第1章數(shù)控機(jī)床維修與診斷

第1章數(shù)控機(jī)床維修與診斷§1緒論

本章知識(shí)及要求數(shù)控機(jī)床的組成和數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床故障診斷的意義數(shù)控機(jī)床故障診斷的內(nèi)容和故障的分類數(shù)控機(jī)床常用的診斷技術(shù)和發(fā)展了解數(shù)控機(jī)床各部分的作用及工作特點(diǎn)熟悉常見故障的類型重點(diǎn)掌握數(shù)控機(jī)床故障診斷方法§1.1數(shù)控機(jī)床的組成

§1.2數(shù)控機(jī)床故障診斷的意義§1.3數(shù)控機(jī)床故障診斷的內(nèi)容與故障分類§1.4數(shù)控系統(tǒng)的診斷技術(shù)思考與練習(xí)題數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，即它是用數(shù)字信號(hào)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程的。數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、精密測(cè)量、現(xiàn)代機(jī)械制造和數(shù)據(jù)通信等多種技術(shù)，是機(jī)械加工領(lǐng)域中典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，適于多品種、中小批量的復(fù)雜零件的加工，并能實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工的高速度、高精度和高度自動(dòng)化，代表了機(jī)床發(fā)展的方向。

§1.1數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床，即NC（NumericalControl）機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、測(cè)量反饋裝置和機(jī)床本體等4大部分，再加上程序的輸入/輸出設(shè)備、可編程控制器（PLC或稱PMC）等部分組成，如圖1.1所示。圖1.1數(shù)控機(jī)床的組成圖圖1.1中的虛線框部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主機(jī)的加工控制，目前采用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)（即CNC）。1.數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心，是由硬件和軟件兩大部分組成。它接受從機(jī)床輸入裝置（鍵盤、RS232通信口、軟磁盤、硬磁盤、紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)等）輸入的控制信號(hào)代碼，經(jīng)過輸入、緩存、譯碼、寄存、運(yùn)算、存儲(chǔ)等轉(zhuǎn)變成控制指令實(shí)現(xiàn)直接或通過可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制，控制信號(hào)的傳遞路徑如圖1.2所示。

圖1.2控制信號(hào)的傳遞路徑

伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置與機(jī)床主機(jī)之間的連接環(huán)節(jié)，它接受數(shù)控裝置插補(bǔ)生成的進(jìn)給脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)機(jī)床主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)?！獔?zhí)行機(jī)構(gòu)伺服驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸驅(qū)動(dòng)單元（控制主軸速度）、進(jìn)給驅(qū)動(dòng)單元（進(jìn)給系統(tǒng)的速度控制和位置控制）、主軸電機(jī)和進(jìn)給電機(jī)等。目前常用的有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)，且交流伺服電機(jī)正逐漸取代直流伺服電機(jī)。

3.測(cè)量反饋裝置測(cè)量反饋裝置是通過現(xiàn)代化的測(cè)量元件（脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵尺、磁尺和激光等），將執(zhí)行元件（如電機(jī)）或工作臺(tái)等的速度和位移檢測(cè)出來，經(jīng)過相應(yīng)的電路將所測(cè)得信號(hào)反饋回?cái)?shù)控裝置，構(gòu)成半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)，補(bǔ)償執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，以達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)精度的目的。

機(jī)床本體就是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，包括床身、箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)等。此外，為保證數(shù)控機(jī)床功能的充分發(fā)揮，還有一些輔助系統(tǒng)，如冷卻、潤滑、液壓（或氣動(dòng)）、排屑、防護(hù)等系統(tǒng)。

§1.2數(shù)控機(jī)床故障診斷的意義

一、數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修的必要性數(shù)控維修技術(shù)不僅是保障數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行的前提，對(duì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和完善也起到了巨大的推動(dòng)作用。

另外，任何一臺(tái)數(shù)控設(shè)備都是一種過程控制設(shè)備，這就要求它在實(shí)時(shí)控制的每一時(shí)刻都準(zhǔn)確無誤地工作。若在出現(xiàn)故障后不及時(shí)維修排除，就會(huì)造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

我們現(xiàn)有的維修狀況和水平，與國外進(jìn)口設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)水平還存在很大的差距。造成差距的原因在于：維修技術(shù)人員機(jī)電綜合素質(zhì)不高，缺乏數(shù)字測(cè)試分析手段，數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修的綜合判斷能力和測(cè)試分析技術(shù)有待提高等。

二、數(shù)控機(jī)床維修的技術(shù)指標(biāo)

1.平均無故障工作時(shí)間（MTBF）（MeanTimeBetweenFailure）

平均無故障工作時(shí)間是指設(shè)備在一個(gè)比較長的使用過程中，兩次故障間隔的平均時(shí)間。

—————越長越好2.平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）

（MeanTimeToRepair）平均修復(fù)時(shí)間是指從開始排除故障直到數(shù)控設(shè)備能正常使用所需要的時(shí)間。

————

越短越好3.平均有效度（A）是衡量數(shù)控機(jī)床的可靠性和可維修性的指標(biāo)。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（<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。

4.平均故障率（AFR）FANUC公司常用指標(biāo)。70年代：次/月；90年代：次/月機(jī)床的利用率要求有60%~70%的開動(dòng)率。受可靠性、人員素質(zhì)和維修管理的影響。§1.3數(shù)控機(jī)床故障診斷的內(nèi)容與故障分類

一、故障的基本概念

1.故障指數(shù)控機(jī)床或系統(tǒng)由于自身的原因喪失規(guī)定的功能，不能再進(jìn)行正常的工作的現(xiàn)象。有機(jī)械部分故障、數(shù)控系統(tǒng)故障、伺服與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障、輔助裝置故障等。是在系統(tǒng)運(yùn)行中或基本不拆卸的情況下，即可掌握系統(tǒng)現(xiàn)行狀態(tài)的信息，查明產(chǎn)生故障的部位和原因，或預(yù)知系統(tǒng)的異常和故障的動(dòng)向，采取必要的措施和對(duì)策的技術(shù)。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(duì)現(xiàn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析，并輔以必要檢測(cè)手段，查明故障的部位和原因，提出有效的維修對(duì)策。

4.故障診斷的主要對(duì)象機(jī)械故障——機(jī)床本體故障電氣故障——主要是使用不當(dāng)引起的故障。使用不當(dāng)：57%；電氣：37.5%；NC系統(tǒng)：5.5%。二、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。2.從故障的時(shí)間分類隨機(jī)故障——發(fā)生時(shí)間是隨機(jī)的。有規(guī)則故障——發(fā)生是指有一定的規(guī)律性。

故障頻率曲線表征著數(shù)控設(shè)備的使用壽命設(shè)備使用壽命-故障頻率曲線

T1—9~14月，T2—7~10年，T3—2年3.從故障的發(fā)生狀態(tài)分類突然故障——發(fā)生前無故障征兆，使用不當(dāng)。漸變故障——發(fā)生前有故障征兆，逐漸嚴(yán)重。影響程度分類完全失效——出現(xiàn)故障后不能再進(jìn)行正常加工，只有等到故障排除后，才能恢復(fù)正常工作的情況。部分失效——喪失了某種或部分系統(tǒng)功能，而在不使用該部分功能的情況下，仍然能夠正常加工工件。

5.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，又稱破壞性故障。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)。6.按故障的性質(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。

———修改程序，適當(dāng)調(diào)整即可硬件故障——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。

————更換元器件干擾故障——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。7.從故障發(fā)生的部件分類機(jī)械故障——機(jī)床本體故障，又稱主機(jī)故障。電氣故障——包括強(qiáng)電故障和弱電故障。8.按故障發(fā)生時(shí)有無報(bào)警分類（1）無報(bào)警顯示的故障故障發(fā)生時(shí)無任何硬件或軟件的報(bào)警信息，分析診斷難度較大。（2）有報(bào)警顯示的故障硬件報(bào)警——各功能模塊上的報(bào)警燈軟件報(bào)警——指CRT顯示器上顯示報(bào)警信息的故障，一般有幾十種到上千種，主要來自PLC和CNC?！?.4數(shù)控系統(tǒng)的診斷技術(shù)

一、自診斷技術(shù)

故障自診斷技術(shù)是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

數(shù)控系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，借助系統(tǒng)的自診斷功能往往可以迅速、準(zhǔn)確地查明原因并確定故障部位。1.開機(jī)自診斷

系統(tǒng)內(nèi)部自診斷程序通電開始執(zhí)行對(duì)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(cè)試。一旦檢測(cè)通不過，即在CRT上顯示報(bào)警信息或報(bào)警號(hào)，指出哪個(gè)部分發(fā)生了故障。只有當(dāng)全部開機(jī)診斷項(xiàng)目都通過后，系統(tǒng)才能進(jìn)入正常運(yùn)行準(zhǔn)備狀態(tài)。

例如：FANUC10TE系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，開機(jī)后CRT顯示：

FS107E1399B ROMTEST：END

RAMTEST未通過測(cè)試故障可能：參數(shù)丟失、支持電池失效、接觸不良等。開機(jī)自診斷對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的最重要部分——計(jì)算機(jī)主柜上的電路板進(jìn)行檢查，以確定哪塊電路板出了故障。開機(jī)自診斷可保證所檢測(cè)重要部件的可靠性，一旦發(fā)生故障，馬上禁止運(yùn)行。同時(shí)，為維修人員迅速排除一些疑難故障提供幫助。

2.運(yùn)行自診斷數(shù)控系統(tǒng)正常工作時(shí)，系統(tǒng)的診斷程序?qū)ο到y(tǒng)本身和各功能模塊（PLC、位置伺服單元、其它外部裝置）進(jìn)行測(cè)試，發(fā)生故障時(shí)在CRT上報(bào)警信息。只要數(shù)控系統(tǒng)不斷電，這種自診斷會(huì)不停頓地反復(fù)進(jìn)行。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)和接口狀態(tài)信息。1）接口狀態(tài)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)，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，稱診斷頁面。

“1”表示通，“0”表示斷；例如：NCP400L數(shù)控車床接口狀態(tài)檢查（PB為PLC的I/O信息）端口地址含義：

例如：地址3C80H狀態(tài)為：

2）參數(shù)檢查檢查法數(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。（1）參數(shù)的重要性和使用注意點(diǎn)重要性：影響機(jī)床精度、性能，是故障診斷的重要依據(jù)?？闪私庠O(shè)計(jì)的指導(dǎo)思想。注意點(diǎn)：全部的參數(shù)表；現(xiàn)場(chǎng)校對(duì)機(jī)床的參數(shù)實(shí)際設(shè)置；當(dāng)場(chǎng)搞清個(gè)參數(shù)的含義。（2）參數(shù)分類功能型：代表系統(tǒng)某種功能的有無，只有0、1取值。比例型：以代碼組合設(shè)定某種參量的比例關(guān)系。例如：MNC863診斷頁面中38C8H單元中8位的含義為：真實(shí)型：代表著某個(gè)參量的設(shè)定值，一般手冊(cè)給明范圍。如X、Z軸的限位取值。普通級(jí)：CNC制造商提供給用戶的參數(shù)秘密級(jí)：CNC制造商沒有提供，需制造商級(jí)別的密碼，方可進(jìn)入修改的參數(shù)。例如：某FANUCOM加工中心，工作時(shí)出現(xiàn)銑頭只能做X軸坐標(biāo)負(fù)方向移動(dòng)，正方向移動(dòng)立即產(chǎn)生超程報(bào)警?，F(xiàn)象：①機(jī)床通電后，應(yīng)先回零，但一移動(dòng)即產(chǎn)生超程，說明已到達(dá)“參考點(diǎn)”，但返回參考點(diǎn)燈不亮；②停電后再開機(jī)，故障依舊；③檢查參數(shù)，發(fā)現(xiàn)CNC內(nèi)的參數(shù)與手冊(cè)基本一致；④由于負(fù)方向移動(dòng)正?？膳杏布o故障，只能是參數(shù)故障。診斷：X軸參數(shù)失效排除：①將X軸正向限位值設(shè)成MAX：999999；②然后進(jìn)行手動(dòng)回零操作，回零成功?。虎鄞藭r(shí)，再將限位值設(shè)回原來的值；④重新開機(jī)上電，機(jī)床恢復(fù)正常。

3.離線診斷（或稱脫機(jī)診斷）指采用專用的診斷程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行脫機(jī)測(cè)試（停機(jī)診斷），主要對(duì)CPU、存儲(chǔ)器、PLC、控制接口、I/O等進(jìn)行測(cè)試。

離線診斷的主要目的是修復(fù)系統(tǒng)和故障定位，力求把故障定位在盡可能小的范圍內(nèi)。查閱維修手冊(cè)可確定故障原因及排除方法。

二、診斷技術(shù)的發(fā)展1.通信診斷(遠(yuǎn)程、海外診斷）用戶機(jī)床的通訊口通過線和維修中心的專用通訊診斷計(jì)算機(jī)相連。過程如下：

計(jì)算機(jī)發(fā)診斷程序用戶測(cè)試數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)送回診斷計(jì)算機(jī)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。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.人工智能（AI）專家故障診斷系統(tǒng)

專家系統(tǒng)主要包括兩大部分，即知識(shí)庫和推理機(jī)。其中知識(shí)庫中存放著求解問題所需的知識(shí)，推理機(jī)負(fù)責(zé)使用知識(shí)庫中的知識(shí)去解決實(shí)際問題。

4.人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)（ANN）診斷簡稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，是人們?cè)趯?duì)人腦思維研究的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)方法將其簡化、抽象并模擬，能反映人腦基本功能特性的一種并行分布處理連接網(wǎng)絡(luò)模型。ANN具有聯(lián)想、容錯(cuò)、記憶、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)和處理復(fù)雜多模式故障的優(yōu)點(diǎn)，是數(shù)控機(jī)床故障診斷新的發(fā)