3个故障为例，其中设置了3个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测位为R500.2、R510.2、R520.2；F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障检测位都为“0”，初始故障检测位也都为“0”，复位信号F149.1为“0”。在3个故障中假设首先发生第二个故障。在程序扫描的第一个周期内，其对应的故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“1”，通过自锁保持为“1”，直到故障被排除，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。在程序扫描的第二个周期内，R510.2保持为“1”，实现了对R500.1、R520.1的封锁，即使此时另外某一个故障检测位为“1”，也不能导致其初始故障检测位变为“1”。通过此PLC程序的控制，就能从同时发生的众多故障里准确地判断出初始故障。在JCS018数控机床中，遇到了多个故障同时发生的问题，如换刀报警和液压报警同时出现。维修时，先检查液压控制部分，然后才能确认故障出在换刀过程中。检查后我们才知道换刀的动力由液压驱动来提供。PLC控制程序设计中，当遇到换刀故障时，为防止更大的意外发生，在报警的同时也断开了液压控制，因此换刀故障发生时出现了两个报警信息。为遵循原机床的设计思路，而又能准确地发出报警信息，给JCS018数控机床增加了对初始故障的检查功能。按照前面的程序分析，换刀和液压故障检测位分别为R500.0和R510.0，初始故障可从初始故障检测位R500.2和R510.2读出。当该机床再发生类似故障时，就能很快地判断出初始故障。3.3 数控设备检测元件故障及维修检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分，它起着检测各控制轴的位移和速度的作用，它把检测到的信号反馈回去，构成闭环系统。测量方式可分为直接测量和间接测量：直接测量就是对机床的直线位移采用直线型检测元件测量，直接测量常用的检测元件一般包括：直线感应同步器、计量光栅、磁尺激光干涉仪。间接测量就是对机床的直线位移采用回转型检测元件测量，间接测量常用的检测元件一般包括：脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅和圆磁栅。当机床出现如下故障现象时，应考虑是否是由检测元件的故障引起的：1.机械振荡（加／减速时）：(1)脉冲编码器出现故障，此时检查速度单元上的反馈线端子电压是否在某几点电压下降，如有下降表明脉冲编码器不良，更换编码器。(2)脉冲编码器十字联轴节可能损坏，导致轴转速与检测到的速度不同步，更换联轴节。(3)测速发电机出现故障，修复，更换测速机。2.机械暴走（飞车）：在检查位置控制单元和速度控制单元的情况下，应检查：(1)脉冲编码器接线是否错误，检查编码器接线是否为正反馈，A相和B相是否接反。(2)脉冲编码器联轴节是否损坏，更换联轴节。(3)检查测速发电机端子是否接反和励磁信号线是否接错。3.主轴不能定向或定向不到位：在检查定向控制电路设置和调整，检查定向板，主轴控制印刷电路板调整的同时，应检查位置检测器（编码器）是否不良，此时测编码器输出波形。4.坐标轴振动进给：在检查电动机线圈是否短路，机械进给丝杠同电机的连接是否良好，检查整个伺服系统是否稳定的情况下，检查脉冲编码是否良好、联轴节联接是否平稳可靠、测速机是否可靠。检测元件是一种极其精密和容易受损的器件，一定要从下面几个方面注意，进行正确的使用和维护保养。1．不能受到强烈振动和摩擦以免损伤代码板，不能受到灰尘油污的污染，以免影响正常信号的输出。2．工作环境周围温度不能超标，额定电源电压一定要满足，以便于集成电路片子的正常工作。3．要保证反馈线电阻，电容的正常，保证正常信号的传输。4．防止外部电源、噪声干扰，要保证屏蔽良好，以免影响反馈信号。5．安装方式要正确，如编码器联接轴要同心对正，防止轴超出允许的载重量，以保证其性能的正常。总之，在数控设备的故障中，检测元件的故障比例是比较高的，只要正确的使用并加强维护保养，对出现的问题进行深入分析，就一定能降低故障率，并能迅速解决故障，保证设备的正常运行。3.4 数控机床加工精度异常故障及维修生产中经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。此类故障隐蔽性强、诊断难度大。导致此类故障的原因主要有五个方面:(1)机床进给单位被改动或变化。(2)机床各轴的零点偏置(NULL OFFSET)异常。(3)轴向的反向间隙(BACKLASH)异常。(4)电机运行状态异常，即电气及控制部分故障。(5)机械故障，如丝杆、轴承、轴联器等部件。此外，加工程序的编制、刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。1.系统参数发生变化或改动系统参数主要包括机床进给单位、零点偏置、反向间隙等等。例如SIEMENS、FANUC数控系统，其进给单位有公制和英制两种。机床修理过程中某些处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕应作适时地调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或连结松动也可能造成参数实测值的变化，需对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。2.机械故障导致的加工精度异常一台THM6350卧式加工中心，采用FANUC 0i-MA数控系统。一次在铣削汽轮机叶片的过程中，突然发现Z轴进给异常，造成至少1mm的切削误差量(Z向过切)。调查中了解到：故障是突然发生的。机床在点动、MDI操作方式下各轴运行正常，且回参考点正常；无任何报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。分析认为，主要应对以下几方面逐一进行检查。(1)检查机床精度异常时正运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿、加工坐标系(G54～G59)的校对及计算。(2)在点动方式下，反复运动Z轴，经过视、触、听对其运动状态诊断，发现Z向运动声音异常，特别是快速点动，噪声更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。(3)检查机床Z轴精度。用手脉发生器移动Z轴，（将手脉倍率定为1×100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm），配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3…=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：①机床运动距离d1＞d=0.1mm(斜率大于1);②表现出为d=0.1mm＞d2＞d3(斜率小于1)；③机床机构实际未移动，表现出最标准的反向间隙；④机床运动距离与手脉给定值相等(斜率等于1)，恢复到机床的正常运动。无论怎样对反向间隙(参数1851)进行补偿，其表现出的特征是：除第③阶段能够补偿外，其他各段变化仍然存在，特别是第①阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，第①段的移动距离也越大。分析上述检查认为存在几点可能原因：一是电机有异常；二是机械方面有故障；三是存在一定的间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。电机运行正常；在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感。而正常情况下，应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经拆检发现其轴承确已受损，且有一颗滚珠脱落。更换后机床恢复正常。3.机床电气参数未优化电机运行异常一台数控立式铣床，配置FANUC 0-MJ数控系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定现象。用手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较严重，启停时不太明显，JOG方式下较明显。分析认为，故障原因有两点，一是机械反向间隙较大；二是X轴电机工作异常。利用FANUC系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行了补偿；调整伺服增益参数及N脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常。4.机床位置环异常或控制逻辑不妥一台TH61140镗铣床加工中心，数控系统为FANUC 18i，全闭环控制方式。加工过程中，发现该机床Y轴精度异常，精度误差最小在0.006mm左右，最大误差可达到1.400mm。检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在MDI方式下，以G54坐标系运行一段程序即“G90 G54 Y80 F100；M30；”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，记录下该值。然后在手动方式下，将机床Y轴点动到其他任意位置，再次在MDI方式下执行上面的语句，待机床停止后，发现此时机床机械坐标数显值为“-1046.992”，同第一次执行后的数显示值相比相差了0.387mm。按照同样的方法，将Y轴点动到不同的位置，反复执行该语句，数显的示值不定。用百分表对Y轴进行检测，发现机械位置实际误差同数显显示出的误差基本一致，从而认为故障原因为Y轴重复定位误差过大。对Y轴的反向间隙及定位精度进行仔细检查，重新作补偿，均无效果。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题，但为什么产生如此大的误差，却未出现相应的报警信息呢？进一步检查发现，该轴为垂直方向的轴，当 Y轴松开时，主轴箱向下掉，造成了超差。对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在Y轴松开时，先把Y轴使能加载，再把Y轴松开；而在夹紧时，先把轴夹紧后，再把Y轴使能去掉。调整后机床故障得以解决。四 数控机床的维护数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护。数控系统经过一段较长时间的使用，电子元器件性能要老化甚至损坏，有些机械部件更是如此，为了尽量地延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对数控系统进行日常的维护。概括起来，要注意以下几个方面。(1)制订数控系统日常维护的规章制度根据各种部件特点，确定各自保养条例。如明文规定哪些地方需要天天清理（如CNC系统的输入／输出单元——光电阅读机的清洁，检查机械结构部分是否润滑良好等），哪些部件要定期检查或更换（如直流伺服电动机电刷和换向器应每月检查一次）。(2)应尽量少开数控柜和强电柜的门因为在机加工车间的空气中一般都含有油雾、灰尘甚至金属粉末。一旦它们落在数控系统内的印制线路或电器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及印制线路的损坏。有的用户在夏天为了使数控系统超负荷长期工作，打开数控柜的门来散热，这是种绝不可取的方法，最终会导致数控系统的加速损坏。正确的方法是降低数控系统的外部环境温度。因此，应该有一种严格的规定，除非进行必要的调整和维修，不允许随便开启柜门，更不允许在使用时敞开柜门。(3)定时清扫数控柜的散热通风系统应每天检查数控系统柜上各个冷却风扇工作是否正常，应视工作环境状况，每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象。如果过滤网上灰尘积聚过多，需及时清理，否则将会引起数控系统柜内温度高（一般不允许超过55℃），造成过热报警或数控系统工作不可靠。(4)经常监视数控系统用的电网电压FANUC公司生产的数控系统，允许电网电压在额定值的85%～110%的范围内波动。如果超出此范围，就会造成系统不能正常工作，甚至会引起数控系统内部电子部件损坏。(5)定期更换存储器用电池FANUC公司所生产的数控系统内的存储器有两种：(a)不需电池保持的磁泡存储器。(b)需要用电池保持的CMOS RAM器件，为了在数控系统不通电期间能保持存储的内容，内部设有可充电电池维持电路，在数控系统通电时，由+5V电源经一个二极管向CMOS RAM供电，并对可充电电池进行充电；当数控系统切断电源时，则改为由电池供电来维持CMOS RAM内的信息，在一般情况下，即使电池尚未失效，也应每年更换一次电池，以便确保系统能正常工作。另外，一定要注意，电池的更换应在数控系统供电状态下进行。6. 数控系统长期不用时的维护为提高数控系统的利用率和减少数控系统的故障，数控机床应满负荷使用，而不要长期闲置不用，由于某种原因，造成数控系统长期闲置不用时，为了避免数控系统损坏，需注意以下两点：(1）要经常给数控系统通电，特别是在环境湿度较大的梅雨季节更应如此，在机床锁住不动的情况下（即伺服电动机不转时），让数控系统空运行。利用电器元件本身的发热来驱散数控系统内的潮气，保证电子器件性能稳定可靠，实践证明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低故障率的一个有效措施。(2)数控机床采用直流进给伺服驱动和直流主轴伺服驱动的，应将电刷从直流电动机中取出，以免由于化学腐蚀作用，使换向器表面腐蚀，造成换向性能变坏，甚至使整台电动机损坏。参 考 文 献【1】 张超英，谢富春编. 数控编程技术. 北京：化学工业出版社，2004【2】 张超英，罗学科编. 数控加工技术综合实训. 北京：机械工业出版社，2003【3】 数控技术培训系列教程. 世纪星数控系统编程\操作说明书. 华中数控.2001【4】 全国数控培训网络天津分中心编. 数控编程. 北京：机械工业出版社，1997致谢四年的读书生活在这个季节即将划上一个句号，而于我的人生却只是一个逗号，我将面对又一次征程的开始。四、亲友的大力支持下，走得辛苦却也收获满囊，在论文即将付梓之际，思绪万千，心情久久不能平静。 伟人、名人为我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师。我不是您最出色的学生，而您却是我最尊敬的老师。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接受了全新的思想观念，树立了宏伟的学术目标，领会了基本的思考方式，从论文题目的选定到论文写作的指导,经由您悉心的点拨,再经思考后的领悟,常常让我有“山重水复疑无路,柳暗花明又一村”。感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚谢意！同时也感谢学院为我提供良好的做毕业设计的环境。最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的良师益友和同学，以及在设计中被我引用或参考的论著的作者。

转自： 摘要：数控机床是机电一体化紧密结合的典范，是一个庞大的系统，涉 及 机、电、液、气、电子、光等各项技术，在运行使用中不可避免地要产生各种故障，关键的问题是如何迅速诊断，确定故障部位，并 及 时排除解决，保证正常使用，提高生产效率。 关键词：数控机床; 故障诊断 ;检测 1数控机床的 故障诊断 技术 ①数控系统自诊断。开机自诊断数控系统在通电开机后，都要运行开机自诊断程序，对系统中关键的硬件和控制软件进行检测，并将检测结果在CRT上显示出来。运行自诊断运行自诊断是数控系统正常工作时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以 及 与数控装置相连的其他外部装置进行自动测试、检查，并显示有关状态信息和故障信息。 ②在线诊断和离线诊断。在线诊断是指通过数控系统的控制程序，在系统处于正常运行状态下，实时自动地对数控装置、PLC控制器、伺服系统、PLC的输入输出和其他外部装置进行自检，并显示状态信息、故障信息。脱机诊断当数控系统出现故障时，需要停机进行检查，这就是脱机诊断。脱机诊断的目的是修复系统的错误和定位故障，将故障定位在最小的范围。 远程诊断实现远程诊断的数控系统，必须具备计算机网络功能。因此，远程诊断是近几年发展起来的一种新型的诊断技术。数控机床利用数控系统的网络功能通过互联网连接到机床制造厂家，数控机床出现故障后，通过机床厂家的专业人员远程诊断，快速确诊故障。 2 数控机床故障 的实用诊断方法 ①诊断常用的仪器、仪表 及 工具万用表-可测电阻、交、直流电压、电流。 相序表-可检测直流驱动装置输入电流的相序。转速表-可测量伺服电动机的转速，是检查伺服调速系统的重要依据。钳形电流表-可不断线检测电流。测振仪-是振动检测中最常用、最基本的仪器。短路追踪仪-可检测电气维修中经常碰到的短路故障现象。逻辑测试笔-可测量数字电路的脉冲、电平。IC测试仪-用于数控系统集成电路元件的检测和筛选。工具-弹头钩形扳手、拉锥度平键工具、弹性手锤、拉卸工具等。 ②诊断用技术资料主要有：数控机床电气说明书，电气控制原理图，电气连接图，参数表， PLC程序，编程手册，数控系统安装与维修手册，伺服驱动系统使用说明书等。数控机床的技术资料非常重要，必须参照机床实物认真仔细地阅读。一旦机床发生故障，在进行分析的同时查阅相关资料。 ③故障处理。故障软故障-由调整、参数设置或操作不当引起硬故障-由数控机床(控制、检测、驱动、液气、机械装置)的硬件失效引起。 故障处理对策除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源，应保持故障现场。从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。如不能消失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。 ④数控系统 故障诊断 方法。直观法(望闻问切)：问-机床的故障现象、加工状况等看-CRT报警信息、报警指示灯、电容器等元件变形烟熏烧焦、保护器脱扣等听-异常声响闻-电气元件焦糊味 及 其它异味摸-发热、振动、接触不良等。参数检查法：参数通常是存放在RAM中，有时电池电压不足、系统长期不通电或外部干扰都会使参数丢失或混乱，应根据故障特征，检查和校对有关参数。隔离法：一些故障，难以区分是数控部分，还是伺服系统或机械部分造成的，常采用隔离法。同类对调法用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板，或将功能相同的模板或单元相互交换。功能程序测试法：将G、M、S、T、功能的全部指令编写一些小程序，在诊断故障时运行这些程序，即可判断功能的缺失。 ⑤ 故障诊断 应遵循的原则。第一，先外部后内部数控机床的检修要求维修人员掌握先外部后内部的原则，由外向内逐一进行检查排除。第二，先机械后电气首先检查机械是否正常，行程开关是否灵活，气动液压部分是否正常等，在故障检修之前，首先注意排除机械的故障。第三，先静后动维修人员本身要做到先静后动。首先询问机床操作人员故障发生的过程 及 状态，查阅机床说明书、图纸资料，进行分析后，才可动手查找和处理故障。 数控机床是现代化企业进行生产的一种重要物质基础，是完成生产过程的重要技术手段，强化管理是关键，“防”与“治”的结合是解决数控机床“使用难、维修难”的唯一途径。 参考文献： [1]丁景祥浅.谈自动控制设备系统 维修技术 [J].西部探矿工程,2003,(12). [2]张路霞,李大庆,王晓伟.基于FANUC的 数控机床故障 自诊断[J].水利电力机械,2007,(11).