第7章机床数控技术解析.ppt

第7章数控机床的故障诊断,7.1概述7.2数控机床的故障诊断方法7.3人工智能在故障诊断中的应用思考与练习题,7.1概述,7.1.1数控机床的故障诊断数控机床是一个复杂的系统，一台数控机床既有机械装置，又有电气控制部分和软件程序等。组成数控机床的这些部分，由于种种原因，不可避免地会发生不同程度、不同类型的故障，导致数控机床不能正常工作。这些原因大致包括：机械锈蚀、磨损和损坏；元器件老化、损坏和失效；电气元件、插接件接触不良；环境变化，如电流或电压波动、温度变化、液压压力和流量的波动以及油污等；随机干扰和噪声；软件程序丢失或被破坏。,此外，错误的操作也会引起数控机床不能正常工作。数控机床一旦发生故障，必须及时予以维修，将故障排除。数控机床维修的关键是故障的诊断，即故障源的查找和故障的定位。一般来说，随着故障类型的不同，采用的故障诊断方法也就不同。本章将针对不同类型的数控机床故障，对数控机床故障诊断的一般方法及其原理进行阐述。,7.1.2数控机床的故障规律与一般设备相同，数控机床的故障率随时间变化的规律可用图71所示的浴盆曲线表示。,图7-1数控机床故障规律浴盆曲线,1故障期(1）机械部分。机床虽然在出厂前进行过运行磨合，但时间较短，而且主要是对主轴和导轨进行磨合。由于零件的加工表面存在着微观的和宏观的几何形状偏差，在完全磨合前，零件的加工表面还比较粗糙，部件的装配可能存在误差，因而，在机床使用初期会产生较大的磨合磨损。,(2）电气部分。数控机床的控制系统使用了大量的电子元器件，这些元器件虽然在制造厂经过了相当长时间的老化实验和其他方式的筛选，但实际运行时，由于电路的发热、交变负荷、浪涌电流及反电势的冲击，性能较差的某些元器件经不住考验，会因电流冲击或电压击穿而失效，或特性曲线发生变化，从而导致整个系统不能正常工作。,(3）液压部分。由于出厂后运输及安装阶段时间较长，使得液压系统中某些部位长时间无油，汽缸中润滑油干涸，油雾润滑不可能立即起作用，造成汽缸或油缸可能产生锈蚀。此外，新安装的空气管道若清洗不干净，一些杂质和水分也可能进入系统，造成液压气动部分的初期故障。,2偶发故障期数控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。在这个阶段，故障率低而且相对稳定，近似常数。偶发故障是由于偶然因素引起的。3损耗故障期损耗故障期出现在数控机床使用的后期，其特点是故障率随着运行时间的增加而升高。出现这种现象的基本原因是由于数控机床的零部件及电子元器件经过长时间的运行，由于疲劳、磨损、老化等原因，寿命已接近衰竭，从而处于频发故障阶段。,4数控机床故障诊断的一般步骤,(1）详细了解故障情况。(2）根据故障情况进行分析，缩小范围，确定故障源查找的方向和手段。(3）由表及里进行故障源查找。,7.2数控机床的故障诊断方法,1根据报警号进行故障诊断计算机数控系统大都具有很强的自诊断功能。当机床发生故障时，可对整个机床包括数控系统自身进行全面的检查，并将诊断到的故障或错误以报警号或错误代码的形式显示在CRT上。报警号一般包括下列几方面的故障信息：程序编制错误或操作错误；存储器工作不正常；伺服系统故障；可编程序控制器故障；连续故障；温度、压力、液位等不正常；行程开关状态不正确。,利用报警号进行故障诊断是数控机床故障诊断的主要方法之一。如果机床发生了故障，且有报警号显示在CRT上，首先就要根据报警号的内容进行相应的分析与诊断。当然，报警号多数情况下并不能直接指出故障源之所在，而是指出了一种现象，维修人员可以根据所指出的现象进行分析，缩小检查的范围，有目的地进行某个方面的检查。,2根据控制系统LED灯或数码管的指示进行故障诊断控制系统的LED（发光二极管）或数码管指示是另一种自诊断指示方法。如果和故障报警号同时报警，综合二者的报警内容，可更加明确地指出故障的位置。在CRT上的报警未出现或CRT不亮时，LED或数码管指示就是惟一的报警内容了。例如，FANUC10、11系统的主电路板上有一个七段LED数码管，在电源接通后，系统首先进行自检，这时数码管的显示不断改变，最后显示“1”而停止，说明系统正常。如果停止于其他数字或符号上，则说明系统有故障，且每一个符号表示相应的故障内容，维修人员就可根据显示的内容进行相应的检查和处理。,又如，在SINUMERIK3系统的03840电路板上，有两个监控灯。对于3T/M系统左边的灯用于监控，右边灯则无用（常亮）。对于3TT系统，左边的灯用于NC1的监控，右边的灯则用于NC2的监控。,电源接通后监控灯闪亮表示如下故障：(1）监控灯以1Hz的频率闪动时，表示EPROM有故障。(2）监控灯以2Hz的频率闪动时，表示PC控制器有故障。(3）监控灯以4Hz的频率闪动时，表示RAM刷新用电池报警。,电源接通后监控灯常亮，则可能是下列故障之一：(1）CPU有故障。(2）EPROM有故障。(3）机床参数有错误。(4）总线系统有故障。(5）电路板上有错误的设定码。(6）电路板上有硬件故障。,3根据PC状态或梯形图进行故障诊断现在的数控机床上几乎毫无例外的使用了PC控制器，只不过有的与NC系统合并起来，统称为NC部分。但在大多数数控机床上，二者还是相互独立的，二者通过接口相联系。无论其形式如何，PC控制器的作用却是相同的，主要进行开关量的管理与控制。控制对象一般是换刀系统，工作台板转换系统，液压、润滑、冷却系统等。这些系统具有大量的开关量测量反馈元件，发生故障的概率较大。特别是在偶发故障期，NC部分及各电路板的故障较少，上述各部分发生的故障可能会成为主要的诊断维修目标。因此，对这部分内容要熟悉。首先要熟悉各测量反馈元件的位置、作用及发生故障时的现象与后果。对PC控制器本身也要有所了解，特别是梯形图或逻辑图要尽量弄明白。这样，一旦发生故障，可帮助你从更深的层次认识故障的实质。,PC控制器的输入输出状态的确定方法是每一个维修人员所必须掌握的。因为当进行故障诊断时经常需要确定一个传感元件是什么状态以及PC的某个输出是什么状态。用传统的方法进行测量非常麻烦，甚至难以做到。一般数控机床都能从CRT上或LED指示灯上非常方便地确定其输入输出状态。例如，DIALOG4系统是用PC控制器的输入输出板上的LED指示灯表示其输入输出状态的。灯亮为“1”，灯熄为“0”，可十分方便地确定出PC控制器的输入输出状态。,4根据机床参数进行故障诊断机床参数也称为机床常数，是通用的数控系统与具体的机床相匹配时所确定的一组数据，它实际上是NC程序中未定的数据或可选择的方式。机床参数通常存储于RAM中，由厂家根据所配机床的具体情况进行设定，部分参数还要通过调试来确定。机床参数大都随机床以参数表或参数纸带的形式提供给用户。,由于某种原因，如误操作、参数纸带不良等，存储于RAM中的机床参数可能发生改变甚至丢失而引起机床故障。在维修过程中，有时也要利用某些机床参数对机床进行调整，还有的参数需要根据机床的运行状况及状态进行必要的修正。因此维修人员对机床参数应尽可能的熟悉，理解其含义，只有在理解的基础上才能很好的利用它，才能正确地进行修正而不致产生错误。,机床参数的内容广泛。如FANUC10、11、12系统的机床参数按功能分为以下26大类：(1）与设定有关的参数。(2）定时器。(3）与轴控制有关的参数。(4）与坐标系有关的参数。(5）与进给速度有关的参数。(6）与加速/减速有关的参数。(7）与伺服有关的参数。(8）与DI/DO（数据输入/输出）有关的参数。,(9）与CRT/MDI及编辑有关的参数。(10）与程序有关的参数。(11）与I/O接口有关的参数。(12）与行程极限有关的参数。(13）与螺距误差补偿有关的参数。(14）与倾斜角补偿有关的参数。(15）与平直度补偿有关的参数。(16）与主轴控制有关的参数。(17）与刀具偏移有关的参数。(18）与固定循环有关的参数。(19）与缩放及坐标旋转有关的参数。,(20）与自动拐角倍率有关的参数。(21）与单方向定位有关的参数。(22）与用户宏程序有关的参数。(23）与跳步信号输入功能有关的参数。(24）与刀具自动偏移及刀具长度自动测量有关的参数。(25）与刀具寿命管理有关的参数。(26)与维修有关的参数。,5用诊断程序进行故障诊断绝大部分数控机床都有诊断程序。所谓诊断程序就是对数控机床各部分包括数控系统本身进行状态或故障检测的软件，当数控机床发生故障时，可利用该程序诊断出故障源所在的范围或具体位置。诊断程序一般分为三套，即启动诊断、在线诊断（或称后台诊断）和离线诊断。启动诊断是指从每次通电开始到进入正常的运行准备状态为止，CNC内部诊断程序自动执行的诊断，一般情况下数秒之内即告完成，其目的是确认系统的主要硬件可否正常工作。主要检查的硬件包括：CPU、存储器、I/O单元等印刷板或模块，以及CRT/MDI单元、阅读机、软盘单元等装置或外设。若被检测内容正常，则CRT显示表明系统已进入正常运行的基本画面（一般是位置显示画面）。,否则，将显示报警信息。在线诊断是指在系统通过启动诊断进入运行状态后由内部诊断程序对CNC及与之相连接的外设、各伺服单元和伺服电机等进行的自动检测和诊断。只要系统不断电，在线诊断也就不会停止，在线诊断的诊断范围大，显示信息的内容也很多。一台带有刀库和台板转换的加工中心报警内容有五六百条。本节前面所介绍的报警号及LED指示灯就是启动诊断和在线诊断的内容显示。离线诊断是利用专用的检测诊断程序进行的，旨在最终查明故障原因，精确确定故障部位的高层次诊断，离线诊断的程序存储及使用方法一般不同。如美国A-B公司的8200系统在做离线诊断检查时才把专用的诊断程序读入CNC中作运行检查。而CincinnatiAcramatic850和950则将这些诊断程序与CNC控制程序一同存入CNC中，维修人员可以随意使用键盘调用这些程序并使之运行，在CRT上观察诊断结果。,例如，西德MAHO公司的CNC432数控系统离线诊断专用程序内容包括：(1）VIDEOMOD/CRT用来诊断显示单元的工作状态。(2）CONTROLPANEL用来检查控制面板上各个键及旋钮功能是否正常。(3）PROCMODINT用来检查CPU插件内部各电路的功能。(4）PROCMODV24用来检查CPU插件的V24接口电路的功能。(5）PROCMODRAM用来检查CPU插件中RAM的功能是否正常。(6）MEMORYMOD用来检查存储器插件功能是否正常。,(7）DIVERMOD1用来检查X、Y轴伺服电机的插件功能。(8）DIVERMOD2用来检查Z、B轴伺服电机的插件功能。(9）DIVERMOD3用来检查主轴伺服电机的插件功能。(10）I/OMOD1用来检查输入输出插件功能。(11）I/OMOD2用来检查附加输入输出插件功能。(12）SERVICEONLY1只能由受过专门训练的维修专家进行调用。,在上述的12个诊断程序当中，厂方规定：(1)(4)可由操作人员进行调试和执行；程序(5)(11)必须由专业维修人员来调用；而程序(12)只能由受过专门训练的维修专家进行调用和执行；否则，可能给机床和系统造成严重故障。上述诊断程序的调用和执行并不复杂，首先接通控制系统电源，并按下MANUAL键，再将控制柜内的一个转换开关由“0”打到“1”的位置，即将整个控制系统从工作状态变为诊断状态。按下MENU键，控制系统主菜单即显示在CRT上。将光标移到DIAGNOSTIC项上，按下ENTER键，CRT上即出现12个诊断程序的名称，以供选择。,6其他诊断方法1）经验法虽然数控系统都有一定的自诊断能力，但仅靠这些有时还是不能全部解决问题。自诊断所提供的信息往往并不能确切地指出故障源的具体位置，仅指出一个范围甚至有些故障自诊断无法进行识别。部分数控系统自诊断能力较差，能够进行诊断的范围有限。这就要求维修人员根据自己的知识和经验，对故障进行更深入、更具体的诊断。,在对数控系统和机床组成有了充分的了解之后，根据故障现象大都可以判断出故障诊断的方向。一般说来，驱动系统故障首先检查反馈系统、伺服电机本身、伺服驱动板及指令电压，如测速反馈环、位置反馈环、指令增益、检测倍率和漂移补偿等。自动换刀不能执行则应首先检查换刀基准点的到位情况，液压气压是否正常，有关限位开关的动作是否正常等。,2）换板法当经过努力仍不能确定故障源在哪块线路板时，采用换板法是行之有效的。具体说来，就是将怀疑目标用备用板进行更换，或用机床上相同的板进行互换。然后启动机床，观察故障现象是否消失或转移，以确定故障的具体位置。如果故障现象仍然存在，说明故障与所更换的电路板无关，而在其他部位；如果故障消失或转移，则说明更换之板是故障板。,换板之前要认定：（1）故障在该板的可能性最大，用其他方法又难以确定其好坏，做到有的放矢，而不能盲目换板。（2）该板的输入输出是正常的，至少要确认电源正常，负载不短路，若将旧板拔下，不经检查和判断就轻易地换上新板，有可能造成新板损坏。,换板时还应注意：（1）除非对系统十分了解，有相当的把握，一般不要轻易更换CPU板及存储器板，这样有可能造成程序和机床参数的丢失，造成故障的扩大。（2）若是EPROM板或板上有EPROM芯片，请注意存储器芯片上贴的软件版本标签是否与原板的完全一致。若不一致，则不能更换。（3）有些板是通用的，要根据机床的具体情况及使用位置进行设定。因此要注意板上拨动开关的位置是否与原板一致，短路线的设置是否与原板的相同。,7.3人工智能在故障诊断中的应用,7.3.1专家系统的一般概念一般认为，专家系统是一个或一组能在某些特定领域内，应用大量的专家知识和推理方法求解复杂问题的一种人工智能计算机程序。一般专家系统如图7-2所示。,图7-2专家系统的基本结构,专家系统主要包括两大部分，即知识库和推理机。其中知识库中存放着求解问题所需的知识，推理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题。知识库的建造需要知识工程师和领域专家相互合作把领域专家头脑中的知识整理出来，并用系统和知识方法存放在知识库中。当解决问题时，用户为系统提供一些已知数据，并可从系统处获得专家水平的结论。,由此可见，专家系统具有相当数量的权威性知识，能够采取一定的策略，运用专家知识进行推理，解决人们在通常条件下难以解决的问题。它克服了专家缺少，其知识难于永久保存以及专家在解决问题时易受心理、环境等因素影响而使临场发挥不好等缺点。因此，专家系统自从问世以来，发展非常迅速，目前专家系统已经成为人工智能应用最活跃和最成功的领域。经过20多年的努力，其应用范畴已遍及各个领域，如疾病诊断、探矿、设计、制造、自动控制、生产过程监视，取得了极大的经济效益，并获得了许多新的发展。,尽管如此卓有成效的应用于许多领域，但专家系统仍处于发展之中，面临着许多问题和困难。目前，主要存在以下几个问题：(1)知识获取困难，特别是经验性知识（启发性知识）更难获取。(2)对人的形象思维难以模拟。(3)知识领域狭窄。,7.3.2数控机床故障诊断的专家系统从数控机床故障诊断的内容来看，故障诊断专家系统具体可以用于以下三个方面：(1)故障监测:当系统主要功能指标偏离了期望的目标范围时，就认为系统发生了故障。该阶段的目的在于监测系统主要功能指标。当主要功能发生异常时检测出来，并按其程度分别给出早期报警、紧急报警，乃至强迫系统停机等处置。,(2)故障分析:又叫故障分离或状态分析。根据检测到的信息和其他补充测试的辅助信息寻找出故障源。对于不同的要求，故障源可以是零件、部件，甚至是子系统。然后根据这些信息就故障对系统性能指标的影响程度做出估计，综合给出故障等级。(3)决策处理:有两个方面的内容，一方面当系统出现与故障有关的征兆时，通过综合分析，对设备状态的发展趋势做出预测；另一方面当系统出现故障时，根据故障等级的评价，对系统做出修改操作和控制或者停机维修的决定。,一个完整的故障诊断专家系统由下面几部分组成：(1)数据库。(2)知识库。(3)知识库的管理。(4)人机接口系统。(5)推理机制。(6)解释系统。(7)控制部分。,7.3.3人工神经元网络在故障诊断中的应用1人工神经元网络原理人工神经元网络(简称神经网络)是人们在对人脑思维研究的基础上，用数学方法将其简化、抽象并模拟，能反映人脑基本功能特性的一种并行分布处理连接网络模型。神经元网络处理信息的思想方法同传统的冯诺曼计算机所用的思维方法是完全不同的。它的存储方式不同。一个信息不是放在一个地方，而是分布在不同的位置。网络的某一地方也不止存储一个信息，它的信息是分布存储的。这种存储方式决定了神经元网络中的每一个神经元都是一个信息处理单元，它可根据接收到的信息独立运算，然后把结果传输出去，这是一个并行处理。神经元做运算的规则通常是根据物理学、神经生物学、心理学的定理或规则。,神经元网络的这种信息存储和处理方式还有这样的优点，即网络能通过不完整的或模糊的信息，能够联想起一个完整、清晰的图像来。这样，即使网络某一部分受到破坏，仍能恢复原来信息。这就是说网络具有联想记忆功能。神经元之间的连接强度通常称为权，这种权可以事先定出，也可以不断改变。它可以为适应周围环境而不断变化，这种过程称为神经元的学习过程。这种学习可以是有教师的学习，也可以是无教师的学习。神经元网络的这种自学习方法与传统的以符号处理为基础的人工智能的、要求人告诉机器每步行动的方法是完全不同的。,设计一个人工神经元网络，只要给出神经元网络的拓扑结构，即神经元之间的连接方式及网络的神经元个数，神经元的权值可以给定或者给出学习规则由神经元网络自己确定，在给出神经元的运算规则。这样便建成一个神经网络，它可以用来进行信息处理。用神经元网络建立专家系统，不需要组织大量的产生式规则，机器可以自组织、自学习。这对用传统的方法建立专家系统最感困难的知识获取问题，是一种新的有效解决途径。,神经元是人工神经元网络的基本处理单元，它一般是一个多输入/单输出的非线性器件。其结构模型如图7-3所示。,图7-3神经元结构模型,图7-3中,x1,x2,xnT为输入矢量；y为输出；1,2,nT表示输入到输出的连接权值；为阈值；s为外部输入。一般输入与输出之间的关系可表示为y=f(),f()为一激发函数，它通常取下列三种形式。(1）值型，即f为一阶函数，如图7-4（a）所示。其表达式为,这也是最早提出的二值离散型神经元模型。,图7-4f()的类型(a)值型；(b)段线性型；(c)S状,(2）段线性型，如图74（b）所示。(3）S状。这种激发函数一般取连续值，常用对数或正切等S状曲线。如最常用的也叫Sigmoid函数，这类曲线反映了神经元的饱和特性，如图7-4（c）所示。一个神经网络是由多个神经元相互连接而成的，它们的连接有以下四种形式（见图7-5）。,(1)不含反馈的前向网络。如图7-5(a)所示，神经元分层排列，由输入层、隐层(中间层)和输出层组成。每一层的神经元只接受前一层的输入，输入模