教案13(数控机床故障诊断及维护).doc

常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 13 授课日期授课班级03机电33103机电332课题5INUMERIK 810数控系统的故障诊断及维护授课类型讲 授课时数教 学目 的重 点难 点教 具挂 图教学过程及时间分配 主 要 教 学 内 容教学方法的运用 标准型数控系统(又称全功能数控系统)功能齐全，一方面表现在它们能适应不同的控制要求，有丰富的软件支持；另一方面它们通常有良好的人机界面，较高的智能化程度，能帮助使用者处理很多信息，使编程操作都变得简单；再就是系统的开放性，能通过通信功能与计算机网络互通信息。本章通过对SINUMERIK 810数控系统硬件和软件的阐述，说明该系统故障诊断及维护的特点和方法，这对其他数控系统的故障诊断及维护也有一定的指导意义。1 系统组成及特点SINUMERIK 810系统是西门子公司80年代推出的数控产品，按功能分有：8l0T， 810M，810G，810N。按型号有810(GAl)，810(GA2)，810(GA3)。即810 I、II、III型机。8l0系统为紧凑型连续轨迹数控装置，适用于低、中档功能的中小型机床，具有良好的性能价格比，可安装在机床的任何部位。 表1 810系统三种型号的差别 与SINUMERIK 810系统配套的有SIMATIC S5系列的PLC、SIMODRIVE 611A交流驱动装置，1FT5、1FT6伺服电动机和lPH5、1PH6主轴电动机等。1.1 SINUMERIK 810T数控系统简介 SINUMERIK 810T是车床专用数控系统，操作简单，性能可靠，适用于各种类型的数控车床。具有如下特点：1.1.1 系统功能 1)9in单色显示器。2)内装机床控制面板(轴选择开关、点动对刀、快速进给段主轴速度设定等)。3)最多可控制6个轴(2个主轴，4个进给轴；或1个主轴，5个进给轴)。4)内装可编程序控制器。5)两个手轮接口可供选择：6)可选不同脉冲量的编码器。7)测量系统误差补偿o8)丝扛螺距误差补偿。9)反向间隙补偿。10)刀具补偿功能o11)工件保护功能。12)自诊断功能。13)和PC机通信的RS232C接口。1.1.2 工艺特性1)进给速度0.0144mmin。2)进给量1um精度。3)在自动和手动方式下编程，具有S、M、T、H等功能。4)恒定的切削速度。5)螺纹刃削0.00140mm/r。6)可等螺距或变螺距切削。7)主轴最高转速可达16000rmm。8)齿轮换档时，主轴摆动。1.1.3 PLC特点 810T带有内装式PLC可编程控制器，采用STEP 5编程语言，具有三种编程方式(梯形图、逻辑图和语句表)，并可相互转换。 1)输入/输出点最多可扩展到384个。 2)可在PC机上进行PLC编程。 3)PLC程序最大可扩展至16K。 4)显示屏上可显示PLC的状态和报警信息。 5)在自动方式下，从PLC自动调用主程序和子程序。1.1.4 操作和编程 1)可在操作面板上直接输入加工程序。2)可在PC机上编辑加工程序，并可通过通信接口输入和输出加工程序。3)最大程序存储器容量可扩展至128K字节。4)最多可存200个加工程序。5)由于810是多通道结构，可在加工时，同时编程和进行程序的输入、输出。6)具有蓝图编程功能、倒角和圆角自动插入、多点连接、7)圆弧半径直接编程。8)具有示教、录返功能。9)在JOG方式下，同时使两个轴移动。10)程序输入时采用图形引导。11)调试加工程序时可采用图形模拟功能。12)程序试运行。13)插补后沿轮廓重复运动。14)自动搜索程序段到中断点位置。15)软件限位开关。16)工作区域限制。17)每个坐标轴可存储四个零点偏置。18)顶置、设定参考点。 19)CNC编程具有参数功能，共有1000个R参数，可实现程序跳转、数据传送、数学及逻辑运算等功能。 20)轮廓编程和刀尖半径轨迹补偿。 21)车削专用循环、螺纹加工循环、切槽循环及测量循环。 1.2 系统构成1.2.1 硬件结构SINUMERIK 8l0系统的硬件结构紧凑，整机体积仅与台14in电视机相当。图71为810系统背面外观图，正面可参阅绪论中的图01。图72为系统的硬件结构框图。 图71 SINUMERIK 810数控系统外观图(背面) 1一视频接口模块 2CPU模块 3一接口模块4一存储器模块 5-位置辖制模块(测量模块) 6一电源模块图72 SINUMERIK 8l0数控系统硬件结构框图系统硬件主要由以下几部分组成： (1)CPU模块(6FX1138) 该模块是数控系统的核心，主要包括CNC与PLC的CPU、实际值寄存器、工件程序存储器、引导指令输入器(起动芯片)及两个串行通信接口。系统只有一片中央处理器(Intel 80186)，为CNC与PLC的CPU所共用。 (2)位置控制模块(6FX11214BA02或4BB02) 又称测量模块，该模块是数控系统对机床的进给轴与主轴实现位置反馈闭环控制的接口。它对每个控制轴的位置反馈进行拾取、监控、计数与缓冲，通过总线送到CPU模块的实际值寄存器，同时将数控系统对各轴的模拟量控制指令(-10+10v)及使能信号送到相应轴的驱动装置。数控系统要求位置反馈元件是数字式的增量位移传感器，如光栅、光电脉冲编码器等，其中4BB02具有内装的脉冲整形插值器(EXE)。 (3)系统程序存储器模块(6FX11l28) 该模块的主要功能是插接系统程序存储器子模块(EPROM)，同时还可带32K静态RAM存储器作为零件加工程序存储器的扩展，扩展容量相当于80m穿孔带。 (4)接口模块(6FX1121) 该模块通过10总线与输入助出于模块(6FX1124)及手轮控制子模块(6FX1126)，实现与系统操作面板和机床操作而板的接口。另外还可以连接两个快速测量头(用于工件和刀具的检测)及插接用户数据存储器(带电池的16K ROM存储器子模块)。 (5)文字、图形处理器模块(6FX1151) 该模块的主要功能是进行文字和图形的处理，输出高分辨李的隔行扫描信号给显示器的适配单元。 (6)电源模块(6EV3055) 该模块包括电源起动逻辑控制、输入滤波、开关式稳压电源(24V5V)及风扇监控等。1.2.2 内装型可编程控制器(PLC)系统带有一个内装型的可编程控制器，用于实现与机床的接口和电气控制。PLC的等级和允许的指令范围与SIMTIC S5101U可编程控制器相当，编程语言为STEP 5。PLC与CNC间的信号传递如图73所示。图7-3 PLC与CNC之间的信号传递图中，VDI信号是CNC将其信号状态通过接口输入给PLC，再由PLC程序进行处理，其中包括：程序运行、CNC报警以及辅助状态信号等。 PLC的用户程序可以编为两个程序块：PB1与PB2 (或FBl与FB2)，其中PB1(FB1)是循环处理程序，用于实现数控系统和机床间的信号交换、辅助功能输出和机床的电气控制。数控系统起动后，PLC周而复始地扫描执行这个程序块，并在每次扫描结束时，向CNC和机床侧输出执行结果。PB2(FB2)是以中断控制方式处理的程序块，一般用于处理某种特定功能，块的长度有限制。合理、巧妙地编制这两个程序块可以充分利用PLC功能，从而使机床控制线路大为简化，同时提高系统的可靠性。 PLC与机床的接口通过输入场出于模块来实现，最多可以有128点输入(24V直流)，64点输出(其中48点为+24v直流、400mA有过载保护，另外16点为+24v直流、100rnA无过载保护)。1.2.3 软件组成SINUMERIK 8l0数控系统与机床配置并投入使用后，拥有的软件和数据如表72所示。2 故障诊断及维护特点2.1 SINUMERIK 810数控系统的维护特点2.1.1 硬件维护特点 810系统硬件的特点是模块少，整体结构简单，用户无需调整，这主要是硬件软化，采用大规模集成电路和专用集成电路的结果，因此，其硬件故障率很低。然而一旦出现系统自身的硬件故障，往往又是在使用现场难以处理的。因为对模块的检测与维修，需要对硬件和基本系统软件进行相当全向、深入的分析，并且必须具备一定的测试设备、工装和相应的器件才有可能进行。对于现场，比较现实的力法是能够根据模块的功能和故障现象，判断查找出发生故障的模块，以事先准备外的备件替换，然后根据情况，决定是否需要重新加载数据和进行初始化调整，使系统恢复正常工作：故障的模块可以返修。2.1.2 充分重视软件及数据的保护 从表72中可以看出，第I、III两类由于它们的存储方式使得保护问题不很突出，而第II类软件和数据(包括PLC用户程序、报答文本、CNC与PLC机床数据)是机床制造厂或改装设计备编制并经过系列的调整、优化得到的，是组成每台具体的数控机床系统的关键所在：它们存储于用电池保持的ROM存储器于模块中，清除和修改都很容易，一旦这些内容被改乱或丢失，整合机床就不能正常工作，甚至瘫痪。因此这类软件和数据的保护问题就很突出，可以采取下述措施来保护这些软件和数据。 1)将这些软件和数据通过编程器存储于磁盘中或者制成纸带备用，同时最好还能打印出文字硬拷贝，以便丢失时能及时通过设备或手动输入。 2)这些软件和数据容易清除与修改，给调整带来了很大方便。但如果管理不善，也会带来严重后果特别是系统的初始化调整错误的操作可能删除不该清除的内容或加载上不该加载的内容，造成机床的全面瘫痪。因此，应当制定严格的制度，防止无关入员摆弄数控系统。机床的操作人员、编程人员和维修入员也应明确各自的职责范围(修改机床数据、进行初始化调整工作必须由专职人员执行和掌握)，以避免其他人员的误操作造成事故。2.1.3 数据调整的特点 数据调整是数控系统的一个突出特点。将系统适配于一台机床，需要处理系统与机床的电气控制部分、位置控制部分(驱动装置与位置反馈回路)以及数据传输设备三个方面的接口。实现这些接口，其中大部分的设计调试工作是编制、设得和优化有关的软件和数据，这个特点也会反映到机床的维修工作中，因为尽管机床已经过出广调整和现场的投入使用调整，但由于试加工的局限件、加工要求或者控制要求的改变 甚至环境条件的改变，都会提出一些新的调整要求，需要在维修小加以解决。因此，维修人员应当对系统的这些软件和数据有相当的了解。它包括： (1)机床数据 机床数据是系统适配于机床所设置的有关数据。其中：MDl一MDl56是系统的通用数据，机床交付使用后，这些数据一般不需再调整。MD200*一MD396*(*为轴号，0、1、2和3分别表示4个进给轴)为进给轴专用数据，其中各轴的漂移补偿、传动间隙补偿、复合增益、Kv系数(位控环增益)、加迎度、夹紧容差以及与轮廓监控有关的数据等，在维修中都有可能需要调整，有时需要边进行数据修改，一边用动态记录仪或存储示波器检查今关的给定和响应，以达到特性要求。MD4000一MD4590为主轴专用数据，通过这些数据的设定，可对主轴不同传动级的各种特性分别加以调整。MD5000一MD5050为系统的通用数据位，主要是系统的一些操作和控制功能的选择生效，在使用中，可以根据需要作一些改变。MD5200MD5110是主轴的专用数据位。MD540*MD558”(* 为通道号，可以是1、2)为通道专用数据位，机床交付使用后，一般不需再做调整。MD560*MD576*(*为轴号、同前)为进猾轴专用数据位。MD6000MD6249为丝杠螺距误差补偿数据，选择该功能后，可通过这些数据最多定义1000个补偿点并分配给各进给轴(需与有关轴的专用数据配合使用)，进行丝杠螺距误差补偿，需要用激光干涉仪之类的精密测量仪器，测绘出丝杠螺距误差曲线。由于机床数据内容广，数量大，因此在对它们进行修改与优化时，必须弄清被修改数据的确切合义、取值范围和没定方法，及时做出相应的修改记录，以免发生混乱。 (2)PLC用户软件 PLC用户软件包PLC机床数据、PLC用户程序和PLC报警文本，这三者之间有密切的联系，PLC机床数据和PLC报警文本都是根据PLC用户程序的要求设定和编制的。机床交付使用厂，一般不再需要对它们进行修改，除非提出新的接口或控制要求。但是，维修人员应当读懂机床的PLC用户软件，否则，就无法通过接口检查找出机床电气控制部分的故障、因为机床的电气控制逻辑关系主要是在PLC用户程序中编定的。 通过系统面板上的“DIAGNOSIS”软健，可以实时读出PLC的全部输入字(IB)、输出字(QB)、标志字(N)、定时器(T)和计数器(C的信号状态、以用来做接口诊断。如接近一步地处理与PLC有关的问题，应借助西门子机外编提器，该编积器不但可以用来编辑、传输和读出上述PLC用户程序、而且可以对PLC进行在线诊断和状态控制，如读出中断堆栈、信号状态、变量控制以及起、停PLC等，给查找相处理与PLC有关的故障提供了很大的方便。2.2 系统的自诊断功能及报警处理方法 810系统没有很强的自诊断功能，实时监控系统各部分工作，及时识别出CNC、PLC和机床中的故障。监控范围广泛，包括以下各方面内容：数据读人、位置反馈回路及位置传感器、程序格式、CNC与PLC之间的数据传送、微处理器、加工时的零件轮廓、串行接口、系统程序存储器、电压、机床数据存储路、温度、用户程序存储器、使能信号和主轴功能。2.2.1 CPU监控 CPU模块上有一个红包发光二极管(LED)，用以指示控制系统的状态 正常情况下，按下系统起动放钮的最初67s内该LED频繁闪亮，然后熄灭，这时系统起动完成。如果LED常亮，则系统不能被起动，CRT也往往没有显示，这时可从以下几方面着手查找故障原因：CPU模块硬件故障。模块中有跨接棒错接。EPROM故障。总线板损坏。机床数据错误。起动芯片用错或损坏。 如果在运行中该红色发光二极管亮，则表明：模块中出现硬件故障。CPU处于死循环。CPU循环周期过长以至引起监控响应。2.2.2 EPROM存储器的自诊断 基本系统软件全部存储于EPROM存储器中，它们的正确无误是系统正常工作的基本前提。因此，每次起动和CPU循环工作中，系统都会自动对这些存储器的内容进行总和检查，一旦发现实际总和与额定总和不符，立即显示文字报警，并指示出错芯片的片号。值得汁意的是，EPROM存储器真正损坏的情况并不多见，比较多的情况是存储器模块或其上面的EPROM芯片插接不良，或者不同版本、不同型号和不向种类的软件芯片混用，这类情况，只要纠正并重新起动系统，故障即可排除。如EPROM损坏，则应以备用软件替换或请专职维修人员处理。2.2.3 一些报警的处理方法 大部分监控的故障识别结果是以报警显示的方式给出的、对于具体的故障，系统有固定的报警号和文字显示给予提示。系统会根据故障情况决定是否撤消CNC准备好的信号，或者封锁循环起动。对于加工运行中出现的故障、必要时系统会自动停止加工过程，等待处理。下面对其中一部分含义比较广泛的报警，提供一些故障原因及处理方法，供参考。 (1)115号报警 指示系统自身的一些故障，提示的含义很明确但其中一些报警的处理方法需要加以注意。 l号报警 反映工件存储器的屯池即将用完。该电池在CRT显示单元的背面，替换电池时必须在系统通电的情况下进行，否则存储内容会丢失。 6号报警 指示数据存储器子模块电池用尽。替换时，必须在系统断电的情况下拔出该子模块，冉以新的子模块替换旧的子模块，否则会引起系统故障。子模块调换后，需重新加载其存储内容。 3号报警 表明PLC处于停止状态。此时，由于接口已被封锁机床不能工作。遇到这种情况，一般应用机外编秽器读出PLC的中断堆栈，即可查明故障原因。对于偶然出现的这种故障，也可以采用初始化的方法重新起动PLC，使机床恢复丁作。如果故障频繁出现，说明PLC的设计存在缺陷，应请专职维修人员进行处理 这类报警应在故障排除后，用关机重新起动的方法恢复系统运行。 (2) 1639号报警 系统RS232C接口的报警。本系统有两个RS232C接口，通过正确地没定数据位MD5010一MD5028，可与不同传输设备的KS-232C接口配接，进行数据传输。能否成功地实现数据传输，取决于电缆连接、系统传输设备的状态、数据格式、传输识别符以及传输波特率是否正确。此类报警就是从这些方面对数据传输过程进行监控，及时提示用户处理接口故障，保持传输能够顺利进行。 (3)进给轴专用报警 100*一196*(其中*为轴号，同前)报警反映了机床位置闭环控制中各环节可能的故障，是实际应用中比较容易出现的一类报警。其中： 104*报警 为“到达数模转换极限”报警，表明该轴此时要求处理的数字指令值高于机床数据MD268*中规定的数模转换极限值，系统无法对这样的数字指令值实现数据转换。可采取的措施：降低进给速度。检查位置反馈传感路是否出问题。检查MD268*设定是否正确。检查驱动装置是否出故障等。 116*报警 为“轮廓监控”报警，表明进给速度在高于机床数据MD336*规定的轮廓监控门槛速度后，超过了MD332*规定的容差带；或者在加速或制动时，坐标轴不能在规定的时间内达到要求速度，一般是Kv系数设置不当。可采取的措施：适当加大MD332*规定的容差带。调整Kv系数(MD252*)。检查驱动装置速度调节器的响应特性，必要时重新优化。 132*报警 为“位置反馈回路硬件故障”报警，表明检测到的位置反馈信号相位错误、接地短路或完全没有信号。可采取的措施：检查测量回路电缆是否断路、脱落。通过插入特制的测量回路短路插头，判断坐标轴的位置控制是否有故障。用示波器测量位置反馈信号的相位，判断电缆与位置传感器是否出问题。 168*报警 为对运行中的坐标轴拒发使能信号。各坐标轴的位能信号来自PLC用户程序，因此应当根据程序规定的逻辑关系检查各有关的接口信号状态，查明原因后，即可得出解决办法。 由此可见，处理坐标轴力面的故障要涉及到多方面的检查内容，因此，有关人员不但要了解系统，还要对机床的其他部分如测量元件、驱动装置及外部接口等有相当的了解。 (4)20002999报警 般是在运行程序时出现。包括：指示机床的一些状态故障。提示没有为系统订购程编中要求的