数控车床故障诊断实验台的故障设计

I数控车床故障诊断实验台的故障设计摘要随着数控机床在自动化加工领域的占有率越来越高,培养实践动手能力很强的数控维修技能人才显得尤为重要。而由于数控机床价格昂贵,无法在教学中普遍使用,因此出现了数控机床故障诊断模拟实验台,用于机械设计制造及其自动化等相关专业的实践教学。本次毕业设计，了解了数控车床的组成和各模块的工作原理，熟悉了数控车床典型故障的诊断和修复，并在此基础上结合实际生产中遇到的常见故障，在数控车床故障诊断实验台上，进行了故障模拟设计，最后对设计的故障在实验台上进行了实例验证。关键词数控机床，故障诊断，故障分析,故障设计IIFAULTDESIGNFORNCLATHEFAULTDIAGNOSISEXPERIMENTTABLEABSTRACTASNCLATHESHARESMOREINTHEFIELDOFAUTOMATIONPROCESSING,CULTIVATINGNCMAINTENANCETALENTSWITHSTRONGPRACTICEABILITYSKILLSBECOMESPARTICULARLYIMPORTANTDUETOHIGHEXPENDITURE,NCLATHEISNOTWIDELYUSEDINTEACHING,SOTHENCLATHEFAULTDIAGNOSISSIMULATIONEXPERIMENTTABLEEMERGES,USEDINPRACTICETEACHINGOFMECHANICALDESIGNMANUFACTURINGANDAUTOMATIONORRELATEDPROFESSIONBASEDONTHEUNDERSTANDINGOFTHECOMPOSITIONANDWORKINGPRINCIPLEOFEACHMODULEOFTHENCLATHESANDFAULTDIAGNOSISANDREPAIROFNCLATHETYPICALFAULTS,BYCONNECTINGWITHCOMMONFAULTUSEDINPRACTICALPRODUCTION,THISGRADUATIONDESIGNCONDUCTSFAULTSIMULATIONDESIGNONTHENCLATHEFAULTSDIAGNOSISEXPERIMENTTABLEFINALLY,THEFAULTWHICHHASBEENDESIGNEDISTEXTEDONTHEEXPERIMENTTABLEKEYWORDSNCMACHINE,FAULTDIAGNOSIS,FAILUREANALYSIS，FAULTDESIGNIII目录1绪论111现代数字化制造业的发展112数控机床概述113数控故障诊断的重要性314本课题所做的主要工作42数控车床及故障诊断实验台521数控车床组成和分类522数控车床故障诊断实验台介绍6221实验台控制部分7222实验台系统和机床主体部分123故障设计和故障诊断的基本要求1531数控车床常见故障分类1532常用的故障诊断方法1533故障诊断常用的工具及资料164设计故障及验证1741故障点编码方式1742故障现象和故障点1843实验台上故障诊断验证21IV431实验台前面板线路连接21432范例一刀架故障23433范例二车螺纹故障27434范例三参数报警故障3344故障设计汇总列表395总结41参考文献42致谢4311绪论11现代数字化制造业的发展数字化制造是指对制造过程进行数字化描述。而在数字空间中完成产品的制造过程是计算机数字技术、网络信息技术与制造技术不断融合、发展和应用的结果，也是制造企业、制造系统和生产系统不断实现数字化的必然。改革开放数年来，中国制造业总产值已位居世界第一，今后几年我国将实现由工业大国到工业强国的转变，推动从“中国制造”向“中国智造”的转型升级，那么加快制造业数字化的变革是必经之路。就目前我国数字化制造业发展呈现以下趋势一是正由2D向3D转变，形成以基于模型的定义/基于模型的作业指导书为核心的设计与制造；二是并行和协同，通过产品、工艺过程和生产资源的建模仿真及集成优化技术，提高多学科的设计与制造的协同性和并行性，实现产品和工艺设计结果的早期验证；三是数字化装配与维修；四是数字化车间与数字化工厂，这是数字化制造技术在车间和和工厂集成应用和高效运营的全新生产模式，为高效物流实施以及精益生产、可重构制造、元化制造等先进制造模式提供辅助工具；五是工业互联网，由机器、设备组、设施和系统网络组成，能够在更深的层面将连接能力、大数据、数字分析、3D打印等结合【1】。12数控机床概述（1）数控机床的产生与发展伴随着科技的进步和人类生产水平的不断提高，对机械产品的质量和生产率提出了更高的要求。研发一种高效、快速、可靠的生产设备来替代人力劳作成为必然趋势。1952年，世界上第一台数控机床在美国麻省理工学院诞生，该数控机床利用脉冲乘法器原理的数控系统，来控制机床的三轴联动。在1955年进行了数控机床的第一次批量制造，当时主要是针对直升飞机的旋翼等自由曲面的加工。1958年美国KT0101M03S300G00X10Z2M08G92X8Z10F05Q30G00X20Z10M09M0534M30设置工件零点（对刀）2在手轮模式下，点击控制面板的X100（X10、X1）按钮和X、Z按钮，转动手轮进行对刀。在选择一点为工件零点后，点击OFSSET键，按显示屏下软键，选择坐标系，按光标移动键，把光标移动到G54X栏，输入X0，点击软键测量，光标移到G54Z栏，输入Z0,点击软键测量。则完成X和Z轴的零点设定。（对刀时零点最好选在X和Z轴的中间位置，避免程序运行时行程不够造成超程报警）故障现象3在前面的工作条件下，选择MEMORY模式，点击CYCLESTART键运行时，程序执行到G92X8Z10F05Q30程序段时，机床停止不动，主轴不转动，冷却电机不工作，且没有报警信息。（2）故障点设计使系统输出侧主轴电机正转控制信号无效，造成主轴电机无法转动，导致程序段M03S300不执行，从而导致无法进行螺纹加工。使控制主轴的模拟电压010V无效，造成主轴电机不能调速，只是缓慢跳动的故障，这样在尽管解决了主轴正转的故障后，仍无法进行螺纹加工。使故障分析修复难度进一步加大。使冷却控制继电器KM5失效，造成机床有冷却信号输出，但冷却电机无法工作的故障，和前两个故障相比，这个属于加工辅助故障。三个故障点叠加产生的综合故障，提高了故障诊断分析的复杂性和增大了排查故障的范围，对故障诊断的能力要求更高。故障编码方式如下表48螺纹故障编码表35序号二进制继电器16进制K0K39K471000047020001301300001512040000811050000232006000019160700003128080000272409100039368100000353201110004744812000043400010000008080（3）在考核软件的教师机进行故障设置故障点设置方式参照范例一进行，与其不同的是在录入试题窗口中，试题类型选择多选题，难度系数选择8，继电器代码空中填入010000008080。说明空中填入K0、K39、K47，主体栏填入进行（含有M03程序段）螺纹加工时机床停止不动，主轴不转动，而且冷却泵不能工作。请分析故障并进行修复。在选项栏中填入选项A主轴没有正转控制信号；B主轴没有反转控制信号；C主轴模拟电压010V信号无效；D冷却泵控制信号无效；E冷却控制继电器KM5失效。在标准答案栏中填入A、C、E。点击保存后预览该题如图49，点击测试进行故障设置验证。36图49故障试题预览图（4）故障现象分析和诊断修复在故障现象所述条件下，运行螺纹加工程序，发现机床停止不动且没有报警。仔细观察控制面板看到主轴正转指示灯亮，冷却开关灯也亮。说明主轴正转和冷却信号输入没有问题。仔细观察输入输出控制单元的小型继电器指示灯，发现冷却控制信号输出灯KA5亮，说明冷却泵输出控制信号没问题。而主轴正转输出控制灯KA4不亮图410,说明主轴正转输出控制信号有问题，用万用表测量主轴正转输出控制口Y00电压,测得电压为0V（图411）。再用万用表测量系统测试单元的主轴正转输出控制口Y00电压，测得电压为236V（图412）因此判断出主轴正转控制信号失效。用连接线把系统测试单元的主轴正转控制Y00口和输入输出控制单元的主轴正转控制Y00口连接后（图413），发现主轴正转控制灯KA4亮，主轴开始缓慢转动，但拨动主轴调速开关SPINDLEOVERRIDE时，发现主轴速度不变，不能进行调速。37图410KA4指示灯图411输出单元Y00电压图412测试单元Y00电压图413Y00信号连线由主轴电机的调速原理分析，可知可能是主轴模拟电压010V信号出问题，用万用表测量输入输出控制单元的010V端口电压，测得电压为0V（图414）。再测量系统测试单元的主轴模拟电压信号010V端口电压，测得电压为14V（图415）。对比之下说明输入输出控制单元的系统输出侧主轴模拟电压010V信号失效。当用连接线把系统测试单元的主轴模拟电压信号010V端口和输入输出控制单元的系统输出侧010V端口连接后（图416），发现机床开始工作，并执行完成了螺纹加工程序。38图414输出侧010V模拟电压图415测试单元010V模拟电压图416010V模拟电压连线但是，冷却电机依旧不能工作。由于冷却泵回路的输入和输出控制信号都正常，所以只可能在输出控制口和冷却电机之间某个环节出问题，结合主回路和控制回路电气控制图分析，发现电气控制柜里控制冷却电机的继电器KM5没有正常吸合，因此判断出冷却控制继电器KM5回路出现问题。用万用表交流200档位，测量控制回路中KM5上方端口17电压，测得电压为0V（图417），测得开关KA5下端口电压为247V（图418），因此说明，在KA5下端口和KM5上方端口17间存在断路，造成冷却控制继电器KM5失效，从而导致冷却电机无法正常工作。当用连接线把端口1739和KA5下端口连接后（图419），冷却电机恢复正常工作状态。此时所有故障解决完毕，机床恢复正常状态。图417继电器KM5电压图418KA5电压图419KA5和端口17连线434范例三参数报警故障表49参数故障表故障现象故障点设置方式手轮无法使用系统参数8131HPG置参数8131HPG置0400，使得手轮不使用EMG报警急停按钮按下按下急停按钮写入参数开关处于打开报警写参数处于允许状态写参数置1EMG报警是急停按钮被按下后的一种报警，按下急停按钮后，机床的所有动作被停止。在实际生产中为了保证机器不被误操作等情况下采取的安全措施。写参数处于打开报警，是一个信息提示类报警。表达机床参数的写入功能处在打开状态，可以进行机床参数的设定和修改。一般在修改机床参数时开打。手轮又称手轮脉冲发射器，是数控机床工件零点设定（对刀）、机床坐标调整移动等最常用且最方便的工具。在实际加工生产中发挥着极大的作用。一台机床可以有一台或多台手轮，这些手轮的使用地址分配要在数控系统中进行设定，并可以同过参数设定选择手轮的使用否。这三个故障是实际生产过程中普遍出现的故障。通过这些故障的解决可以考察学生对数控系统参数的搜索、设定和调整；数控系统基础报警的判断及解决能力。（1）故障现象详细描述开机后显示面板下方EMG、ALM两个报警灯闪烁，显示面板显示“SW0100参数写入开关处于打开”报警。选择手轮运行模式，转动手轮时，机床工作台不移动，且手轮进给倍率和选择轴键都不亮灯。（2）故障点设计操作面板上模式选择旋钮打到MDI模式，按操作面板上OFSSET键，进入窗口后，按显示屏下方软键，选择设定键，把写参数置1（图420），此时显示屏下方出现ALM灯闪烁，说明参数写入开关处于打开状态，点击MESSAGE键，可以看到“SW0100参数写入开关处于打开”报警（图421）。按POS键回到坐标显示界面。41图420参数写设置图421参数写设置报警在上述操作基础上，按SYSTEM键，进入系统参数设定界面，按显示屏下方参数软键，进入参数设定界面，按操作面板上8131，再按显示屏下方的号搜索软键。此时光标指示到08131行，按操作面板上移动键，把光标指示到HPG，操作面板上输入0，按软键输入，把HPG值改为0（图422）此时手轮设定为不使用状态。同时出现“PW000必须关断电源”报警（图423）。图422手轮参数设置图423手轮参数设置报警接着按下急停按钮，显示屏下方出现EMG和ALM两个报警。之后按下POWER红键，关闭数控系统电源。故障设定完毕。按下POWER绿键，打开数控系统后。出现设定故障。故障编码方式由于这个故障和编码开关无关，属于拓展类故障，所以没有故障编码。即设定42所有故障点都为0则编码为000000000000（3）在考核软件的教师机进行故障设置故障点设置方式参照范例一进行，与其不同的是在录入试题窗口中，试题类型选择多选题，难度系数选择10，继电器代码空中填入000000000000。说明栏中填入“（）”（无就填括号，此项必须填写内容），主体栏填入开机后显示面板下方EMG、ALM两个报警灯闪烁，显示面板显示“SW0100参数写入开关处于打开”报警。选择手轮运行模式，转动手轮时，机床工作台不移动，手轮进给倍率和选择轴键都不亮灯。请进行故障分析和修复。在选项栏中填入选项A急停按钮按下；B写参数置1；C手轮连接线损坏；DPMC中没有手轮选择模式；E手轮使用参数置0，在标准答案栏中填入A、C、E。点击保存后预览该题如图424。图424试题预览图（4）故障现象分析和诊断修复开机后看到EMG报警，观察控制面板上的急停按钮是否按下。观察发现急停按43钮被按下，向右转动急停按钮后，发现EMG报警灯消失。EMG报警解决。但ALM报警灯依然闪烁，按控制面板上MESSAGE键，并选择报警软键，发现“SW0100参数写入开关处于打开”报警。说明数控系统正处于参数写入状态。工作模式旋钮打到MDI模式下，按OFSSET键，并选择设定软键，发现写参数被置1（0不可以写入，1可以写入），处于打开状态。当按0键和显示屏下方输入软键，把写参数置0，并按RESET复位键后，ALM报警消失。在使用手轮时，发现调到手轮模式，进给倍率和和轴选择指示灯都不亮，且转动手轮工作台不移动。查阅B64305CM/04维修说明书，进行不能进行手轮运行故障诊断。首先确认伺服是否被激活，发现伺服放大器灯亮，说明伺服被激活。接下来在数控系统中确认是否选择手轮模式。查参数手册知道选择手轮模式时PMCG0043信号会有如下显示G0043100按SYSTEM键，进入参数界面，按显示屏下方软键，直到出现PMCMNT键时，按PMCMNT，进入PMC维护界面。控制面板上输入G0043，按显示屏下方按搜索软键，查看G0043的参数，发现手轮处于选择状态（图425）。由于手轮倍率选择和轴选择灯都不亮，可能是手轮使用没有激活。查参数手册发现参数8131可以设定手轮的使用与否。参数设定如下8131HPG0HPG是否使用手轮0不使用1使用按SYSTEM键，进入参数设定窗口，按参数软键，控制面板上按8131，显示屏下方按号搜索软键，发现HPG参数为0，说明手轮处于不使用状态。因此要把参数修改为1（图426）。44要进行参数修改，就必须打开参数写开关。按OFFSET键，在设定中，把写参数设定为1，再按SYSTEM键，返回8131参数界面，把光标移到HPG处，在控制面板上按1，显示屏下方按输入软键，把HPG参数修改为1，使手轮使用。此时出现“PW0000必须关断电源报警”。系统需要重启参数设定值才能生效。但在关闭前按OFFSET键，返回设定界面，把写参数置0（图427），关闭参数写入开关。这时按POWER红键，关闭数控系统。系统关闭后，按POWER绿键，打开数控系统。系统打开后，发现手轮可以正常使用，机床没有报警提示。故障解决完成。图425PMC中G0043参数45图426手轮参数设置图427参数写设置4644故障设计汇总列表表410故障设计汇总表故障现象故障编码继电器代码刀架乱转并在45度角停下040000000000000000000040K2K46刀架任何刀位都不转动080000000000000000000020K3K45刀架在T1（T2、T3、T4）换刀时没动作，其它刀位正常非JOG换刀000002000000000004000000000008000000000010000000K17K18K19K20换刀时某些刀位错乱刀具线错接主轴不能正转但可以反转010000000000K0主轴可以正转但不能反转020000000000K1主轴可以转动但不能调速000000004000000000008000K38K39数控系统关闭，显示面板黑屏无法显示000000000008000000000001000000000002K43K40K4147开机时伺服可以启动，数控系统无法启动000000000002K41无法车螺纹位置编码器断线报警000000000100000000000200000000000800000000002000K32K33K35K37无法车螺纹没有任何报警020000000000K1执行车螺纹时有10S左右延时000000000400000000001000K34K36EMG报警按下急停按钮写入参数开关处于打开报警设定里写参数1X（Z）向超程（硬限位）工作台达到X（Z）轴限位开关有DRIVESWITCHISOFF报警，机床各轴无法运动000000000010K44有DRIVESWITCHISOFF报警，变频器无法启动000000000010K44开机时伺服无法启动（伺服停止灯亮）000000000008K43开机时伺服无法启动（伺服停止等不亮）000000000001K40冷却泵无法启动100000000000K448000000000080K47X轴无法归零004000000000K14Z轴无法归零008000000000K15数控系统和伺服驱动都无法启动000000000001K40伺服驱动可以启动，但数控系统无法启动000000000002K41手轮无法使用8131参数HPG置0照明灯无法打开000000000004K42X（Z）轴正（负）向超程撞机000800000000000400000000000200000000000100000000K8K9K10K11495总结通过这次毕业设计,我收获颇丰，在整个设计过程中，我在数控车床实验台上完成了机床主控回路、输入输出控制单元和主轴控制单元的线路连接，明白了数控车床的各个组成模块的工作原理和电气控制线路连接及控制原理，学会了数控系统编程、数控机床操作和数控系统基本参数设定及调试，能完成数控车床电气故障和数控系统故障的诊断分析和修复。数控车床在实际生产中的工作环境较为复杂，会造成许多复杂特殊的故障。由于这些故障的复杂性和故障诊断实验台的局限性，有些故障无法进行故障模拟设计和诊断修复。例如短路类故障。一般短路故障的出现往往造成电子元器件的烧坏，重则导致机床损坏无法使用。因此我在故障设计中并没有进行短路类故障的设计，大多数故障都是基于断路故障进行的。而且由于时间有限，数控系统的参数和数控机床的PMC输入、输出触点繁多。轻易更改某个参数或PMC程序会造成未知故障。这类故障的设计需要具备一定的实际机床参数调试经验和PMC的编程能力，因此我在数控系统参数故障设计以及数控系统自诊断功能和PMC的故障设计也较少。总之希望本次课题的研究能在将来的生产生活中有实际用处。50参考文献1宁汝新数字化技术是先进制造的核心技术中国制造业信息化应用版J江苏省南京市2011年06期2范文飞数控机床的故障类型及故障诊断原则和方法江南航天科技J20043李金伴，汪光远，陆一心