第1章数控机床维修与诊断

第1章数控机床维修与诊断§1绪论

本章知识及要求数控机床的组成和数控机床的特点数控机床故障诊断的意义数控机床故障诊断的内容和故障的分类数控机床常用的诊断技术和发展了解数控机床各部分的作用及工作特点熟悉常见故障的类型重点掌握数控机床故障诊断方法§1.1数控机床的组成

§1.2数控机床故障诊断的意义§1.3数控机床故障诊断的内容与故障分类§1.4数控系统的诊断技术思考与练习题数控机床是采用了数控技术的机床，即它是用数字信号控制机床运动及其加工过程的。数控机床综合应用了计算机、自动控制、精密测量、现代机械制造和数据通信等多种技术，是机械加工领域中典型的机电一体化产品，适于多品种、中小批量的复杂零件的加工，并能实现机械加工的高速度、高精度和高度自动化，代表了机床发展的方向。

§1.1数控机床的组成数控机床，即NC（NumericalControl）机床主要由数控装置、伺服驱动装置、测量反馈装置和机床本体等4大部分，再加上程序的输入/输出设备、可编程控制器（PLC或称PMC）等部分组成，如图1.1所示。图1.1数控机床的组成图图1.1中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制，目前采用计算机数控系统（即CNC）。1.数控装置

数控装置是数控系统的核心，是由硬件和软件两大部分组成。它接受从机床输入装置（键盘、RS232通信口、软磁盘、硬磁盘、纸带阅读机、磁带机等）输入的控制信号代码，经过输入、缓存、译码、寄存、运算、存储等转变成控制指令实现直接或通过可编程逻辑控制器（PLC）对伺服驱动系统的控制，控制信号的传递路径如图1.2所示。

图1.2控制信号的传递路径

伺服驱动装置是数控装置与机床主机之间的连接环节，它接受数控装置插补生成的进给脉冲信号，经过放大驱动机床主机的执行机构，实现机床运动。—执行机构伺服驱动装置包括主轴驱动单元（控制主轴速度）、进给驱动单元（进给系统的速度控制和位置控制）、主轴电机和进给电机等。目前常用的有直流伺服电机和交流伺服电机，且交流伺服电机正逐渐取代直流伺服电机。

3.测量反馈装置测量反馈装置是通过现代化的测量元件（脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅尺、磁尺和激光等），将执行元件（如电机）或工作台等的速度和位移检测出来，经过相应的电路将所测得信号反馈回数控装置，构成半闭环或闭环系统，补偿执行机构的运动误差，以达到提高运动精度的目的。

机床本体就是数控机床的机械结构件，包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。此外，为保证数控机床功能的充分发挥，还有一些辅助系统，如冷却、润滑、液压（或气动）、排屑、防护等系统。

§1.2数控机床故障诊断的意义

一、数控机床故障诊断与维修的必要性数控维修技术不仅是保障数控机床正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用。

另外，任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。若在出现故障后不及时维修排除，就会造成较大的经济损失。

我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：维修技术人员机电综合素质不高，缺乏数字测试分析手段，数控机床故障诊断与维修的综合判断能力和测试分析技术有待提高等。

二、数控机床维修的技术指标

1.平均无故障工作时间（MTBF）（MeanTimeBetweenFailure）

平均无故障工作时间是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。

—————越长越好2.平均修复时间（MTTR）

（MeanTimeToRepair）平均修复时间是指从开始排除故障直到数控设备能正常使用所需要的时间。

————

越短越好3.平均有效度（A）是衡量数控机床的可靠性和可维修性的指标。平均有效度是指可维修的设备在某一段时间内维持其性能的概率（<1的正数）。数控机床故障的平均修复时间越短，则A就越接近1，那么数控机床的使用性能就越好。

4.平均故障率（AFR）FANUC公司常用指标。70年代：次/月；90年代：次/月机床的利用率要求有60%~70%的开动率。受可靠性、人员素质和维修管理的影响。§1.3数控机床故障诊断的内容与故障分类

一、故障的基本概念

1.故障指数控机床或系统由于自身的原因丧失规定的功能，不能再进行正常的工作的现象。有机械部分故障、数控系统故障、伺服与主轴驱动系统故障、辅助装置故障等。是在系统运行中或基本不拆卸的情况下，即可掌握系统现行状态的信息，查明产生故障的部位和原因，或预知系统的异常和故障的动向，采取必要的措施和对策的技术。在数控机床运行中，根据设备的故障现象，在掌握数控系统各部分工作原理的前提下，对现行的状态进行分析，并辅以必要检测手段，查明故障的部位和原因，提出有效的维修对策。

4.故障诊断的主要对象机械故障——机床本体故障电气故障——主要是使用不当引起的故障。使用不当：57%；电气：37.5%；NC系统：5.5%。二、故障的分类

1.从故障的起因分类

关联性故障——和系统的设计、结构或性能等缺陷有关而造成（分固有性和随机性）。非关联性故障——和系统本身结构与制造无关的故障。2.从故障的时间分类随机故障——发生时间是随机的。有规则故障——发生是指有一定的规律性。

故障频率曲线表征着数控设备的使用寿命设备使用寿命-故障频率曲线

T1—9~14月，T2—7~10年，T3—2年3.从故障的发生状态分类突然故障——发生前无故障征兆，使用不当。渐变故障——发生前有故障征兆，逐渐严重。影响程度分类完全失效——出现故障后不能再进行正常加工，只有等到故障排除后，才能恢复正常工作的情况。部分失效——丧失了某种或部分系统功能，而在不使用该部分功能的情况下，仍然能够正常加工工件。

5.按故障的严重程度分类

危险性故障——数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时，因故障失去保护动作，造成人身或设备事故，又称破坏性故障。安全性故障——机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床不能起动。6.按故障的性质分类

软件故障——程序编制错误、参数设置不正确、机床操作失误等引起。

———修改程序，适当调整即可硬件故障——电子元器件、润滑系统、限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损坏造成。

————更换元器件干扰故障——由于系统工艺、线路设计、电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生。7.从故障发生的部件分类机械故障——机床本体故障，又称主机故障。电气故障——包括强电故障和弱电故障。8.按故障发生时有无报警分类（1）无报警显示的故障故障发生时无任何硬件或软件的报警信息，分析诊断难度较大。（2）有报警显示的故障硬件报警——各功能模块上的报警灯软件报警——指CRT显示器上显示报警信息的故障，一般有几十种到上千种，主要来自PLC和CNC。§1.4数控系统的诊断技术

一、自诊断技术

故障自诊断技术是评价系统性能的一项重要指标。

数控系统一旦发生故障，借助系统的自诊断功能往往可以迅速、准确地查明原因并确定故障部位。1.开机自诊断

系统内部自诊断程序通电开始执行对CPU、存储器、总线和I/O等模块及功能板、CRT、软盘等外围设备进行功能测试。一旦检测通不过，即在CRT上显示报警信息或报警号，指出哪个部分发生了故障。只有当全部开机诊断项目都通过后，系统才能进入正常运行准备状态。

例如：FANUC10TE系统的数控机床，开机后CRT显示：

FS107E1399B ROMTEST：END

RAMTEST未通过测试故障可能：参数丢失、支持电池失效、接触不良等。开机自诊断对数控系统的最重要部分——计算机主柜上的电路板进行检查，以确定哪块电路板出了故障。开机自诊断可保证所检测重要部件的可靠性，一旦发生故障，马上禁止运行。同时，为维修人员迅速排除一些疑难故障提供帮助。

2.运行自诊断数控系统正常工作时，系统的诊断程序对系统本身和各功能模块（PLC、位置伺服单元、其它外部装置）进行测试，发生故障时在CRT上报警信息。只要数控系统不断电，这种自诊断会不停顿地反复进行。数据和状态检查CNC系统的自诊断不但能在CRT上显示故障报警信息，而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和接口状态信息。1）接口状态检查系统与机床、系统与PLC、机床与PLC的输入/输出信号，接口诊断功能可将所有开关量信号的状态显示在CRT上，称诊断页面。

“1”表示通，“0”表示断；例如：NCP400L数控车床接口状态检查（PB为PLC的I/O信息）端口地址含义：

例如：地址3C80H状态为：

2）参数检查检查法数控机床的机床参数是经一系列的试验和调整而获得的重要参数，是机床正常运行的保证。包括有增益、加速度、轮廓监控及各种补偿值等。（1）参数的重要性和使用注意点重要性：影响机床精度、性能，是故障诊断的重要依据。可了解设计的指导思想。注意点：全部的参数表；现场校对机床的参数实际设置；当场搞清个参数的含义。（2）参数分类功能型：代表系统某种功能的有无，只有0、1取值。比例型：以代码组合设定某种参量的比例关系。例如：MNC863诊断页面中38C8H单元中8位的含义为：真实型：代表着某个参量的设定值，一般手册给明范围。如X、Z轴的限位取值。普通级：CNC制造商提供给用户的参数秘密级：CNC制造商没有提供，需制造商级别的密码，方可进入修改的参数。例如：某FANUCOM加工中心，工作时出现铣头只能做X轴坐标负方向移动，正方向移动立即产生超程报警。现象：①机床通电后，应先回零，但一移动即产生超程，说明已到达“参考点”，但返回参考点灯不亮；②停电后再开机，故障依旧；③检查参数，发现CNC内的参数与手册基本一致；④由于负方向移动正常可判硬件无故障，只能是参数故障。诊断：X轴参数失效排除：①将X轴正向限位值设成MAX：999999；②然后进行手动回零操作，回零成功！；③此时，再将限位值设回原来的值；④重新开机上电，机床恢复正常。

3.离线诊断（或称脱机诊断）指采用专用的诊断程序对系统进行脱机测试（停机诊断），主要对CPU、存储器、PLC、控制接口、I/O等进行测试。

离线诊断的主要目的是修复系统和故障定位，力求把故障定位在尽可能小的范围内。查阅维修手册可确定故障原因及排除方法。

二、诊断技术的发展1.通信诊断(远程、海外诊断）用户机床的通讯口通过线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。过程如下：

计算机发诊断程序用户测试数据数据送回诊断计算机计算机诊断结果和处理方法用户特点：实用简便，有一定的局限性。2.自修复系统当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时，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。3.人工智能（AI）专家故障诊断系统

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。

4.人工神经元网络（ANN）诊断简称神经网络，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。ANN具有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式故障的优点，是数控机床故障诊断新的发