数控机床故障与检测复习资料

第一章第一章 绪绪 论论 1 数控机床故障的含义 数控机床故障是指数控机床丧失了达到自身应有功 能的某种含义 它包括两层含义 一是数控机床功能降低 但是没有完全丧失 功能 二是故障加剧 数控机床已不能保证其基本功能 这称为失效 数控机床故障诊断的目的数控机床故障诊断的目的 是预防数控机床故障的发生 提高数控机床的可靠性 和安全性 需要了解各类故障产生的原因 进行失效分析 清楚失效的原因 才能 排除故障 预防故障的再发生 2 平均无故障工作时间 指设备在一个比较长的使用过程中 两次故障间隔 的平均时间 平均修复时间 排除故障直到数控机床能正常使用所需要的时 间 3 数控机床故障的分类 1 按形成原因分类的故障有内在薄弱性故障 磨损性故障和错用性故障 2 按程度分类的故障有局部性故障和整机故障 3 按形成速度分类的故障有逐渐性故障 急剧性故障和突发性故障 4 按发生频率分类的故障有偶发性故障和多发性故障 5 按造成结果分类的故障有一般性故障 严重故障和恶性故障 4 故障现象 指故障发生时的具体表现形式或现象的一种表征 5 故障机理 指诱发零件 部件 设备 系统发生故障的物理 化学过程 或者说是形成故障源的原因 6 在研究故障机理时 要考察三个基本要素 对象 原因 结果 7 故障诊断技术的分类 1 根据诊断形式分类 定时诊断 每隔一定的时间对服役的机床和加工设备进行一次常规检查和诊 断 连续诊断 利用检测设备或仪器对运动的机床或加工设备的工作状态进行连 续的检测和监控 适合重要的或一旦发生故障将引起严重影响的机床和加工设 备 直接诊断 根据机床或加工设备的零部件的运动状态的信息来确定设备所处 的工作状态 间接诊断 通过机床或加工设备运行中的二次信息来间接判断设备的工作状 态 功能诊断 检测机床或加工设备的功能是否正常 运行诊断 对机床或加工设备的运行状态进行监控 这是对机床或加工设备 可能发生的故障以及故障发展趋势进行早期诊断 在线诊断 对正在运行的机床或加工设备进行实时检测或诊断 离线诊断 通过对现场机床或加工设备所测量 记录或保留的工作状态信息 结合设备的技术档案及相关信息 作分析和诊断 判断加工设备的故障部位或 故障发展趋势 2 根据监测和诊断信息分类 声振诊断 无损诊断 污染诊断 电气诊断 交叉诊断 压力强度诊断 温度 诊断 3 根据诊断对象分类 控制系统诊断 机械系统诊断 辅助系统诊断 8 故障诊断过程一般由以下的基本环节组成 1 确定状态监测的内容 2 选取适合的传感器和测试装置 3 对获取的信号进行加工 处理和分析 4 进行状态监测 判断和预报 构成或选定判断 5 排除故障 9 数控机床主要由 控制系统 机械系统和辅助系统组成 第二章第二章 信号的基础描述信号的基础描述 1 信号 指信息的载体 是信息的物理表现形式 是信息的函数 2 信号可分为 确定信号和随机信号两类 确定信号可分为周期信号和非周期 信号 随机信号可分为平稳随机信号和非平稳随机信号 3 周期信号 指依一定的时间间隔周而复始 而且是无始无终的信号 4 随机信号 不能用确定的数学表达式来描述 无法预测任意时刻的精确值的 信号 随机过程分为平稳与非平稳随机过程两类 平稳随机过程可分为各态历 经过程和非各态历经过程两类 非平稳随机过程有可分为一般非平稳随机过程 和瞬变随机过程 5 频域 非周期信号或各态历程随机信号可以进行傅立叶变换 变换后的信号 是频率的函数 这些频率的函数的集合 6 傅立叶变换本质 是信号的时域和频域的一种变换 或者说是映射 是信 号频率结构分析的重要工具 它分为傅立叶级数 离散傅立叶变换 快速傅立 叶变换 7 傅立叶变换的性质有 线性性质 对称性质 尺度性质 时移 频移 微 分性质 积分性质 乘积和卷积 第三章第三章 故障诊断信号分析与处理技术基础故障诊断信号分析与处理技术基础 1 随机信号 用概率统计方法进行描述的 统计特征参量分析称为信号的幅 值域分析 2 随即数据的概率密度函数表示随机信号的在幅值落在指定区间内的概率 3 概率密度函数 提供了随机信号的幅值分布信息 是随机信号的主要特征 参数之一 4 概率密度函数曲线 概率密度函数随幅值变化的关系曲线 5 概率分布函数表示 信号 x t 的幅值小于或等于某一值 x 的概率 6 均值 表示信号的平均变化情况 代表信号的静态分量 7 方差 描述了信号 x t 偏离均值的程度 代表了信号的波动分量 方差 小表明均值附近的数据密集程度高 相反数据就比较分散 方差的正平方根称 为标准差 8 自相关函数 描述同一信号在不同时刻的相互依赖关系 9 互相关函数 描述两个信号不同时刻相互依赖的关系 10 互相关函数的性质 互相关函数是可正 可负的实函数 互相关函数是反对称函数 即 Rxy i Ryx i 当 Rxy i 0 表示两信号不相干 当 Rxy i x y x y 表示两信 号完全相干 Rxy i 取值范围为 x y x y Rxy i x y x y 11 功率谱 包括自功率谱和互功率谱 自功率谱与幅度谱提供的信息量相同 自功率谱可由相关函数的博里叶变换求得 也可由幅度谱计算得到 第四章第四章 数控机床故障诊断数控机床故障诊断 1 数控机床机械故障诊断 包括对机床运行状态的识别 预测和监控三 个方面的内容 故障诊断有两方面的含义 故障诊断有两方面的含义 一是查明导致设备或系统发生故障 的子系统或相关的联系 二是找到使这些子系统或相关联系处于故障状态的初 始原因 2 数控机床机械故障的实用诊断方法 机床维护人员通过感觉器官对机床 进行问 看 听 触 嗅等 了解到机床机械部件的形貌 声音 温度 振动 颜色和气味的变化来进行故障诊断 3 故障诊断技术 利用各种诊断仪器以及特定的数据处理对机械的故障原因 部位和故障的严重程度等进行定型和定量的分析 4 故障诊断技术包括 指振动诊断技术 油样分析技术 无损检测技术和温 度诊断技术等 5 一般振动测试系统 包括测振传感器 信号记录仪 信号分析与处理设备等 6 振动诊断 通过对测得的参数进行处理 借助识别策略 对设备的运行状 态做出了判断 7 油样分析技术主要是指 油样的铁谱分析技术和油样的光谱分析技术 8 铁谱分析 利用铁谱仪从润滑油样试样中 分离和检测出磨屑和碎屑 进 而分析和判断机器运行副表面的磨损类型 磨损程度和磨损部位的技术 铁谱 分析一般由采样 制谱 观测分析以及结论四个基本环节组成 9 分析式铁谱仪 有定性和定量的分析 定性分析 对磨粒的形貌及成分进行检测和分析 以便确定磨粒故障的部位 识别磨损的类型 磨损的严重程度和失效的机理等 定量分析 要确定磨损故障发展的速度 这对进行设备诊断决策十分重要 因此定量分析主要是指对铁谱基片上大 小磨粒的相对含量进行定量检测 其 方法是利用装在铁谱显微镜上的铁谱读数据器来检测基片上不同位置上大 小 磨粒的覆盖面积所占的百分数 10 油样光谱分析技术 利用油样中所含金属元素原子 在原子内能极间跃 迁产生的特征谱线来检测该种元素的存在与否 而特征谱线的强度则与该种金 属元素的含量多少有关 这样 通过光谱分析就能检测出油样中所含金属元素 的种类及其浓度 以此推断产生这些元素的磨损发生部位及其严重程度 并以 此对相应的零件的工况作出判断 11 无损检测技术包括 通常有超声波检测和射线检测两种 射线检测法 利用各种射线源对材料的不同厚度的透射性能及不同材料对射 线的衰减程度不同 使感光底片成为不同灰度的图像 也叫射线探伤 常用射 线 X 射线 射线和中子射线等 主要用来探测设备内部的气孔 夹渣 铸造 孔洞等立体缺陷 优点 检测的图像较直观 容易对缺陷尺寸和性质进行判断 检测结果可以记录下来作为诊断档案资料长期保存 缺点 当裂纹面与射线近 于垂直时就难于探查出来对微小裂纹的检测灵敏度低 设备费用较大 射线对 人体有害 需有防护措施 射线探伤的主要方法有 透视照相法 电离探测 法 X 射线荧光屏观察法 电视观察法以及 X 射线计算机层析摄影等 超声波检测法 利用超声波射入被检测设备 由被检测设备内部缺陷处反射 回来的伤波来判断缺陷的存在 位置 性质和大小等 该方法可以检测垂直于 超声波的金属和非金属材料的平面缺陷 探测的厚度大 检测灵敏度高 其缺 点是检测时有一定的近场盲区 检测结果不能记录 检测中采用耦合剂易污染 等 12 温度监测方法 接触式测温 非接触式测温 接触式测温 将测温传感器与被测对象接触 通过被测对象与测温传感器之 间的热交换达到热平衡 利用传感器中的温度敏感元件随温度而变化的特征来 检测温度 常用的方法 常用的方法 热电偶法测温 热电阻法测温 集成温度传感器测温 非接触测温 利用物体热辐射的原理进行的 不必与被测对象直接接触 常常 用的非接触式测温装置有用的非接触式测温装置有 单色辐射温度计 辐射温度计 比色温度计 红外 热像仪 第五章第五章 数控机床故障的系统诊断数控机床故障的系统诊断 1 数控系统的故障自诊断功能一般分为 启动自诊断 在线自诊断 离 线诊断 启动自诊断是 系统自诊断软件对数控装置中关键的硬件和控制软 件 如 CPU RAM ROM 等芯片 MDI CRT 输入输出等模块 系统软件 监控软件等逐一进行检测 并将检测结果在显示器上显示出来 故障诊断的基本环节 确定状态监测的内容 选取适合的传感器和测试装 置 构建多传感器和多参数监测系统 收集故障诊断所需的信息 对获取的信 号进行加工 处理和分析 进行状态监测 判断和预报 构造或选定判据 2 数控机床对伺服系统的要求 具有良好的快速性 具有较宽的调速范围 以适合不同的零件 不同的工艺 具有较强的过载能力 在低速切削时保持恒 转矩 无爬行 具有良好的精度 具有高的可靠性 3 伺服系统的故障诊断的分类 根据控制的不同方式 伺服系统可分为开 环和闭环控制系统 数控机床的驱动系统主要有两种 即主轴驱动系统和进给 驱动系统 根据电气控制原理和伺服电机的不同类型 驱动该系统可分为直流 驱动系统和交流驱动系统 根据控制信号的不同形式 闭环控制系统可分为模 拟控制和数字控制 4 开环控制系统 是不需要位置与速度检测元件的控制系统 一般采用步进电 动机作为驱动元件 闭环控制系统 一般采用伺服电动机作为驱动元件 根据检测元件在机床上 安装位置的不同 可以分为全闭环控制系统和半闭环控制系统 闭环控制系统是由 闭环控制系统是由 位置环节 速度环节 电流环节组成的三环结构 直流驱动系统的优点直流驱动系统的优点 具有良好的调速性能 过载能力强和容易控制 缺点是 直流伺服电动机内的机械换向机构在运行时产生火花 可能做成电极间短路 而且电刷易磨损 需要经常维修 交流伺服电动机 交流伺服电动机 具有免维护 低损耗 体积小的特点 异步型伺服电动机 异步型伺服电动机 在低速运行时存在发热和效率低等缺点 但与同步型伺服 电动机相比 具有结构简单 成本低 5 数控机床主轴伺服系统常见故障分析 有两种表现形式一种是无报 警信息故障 另一种是报警信息故障 报警信息故障分类为两种 报警信息故障分类为两种 一种由 CRT 显示故障信息 另一种由主轴驱动装置 的数码管或指示灯显示故障信息 6 数控机床主轴伺服系统有报警信息故障 一般是指过载 主轴异常噪 声和振动 主轴转速偏离指令值 主轴转速与进给不同步 主轴定位抖动 主 轴电动机不转等 过载故障的原因 过载故障的原因 可能是在加工过程中 因切削量过大 主 轴正反转频繁 主轴电动机冷却系统不良 主轴电动机内部风扇损坏 主轴电 动机与主轴驱动装置之间的连线断线或接触不良等原因引起 7 主轴转速偏离指令值故障可能有以下方面引起 主轴电动机的负载过大或主轴的转速极限值设定太小 造成主轴电动机过载 引起主轴转速偏离指令值 如果问题发生在主轴减速过程 可能是再生回路的控制有故障或者是再生回 路中的晶体管模块损坏 速度反馈信号出现故障 速度反馈信号电缆线接触不良或断线 主轴驱动装置有故障 8 进给伺服系统常见故障 一种是无报警信息故障 另一种是报警信息故 障 报警信息故障分类为两种 报警信息故障分类为两种 一种由 CRT 显示故障信息 另一种由主轴驱动装置 的数码管或指示灯显示故障信息 9 振动故障 可能是由速度环增益或位置环增益过高 速度反馈元件或位置 反馈元件或反馈信号线有故障 加减速时间过小等因素引起 也可能是电动机 故障 位置检测元件故障 检测增益太高或内插补精度不高等原因引起的 9 过载故障 一般是由于负载过大 进给坐标正反向运动频繁 进给传动链润 滑状况不良 参数设定不当 伺服驱动系统故障 脉冲编码器反馈信号故障 电动机电源线连接错误 电动机线圈短路 交流输入电源电压过高等因素引起 10 窜动故障 可能是由干扰 数控系统输出到伺服驱动单元的控制信号线接 触不良 测速检测元件有故障 伺服系统过大 进给轴反向间隙过大等因素引 起 11 数控机床对主轴的要求 具有输出功率大 过载能力强 具有调速范围 宽 恒功率范围宽 具有四象限驱动能力 速度响应快 具有进给控制和位置 控制功能 具有可靠性高 低噪声 体积小 质量轻 温升低 第六章第六章 数控机床辅助设备故障诊数控机床辅助设备故障诊 1 液压设备是一种流体驱动的装置 在故障诊断中常用的参数有振动 噪声 压力 流量 油液温度 油液污染等 2 液压设备的噪声可以分为流体噪声 固体噪声 气体噪声 3 液压设备中的主要噪声源是液压泵 液压泵的噪声随着液压功率的增加而增 加 4 固体噪声 液压设备机械回转部分的结构设计 制造 安装等不合理因素 造成的偏心 在工作时发生周期性的不平衡力而产生振动和噪声 5 气穴现象 油液在液压设备中流动时 流速高的区域压力较低 当压力低 于油液的空气分离压时 溶解在液体中的空气将大量被分离出来 形成气泡 这些气泡在原有气泡的基础上逐渐变大 当油液中某一点的压力低于当时温度 下的饱和蒸汽压时 油液将沸腾汽化 在油液中形成气泡 在这种现象下 混 杂在液体中的气泡将产生气穴 是原来充满管道或元件中的油液成为不连续状 态 6 气浊 液体质点的动能除转换为压能外 还有一部分转换为热能 液压系统 的管壁和液压元件表面长期受液压冲击和高温的作用 油液中游离出来的空气中所含的氧 气具有较强的酸化作用 因此管壁和液压元件表面逐渐腐蚀 严重时剥落呈现蜂窝状 使 元件的工作寿命降低 这种因气穴现象而产生的零件腐蚀称为气蚀 7 气穴是液压系统中常出现的故障现象 危害很大 液压泵中产生气穴现象除了产生振 动和噪声 使液压系统工作不平稳外 气泡占据了一定空间 破坏了液体的连续性 降低 了吸油管的通油能力 是容积效率降低 8 液压系统中 容易产生气穴和气浊的地方主要有液压泵的吸油部分 配有 盘部位 阀类元件的节流部位 为防止气穴现象的产生 主要措施是防止局部压力过低和 降低油液中空气的含量 9 控制阀是液压系统中一种噪声源 噪声是气穴作用而产生的高速喷流声 这 是油液通过阀口时产生节流作用 使压能转换成动能 在节流口处产生很高的流速 在节 流口以下通道截面处流速不均匀 压力下降低于大气压时 溶解于油液中的空气分离出来 产生大量气泡 10 油液诊断法 油液是液压系统的工作介质 它与液压设备之间有着密切的关系 基于检测油液中的杂质含量的故障诊断方法 油液清洁度标准是用于评定油液的污染程度 的依据 油液颗粒污染的常用方法有颗粒浓度法 鲜味记数法和光谱分析法 铁谱分析也是一种油液分析技术 它定量地检测油液中颗粒的浓度 大小和颗粒的分布 而且能够确定颗粒的种类 成分和特证 11 液压系统故障诊断有逻辑流程图分析法 方框图分析法 鱼刺图分析法 故障树 分析法 逻辑流程图分析法 根据液压系统的工作原理 通过逻辑判断来进行故障诊断的一 种方法 方框图分析法 根据可能产生的各种原因之间的相互关系 以方框图的形式排列起来 据此逐一排除产生故障的原因 鱼刺图分析法 鱼刺图分析法类似于方框图分析法 是将产生故障的可能原因按主 次关系以鱼刺图的形式表现出来 分析和查找故障 故障树分析法 将最不希望发生的系统故障状态作为故障分析的目标 然后寻找直接 导致这一故障发生的全部因素 在寻找造成下一事件发生的全部直接因素 一直到不必再 继续寻找的因素为止 12 数控机床气动设备故障的诊断 机床气动系统是以压缩空气为动力源 通过气动元件及辅件来驱动和控制机械动作 一个典型的气动系统包括气压发 生装置 气动执行元件 气动控制元件和气动辅件 气压发生装置用于产生压 缩空气 气动执行元件将压缩空气的压力转换为机械能 气动控制元件用于改 变气动系统中的空气压力 流量和流动方向 气动辅件用于净化压缩空气 元 件润滑 元件联接和消声等 气动执行元件的作用 气动执行元件是一种气压传动元件 它将压缩空气 的压力能转化为机械能 驱动机械机构实现直线往复运动 气动控制元件的作用 气动控制元件一般是在气动系统中控制和调节压缩空气 的压力 流量和方向的控制阀 气动辅助元件的作用 空气压缩机产生的压缩空气不能直接作为启动装置 的动力源 要对压缩空气进行净化 干燥处理 去除油份 水分和灰尘 另外 气动装置还要解决气动元件的润滑 气压信号的放大 转化 显示 噪声的消 除 管路的联接等问题 13 空气压缩机常见故障有 安全阀不能适时开启 进 排气阀工作不正常 排气量不足 排气温度过高 排出的空气中油 水成份含量高 油温过高等 第七章数控机床故障诊断技术的进展 1 故障诊断技术的发展大致分为两个阶段 第一阶段是以传感器技术和 动态检测技术为基础 以信号处理技术为手段的常规诊断阶段 在这一阶段 主要是研究获取征兆信息的方法以及信号进行变换处理和特征分析 第二阶段 诊断技术的发展出现了以人工智能技术为支持的基于知识的智能诊断和以新的 信息处理工具为基础的新兴信息诊断 2小波分析 分形 混沌 模糊理论和人工神经网络作为信息软件处理的最新 技术在诊断领域得到了广泛的应用