高級(jí)技工學(xué)校理論課教案2011.8.30

1、高級(jí)技工學(xué)校理論課教案1教學(xué)課題：數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修緒論教學(xué)時(shí)間： 周一、周四、周五教學(xué)班級(jí)：高級(jí)數(shù)控10高數(shù)一10高數(shù)二教學(xué)地點(diǎn)：綜合樓二樓3教室、5教室 教學(xué)目的與要求：掌握數(shù)控機(jī)床基本組成，了解機(jī)床診斷的必要性及故障診斷的分類，判斷。教學(xué)重點(diǎn)與難點(diǎn)：數(shù)控機(jī)床組成、各機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)、原理教學(xué)方式與手段： 理論教學(xué)參考資料：數(shù)控機(jī)床、數(shù)控技術(shù)教學(xué)過程：一、 回顧數(shù)控機(jī)床的概況1. 隨著我國機(jī)械制造技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的更新?lián)Q代也越來越頻繁，這就對制造裝備在性能，精度、自動(dòng)化及柔性方面提出更高的要求。通過機(jī)床設(shè)備自動(dòng)化程度不高，難以加工輪廓及形狀復(fù)雜的零件；自動(dòng)化專用機(jī)床和生產(chǎn)線，雖然效率

2、不高，自動(dòng)化程度高，但產(chǎn)品改型困難，而且開發(fā)周期長。數(shù)控技術(shù)及采用該技術(shù)的數(shù)控機(jī)床正好滿足了這些要求。-52年美國帕森斯公司與MIT為解決加工直升機(jī)葉片輪廓而研制的三坐標(biāo)數(shù)控銑床數(shù)控機(jī)床配置的數(shù)控系統(tǒng)品牌繁多，性能和結(jié)構(gòu)也不盡相同。日本和德國公司是世界上主要的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠商，此外，還有西班牙公司，德國公司、法國公司等。近年來數(shù)控機(jī)床在我國迅速發(fā)展，一些國內(nèi)公司的數(shù)控產(chǎn)品也占有了一定的市場份額，如華中數(shù)控公司、廣州數(shù)控公司、北京航天機(jī)床數(shù)控集團(tuán)公司等。2. 提問學(xué)生在平時(shí)實(shí)訓(xùn)時(shí)所遇到的故障？怎么解決的？二、 講授新課一）數(shù)控機(jī)床的組成（見教材2頁圖1-1-1） 數(shù)控機(jī)床由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置

3、、檢測反饋裝置和機(jī)床本體四大部分組成，再加上程序的輸入/輸出設(shè)備、可編程控制器、電源等輔助部分。1. 數(shù)控裝置(數(shù)控系統(tǒng)的核心)由硬件和軟件部分組成，接受輸入代碼經(jīng)緩存、譯碼、運(yùn)算插補(bǔ)）等轉(zhuǎn)變成控制指令，實(shí)現(xiàn)直接或通過PLC對伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制。數(shù)控裝置：也稱系統(tǒng)，是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它由硬件和軟件共同完成數(shù)控任務(wù)，與數(shù)控系統(tǒng)的其他部分通過接口相連。數(shù)控裝置硬件結(jié)構(gòu)類型的分類方式很多，按數(shù)控裝置中各印刷電路板的插接方式可分為大板式結(jié)構(gòu)和功能模板式結(jié)構(gòu)；按數(shù)控裝置中微處理器的個(gè)數(shù)可以分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)等，但總的來說，數(shù)控裝置與通用計(jì)算機(jī)一樣，是由中央處理器（）及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)與程序的存儲(chǔ)器組

4、成的。存儲(chǔ)器分為系統(tǒng)控制軟件存儲(chǔ)器（），加工程序存儲(chǔ)器（）及工作區(qū)存儲(chǔ)器（）。中的系統(tǒng)控制軟件是由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家寫入的，用來完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能，數(shù)控機(jī)床操作者將各自的加工程序存儲(chǔ)在中，供數(shù)控系統(tǒng)用于控制機(jī)床加工零件。工作區(qū)存儲(chǔ)器是系統(tǒng)程序執(zhí)行過程的活動(dòng)場所，用于堆棧、參數(shù)保存、中間運(yùn)算結(jié)果保存等。中央處理器（）執(zhí)行系統(tǒng)程序、讀取加工程序，經(jīng)過加工程序段譯碼、預(yù)處理計(jì)算，然后根據(jù)加工程序段指令進(jìn)行實(shí)時(shí)插補(bǔ)，并通過與各坐標(biāo)伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號(hào)比較，從而控制機(jī)床的各坐標(biāo)軸的位移。同時(shí)將輔助動(dòng)作指令通過發(fā)往機(jī)床，并接收通過返回的機(jī)床各部分信息，以決定下一步操作。2. 伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置和

5、機(jī)床主機(jī)之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，接受數(shù)控裝置的生成的進(jìn)給信號(hào)，經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。伺服器概念？驅(qū)動(dòng)控制裝置：用以控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，其中進(jìn)給軸的位置控制部分常在數(shù)控裝置中以硬件位置控制模塊或軟件位置調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)，即數(shù)控裝置接收實(shí)際位置反饋信號(hào)，將其與插補(bǔ)計(jì)算出的命令位置相比較，通過位置調(diào)節(jié)器確定軸位置控制給定量，再輸出給伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。3. 檢測反饋裝置是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機(jī)、刀架）或工作臺(tái)的速度和位移檢測出來，反饋給數(shù)控裝置構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。4. 機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件。（床身箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)等）1. 主傳動(dòng)裝置多采用無級(jí)變速或分段無級(jí)變速方

6、式。2.進(jìn)給傳動(dòng)裝置中廣泛采用無間隙滾珠絲杠傳動(dòng)和無間隙齒輪傳動(dòng)。3.床身、立柱、橫梁等主要支撐件-提高剛度4. 加工中心備有刀庫和自動(dòng)換刀裝置-多工序、多面加工。（數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心(相當(dāng)于人的大腦),它所想要完成的工作通過伺服系統(tǒng)(相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng))帶動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，測量及反饋系統(tǒng)（相當(dāng)于人的 眼睛等感覺器官），把機(jī)床的工作狀態(tài)急時(shí)告訴數(shù)控裝置。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的作用是：由于數(shù)控裝置的容量有限，各種控制信息要靠數(shù)控裝置以外的其它計(jì)算機(jī)等攜帶和傳輸，就像人的記憶有限，工作時(shí)常常要做些記錄。翻翻筆記本似的。）-數(shù)控機(jī)床是用數(shù)字信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程，和普通機(jī)床（一臺(tái)電機(jī)帶動(dòng)主軸和各進(jìn)給軸

7、）不同，采用多電機(jī)帶動(dòng)，具有復(fù)雜的控制系統(tǒng)。包括主軸驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)、直流伺服和交流伺服）；脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、同步感應(yīng)器、光柵、磁柵等檢測元件，經(jīng)電路處理后反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng),補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，提高運(yùn)動(dòng)精度。為保證數(shù)控機(jī)床功能的充分發(fā)揮還有一些輔助裝置，如冷卻、潤滑、液壓和氣動(dòng)、排屑、防護(hù)等裝置。與普車相比的特點(diǎn)：1. 適應(yīng)性強(qiáng)、具有高度柔性。2. 精度高3. 效率高，加工質(zhì)量穩(wěn)定、可靠。4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善條件。5. 有利于生產(chǎn)管理自動(dòng)化?，F(xiàn)在數(shù)控設(shè)備使用越來越廣泛，隨之而來的是如何保證設(shè)備的有效利用率，設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，要盡快將設(shè)備恢復(fù)正常使用。為了解決

8、這個(gè)問題，首先要求維修人員應(yīng)該有很高的素質(zhì)，不但要求具有豐富的專業(yè)知識(shí)，如機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)原理、數(shù)控技術(shù)、PLC 技術(shù)、自控技術(shù)、拖動(dòng)原理、液壓技術(shù)等，還要掌握機(jī)械加工常識(shí)和數(shù)控裝置的簡單編程，另外還要具有一定的英語水平，能夠閱讀英文技術(shù)資料。要有足夠的資料，包括機(jī)、電、液圖紙，機(jī)床參數(shù)備份，系統(tǒng)使用維修手冊，PLC 梯形圖等。還要有一定量的備件。另外需要維修人員具有一定的經(jīng)驗(yàn)，掌握一定的維修方法。【 】數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修的必要性1.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修是數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)的保障，也是數(shù)控技術(shù)發(fā)展和完善的巨大的推動(dòng)力量。2.一些數(shù)控設(shè)備處于關(guān)鍵的工作或關(guān)鍵的工序崗位，若在出現(xiàn)故障后不

9、及時(shí)的維修并排除故障，就會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，影響產(chǎn)量和質(zhì)量。3.從我國維修狀況和水平及現(xiàn)階段人才需求來看：（1）維修狀況和水平：差距大，人員素質(zhì)差，缺乏數(shù)字測試分析手段，故障診斷與維修的綜合判斷能力較差。（2）制造業(yè)需要大量數(shù)控人才。人才現(xiàn)狀如下：初、中、高級(jí)數(shù)控技術(shù)人才在企業(yè)數(shù)控技術(shù)崗位中分別占70.13%(藍(lán)領(lǐng)）、25.04%（灰領(lǐng)）和4.83%（金領(lǐng)）。二）數(shù)控機(jī)床故障診斷1.故障的基本概念故障數(shù)控機(jī)床全部或部分喪失原有的功能。故障診斷在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，根據(jù)設(shè)備的故障現(xiàn)象，在掌握數(shù)控系統(tǒng)各部分工作原理的前提下，對現(xiàn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析，并輔以必要檢測手段，查明故障的部位和原因。提出有效的維

10、修對策。數(shù)控機(jī)床是高度機(jī)電一體化的技術(shù)裝備，和普通機(jī)床相比也包括機(jī)械、電氣、液壓氣動(dòng)方面的故障，但電氣系統(tǒng)遠(yuǎn)為復(fù)雜，故障側(cè)重于電氣、機(jī)械、液壓等的交叉點(diǎn)。而且數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，給檢測和診斷帶來很大的困難。2.故障的分類1）從故障的起因分類關(guān)聯(lián)性故障和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)或性能等缺陷有關(guān)而造成（分固有性和隨機(jī)性）。非關(guān)聯(lián)性故障和系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)與制造無關(guān)的故障。a. 條件（溫度、振動(dòng)、干擾等）滿足發(fā)生，偶爾發(fā)生。b. 因運(yùn)輸、安裝、撞擊等外部人為因素造成。c. 超載、參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤、操作錯(cuò)誤等引起。d. 與材料的磨損、疲勞、電子元件的性能下降有關(guān)。2）從故障發(fā)生的狀態(tài)分類突然故障發(fā)生前無故障征兆，使用不當(dāng)

11、。漸變故障發(fā)生前有故障征兆，逐漸嚴(yán)重。3）按故障發(fā)生的性質(zhì)分類軟件故障程序編制錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)置不正確、機(jī)床操作失誤等引起。硬件故障電子元器件、潤滑系統(tǒng)、限位機(jī)構(gòu)、換刀系統(tǒng)、機(jī)床本體等硬件損壞造成。干擾故障由于系統(tǒng)工藝、線路設(shè)計(jì)、電源地線配置不當(dāng)?shù)纫约肮ぷ鳝h(huán)境的惡劣變化而產(chǎn)生。4）按故障的嚴(yán)重程度分類危險(xiǎn)性故障數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)床安全保護(hù)系統(tǒng)在需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，因故障失去保護(hù)動(dòng)作，造成人身或設(shè)備事故。安全性故障機(jī)床安全保護(hù)系統(tǒng)在不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)發(fā)生動(dòng)作，引起機(jī)床不能起動(dòng)。3. 數(shù)控系統(tǒng)的可靠性數(shù)控機(jī)床除了具有高精度、高效率和高技術(shù)的要求外，還應(yīng)該具有高可靠性。衡量的指標(biāo)有：MTBF平均無故障時(shí)間MTTR

12、排除故障的修理時(shí)間 平均有效度A： A=MTBF/（MTBF+MTTR）平均有效度是指可維修的設(shè)備在某一段時(shí)間內(nèi)維持其性能的概率，是一個(gè)小于1的正數(shù)。數(shù)控機(jī)床故障的平均修復(fù)時(shí)間越短，則A就越接近1，那么數(shù)控機(jī)床的使用性能就越好。 T1使用初期（開始運(yùn)行半年至一年間），故障頻率較高，而且無規(guī)律可尋。機(jī)械原因：磨合狀態(tài)，接合面有幾何形狀偏差；電子電力器件由于交便負(fù)荷和開、關(guān)瞬間大電流浪涌對器件的沖擊而擊穿元件；有些參數(shù)設(shè)置也非最佳狀態(tài)和外部環(huán)境影響。T2穩(wěn)定運(yùn)行期：經(jīng)磨合；經(jīng)沖擊考驗(yàn)，器件性故障大幅度減少。此穩(wěn)定運(yùn)行期較長，一般為710年。T3壽命終了期：機(jī)械零件加速磨損、密封件老化、限位開關(guān)接觸

13、不良、電子元器件品質(zhì)下降等，故障率增加。三）診斷方法。見數(shù)控維護(hù)24頁。1. 直觀法（望聞問切）® 問機(jī)床的故障現(xiàn)象、加工狀況等® 看CRT報(bào)警信息、報(bào)警指示燈、熔絲斷否、元器件煙熏燒焦、電容器膨脹變形、開裂、保護(hù)器脫扣、觸點(diǎn)火花等® 聽異常聲響（鐵芯、欠壓、振動(dòng)等）® 聞電氣元件焦糊味及其它異味® 摸發(fā)熱、振動(dòng)、接觸不良等2. 自診斷法 啟動(dòng)過程診斷-系統(tǒng)內(nèi)部自診斷程序通電后動(dòng)執(zhí)行對CPU、存儲(chǔ)器、總線和I/O等模塊及功能板、CRT、軟盤等外圍設(shè)備進(jìn)行功能測試，確定主要硬件能正常工作。依靠CNC系統(tǒng)快速處理數(shù)據(jù)的能力，對出錯(cuò)的部位進(jìn)行多路、快

14、速的信號(hào)（各種開關(guān)、傳感器把油位、油壓、溫度、電流和電壓、速度等狀態(tài)信息設(shè)置成熟百個(gè)報(bào)警指示，診斷故障的部位）采集和處理，然后由診斷程序進(jìn)行邏輯分析和判斷，以確定故障的存在和部位。例如：FANUC 10TE系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，開機(jī)后CRT顯示：FS107E 1399BROM TEST：ENDRAM TEST 未通過測試故障可能：參數(shù)丟失、支持電池失效或接觸不良等在線診斷離線診斷3.數(shù)據(jù)和狀態(tài)檢查CNC系統(tǒng)的自診斷不但能在CRT上顯示故障報(bào)警信息，而且還能以多頁“診斷地址”和“診斷數(shù)據(jù)”的形式提供機(jī)床參數(shù)和狀態(tài)信息。® 接口檢查接口檢查系統(tǒng)與機(jī)床、系統(tǒng)與PLC、機(jī)床與PLC的輸入/輸出信號(hào)

15、，接口診斷功能可將所有開關(guān)量信號(hào)的狀態(tài)顯示在CRT上，“1”表示通，“0”表示斷。利用狀態(tài)顯示可以檢查數(shù)控系統(tǒng)是否將信號(hào)輸出到機(jī)床側(cè)，機(jī)床側(cè)的開關(guān)信號(hào)是否已輸入到系統(tǒng)，從而確定故障是在機(jī)床測還是在系統(tǒng)側(cè)。接口檢查： 例：NCP400L數(shù)控車床接口狀態(tài)38C0H 0 0 1 1 0 0 1 0® 參數(shù)檢查參數(shù)檢查-數(shù)控機(jī)床的機(jī)床參數(shù)是經(jīng)一系列的試驗(yàn)和調(diào)整而獲得的重要參數(shù)，是機(jī)床正常運(yùn)行的保證。包括有增益、加速度、輪廓監(jiān)控及各種補(bǔ)償值等。當(dāng)機(jī)床長期閑置不用或受到外部干擾會(huì)使數(shù)據(jù)丟失或發(fā)生數(shù)據(jù)混亂，機(jī)床將不能正常工作?？烧{(diào)出機(jī)床參數(shù)進(jìn)行檢查、修改或傳送。4.報(bào)警指示燈顯示故障除CRT軟報(bào)警

16、外，還有許多“硬件”報(bào)警指示燈，分布在電源、主軸驅(qū)動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、I/O裝置上，由此可判斷故障的原因。5.備板置換法（替代法）用同功能的備用板替換被懷疑有故障的模板。（故障被排除或范圍縮?。┳⒁猓簲嚯姞顟B(tài)下/選擇開關(guān)/跨線一致6、交叉換位將功能相同的模板或單元相互交換，觀察故障的轉(zhuǎn)移情況，就能快速判斷故障的部位。系統(tǒng)X驅(qū)動(dòng)Y驅(qū)動(dòng)X電機(jī)Y電機(jī)7、敲擊法數(shù)控系統(tǒng)是由各種電路板組成，電路板上、接插件等處有虛焊或接口槽接觸不良都會(huì)引起故障?？捎媒^緣物輕輕敲打疑點(diǎn)處，若出現(xiàn)，則敲擊處很可能就是故障部位。8、升溫法設(shè)備運(yùn)行較長時(shí)間或環(huán)境溫度較高時(shí)，機(jī)床就會(huì)出現(xiàn)故障，可用電吹風(fēng)、紅外燈照射可疑的元件或組件。確

17、定故障點(diǎn)。9.功能程序測試法當(dāng)數(shù)控機(jī)床加工造成廢品而無法確定是編程、操作不當(dāng)還是數(shù)控系統(tǒng)故障時(shí)，或是閑置時(shí)間較長的數(shù)控機(jī)床重新投入使用時(shí)。將G、M、S、T、F功能的全部指令編寫一個(gè)試驗(yàn)程序并運(yùn)行在這臺(tái)機(jī)床，可快速判斷哪個(gè)功能不良或喪失。10、隔離法隔離法是將某些控制回路斷開，從而達(dá)到縮小查找故障區(qū)域的目的。例：某加工中心，在JOG方式下，進(jìn)給平穩(wěn)，但自動(dòng)則不正常。首先要確定是NC故障還是伺服系統(tǒng)故障，先斷開伺服速度給定信號(hào)，用電池電壓作信號(hào)，故障依舊。說明NC系統(tǒng)沒有問題。進(jìn)一步檢查是Y軸夾緊裝置出故障。11、測量比較法為了檢測方便，在模板或單元上設(shè)有檢測端子，用萬用表、示波器等儀器對這些端子

18、的電平或波形進(jìn)行測試，將測試值與正常值進(jìn)行比較，可以分析和判斷故障的原因和及故障的部位。各種故障診斷方法各有特點(diǎn)，要根據(jù)故障現(xiàn)象的特點(diǎn)靈活的組合應(yīng)用。四）數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修原則（見數(shù)控維護(hù)第27頁）先外部后內(nèi)部先機(jī)械后電氣先靜后動(dòng)先公用后專用先簡單后復(fù)雜先一般后特殊-在排除某一故障時(shí)，要先考慮最常見的可能原因，然后再分析很少發(fā)生的特殊原因例：一臺(tái)FANUC 0T數(shù)控車床Z軸回零不準(zhǔn)，常常是由于降速擋塊位置走動(dòng)所造成。一旦出現(xiàn)這一故障，應(yīng)先檢查擋塊，再檢查編碼器、位置控制等環(huán)節(jié)。先軟件后硬件四)數(shù)控診斷技術(shù)的發(fā)展1.通訊診斷(遠(yuǎn)程、海外診斷） 用戶機(jī)床的通訊口通過電話線和維修中心的專用通訊診斷計(jì)算機(jī)相連。計(jì)算機(jī)發(fā)診斷程序用戶測試數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)診斷結(jié)果和處理方法用戶 特點(diǎn)：實(shí)用簡便； 有一定的局限性, 這類數(shù)控系統(tǒng)必須具有遠(yuǎn)距離的診斷接口及連網(wǎng)絡(luò)的功能。德國西門子公司在CNC系統(tǒng)中采用了這種診斷功能。2. 自修復(fù)系統(tǒng) 當(dāng)診斷軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行中某一模塊有故障時(shí)，系統(tǒng)在CRT上顯示的同時(shí)，自動(dòng)尋找備用模塊并接上。特點(diǎn)：實(shí)用但成本比較高，而且只適合總線結(jié)構(gòu)的CNC系統(tǒng)。3. 專家系統(tǒng)（人工智能專家故障診斷系統(tǒng)）特點(diǎn)：1）克服人類數(shù)控診斷專家不足的矛盾。2）具有可視化的故障診斷與維修功能，通過一問一答解決問題?？沙?/p>