数控机床几类典型故障分析 数控毕业论文.doc

天津工程师范学院本科生毕业设计天津工程师范学院本科生毕业设计 数控机床几类典型故障分析数控机床几类典型故障分析 trouble analysis of certain model computer numerical control system 专业班级：机检专业班级：机检 学生姓名：学生姓名： 指导教师：指导教师： 系系 别：机械工程系别：机械工程系 20112011 年年 6 6 月月 摘摘 要要 数控机床是一种采用计算机技术新型的自动化机床，是机电一体化的产品。数 控机床加工精度高、柔性好、效率高、可以加工形状非常复杂的工件，得到了广泛 应用。由于数控机床技术先进构成复杂，设备容易出现问题，并且很多问题诊断、 排除的难度都比较大。因此数控系统故障分析对提高数控机床的利用率和延长设备 寿命有很大帮助。 论文针对目前应用较为广泛的几种数控系统的故障进行分析，在论文的前期翻 阅了大量的资料，根据任务书的要求确定了论文总体思路。 在论文中对回参考点原理、回零方式及电源单元工作原理进行说明，介绍了数 控机床故障诊断原则和诊断方法，重点介绍了回参考点故障、电源单元故障和无报 警故障等三类故障。着重分析了故障产生原因和解决方法，列举了典型故障的分析 过程和处理方法。 关键词关键词：数控系统，故障分析，故障诊断，无报警故障 abstract cnc machine tool is a mechatronics kind automatic product which adopts the computer with new technology. the numerical control lathe has been used widely, because it can manufacat complicated shape and it has higher accuracy,good flexibility and higher efficiency. as cnc machine tool has advantage techniques and complicated composition, it go wrong easily and many trouble diagnosis and removing difficultly. so cnc system analysis is good for improving mechine tool utilization and equipment life-span. tthesis has analyzed the troubles of several kinds of cnc system applicant widely. a large number of materials were browsed in early stage and overal design plan are confirmed according to the request of tast book. in the thesis, it detailed back to reference point priciple and method and power unit work principle, recommended the numerical control lathe trouble diagnosis principle and method. it introduces three kinds of troubles such as back to reference troubles, power unit troubles and no alarm troubles. it analyzed emphatically the trouble reason and solution, has enumerated the typical trouble analyis process and treatment method. key wards: cnc system, trouble analyis ,trouble diagnosis, no alarm troubles 目 录 1 绪 论1 1.1 概述.1 1.2 数控机床故障诊断原则.1 1.3 数控机床故障诊断方法.2 2 参考点报警类故障分析4 2.1 数控机床返回参考点的必要性.4 2.2 数控机床返回参考点的方式.4 2.2.1 栅格法.4 2.2.2 磁开关法.5 2.3 数控机床回参考点故障诊断与分析.5 2.4 回参考点故障实例分析.8 2.4.1 回零动作过程异常，无法找到零点.8 2.4.2 回零动作过程正常，所回零点不准确.8 3.系统电源单元故障分析10 3.1 电源单元输入电路工作原理.10 3.1.1 输入的主电路11 3.1.2 输入的控制电路11 3.1.3 电压监控和调整电路11 3.2 电源单元输出工作原理12 3.3 电源单元故障分析13 3.3.1 电源单元无法接通的故障分析13 3.3.2 电源单元熔断器熔断故障的分析13 4 数控机床无报警故障分析15 4.1 无报警故障发生原因.15 4.2 无报警故障实例分析.16 5 总 结18 参考文献19 附录:英文资料及中文翻译20 致 谢40 - 1 - 1 绪 论 1.1 概述 数控机床是一种高效的自动化机床自动化技术，及伺服驱动、精密测量和精密 机械等各个领域的新技术成果， 是将现代技术和高科技知识集于一体的机、电、液、 控技术设备，具有技术密集和知识密集的特点，有较高自动化水平和生产效率。数 控机床技术是一门新兴的工业控制技术。 数控机床适应性强；加工精度高，质量稳定；生产效益高：能实现复杂的运动； 经济性能好；有利于生产管理的现代化。因此，其在现代生产过程中处于越来越重 要的地位。 我国现有数控机床的数控系统品种极其繁多，既有国产的各档数控系统，也有 来自世界各国的系统。如fanuc otc，0td系统，西门子810、820、880系统，三 菱系统，华中系统，广州数控，等等。各型系统复杂程度参差不齐，功能各异，结 构样式也不一样。 数控机床的广泛运用是制造业提高设备技术水平的有效手段，也是制造业发展 的必由之路。数控机床的数控系统是数控机床的核心所在，它的可靠运行，直接关 系到整个设备的正常运行。也就是说，当数控系统故障发生后，如何迅速诊断故障 出处并解决问题使其恢复正常，是提高数控机床设备使用率的迫切要求。在维修数 控系统过程中，故障的诊断是否遵循一定的规律和方法? 如何在诸多故障现象当中， 捕捉到故障病因的症结所在?这对提高机床的使用率，提高系统的有效度，提高数控 机床的维修技术，是很重要的。 下面以接触较多、使用较广泛的系统为背景，浅谈数控系统故障分析的一般方 法。 1.2 数控机床故障诊断原则 1.先外部后内部。数控机床是集机械、液压、电气为一体的机床，故其故障的 发生也由三者综合反映出来。维修人员应先由外向内逐一进行排查。尽量避免随意 地启封、拆卸,否则会扩大故障,使机床丧失精度，降低性能。 2.先机械后电气。一般来说，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断难度 较大。在故障检修之前，首先排除机械性的故障,往往可以达到事半功倍的效果。 3.先静后动。先在机床断电的静止状态下,通过了解、观察测试、分析确认为非 破坏性故障后，方可给机床通电。在运行状态下，进行动态的观察、检验和测试， - 2 - 查找故障。而对破坏性故障,必须先排除危险后，方可通电。 4.先简单后复杂。当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时,应先解决容 易的问题，后解决难度较大的问题。往往简单问题解决后，难度较大的问题也可能 变得容易了。 1.3 数控机床故障诊断方法 1.直观法。这是一种最基本、最简单的方法。维修人员通过对故障发生的各种 光、声、味等异常现象的认真观察，可将故障范围缩小到一个模块上。这往往要求 维修人员具有丰富的实践经验以及综合判断能力。 2.参数诊断。数控系统的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据，这 些直接影响着数控机床的性能。参数通常是存放在存储器中。一旦电池电量不足或 由于外界的某种干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，使系统发生混乱机床无法 正常工作。通过核对、修正参数，就能将故障排除。因此，当机床长期闲置之后启 动系统时，无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征， 检查和校对有关参数。 3.交换法。这是现场判断故障简单易行的常用方法之一。交换法是在分析出故 障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷电路板、模板、集成电路芯片 或元器件换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷电路板或芯片一级。 4.自诊断功能法。故障自诊断功能是数控系统一项十分重要的技术，它的强弱 是评价系统性能的一项重要指标。当数控系统一旦发生故障，借助系统的自诊断功 能，往往可以迅速、准确查明原因并确定故障部位。这个方法是当前维修中最常用、 最有 效的方法。 自诊断方法有3种。 （1）开机自诊断。每当数控系统通电开始，系统内部自诊断软件对系统中最关 键的硬件和控制软件，如数控装置中的cpu、pam、rom等芯片，mdi、crt、io等模 块及监控软件、系统软件等逐个进行检测，并将检测结果显示在crt上。开机自诊断 通常需一分钟左右的时间。一旦检测通不过，即在crt上显示报警信息或报警号，指 出哪个部分发生故障。 （2）在线诊断。系统处于正常运转状态时，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设备进行自动测试和检查，并及 时显示有关故障信息。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。 （3）离线诊断。也称脱线诊断。当cnc系统故障或要判定系统是否真有故障时， 将数控系统与机床脱离作检查，以便对故障作进一步定位，力求把故障定位在尽可 - 3 - 能小的范围内。 5.对比法。是以正确的电压、电平或波形与异常的相比较来寻找故障部位。有 时还可以将正常部分试验性地造成“故障”或报警(如断开连线、拔去组件)，看其 是否和相同部分产生的故障现象相似，以判断故障原因。 6.敲击法。如果数控系统的故障若有若无，这时可用敲击法检查出故障所在部 位。这种若有若无的故障多是由于虚焊或接触不良引起的，当用绝缘物轻轻敲击有 虚焊或接触不良的疑点处，故障肯定会重复再现。 7.局部升温法。数控系统经过长期运行后元器件均要老化，性能变坏。当它们 尚未完全损坏时，出现的故障会变得时隐时现。这时可用热吹风机或电烙铁等对被 怀疑的元器件进行局部升温，加速其老化，以便彻底暴露故障部件。 8.原理分析法。根据数控系统的组成原理，可从逻辑上分析出各点的逻辑电平 和特征参数(如电压值或波形等)，然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪对 其进行测量、分析和比较，从而对故障进行定位。 9.隔离法。有些故障，如运动爬行、抖动等，当一时难以区分是数控部分还是 伺服部分或是机械部分故障造成时，常采用隔离法。将电机分离，数控与伺服分离， 位置闭环分离作开环处理。这样能将复杂的问题化为简单，较快地找到故障的原因。 1o.更新建立法。当cnc或plc装置由于电网干扰，或其他偶然原因发生异常情况 或死机时，应清除有关内存区，重新进行冷启动或热启动。并对cnc参数进行重新设 置，便可排除故障。 除上述方法外，还有电压拉偏法、软件检测法等多种方法。这些检查方法各有 特点，在处理故障时，可按不同情况灵活应用或数种方法结合使用，逐渐缩小故障 可疑范围，找出故障所在。 - 4 - 2 2 参考点报警类故障分析参考点报警类故障分析 2.1 数控机床返回参考点的必要性 数控机床位置检测装置如果采用绝对编码器时,由于系统断电后位置检测装置靠 电池来维持坐标值的记忆，所以机床开机时,不需要进行返回参考点的操作。目前， 大多数数控机床采用增量编码器作为位置检测装置，系统断电后，工件坐标系的坐 标值尽管靠电池维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的 实际位置，所以机床首次开机后要进行返回参考点操作。 返回参考点的好处如下。 1.系统通过参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。 2.可以消除丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距误差补偿对加工的影响。 2.2 数控机床返回参考点的方式 数控机床返回参考点的方式常用的有以下两种,既栅格法和磁开关法.下面来对 两种回参考点的方法与原理做一下简要的叙述. 2.2.1 栅格法 这是数控机床回零的主要方式，使用脉冲编码器或光栅尺回零。根据检测元件 计量方式的不同分为绝对栅格法回零和增量栅格法回零。 1.绝对栅格法。机床只在首次开机调试时进行回零操作调整，同时系统后备存 储器记录零点位置信息，此后开机不必再回零操作。 2.增量栅格法。机床开机均必须进行回零操作，动作过程一般有4种形式： 手动方式下坐标轴高速(v1)靠近零点，接近零点便启动回零操作，系统控制坐标轴 以低速(v2)继续向零点移动，触发零点开关后，系统开始查询检测元件发出的零标 志脉冲，系统收到零标志脉冲后发出栅格脉冲控制信号控制回零轴制动，同时位移 计数器清零，此时回零轴所处位置就是数控机床的坐标系零点，回零结束；坐标 轴先高速(v1)靠近零点，触发零点开关后，系统控制坐标轴以低速(v2)继续向零点 移动，越过零点开关后，系统开始查询零标志脉冲，后续动作同 ； 坐标轴先 高速(v1)靠近零点，触发零点开关后，系统控制坐标轴制动，然后以速度(v2)反向 移动，系统开始查询零标志脉冲，后续动作同 ；坐标轴先高速(v1)靠近零点， 触发零点开关后，坐标轴制动停止，然后以微速(v3)反向移过零点开关，又以速度 (v2)向零点移动，当零点开关再次被触发后，系统开始查询零标志脉冲，后续动作 同 。 - 5 - 2.2.2 磁开关法 磁开关法回参考点的原理是在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关或者接近 开关，当磁感应开关或者接近开关检测到原点信号后，伺服电动机立即停止运行， 该停止点被定义为原点。 磁开关法回原点的特点是软件几硬件简单，但原点位置随着伺服电动机速度的 变化而成比例地漂移，即原点不稳定，因此，目前大多数机床采用栅点法回原点。 2.3 数控机床回参考点故障诊断与分析 当数控机床回参考点出现故障时，首先应由简单到复杂，进行全面检查。先检 查原点减速挡块是否松动、减速开关固定是否牢固、开关是否损坏，若无问题，应 进一 图 1 数控机床回参考点故障诊断流程 未执行返回参考点动作 回参考点有减速而超程 回参考点无减速而超程 回参考点有减速未超程 而停机 偏移栅格位移 偏移随机位移 数控机床返回参考点故障 停机检查与诊断 有无报警 有报警,机床回参考点失败无报警,机床回参考点失败 有无超程偏移性质 yn ny - 6 - 步用千分表或激光测量仪检查机械相对位置的漂移量、检查减速开关位置与原点之 间的位置关系，然后检查伺服电机每转的运动量、指令倍率比(cmr)及检测倍乘比 (dmr)，再检查回原点快速进给速度的参数设置及接近原点的减速速度的参数设置。 数控机床回参考点不稳定，不但会直接影响零件加工精度，对于加工中心机床，还 会影响到自动换刀。数控机床回参考点出现的故障大多出现在机床侧，以硬件故障 居多，但随着机床元器件的老化，软故障也时而发生，下面介绍几种数控机床回参 考点故障及其对策。图 1 所示，为数控机床会参考点故障诊断流程框图。 1.机床能够执行返回参考点操作，回参考点绿灯亮。但返回参考点时出现停止 位置漂移，且没有报警产生 该故障一般有两种情况： (1)机床开机后首次手动回参考点时，偏离参考点一个或几个栅格距离，以后每 次进行回参考点操作所偏离的距离是一定的。一般造成这种故障的原因是减速块位 置不正确；减速块的长度太短或参考点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机 床首次安装调试后或大修后发生，可通过调整减速块的位置或接近开关的位置来解 决，或者通过调整回参考点快速进给速度、快速进给的时间常数来解决。 (2)偏离参考点任意位置，即偏离一个随机值或出现微小偏移，且每次进行回参 考点操作所偏离的距离不等。这种故障可考虑下列因素并实施相应对策：外界干扰， 如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠得太近；脉冲编码器或 光栅尺的电源电压太低(低于4.75v)或有故障；速度控制单元控制板不良；进给轴与 伺服电机之间的联轴器松动；电缆连接器接触不良或电缆损坏。可想而知，数控机 床发生这类故障对用户来说是最可怕的，因为对于进行批量加工生产的数控机床， 若机床每天所进行的回参考点操作所定位的位置不稳定，机床加工时的工件坐标系 会随每次进行回参考点操作参考点的漂移而产生漂移，机床所加工的批量零部件尺 寸精度会出现不一致现象，而且极易造成批量废品。 2.机床在返回参考点时发出超程报警(over troverl+或+y或+z)，回参考点绿 灯不亮，数控系统出现“notready”状态，机床回参考点失败 该故障由于存在报警，机床不会执行任何程序，不会出现上述加工件批量废品 现象。这种故障一般有四种情况： (1)机床回参考点时无减速动作，一直运动到触及限位开关超程而停机。这种情 况是因为返回参考点减速开关失效，开关接触压下后不能复位，或减速挡块松动而 位移，机床回参考点时零点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。解 除机床的坐标超程应使用“超程解除”功能按钮，并将机床移回行程范围以内，然 后应检查回参考点减速开关是否松动及相应的行程开关减速信号线是否有短路或断 - 7 - 路现象。 (2)返回参考点过程中有减速，但以低速移动到触及限位开关而停机，返回参考 点失败。可能原因有：减速后，返回参考点标记指定的基准脉冲不出现。其中一种 可能是编码器或光栅在返回基准点操作中没有发出返回基准点脉冲信号，或返回基 准点标记失效，或检测系统硬件故障，对返回基准点脉冲信号无识别和处理能力； 另一种可能是减速开关与返回参考点标记位置错位，减速开关复位后，未出现基准 点标记，如表1所示。这种情况应拆开编码器或光栅进行检查(最好请传感器专业人 员检查，严禁随便拆卸)，可能是编码器或光栅内出现油污，导致零标志信号脉冲丢 失所致。 表1 返回参考点示意图 方法图示措施 (3)返回参考点过程中有减速，且有返回参考点标记指定的回基准脉冲出现后的 制动到零速时的过程，但未到参考点就触及限位开关而停机，返回参考点失败。该 故障是由于返回参考点的返回基准点脉冲被超越后，坐标轴未移动到指定距离就触 及限位开关。这种情况应仔细检查减速开关与零位信号开关的位置关系，或者检查 编码器与光栅的基准点脉冲出现的时序。 (4)机床在返回基准点时，发出“未返回参考点”报警，机床不执行返回参考点 机械位移标 尺栅指示标 尺栅 更改基准点 坐标值法 更改栅格位 移值法 保持 md18 和 md21 不变, 既归基准中指示栅机械上 移动距离与原来相同,既出 现归基准点标记。 不变动光栅位置，不更改 零件程序尺寸及基准点栅 格值，适当后移限位开关。 更改栅格位移值，在原栅 格位移中减去一个偏一值， 在归基一次，使基准点位 置与原来位置相同。 - 8 - 动作，其原因可能是因改变了设定参数所致。出现这种情况应考虑检查数控机床的 如下参数：指令倍率比(cmr)是否设为零；检测倍乘比(dmr)是否设为零； 回 参考点快速进给速度是否设为零；接近原点的减速速度是否设为零等；机床操 作面板快速倍率开关及进给倍率开关是否设置了0档。 2.4 回参考点故障实例分析 2.4.1 回零动作过程异常，无法找到零点 例1 一台fanuc-0m立式加工中心，y轴有回零动作，但找不到零点，系统报警显 示回零错误。 分析处理：机床y轴能进行回零操作，说明控制、伺服系统基本无问题，检查和 回零操作有关的元器件，安装位置、状态均正常，观察io接口状态，发现零点脉 冲输入口无信号，最终确认测量元件 脉冲编码器损坏，无法发出零点脉冲信号， 更换后，故障消失。 这类回零故障产生的原因有：零点开关损坏(未给出系统减速信号)，致使回 零轴高速通过零点；检测元件损坏(未给出零标志脉冲信号)，致使系统零点查询 失败；接口电路损坏(系统接收不到零点开关、零点脉冲信号)。可重点检查零点 开关、检测元件以及接口电路的工作状态。 2.4.2 回零动作过程正常，所回零点不准确 例2 一台使用西门子sinumerik 840c系统的数控车削单元，z轴方向加工尺寸不 稳定，系统无报警显示。 分析处理：检查机床回零动作、机械传动系统的传动间隙、系统的控制脉冲及 伺服系统的稳定性均正常。再检查其回零机械控制结构，发现零点开关轴部压块紧 固螺钉松动，压块移动，导致回零无规律漂移，z轴位移尺寸超差，工件报废。调整 紧固 压块后，故障消失。 例3 某配套funuc 0md系统的立式加工中心，回参考点过程中出现alm520和y轴 过行程报警。 分析处理:经检查,机床回参考点减速开关以及cnc的信号输入均正常，因此初步 分析原因是由于参数设定不当引起的鼓掌。 仔细观察y轴回参考点动作过程，发现回参考点减速开关未压到，cnc就出现了 alm520报警，alm520报警的意义是:机床到达软件限位位置，既机床移动距离值超过 了系统参数设定的软件行程极限值。此类故障可以通过重新设定参数进行解决，处 理方法如下: - 9 - (1)将机床运行到正常位置，进行手动回参考点，并利用手动方式压上回参考点 尖速开关，进行回参考点，验证回参考点动作的正确性。 (2)在回参考点动作确认正确后，通过mdi/crt面板,修改软件限位参数(为了方 便可以直接将其改为最大值99999999)。 (3)再次执行正常的手动回参考点操作，机床到达参考点定位停止。 (4)恢复软件限位参数(由99999999改回原参数值)。 (5)再次执行正常的手动回参考点操作，机床动作正常，报警消除。 这类回零故障产生的原因有：零点开关位置不当，使真正零点脉冲出现在回 零减速过程中，系统查询速度坐标轴运动速度，丢失当前零点脉冲信号，当下一个 零点脉冲出现才减速停下，所停位置超过零点；机械结构运动间隙产生漂移现象， 所 停位置小距离偏离零点；参数设置不当(诸如位移计数器、回零操作速度、栅 格屏蔽量及零点偏移量等)，所停位置偏离零点。可重点检查零点开关、回零轴压块 位置、机械结构间隙状态和回零参数。 处理机床回零故障应先搞清其回零方式，根据故障现象本着由简到难，由外到 内，由机械部分到电气部分的原则进行。 - 10 - 3.系统电源单元故障分析 在维修过程中，如能完整地掌握系统电源单元的电路工作原理与性能，对数控 机床的维修，特别是解决系统、伺服驱动故障有很大的帮助。下面以 fanuc-oc/od 系统为例,分析电源单元的工作原理、故障产生的原因及诊断方法。 fanucoc/od 系统中，比较多地采用输入单元与电源集成一体的电源控制模块 ai,其输入单元的控制线路与电源电路均安装在同一模块中。主要由电源单元的输入 电路和输出电路组成。 3.1 电源单元输入电路工作原理 电源单元 ai 输入电路包括输入的主电路、输入的控制电路及电压监控和调整电 路等,如图 2 所示。 图 2 电源单元(ai)输入电路 - 11 - 3.1.1 输入的主电路 熔断器 f11、f12 实现电源单元的输入侧短路保护，压敏电阻 vs11 用来防止输 入的浪涌电压，继电器触点 ry3、ry4 控制交流 200v 输入，电阻 rf11（水泥电阻） 用来限制电源起动时电容的充电电流，电源单元起动后，通过双向晶闸管 ta11 短接 掉电阻 rf11。ds11 为输入的整流块，c12、c13 为滤波电容，q14、q15 为开关调整 管（场效应管） ，二极管 d33、d34 用来保护两个场效应管 q14、q15。 外部电源（ac200v/50hz）由输入端子 cp1 输入，经过电源单元内部的整流和滤 波电路后输入直流电压（约 300v） ，再经过开关调整管变成脉宽可调整的方波 （+v/-v）输入到开关变压器 t14d 的输入侧。 当电源单元起动后（即继电器触点 ry3、ry4 闭合后） ，电源单元输出端子 cp2 输出 ac200v。 3.1.2 输入的控制电路 控制电路的电源电压是有电源单元内部辅助开关电源 mi 经半波整流电路(二极 管 vd1)、滤波电路（电容 c2） 、稳压电路（调整管 v2、稳压管 zd1）输出的直流电 压 dc24v。当电源单元辅助控制电路正常时，电源单元指示灯（绿色发光二极管 pil）亮。 如果电源单元的控制端子 cp3 的 off-com 端子接电源的停止按钮（常闭点） ， on-com 端子接电源的其动按钮（常开点） ，当按下电源的起动按钮（机床面板为 nc 准备开关）后，继电器 ry2、ry3 和 ry4 的控制电路，电源的主电路停止工作。 当电源内部检测出故障时，通过电压监控电路是故障输出继电器 ry12 获电动 作，ry12 的常开点闭合，单向晶闸管触发 cr1 导通，继电器 ry1 获电动作，ry1 的 常开点断开，切断继电器 ry2、ry3、ry4 的控制电路，电源的主电路停止工作，同 时电源单元的故障指示灯（红色发光二极管 alm）亮。 电源单元的控制端子 fa-fb 为电源内部报警输出信号端子，一般用于控制电源 单元的输入接触器线圈（ai 电源单元可以 ） 。控制端子 al-com 为电源单元的外部 故障输入信号端子，当 al-com 接通后，电源单元内部继电器 ry5 获电动作，ry5 的 常开点闭合，通过内部控制电路是继电器 ry12 动作，切断继电器 ry2、ry3、ry4 控 制电路，电源主电路停止工作。 3.1.3 电压监控和调整电路 电压监控和调整电路的控制电源电压是由电源单元内部辅助开关电源输出的 24v 直流电压经熔断器 f1、稳压电路（v3、zd2） 、滤波电容（c4）输出的直流电压 15v。 - 12 - 电压监控电路用来监控电源单元输出电压+24 v、+5v、+15v 和-15v，当电源 单元输出电压波动时，通过电压监控电路控制调整电路，从而控制调整管 q14、q15 的脉宽调制信号（pwm）来稳定电源单元的输出电压。如果电源单元的输出侧出现短 路故障时，电压监控电路发出故障控制信号是继电器 ry12 动作，切断继电器 ry2、ry3、ry4 控制电路，电源停止工作并发出报警信息。 3.2 电源单元输出工作原理 电源单元的输出电路包括+24v、+24e、+15v、-15v 和+5v 直流电压输出电路， +24v 是提供系统显示装置（单色显示器 crt）的直流电源，+24e 是提供系统 pmc 输 入信号控制的电源及系统内部的控制电源。+15v、-15v 是提供系统伺服控制的电源。 +5v 是提供系统 cpu 和检测装置（如电动机编码器）的控制电源。输出电路如图 3 所示。图 2 中，ds12、ds13 和 ds14 为电力二极管，完成高频整流输出。单向晶闸 管 cr13、cr14、cr12 和 cr11 实现电源单元输出的高电压、短路电流的保护控制。 熔断器 f13 实现+24v 输出侧短路保护（如 crt 电路短路） ，f14 实现+24v 输出侧短 路保护（如机床侧控制电路短路） 图 3 电源单元（ai）的输出电路 - 13 - 3.3 电源单元故障分析 3.3.1 电源单元无法接通的故障分析 图 3 为 ssck-20 数控车床的电源单元连接图。当按下 nc 准备按钮 sb2 时，crt 无任何显示且 crt 的灯丝不亮。测量 crt 的 cp15 无 24v 输出，则说明电源单元没工 作，既系统电源无法接通。 当电源状态指示灯 led（绿色 pil）不亮时，则故障原因可能是外部 ac 输入电 路（cp1 输入）端故障、熔断器 f11、f12 故障或辅助电路熔断器 f1 故障。 当电源单元状态指示灯 led 亮时（此时 alm 故障状态指示灯不亮） ，故障原因 可能是 cp3 外部连接开关 sb2、sb3、sq20 及接线故障，也可能是内部电路 ry2、ry3、ry4 继电器控制电路故障。 3.3.2 电源单元熔断器熔断故障的分析 当电源单元指示灯和故障状态指示灯都亮时，如果机床断电再送电故障解除， 则为电源单元受到外界的干扰所致。如果不能解除故障，则可能是电源单元输出电 压+5v、15v、+24v 直流电压异常或内部电路故障。 1.熔断器 f11、f12 熔断故障分析。熔断器 f11、f12 用来实现电源单元输入侧 电路短路保护。当 f11、f12 熔断时，crt 不亮，电源单元状态指示灯 pil 和故障状 图 4 ssck-20 数控车床电源单元的连接 - 14 - 态指示灯 alm 不亮。产生故障原因可能是： (1)浪涌吸收器 vs11 故障。 (2)整流块 ds11 击穿短路或电容 c12、c13 严重漏电。 (3)开关管 q14、q15 击穿短路或保护二极管 d33、d34 开路。 (4)辅助电路短路（如开关管 q1 击穿短路） 。 f11、f12 的规格为 a60-0001-0194（7.5） 。 2.熔断器 f13 熔断故障分析。熔断器 f13 用来实现电源单元+24v 的输出册短路 保护。当 f13 熔断时，crt 不亮（crt 灯丝也不亮） ，电源单元状态指示灯 pil 和鼓 掌状态指示灯 alm 都亮。产生故障原因可能是： (1)crt 单元中可能发生短路或与之相连的+24v 电源电缆发生短路。从电源单元 上拔下 cp15 的插头，系统重新上电，如果电源单元的报警灯（红色指示灯 alm）不 亮，且 cp15 端子有+24v 输出，则故障在系统显示装置 crt 侧。 (2)电源单元内部电路发生短路。从电源单元上拔下 cp15 的插头，系统重新上 电，如果电源单元的报警灯（红色指示灯 alm）还亮，说明故障在电源单元的内部， 如二极管 ds17 击穿短路或电容 c74、c75 严重漏电等。 f13 的规格为 a60l-0001-0075（3.2a） 。 3.熔断器 f14 熔断故障分析。熔断器 f14 用来实现系统内部（各印制电路板单 元） 、电源单元内部+24e 电路及机床侧信号控制输入电路短路保护。当 f14 熔断时， crt 上将显示系统“950”报警号，电源单元状态指示灯 pil 亮（故障状态指示灯 alm 不亮） ，系统主板故障指示灯 l2 亮。产生原因可能是： (1)系统内部+24e 电路短路（包括电源单元内部电路） 。 (2)机床侧+24e 接线对地故障。 可以通过拔开系统 i/o 板的所有电缆接头后，测量系统+24e 对地电阻，当测量 的电阻为 0 时，则故障在系统内部+24e 短路（需要更换相应的印制电路板） 。如果 测量的电阻为 100 左右时，则故障在机床侧接线短路（详细检查机床侧所有的 +24e 接线） 。 f14 的规格为 a60-0001-0046（5a） 。 4.熔断器 f1 熔断故障分析。熔断器 f1 实现电源单元内部控制模块及辅助调整 电源电路短路保护。当 f1 熔断时，crt 不亮，电源单元状态指示灯 pil 和故障状态 指示灯 alm 均不亮。产生原因可能是： (1)电源单元调整电源电路短路，如 q3 击穿、zd2 击穿、c4 漏电或浪涌吸收器 故障。 (2)电源单元内部控制模块短路。 f1 的规格为 a600-0001-172（0.3） 。 - 15 - 4 数控机床无报警故障分析 4.1 无报警故障发生原因 数控机床的控制系统中都有故障自诊断功能，一般在发生故障时都有报警信息 出现，按说明书中的故障处理方法检查，大多数故障都能找到解决方法。但也有些 故障既无报警，现象也不是很明显，而且缺乏有关维修所需的资料。出现故障后如 果稍不注意，会造成工件批量报废。由于故障发生时无任何硬件或软件的报警显示， 分析诊断难度较大。例如：机床通电后，在手动或自动方式运行x轴时出现爬行现象， 无任何报警显示；机床在自动方式运行时突然停止，而crt显示器上无任何报警显示； 在运行机床某轴时发生异常声响，一般也无故障报警显示等。 对于无报警显示故障，需根据故障发生的前后变化状态进行分析判断。例如:x 轴在运行时出现爬行现象，可首先判断是数控部分故障还是伺服部分故障。具体做 法是：在手摇脉冲进给方式中。可均匀地旋转手摇脉冲发生器。同时分别观察比较 crt显示器上x、y与z三轴进给数字的变化速率。通常，如数控部分正常，三个轴的 变化速率应基本相同。从而可确定爬行故障是轴的伺服部分还是机械传动所造成。 误差故障的现象较多，在各种设备上出现时的表现不一。造成数控机床中误差 故障但又无报警的情况，主要有几种情况： 1.机床的数控系统较简单，在系统中对误差没有设置检测，因此在机床出现故 障时不能有报警显示。 2.机床中出现的误差情况不在设计时预测的范围内，因此当出现误差时检测不 到，由于大多数的数控机床使用的是半闭环系统，因此不能检测到机床的实际位置。 3.丝杠与电动机的联轴器结构对故障发生的频率和可能性不同，出现故障后现 象也不同，有些尺寸只会向负方向增加，但有些正负方向变化的可能性都会发生， 根据修理中的各种情况，我们得出这样的结论：联轴器中间采用弹性联接的基本上 是负向增加的多，而中间使用键联接的两种故障均会发生。 4.机床的电气系统中回零方式设置不当，回零点不能保证一致，该种故障出现 的误差一般较小。除了一般的因减速开关不良造成故障外，回零时的减速距离太短 也会使零点偏离。在有些系统中的监控页面中有“删格量”一项，记录并经常核对 可及时发现问题。 5.伺服单元或主板问题以及其他问题也会引起机床误差或尺寸不准。 - 16 - 4.2 无报警故障实例分析 查清这类故障的原因首先必须从各种表面现象中找出故障的真实情况，再从确 认的故障现象中找出发生的原因。全面地分析一个故障现象是决定判断是否正确的 重要因素。在查找故障原因前，首先必须了解以下情况。 1.故障是在正常工作中出现还是刚开机就出现的； 2.出现的次数，是第一次还是已多次发生； 3.确认机床的加工程序不会有错； 4.其他人员有否对该机床进行了修理或调整； 5.请修时的故障现象与现场的情况是否有差别。 例1 中捷thy5640立式加工中心，在工作中发现主轴转速在500 rmin以下时主 轴及变速箱等处有异常声音。观察电动机的功率表发现电动机的输出功率不稳定， 指针摆动很大。但使用1 201 rmin以上时异常声音又消失。开机后，在无旋转指 令情况下，电动机的功率表会自行摆动，同时电动机漂移自行转动，正常运转后制 动时间过长，机床无报警。 故障检查与分析 根据查看到的现象，引起该故障的原因可能有主轴控制器失控， 机械变速器或电动机上的原因也不能排除。由于拆卸机械部分检查的工作量较大， 因此先对电气部分的主轴控制器进行检查。控制器为西门子6sc-6502。首先检查控 制器中预设的参数，再检查控制板，都无异常，经查看电路板较脏，按要求对电路 板进行清洗，但装上后开机故障照旧。因此控制器内的故障原因暂时可排除。为确 定故障在电动机还是在机械传动部分，必须将电动机和机械脱离。脱离后开机试车 发现给电动机转速指令接近450rmin时开始出现不间断的异常声音，但给1201 rmin指令时异常声音又消失。为此我们对主轴部分进行了分析，原来低速时给定 的450 rmin指令和高速时的4500 rmin指令对电动机是一样的都在最高转速，只 是低速时通过齿轮进行了减速，所以故障在电动机部分基本上可以确定。经分析， 异常声音可能是轴承不良引起。将电动机拆卸进行检查，发现轴承确已坏，在高速 时轴承被卡造成负载增大使功率表摆动不定，出现偏转。而在停止后电动机漂移和 制动过慢，经检查是编码器的光盘划破。 故障处理 更换轴承和编码器后所有故障全部排除。 该故障主要是主轴旋转时有异常声音，因此在排除时应查清声源，再进行检查。 有异常声音常见为机械上相擦、卡阻和轴承损坏。 例2 某配套ge2000系统的数控车床，在开机时由于车间突然断电，引起停机， - 17 - 重新开机后，系统无法起动，也无报警。 故障检查与分析 对于这类突然断电引起的故障很有可能是电源问题，所以我们 首先要去检查、测量电源模块，经检查发现该机床ge2000系统的电源模块上的+5 v 电压空转时为5v(正常)，但在开机后仅为2.3v，表明电源模块不良。 通过现场测绘系统电源模块的电气原理图，并根据原理图用示波器逐级测量、 分析开关电源的信号波形，最终确认故障原因是由于开关电源的驱动管不良引起的。 故障处理 更换同规格大功率管后，故障排除，机床恢复正常。 例3 南京jn系列数控系统x轴发生定位不准的无报警故障。 故障检查与分析 该故障发生后，重点检查x轴的复位定位精度。驱动x轴正、负 方向进行重复定位，每次的误差均在10 m以上，且连续重复几次后，误差便积累到 了1 mm左右。由此我们可以判断是x轴驱动单元故障或是数控系统主板故障。为判断 是x轴驱动单元故障，还是数控系统主板故障，可采用替换法，将x轴驱动板与z轴驱 动板互换。结果，故障便转移到了 轴，而 轴定位恢复正常。说明故障源在x轴驱动 板上，而不在数控系统主板上。 故障处理 更换一块新的驱动板后，故障排除。 数控机床中的无报警故障大都是一些较难处理的故障。在这些故障中，以机械 原因引起的较多，其次是一些综合因素引起的故障，对这些故障的修理一般具有一 定的难度，特别是对故障的现象判断尤其重要。 - 18 - 5 总 结 本论文针对几种典型的数控系统的故障进行分析，通过这次论文工作使我不仅 从知识方面充实了自己，而且在精神方面也受益非浅。 论文介绍了数控系统故障分析的必要性以及故障诊断的原则与方法，结合实例 说明了各种方法的实用性。例如直观法、参数诊断法、交换法和隔离法在故障诊断 中可以快捷有效地查处故障的原因，都有较强的实用性。 在进行故障分析过程中，首先介绍了回参考点的原理与方式和电源单元的工作 原理，了解其工作原理对分析这类故障的发生原因有很大的帮助，回参考点故障和 电源单元故障都必须根据其工作原理进行故障分析。然后对无报警故障做了单一分 析，这类故障因为不产生报警，所以不容易发觉，经常导致加工工件报废，对产生 此类故障的情况作了概括总结。 在本次毕业设计的过程中我遇到了很多困难,比如在论文开始阶段,不知从哪方 面入手,最后通过自己独立学习、细心研究,终于找到突破口克服了困难;在设计进行 中遇到了很多新的困难,如:遇到不懂的知识点,通过自学相关知识来进行后续工作等。 总而言之,通过这一阶段的研究学习,培养了我不怕苦,不马虎的学习精神,也在一定 程度上加强了我独立自学的能力。 在四个月左右的毕业论文期间学到了从事研究工作的基本工作思路和方法,尤其 是谨慎,同时在巩固专业知识的基础上拓宽了知识面。由于本人水平有限,而且数控 系统故障分析是一项较为复杂的研究课题，所以在故障分析的过程中难免存在一些 不合理之处, 存在着一些可能需要改进的地方，今后我会更加努力的学习和工作,不 断在实践中探索，使自己取得更大进步。 - 19 - 参考文献 1 王爱铃. 数控机床诊断与维修.机械工业出版社，2006 2 郑小年.杨克冲. 数控机床故障诊断与维修.华中科技大学出版社,2005 3 娄斌超. 数控机床故障诊断与维修.中国林业出版社,2006 4 刘永久. 数控机床故障诊断与维修技术.机械工业出版社,2006 5 易 红. 数控技术.机械工业出版社,2005 6 余仲裕. 数控机床维修.机械工业出版社,2004 7 黄诚驹. 数控设备故障诊断与维修实用教程.电子工业出版社,2005 8 吴国经. 数控机床故障诊断与维修.电子工业出版社,2004 9 徐 衡. 数控机床维修.辽宁科学技术出版社,2005 10 黄 卫. 数控机床与故障诊断技术.机械工业出版社,2004 11 李善术. 数控机床及其应用. 北京：机械工业出版社，2001 12 杨克冲，陈吉红，郑小年.数控机床电气控制. 武汉：华中科技大学出版社， 2005 13 张柱银. 数控原理与数控机床. 北京：化学工业出版社，2003 14 李宏胜. 机床数控技术及应用. 北京：高等教育出版社，2001 15 王功胜. 数控机床故障排除15例（上）.机床电器,2007.4 16 李巧洁 谭国斌. fanuc数控系统典型故障分析.设备管理与维修,2007.5 17 王功胜. 数控机床故障排除15例（下）.机床电器,2007.5 18 王平. 数控机床回零及故障诊断. 设备管理与维修,2007.4 19 蒋洪平. 数控机床故障诊断与维修.设备管理与维修,2007.4 20 文林 胡立平. 数控系统故障分析及排除实例. 设备管理与维修,2007.2 - 20 - 附录附录: :英文资料及中文翻译英文资料及中文翻译 - 21 - - 22 - - 23 - - 24 - - 25 - - 26 - - 27 - - 28 - 计算机集成制造系统设计的应用标准计算机集成制造系统设计的应用标准 nourredine boubekri, mehmet dedeoglu and hesham eldeeb 使用设备不需高水平的通讯标准来实现集成制造单元是可行的。使用设备不需高水平的通讯标准来实现集成制造单元是可行的。 导言导言 制造系统制造系统 制造行业的发展自从已经经历了很多年，以水压的或水蒸气能量的机器取代了 人工操作。这种发展导致了工厂的专业化，通过特殊机器大批量的生产商品，这种 制造系统的类型被称为批量生产。不是所有的产品都需要高质量，有些是采用批量 生产的方法。制造设备使用这种类型的生产系统能够生产各种类型质量相当高的产 品。因为各种类型生产是在相同的机器上加工，所以大批量生产的机器比小批量生 产的机器所需执行的任务多。 当产品精度非常小时，机器是一般类型的，如 canada and sullivan1描述的， 这种生产系统被称为加工商店。 在当今的制造组织中计算机起着重要的作用，意识到能够使用计算机集成生产 周期的所有功能得到很大的好处，计算机集成制造（cim）作为新技术被介绍。结 果，在制造中使用计算机新的数据交换和通讯标准 ，已经发展了新的设计标准和制 造过程自动化。 然而，这些标准总是不能被所有的制造组织容易的采用。今天很多小型和中型 公司拥有大量与新标准不匹配的机器和设备。公司采用 cim 系统犹豫不决原因之一 是大量的投资设备需要替换或翻新。公司不采用 cim 系统的原因包括： 1.大量的内在技术。很多公司感觉他们缺乏必要的技术，因为 cim 系统需要前 沿的教育和丰富的经验。 2.实现计算机系统化的困难。这种任务相当困难，特别是当其它组织的大量的 接口被需要。 3.有限的和多样的协同。