CAK6140V数控车床伺服系统故障诊断与排除

（2016届）毕业设计（论文）CAK6140V数控车床伺服系统故障诊断与排除学院（部）： 机车车辆 专 业： 机电设备维修与管理 学生姓名： QQ 3449649974 班 级： 学 号： 指导老师： 评定成绩： 2015年12月目录摘要. 1引言. 2一、数控机床和伺服系统. 3 1、数控机床的定义和组成. 3 2、伺服系统. 4二、故障和故障的诊断. 6 1、故障的定义和分类及其规律. 6 2、故障诊断原则与方法. 7 3、维修常用工具. 8三、数控车床故障维修实例. 10 1、操作现场故障维修实例（一）. 11 2、操作现场故障维修实例（二）. 12四、数控车床的维护管理. 14 1、维护管理的内容. 14 2、点检管理. 15结论. 17总结. 18谢辞. 18参考文献. 20 摘要1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展也起着越来越重要的作用（因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势）。数控机床是机电一体化在机械加工领域中的典型产品，具有高精度、高效率和高适应性的特点。数控机床已在我国批量生产、大量引进和推广使用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来了很大的经济效益。由于机床数控系统的先进性、复杂性和智能化高的特点，若其任何部分发生故障与失效现象，都会使数控机床停机，从而造成生产停顿。因此，对数控车床的故障进行诊断与排除就显得十分必要。而在数控车床的故障进行诊断与排除问题中,数控系统的故障的处理所占的比例是主要部分的。关键词：数控车床，维护，故障处理Key words：Numerical Control Machine Tool , Maintain , Fault Treatment第 1 页 共 20页前言数控机床的伺服系统是指以数控机床移动部件（如工作台）的位置和速度作为控制量的自动控制系统，也就是位置随动系统。它是数控装置和机床主机的联系环节，用于接收数控装置插补器发出的进给脉冲或进给位移量信息，经过一定的信号转换和电压、功率放大，由伺服电机带动传动机构，最后转化为机床工作台相对于刀具的直线位移或回转位移。伺服系统对于机床来说极其重要，所以对伺服系统也有要求，基本要求伺服系统位移精度高，稳定性好，定位精度高，快速响应性好，调速范围宽，系统可靠性好，低速大转矩。鉴于伺服系统的重要性，伺服系统的故障维护也很重要。一、数控机床和伺服系统1、数控机床的定义和组成（1）国际信息处理联盟（International Federation of Information Processing，IFIP）第五技术委员会，对数控机床作了如下定义：数控机床是一种装有程序控制系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。定义中所指的程序控制系统即为数控系统，系统运用数字控制技术实现机床自动控制，即用几何信息控制刀具和工件间的相对运动（即运动轨迹行程量控制），以及机床完成加工运动所必需的辅助工艺信息控制（即机床运动开关量逻辑控制），如主轴转数、主轴转向、刀具选择和切削液开闭等。通俗地讲，数控机床就是采用数字控制的机床，也就是在普通机床的基础上加了一套特殊的控制系统，即所谓数字控制（Numerical Control，NC），是用数字信息对运动和工作过程进行控制的技术，就是用数字量化了的控制。图1-1 K6140V数控车床在生产车间的应用CAK6140V数控车床属于经济型数控车床，由沈阳第一机床厂生产，结构特点有：X、Z轴全数字交流伺服闭环控制主轴可实现无级调速与恒速切削中文液晶显示及图形轨迹显示。它可进行多次重复循环加工，一般装配于车间使用，主要用于轴类、盘类的精加工和半精加工，可以加工内、外圆柱表面、锥面、车削螺纹、镗孔、铰孔以及各种曲线回转体。（2）数控机床在传统上一般认为是由程序载体、输入输出设备、数控系统、伺服系统、机床主体等组成。但现代数控机床的数控系统都采用模块化结构，伺服系统中的伺服单元和驱动装置为数控系统中的一个子系统，输入输出装置也为数控系统中的一个功能模块，所以现在的观点认为数控机床主要由计算机数控系统和机床本体组成，其基本结构框图如下。图1-2数控机床结构框图（1）输入装置的作用是将程序载体内有关加工的信息读入数控装置。根据程序载体的不同，输入装置可以是录音机或软盘驱动器等。数控机床还可以不用任何程序载体，通过数控机床操作面板上的键盘，用手工将工件加工程序输入数控装置。（2）数控装置是数控机床的核心。它根据输入的数据，完成数值计算、逻辑判断、输入输出控制等。数控装置一般由专用（或通用）计算机、输入输出接口板及可编程序控制器（PLC）等组成。可编程序控制器主要用于对数控机床辅助功能、主轴转速功能和刀具功能的控制。（3）伺服系统包括主轴伺服单元、进给伺服单元、机床控制线路、功率放大线路及驱动装置，它接受数控装置发来的各种动作命令，驱动数控机床传动系统的运动。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。（4）测量装置的作用是通过位置传感器将伺服电动机的角位移或数控车床执行机构的直线位移转换成电信号，输送给数控装置，使之与指令信号进行比较，并由数控装置发出指令，纠正所产生的误差，使数控车床按工件加工程序要求的进给位置和速度完成加工。（5）机床本体包括：主传动系统、进给系统以及辅助装置等。对于数控加工中心，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置（ATC）和自动托盘交换装置等。与传统的机床相比，数控机床的结构强度、刚度和抗振性，传动系统和刀具系统的部件结构，操作机构等方面都发生了很大的变化，其目的是为了满足数控技术的要求和充分发挥数控机床的效能。2、伺服系统数控机床的伺服系统主要由三部分组成：控制器，功率驱动装置，反馈装置和电动机。控制器按照数控系统的给定值和通过反馈装置检测的实际运行值的差，调节控制量；功率驱动装置作为系统的主回路，一方面按控制量的大小将电网中的电能作用到电动机之上，调节电动机转矩的大小，另一方面按电动机的要求把恒压恒频的电网供电转换为电动机所需的交流电或直流电；电动机则按供电大小拖动机械运转。而CAK6140V数控车床采用的是闭环控制伺服系统，电动机是交流伺服电动机。闭环伺服系统的组成见下图：图1-3闭环伺服系统结构图伺服系统的工作原理是通过位置检测装置将检测到的移动不见得实际位移量进行位置回馈，与位置指令信号进行比较，将两者的差值进行为之调节，变换成速度控制信号，控制驱动装置驱动伺服电动机以给定的速度向消除偏差的方向运动，知道指令位置与反馈的实际位置的差值等于零为止。而闭环伺服系统则是将检测装置装在移动部件上，直接测量移动部件的实际位移来进行位置反馈的进给系统。闭环伺服系统可以消除机械传动机构的全部误差，而半闭环伺服系统只能补偿部分误差，因此，闭环伺服系统的精度比半闭环系统的精度要高一些。 图1-4伺服驱动器 图1-5交流伺服电动机精度是数控机床必须保证的一项性能指标，伺服控制系统的位置检测定位精度和反馈信号的精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度一个高性能的伺服系统可以提供灵活、方便、准确、快速的驱动，所以伺服系统的精度高低决定了数控机床的加工精度和稳定性。闭环伺服系统比半闭环伺服系统和开环伺服系统在位置定位检测精度和位置反馈精度上更精确，更能保证机床的加工精度和加工稳定性，从而保障机床产品生产的质量和效率。 图1-6编码器 图1-7伺服控制器二、故障和故障的诊断1、故障的定义和分类（1）故障的定义故障是指设备在工作过程中，因某种原因“丧失规定功能”或危害安全的现象。规定功能是指在设备的技术文件中明确规定的功能。失效有时也被称为一种故障，但这些故障却是可修复的。数控机床发生的故障主要从机械、液压与气动、电气等三方面反映出来，使得数控系统全部或部分丧失功能，设备无法工作。（2）故障的分类按故障出现的必然性和偶然性，可分为系统性故障和随机性故障两种。按故障出现时有无自诊断显示，可分为有报警显示故障和无报警显示故障两种，其中有报警显示故障有硬件报警显示和软件报警显示两类。按故障产生时有无破坏性，可分为破坏性故障和非破坏性故障两种。按故障发生的原因，可分为数控机床自身故障或外部故障。按故障发生的部位，可分为硬件故障和软件故障。硬件故障指只有更换已损坏的器件才能排除的故障；软件故障包括程序编制错误和参数设置不正确。（3）数控机床故障的规律根据数控机床的故障度，整个使用寿命大致可以分为三个阶段，即早期故障期（磨合期）、偶然故障期（有效寿命期）、耗损期（耗损故障期），其故障曲线形似浴盆，又称浴盆曲线，如下图图1-8故障规律磨合期特点是故障发生的频率高，系统的故障率为负指数曲线函数。有效寿命期是指机床在经历了初期的各种老化、磨合和调整后，开始进入相对稳定的正常运行期。耗损期出现在机床使用的后期，特点是故障率随着运行时间的增加而升高。2、故障的诊断原则与方法（1）数控机床故障诊断原则先外部后内部（当数控机床发生故障后，维修人员应先采用望、闻、听、问等方法，由外向内逐一进行检查的方法）先机械后电气（机械故障较易察觉，在数控机床的检修中，首先检查机械部分是否正常，行程开关是否灵活，气动、液压部分是否正常等）先静后动（首先应先询问机床操作人员故障发生的过程及状态，阅读机床说明书、图样资料后，方可动手查找和处理故；其次，对有故障的机床也要本着先静后动的原则，先在机床断电的静止状态，通过观察测试、分析，确认为非恶性循环性故障，或非破坏性故障后，方可给机床通电，在运行工况下，进行动态的观察、检验和测试，查找故障）先公用后专用（公用型的问题往往影响全局，而专用性的问题只影响局部）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）先一般后特殊（在排除某一故障时，要先考虑最常见的可能原因，然后再分析很少发生的特殊原因）（2）数控机床诊断方法直观检查法（也称观察检查法，它是维修人员利用自身的感觉器官，如眼、耳、鼻、手等查找故障的方法）系统自诊断方法（充分利用数控系统的自诊断功能，根据CRT上显示的报警信息及各模块上的发光二极管等器件的指示，可判断出故障的大致起因） 功能测试法（通过功能测试程序，检查机床的实际动作，判别故障）参数检查法（参数的丢失和变化，会使得机床无法正常工作，通过对参数的检查和回复，能有效的排除一些参数性故障）原理分析法（根据数控系统的组成及工作原理，从原理上分析各点的电平和参数，并利用万用表、示波器或逻辑分析仪等仪器对其进行测量、分析和比较，进而对故障进行系统检查。）测量比较法（数控系统的印刷电路板都设置有检测用的测量端子，维修人员利用这些端子，可以测量、比较正常的印刷电路板和有故障的印刷电路板之间的电压或波形的差异，进而分析、判断故障原因及故障所在位置）部件交换法（在故障范围大致确认，并在确认外部条件完全正确的情况下，利用同样的印刷电路板、模块、集成电路芯片或匹配元件替换有疑点的部分的方法）3、维修常用工具（1）万用表万用表是电力电子等部门不可缺少的测量仪表，一般以测量电压、电流和电阻为主要目的。万用表按显示方式分为指针万用表和数字万用表。是一种多功能、多量程的测量仪表，一般万用表可测量直流电流、直流电压、交流电流、交流电压、电阻和音频电平等，有的还可以测交流电流、电容量、电感量及半导体的一些参数（如）等。（2）逻辑测试笔和脉冲信号笔逻辑测试笔和脉冲信号笔，是一种新颖的测试工具，它能代替示波器，万用表等测试工具，通过转换开关，对TTL、CMOS、DTL等数字集成电路构成的各种电子仪器设备（电子计算机、程序控制、数字控制、群控装置）进行检测、调试与维修使用。 图1-9 万用表 图1-10逻辑笔(3)示波器示波器是一种用途十分广泛的电子测量仪器。它能把肉眼看不见的电信号变换成看得见的图像，便于人们研究各种电现象的变化过程。示波器利用狭窄的、由高速电子组成的电子束，打在涂有荧光物质的屏面上，就可产生细小的光点（这是传统的模拟示波器的工作原理）。(4)PLC编程器在一般情况下，编程器是可编程序控制器系统的人机接口，用户可以利用编程器对可编程序控制器进行程序的输入、编辑、修改和调试。可编程序控制器可使用的编程器种类大致有：简易编程器、图形编程器和智能编程器，其中简易编程器是常用的编程设备。PLC的编程语言：与计算机一样，PLC的操作是按其程序要求进行的，而程序是用程序语言表达的。PLC编程器是工业自动控制的专用装置其主要使用者是广大工程技术人员及操作维护人员，为了满足他们的传统习惯和掌握能力，采用了具有自身特色的编程语言或方式。 图1-11示波器 图1-12 PLC编程器(5)ICT在线测试仪ICT在线测试仪主要用于组装电路板（PCBA）的测试。这里的“在线”是“In-Circuit”的直译，主要指电子元器件在线路上（或者说在电路上）。在线测试是一种不断开电路，不拆下元器件管脚的测试技术，“在线”反映了ICT重在通过对在线路上的元器件或开短路状态的测试来检测电路板的组装问题。 图1-13 ICT在线测试仪 图1-14 短路追踪仪(6)短路追踪仪短路追踪仪可轻易找出电路板的短路点。便携式短路追踪仪使用独一无二的4线式电阻测量法，因此能够消除测试探针的阻值，精确地判断出是器件还是导线的短路。众所周知理想的电路板导线阻值为零，但在实阻情况下电路板导线仍有很小的阻值。(7)逻辑分析仪逻辑分析仪是分析数字系统逻辑关系的仪器。逻辑分析仪是属于数据域测试仪器中的一种总线分析仪，即以总线（多线）概念为基础，同时对多条数据线上的数据流进行观察和测试的仪器，这种仪器对复杂的数字系统的测试和分析十分有效。逻辑分析仪是利用时钟从测试设备上采集和显示数字信号的仪器，最主要作用在于时序判定。由于逻辑分析仪不像示波器那样有许多电压等级，通常只显示两个电压（逻辑1和0），因此设定了参考电压后，逻辑分析仪将被测信号通过比较器进行判定，高于参考电压者为High,低于参考电压者为Low，在High与 Low之间形成数字波形。 图1-15 逻辑分析仪 3、 数控车床故障维修实例当然，CAK6140V数控车床的使用是非常广泛的，普遍应用于制造业单位的生产车间，只要就是因为它采用了闭环伺服系统，保证了产品的加工精度和加工稳定性，极大的提高了生产产品的质量和效率。在学校实训现场，我们进行数控车床加工实训时使用的数控车床就是由沈阳第一机床厂制造生产CAK6140V型数控车床，是我们实际山接触过的数控车床，所以主要介绍的就是在实训过程中，使用CAK6132V数控车床对所出现的故障的诊断和维修。图1-16 CAK6140V数控车床在车间的使用1、操作现场故障维修实例（一）（1）在一次实训过程中，开机后伺服变压器出现了故障。图1-17 伺服变压器 图1-18断路器内部构造图具体的故障表现是机床正常通电开机后，在进行加工实训时，发现变压器无输出电流，机床无法正常进行加工工作。在没有确定具体故障点的情况下，我们进行分析讨论得出可能的原因有变压器电路各电线存在断线或短路故障伺服变压器输入端断路器未合闸或跳闸伺服变压器过热保护开关跳闸（伺服变压器过流、过热）伺服变压器损坏（外部电源超过机床电源要求；输出短路、串接、负荷过大引起，电流过大，温度升高，过热保护开关未跳没有起到保护作用导致；还有伺服变压器内部短路、断路）。 图1-19交流稳压电源 图1-20过热保护开关将机床电源关闭后，我们本着先简单后复杂的原则，从容易检查和排除的地方查起，先是检查了三相电源到断路器的进线端，经万用表测得该线路不存在短路和断路故障，然后依电路检查之后的变压器输入端断路器，因为断路器如果没有合闸或已经跳闸，则变压器输入端不能正常通电，变压器就出现故障，而检查的过程就是观察断路器的情况，结果发现断路器完好无损，使用万用表测量也没有故障，完全没有影响到正常工作，于是我们排除了这个可能。然后我们对过热保护开关也进行了检查，发现变压器过热保护开关没有出现故障，属于正常工作状态，我们也排除了这个可能；而由于实训现场所用机床都安装了交流稳压电源，使得我们也排除了这个选项，所以我们就把重点放在了变压器内部问题上，认为是变压器内部的短路或者断路导致的故障。 图1-21变压器基本原理图变压器的主要组成部分是铁芯和绕组，绕组绕在铁芯上，两个绕组之间只有磁的耦合，没有电的联系，在一次绕组中加上交变电压，便能产生交链一、二次绕组的交变磁通，在两绕组中分别感应电动势，只要一、二次绕组的匝数不相同，就可以达到改变电压的目的。于是我们使用万用表对变压器内部线路进行了测试，检测发现变压器内部存在断线的故障，因为实训现场有备用的同型号变压器，所以我们对变压器进行了替换，替换之后我们再次进行了检查，确认安全之后开启了机床电源，发现车床能正常工作，故障已经得到了排除。2、操作现场故障维修实例（二）在实训现场进行数控加工实训期间，我们有一台机床在加工圆弧以及倒角轨迹时出现了加工不正常的故障。 图1-22实训零件加工图纸具体的故障表现是，工件装夹完毕后，机床在进行零件图右边所示的球体圆弧加工的过程中，发现加工圆弧的轨迹不正常，不能正常加工出球面的圆弧形状，导致加工工件报废，同时我们按照零件图对工件进行倒角去毛刺操作的时候还出现了倒角过大的现象。于是我们停止了加工工作，并通过小组讨论和请教老师，我们得出导致故障的可能原因有加减速影响导致加工小圆弧和倒角轨迹不正常切削参数选择不当导致刀具补偿数据设置不当导致。图1-25圆弧加工正常工件示例 图1-26倒角加工示例我们随后对故障原因一一进行了排除，首先我们检查了加减速参数的设置，在按照随机床而来的使用说明书上的操作进入加减速参数设置页面之后，经过对照检查同型号正常工作的机床加减速参数之后，对比发现参数设置无误，同时经过对加减速参数的调整修改，发现故障依然存在，所以排除了第一个故障原因；然后我们检查第二个可能的故障原因，同样按照使用说明书进入参数设置页面后，检查切削参数，发现切削参数设置不当，于是我们基本确定了故障原因就是因为切削参数的设置不当引起的。在基本确定了故障可能原因是由于切削参数的设置不当之后，我们对照同型号进行同样加工工作的机床的切削参数修正了切削参数，随后开机进行了验证，发现机床能正常加工小圆弧，同时倒角轨迹也正常，故障得到了排除。图1-27半径补偿参数页面（英文） 图1-28刀具补正页面四、数控车床的维护管理1、维护管理的内容（1）严格遵循操作规程数控系统编程、操作和维修人员必须经过专业的技术培训，熟悉所用的数控机床的机械、数控系统、强点设备、液压、气源等部分及使用环境、加工条件等；能按机床和系统使用说明书的要求正确、合理地使用，尽量避免因操作不当引起的故障。（2）防止数控装置过热定期清理数控装置的散热通风系统，应经常检查数控装置上各冷却风扇工作是否正常；应视工作环境状况，每半年或一个季度检查清扫一次，具体方法如下：拧下螺钉，拆下空气过滤器在轻轻振动过滤器的同时，用压缩空气从里向外吹掉空气过滤器的灰尘过滤器太脏时，可用中性清洁剂（清洁剂和水的配方为5：95）冲洗（但不可揉擦），然后置于阴凉处晾干即可。（3）经常监视数控系统的电网电压通常情况下，数控系统允许的电网电压范围在额定值的85%110%，如果超出此范围，轻则使数控系统不能稳定工作，重则会造成重要电子部件损坏。因此，要经常注意电网电压的波动，对于电网质量比较恶劣的地区，应配置数控系统专用的交流稳压电源装置。（4）定期检查和更换直流电动机的电刷对于一些使用直流电动机的数控机床来说，电刷的过度磨损会影响其性能甚至损坏，所以定期检查电刷对于这些机床来说是必须的。（5）防止尘埃进入数控装置内除了进行检修外，应尽量少开电气柜门，避免空气中漂浮的灰尘和金属粉末落在印刷电路板和电气插件上导致元件间绝缘电阻下降出现故障甚至损坏。如不慎使得电路板和接插件受到外部尘埃、油雾污染，可用专用电子清洁剂喷洗。（6）存储器用电池定期检查和更换通常，数控系统中部分CMOS存储器中的存储内容在断电时靠电池供电保持；一般采用锂电池或可充电的镍镉电池。当电池电压下降至一定值时就会造成参数丢失，因此要定期检查电池电压，注意及时更换。（7）数控系统长期不用时的维护当机床长期不用时，应经常给数控系统通电，在机床锁住不动的情况下，使其空运行，在空气湿度较大的梅雨季节也应天天通电，以保证电子部件的性能稳定可靠。2、点检管理点检管理一般包括专职点检、日常点检、生产点检。专职点检：负责对机床的关键部位和重要部位按周期进行重点点检和设备状态检测与故障诊断，制定点检计划，做好诊断记录，分析维修结果，提出改善设备维护管理的建议。日常点检：负责对机床一般部位进行点检处理和检查机床在运动过程中出现的故障。生产点检：负责对生产运行中的数控机床进行点检，并负责润滑、紧固等工作。一般包括以下几部分内容：（1）安全保护装置开机前检查机床的各运动部件是否在停机位置。检查机床的各保险及防护装置是否安全。检查各旋钮、手柄是否在规定位置。检查工装夹具的安装是否牢固可靠，有无松动位移。刀具装夹是否可靠以及有无损坏。工件装夹是否稳定可靠。（2）机械及气压、液压仪器仪表开机后使机床低速运转35min，然后检查一下项目。主轴运转是否正常，有无异声、异味。各轴向导轨是否正常，有无异常现象发生。各轴能否正常回归参考点。空气干燥装置中滤出的水分是否已经放出。气压、液压系统是否正常，仪表读数是否在正常值范围之内。（3）电气防护装置各种电气开关、行程开关是否正常。电机运转是否正常，有无异声。（4）加油润滑设备低速运转时，检查导轨的上油情况是否正常。按要求的位置及规定的油品加润滑油，注油后，将油盖盖好，然后检查油路是否畅通。（5）清洁文明生产设备外观无灰尘、无油垢，呈现本色。各润滑面无黑油、无锈垢，应有洁净的油膜。丝杠应洁净无黑油，亮泽有油膜。生产现场应保持整洁有序。第 20 页 共 20 页结论本篇毕业论文的内容有数控机床伺服系统的简单介绍，故障的相关认知，故障维修原则和方法，数控机床伺服系统故障的检查分析和排除的方法，数控机床伺服系统的维护保养工作等。伴随着全面深化改革的进行，数控技术的运用会越来越广泛，数控机床在机械制造业的的比例也会不断增大，会逐渐运用到更多的区域里去，这就对数控机床有效工作时长的有了更高的要求，同时也需要数控机床的操作人员与时俱进，具备相应的机床操作水平，还要具备数控机床伺服系统故障的认知和解决办法，使数控机床的故障出现的少、排除的早，能更有力的推动国民经济的发展。所以，学习了解数控机床伺服系统相关知识对于机械类专业的应届毕业生来说尤其重要，通过对这些知识的学习、了解，使我们巩固了所学的知识，同时也开阔了我们的视野，给今后从事机械类行业工作的道路很大的帮助。总结在国民经济中，机械制造业是基础产业部门 。工业、农业、 国防和科技的现代化，要求机械行业必须不断提供各种先进而性能优良的设备与装备 。而在一般的机械制造中机床所担负的加工工作量，约占机械制造总工作量40%60%。从质的方面来说 ，既然机床是制造各种装备和机器的 ，那么机床的性能就必然直接影响机械产业的性能、质量和经济性