机床数控技术及应用73

1、7.3 数控机床的维护与保养n7.3.1 预防性维护n1人员培训n(1)应为数控机床配备经过专门技术培训的编程、操作和维修人员。要求维修人员不但要有机械、加工工艺及液压、气动方面的知识，也要具备电子计算机、自动控制、驱动及测量技术等知识，这样才能全面了解和掌握数控机床，搞好维修。n(2)维修人员在维修前应详细阅读机床的有关说明书，包括机床结构图、梯形图、系统原理与框图以及电缆连接等的说明书。n(3)维修人员必须懂一些英语，以便看懂铭牌及电气说明书上的简要注释，以及常用芯片、主器件和电动机的名称及数据等。7.3.1 预防性维护n2使用注意事项n(1)尽量少开数控柜的门。因为机加工车间的空气中灰尘

2、、油雾、金属粉末很多，落在印刷线路板或电子组件上容易造成元器件间绝缘电阻的下降，以致发生故障甚至使元器件及印刷电路损坏等n(2)定期更换直流电动机电刷。如果数控机床闲置不用达半年以上，应将电刷从电动机中取出，以免化学腐蚀作用使换向器表面腐蚀，换向性能变差，甚至损坏整台电动机。7.3.1 预防性维护n(3)尽量提高数控机床的利用率。由于数控机床价格昂贵，结构复杂，出现故障时用户又难以排除，经常闲置床，这种“保护方法是不可取的，尤其对于数控系更是如此。因为数控系统由成千上万个电子器件组成，它们的性能和寿命具有很高的离散性；虽经严格筛选但使用过程中仍不免会有某些元件出现故障。因此可以认为数控系统存在

3、着失效率曲线，即故障曲线，如图7.3.1所示.该曲线似一个浴盆，故又称浴盆曲线。7.3.1 预防性维护n失效率曲线可以分成3个区域n在第1区域(即初期运行区)内系统的故障率呈负指数函数曲线，故障率较高，称早期失效。n第II区域为数控系统的有效寿命区，失效率较低，属于随机失效。n第III区域为系统的衰老区，此时的失效率随时间推延而急剧增加，即系统已到了寿命的极限，称耗散失效。n一般来说，数控系统要经过9-14个月的运行才能进入有效寿命区。因此用户安装完数控机床后，要长期连续运行，充分利用一年保修的有利条件，使初期运行区在保修期内结束。7.3.2 设备的日常保养n一般维修应包含两方而的含义。n一是

4、日常的维护，这是为了延长平均无故障时间；n二是故障维修，此时要缩短平均修复时间。n为了延长各元器件的寿命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故的发生，争取机床能在较长时间内正常工作，必须对数控机床进行日常保养。 n表7.3.1中列举了数控机床定期维护的检查顺序。日常维护分为每天检查、每周检查、每半年及一年检查和不定期检查等多种检查周期，检查内容为常规检查内容。对一些机床上频繁运部件(无论是机械部分还是控制驱动部分)，都应作为重点的定时检查对象。7.4 CNC系统的可靠性和故障诊断技术n 7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n数控系统丧失了规定的功能称为故障。n故障发生的频次及相关的运行时间是衡

5、量数控系统可靠性的基本参数。可靠性是产品的一种属性，是产品在规定的条件下能正确执行预期功能的时间量度。只有功能适当、操作使用方便有效使用期长的产品，才能在工业环境中推广应用。n1可靠度或可靠率R(t)n系统(或设备、元件)在规定的条件下工作到t时刻，能正确地完成规定功能的概率为可靠度(或可靠率)。它也表示产品在一定时间内不易发生故障的程度，一般用R(t)表示。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n2失效率(t)n指在t时刻前系统无故障，而在t时刻后的单位时间内因故障而引起失效的概率。对于质量稳定的产品，其失效率可用一个常数表示，称为平均失效率，可通过试验确定，即 nTN 其中n为一定时间内失

6、效的产品数；T为接收试验产品的总试验时间；N为受试产品的总数。失效率的单位为“1/h”，常用“/kh”或“h-5”表示。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念左图所示为典型的R(t) 与(t)曲线。 (t)有一段低平部分，表示产品的偶然失效率，可视为常数。此时其可靠度为以为参数的指数函数，即R(t)e-t7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n3. 平均无故障时间（MEAN TIME BETWEEN FAILURE，简称 MTBF）n 平均无故障时间的含义是：n可修复产品在两次故障之间能正常工作的时间的平均值，也就是产品在寿命范围内总工作时间与总故障次数的比，即7.4.1 系统可靠性及故障的基

7、本概念它与可靠度R（t）的关系为 式中的t为系统连续正确工作的时间。如果MTBF30000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）99.468，若MTBF22000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）99.927。而7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念又因为ln( )tR tMTBF我国的机床数字控制系统通用技术条件规定，数控系统产品的可靠性验证用平均无故障工作时间MTBF作为衡量指标, MTBF最低不应低于3000h、5000 h或10000(分三档)。日本FANUC系统的MTBF可达22000h，甚至36000h。( )tR te1MTBF所以而这是平均寿命的表示法，在实

8、际中很有用。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n4. 平均修复时间（mean time to repair，简称 MTTR）n平均修复时间是指n数控机床在寿命范围内，每次从出现故障开始维修，直至能正常工作所用的平均时间。显然这个时间越短越好。除必要的物质条件外，诊断人员的水平在这里起主导作用，造就一批精干的维修队伍是非常关键的。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n5. 有效度 A n这是从可靠性和可维修度对数控机床的正常工作概率进行综合评价的尺度，是指一台可维修的数控机床在某一段时间内，维持其性能的概率。nA 是一个小于 1的数，但越接近 1越好。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念

9、 我国数控机床可靠性现状 n数控机床可靠性的主要指标 MTBF 一直是影响我国数控机床市场竞争力的主要问题，经过“九五”期间产、学、研相结合的共同努力，该项指标已经有了很大的提高：加工中心的 MTBF 从“八五”的平均 200多小时提高到平均 400多小时，数控车床的 MTBF 从平均 200 多小时提高到 450 多小时，自行研制的 CNC 系统的 MTBF 从5000小时提高到 10000小时以上，尽管与国际先进水平还有一定差距，但成绩还是可喜的。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n要全面认识一台数控系统的可靠性，除了故障平均间隔时间MTBF外，还必须考虑系统的可利用率，即有效度A因为

10、A与MTBF和MTTR都有关。n我国目前的数控系统中，一类是从国外引进的数控先进设备。尽管其MTBF很大，但可维修性很差。往往院了国外生产公司的专门检修人员能进行检修以外，国内厂方技术人员无法维修，因此可利用率很仍低。n另一类是国内的数控系统，其MTBF可能很小，但可维护性却比国外系统好得多，从而可利用率也相当高。7.4.1 系统可靠性及故障的基本概念n另外，在评价国内数控系统时必须要有合理的指标，应当结合必要性和可能性进行评价。n所谓必要性，是指使用者根据生产需要对数控系统提出的可靠性要求，数控系统必须达到此要求才有使用价值。n所谓可能性，就是在现有的生产手段、投资决策、工艺条件、元器件来源

11、等条件下，数控系统可能达到的可靠性指标。目前，根据机械加工的特点及具体要求，对于一般用途的数控系统，n平均故障间隔时间 MTBF=3000hn可利用率 A0.95n对于特殊要求，或用于柔性制造系统和计算机集成制造系统的数控系统，其可靠性要求要高得多。7.4.2 影响可靠性的因数1.元器件失效 元器件是构成系统的基本单元，整机的失效率等于各组成部分失效率之和。例如硅三极管的失效率0.01h5（表7.4.1），则平均无故障时间MTBF1/ 10h7。5000个该类元件总的失效率50000.01h50h5 ，则MTBF1/ 210h3。一般，有i种n个相同元器件系统的总失效率为： 总式中i1，2，m

12、。为元器件的种类；ni为某种元件的数量。1miiin7.4.2 影响可靠性的因数2元器件的联接与组装不良 接触不良，温度、湿度变化大，油污、粉尘污染及机械振动等对元件、线路板、接插件产生严重后果。走线的不合理等也会影响系统的可靠性。7.4.2 影响可靠性的因数3电磁干扰 作为机电一体化产物的数控机床，是机械、电子、电力、强电、弱电、硬件、软件技术紧密相结合的自动化系统，因此电磁环境和电磁干扰对它来讲是既复杂又重要的问题。（1）高频电磁干扰。如电器开关通断时会产生电火花，邻近大功率用电设备的启、制动也会造成电源电压的波动等。（2）直流电源负载能力不足，尤其是单块集成稳压电源内部分布电容的影响，均

13、对高频（10kHz）衰减特性不利，使其不能稳定、可靠地工作。（3）电源与地线的线径太细或布局不合理，使信号发生畸变或交叉干扰。（4）控制信号线过长而又无屏蔽隔离措施，或与强电信号并行走线时，易受电磁干扰而产生错误信号。7.4.3 提高可靠性的方法与措施n1提高可靠性的基本方法n按可靠性理论进行可靠性设计以后，还需要在元件选择、装配工艺、故障检测等方面严格把关每一阶段都必须有切实可行的保证可靠性的措施。提高可招性的方法很多，犬体有如下几个：n(1)采用可靠性容错设计。n一般来说，在逻辑设计中，除了注意尽可能降低对元件允差的要求，扩大电路的稳定储备量，提高电路的抗干扰能力以外，还可采用容错设计。即

14、在一定条件下可以允许机器产生一些错误，而不影响机器正确功能的执行，可以采取所谓“冗余”结构，诸如硬件冗余、软件冗余及时间冗余等。7.4.3 提高可靠性的方法与措施n(2)对元器件按照规定范围严格地进行筛选。 要根据具体情况对元器件进行筛选。主要要进行机械性能测试、高低温循环考验和冲击、密封性能测试。另外，还要进行电气性能稳定性的老化试验，逻辑功能的正确性测试和静动态的参数测试等。n(3)在装配工艺方面采取严格措施。 装配工艺是确保系统可靠性的极其重要的一环。装配工艺包括合理的系统结构、最佳的电路板和连接、先进的焊接工艺、高质量的接插件以及合理的走线方式和地线处理等。n(4)采用故障诊断技术。

15、要保证发现故障后能立即检测故障，判断故障的原因，并能准确定位故障点，这就是故障诊断技术。7.4.4 故障诊断的方法n1概述n所谓故障诊断，就是确认故障原因和部位。通过故障诊断程序的运行，就能在系统运行之前及时发现和排除故障，又能在发现故障以后准确定位故障。n早期的故障诊断主要是考核系统的功能，如果检查出错误，并不能定位故障点，仍需维修人员凭经验和电路基本理论判断。n随着人工智能专家系统在数控技术领域的应用，故障诊断又进入了才崭新的阶段。7.4.4 故障诊断的方法n2数控系统的自诊断与功能故障诊断法n(1)自诊断流程n自诊断功能一般可在开机后自动诊断整个硬件系统，为整个系统的正常工作准备好条件。

16、另外在运行过程或输人数控程序的过程中，一旦发现错误也会自动进入自诊断，通过故障检测定位故障并指示故障内容。n自诊断系统的设计思想是，向被诊断的部件或装置写入一串称为测试码的数据，观测相应的输出数据（称为校验码)。通过对观测结果的分析，根据事先已知的测试码、校验码和故障的对应关系确定故障。为了使故障诊断具有良好的诊断性能(即诊断时间短、诊断准确度高、诊断分辨能力强)，选择测试码、确定校验码与故障之间的对应关系、研究实行诊断的方法等是故障诊断的关键技术。7.4.4 故障诊断的方法n由流程图7.4.5可知自诊断系统提供了能识别数控系统硬、软件错误的程序,包括启动诊断,在线诊断,离线诊断三种方法,一旦

17、故障发生,系统停止当前的工作.n(2)功能故障诊断法n这种方法不考虑的的内部电路结构，只关心模块所能实现的功能， 它把模块(或集成芯片)看成黑匣子，根据功能选择一些特征信号作为输入,然后观测其对应的输出，再进行结果分析，并与正常功能反复进行比较，这样就可以确定模块是否出了故障，同时可确定故障在系统中所在的位置。这种方法在中、大规模集成电路的系统里获得了广泛的应用。7.4.4 故障诊断的方法3.自诊断的主要功能 数控系统的自诊断功能，主要包括如下3方面内容。（1）状态显示 将数控系统各主要逻辑部件的故障状态及输入输出信号的故障状态，以故障代码及简要说明的方式显示在CRT上。（2）伺服系统的校验

18、停止移动时如果误差寄存器的误差比设定值大，则报警。移动时如果误差寄存器的误差比设定值大，则停止进给。另外，位置检测系统工作异常、电压指令的漂移值过大、直流或交流电动机过热、速度控制工作异常时等都会报警。（3）数控指令系统的校验 对程序结构、机能、参数设定错误、代码格式错误等进行校验，并对每一字符和程序段进行奇偶校验，还可对指令系统的有关硬件进行检查。然后在CRT上显示故障号，用户根据故障号即可查找出故障的详细内容与故障产生的原因。7.4.4 故障诊断的方法n4自诊断的新发展n1.通讯诊断(远程、海外诊断）n用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。计算机发诊断程序用户测试数

19、据,计算机诊断结果和处理方法。n2. 自修复系统n当诊断软件发现数控机床在运行中某模块有故障时，系统在CRT上显示的同时，自动寻找备用模块并接上。特点：实用但成本比较高，而且只适合总线结构的CNC系统。n3.具有人工智能(AI)功能的专家故障诊断系统7.4.4 故障诊断的方法n一般诊断专家系统的结构如图7.4.6所示。图中的知识库是专家知识、经验书本知识、常识等的集成。7.4.4 故障诊断的方法n对于数控系统专家系统来说，故障知识库的建立是关键；n数据库则是用于存储本领城内的初始数据以及推理过程中得到的各种中间信息；n推理机则用于控制、协调整个系统，根据当前输入的数据，利用知识库中的知识，核定

20、推理策略解决当前的问题.n数控系统故障诊断专家系统的发展趋势是将机、电、液各方面的故障知识统起来建立一个知识库，利用在线检测到的各种信息，通过分析、综合、推理而准确定位故障点，并提出合理的排障方法。而且还要具备某种自学的能力，不断地修改、完善知识库。可以预见这种系统将会获得很大发展，并完全进入商品化实用阶段。7.5数控机床故障的判断与排除n7.5.1数控机床故障处理的原则 数控机床的大部分故障都以综合故障的形式出现，其判断处理的原则如下。n1.充分调查故障现场 首先要充分了解机床是在什么情况下出现故障的，有些什么表面现象，出现故障后操作者采取过什么措施。要仔细观察CNC中工作寄存器和缓冲寄存器

21、的内容，了解正在执行程序段的内容及自诊断显示的报警内容，并观察各个印刷线路板上有无报警红灯。然后再按下CNC的复位健，观察故障报警是否消失。 7.5.1数控机床故障处理的原则n2.分析可能造成故障的因素 数控机床上出现同一种故障的原因有可能是多种多样的，有机械的原因、机床电气的原因和控制系统的原因等。因此在分析时要把有关的因素都罗列出来。n3.确定故障产生的原因并排除故障 由于造成故障的因素很多，因此维修人员必须利用机床的技术档案、现场经验和判断能力、机、电、液等综合技术知识以及必要的测试手段和工具仪器，确定最有可能造成故障的因素，然后通过必要的试验逐一寻找确定，最后根据原因调整有关的元部件。

22、7.5.2数控机床的机械故障及排除1.共性故障 数控机床机械部分的修理与常规机床有许多共同点。但由于数控机床大量采用了电气控制，机械结构大为简化，所以机械故障的发生率大大降低。一般常见的共性机械故障有以下几种。（1）进给传动链故障 由于数控机床普遍采用了滚动摩擦副，所以进给传动链故障大部分是以运动品质下降的形式表现出来，如定位精度下降，反向间隙过大，机械爬行，轴承噪声过大等。因此这种故障的修理常与运动副预紧力、松动环节和补偿环节的调整有关。（2）主轴部件故障 由于数控机床采用电气调速，主轴箱内部的结构比较简单。其可能出现的故障有自动拉紧刀柄装置、自动变档装置的故障及主轴运动精度保持性方面的故障

23、等。7.5.2数控机床的机械故障及排除（3）自动换刀装置的故障 自动换刀装置已在加工中心和车削中心等数控机床上大量配置，当前有50%以上的机床故障都与自动换刀装置有关。这些故障主要表现为刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定、机械手误差过大等。这些故障最后都造成换刀动作卡住，整机停止工作。（4）位置检查用行程开关压合故障 为了保证数控机床的工作可靠性，机床上大量采用了限制运动位置的行程开关。在机床的长期工作中，运动部件运动特性的变化、压合行程开关机械装置的可靠性及行程开关本身的品质特性等都影响整机的故障率。（5）配套附件的可靠性故障 配套部件包括冷却液装置、排屑装置、导轨防护罩、冷却

24、液防护罩、主轴冷却恒温箱和液压油箱等。7.5.2数控机床的机械故障及排除2.加工中心的机械故障及排除 加工中心的机械故障常从三方面考虑：机械本体的故障、程序错误和零件加工精度不良等。（1）主轴箱的故障 这部分故障有自动拉紧刀柄装置、自动调速装置、主轴快速运动的精度保持性等方面的故障。（2）进给传动链的故障7.5.2数控机床的机械故障及排除（3）自动换刀装置的故障 自动换刀装置是加工中心既重要又容易出故障的部分，需每日维护、保养。（4）程序错误引起的故障 程序组成的语言有错误时要发生报警。 刀具选定错误。可通过刀具形状的显示确认。7.5.2数控机床的机械故障及排除（5）零件加工精度不良 为了保证工