现代数控机床故障诊断与维修课件-第一章

2023/9/281第一章绪论天津职业技术师范大学邓三sanpeng@教学提示：本章主要介绍了数控机床的发展，数控机床及其维修的基本概念，数控机床故障诊断及维修原则、一般步骤和方法，数控机床故障诊断及维修技术的发展，让读者对数控机床故障诊断及维修技术有个全面的基本认识。教学要求：了解数控机床的发展，数控机床及其维修的特点,对数控机床维修人员的要求，数控机床故障诊断及维修技术的发展；掌握数控机床故障的分类，数控机床可靠性的基本概念，数控机床故障诊断及维修的一般步骤和方法。2023/9/2822023/9/283第一章绪论1.1数控机床的发展1.2数控机床的基本概念1.3数控机床维修的基本概念1.4数控机床故障诊断与维修1.5数控机床及其诊断技术的发展2023/9/284一、美国的数控机床发展概况美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向，科研任务，并且提供充足的经费，网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。1952年研制出世界第一台数控机床。1958年研制出加工中心。70年代初研制成FMS。1987年首创开放式数控系统等。1.1数控机床的发展2023/9/285高性能数控机床技术在世界一直领先。其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。2023/9/286二、德国的数控机床发展概况德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位。1956年研制出第一台数控机床。德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。德国特别重视数控机床主机及配套件的先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。2023/9/287三、日本的数控机床发展概况在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国。1958年研制出第一台数控机床。1978年产量超过美国，至今产量、出口量一直居世界首位。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。2023/9/288四、我国的现状2000年以来，我国机床行业快速发展，机床行业的整体素质提高很多。从2002年起，中国连续5年成为世界机床消费第一大市场。2005、2006年我国机床产值处于全球第三，我国成为世界机床大国，但由于技术水平低下，“大而不强”。在国家高度重视和支持下，到2010年国产数控机床占国内市场比重将达50%。当前，我国新产品开发成果显著，五轴联动数控机床、多功能复合机床等高性能数控机床产品初具规模，产品的数控化率逐年提高。总之国内数控机床制造商正在拼搏奋起，坚持自主创新精神，实行市场化运行机制，潜心研究、持续改进，我们深信，中国企业完全有能力制造出满足市场需求的高质量标准的数控机床及柔性制造系统。随着我国工业的快速发展，数控机床数量和种类急剧增长，随之而来的是数控维修人才的短缺。数控机床故障诊断与维修人才的培养是一个系统工程。2023/9/2891.2数控机床的基本概念一、数控机床的组成(1)主机

主机是数控机床的本体，主要由各种机械部件组成。包括底座、床身、主轴箱、进给机构等。(2)数控装置

数控装置是数控机床的控制核心，一般由一台专用计算机构成。(3)驱动装置

驱动装置是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴电动机、进给伺服电动机等。(4)辅助装置

辅助装置是数控机床的一些配套部件，如自动排屑部件、自动对刀部件、工作台、安全防护装置、自动检测装置等。2023/9/2810二、数控机床的工作原理数控机床基本工作原理如图1-1所示。加工程序可通过输入设备存储于数控装置(CNC计算机数字控制系统)内的存储器上，在需要的时候也可将存储器内的加工程序通过输出设备把加工程序存储在外部存储介质上，以长期保存。2023/9/28112023/9/2812

数控装置是数控机床的控制系统，它采集和控制着机床所有的运动状态和运动量。数控装置是由中央处理单元(CPU)、只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、相应的总线和各种接口电路所构成的专用计算机。

驱动装置接受数控装置输出的进给指令，严格按照指令驱动电动机转动，经滚珠丝杠驱动机床的工作台运动，加工出符合图纸要求的工件，所以驱动装置的精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量与生产效率的重要因素之一。目前，驱动装置的电动机有步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机等。2023/9/2813三、数控机床的特点数控机床特别适用于加工小批量且形状复杂、要求精度高的零件。由于数控加工是一种程序控制过程，使其相应形成了以下几个特点：（1）自动化程度高，可以减轻工人的劳动强度。（2）加工精度高、加工质量稳定可靠、重复性好。（3）加工生产率

高。（4）对零件加工的适应性强、灵活性好、能加工形状复杂的零件。（5）有利于生产管理的现代化。2023/9/2814四、数控机床的分类数控机床不同角度的分类。按机械运动的轨迹可分为：点位控制系统、直线控制系统和连续控制系统。按伺服系统的类型可分为：开环伺服系统、半闭环伺服系统和闭环伺服系统。按控制坐标数可分为：两坐标数控机床、两坐标半数控机床、三坐标数控机床和多坐标数控机床。但从用户角度考虑，按机床加工方式或按能完成的主要加工工序来分类可能更为合适。按照数控机床的加工方式，可以把它分为以下几类：1.金属切削类

数控车床、铣床、钻床、镗床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。2.金属成形类

数控折弯机、弯管机、冲床、旋压机、切管机等。3.特种加工类

数控线切割机、电火花加工机床、激光切割机和快速成型机等。4.其他类

数控火焰切割机床、数控激光热处理机床、三坐标测量机等。2023/9/28151.3数控机床维修的基本概念

一、数控机床维修的特点数控机床就其维修的重要性来说，是侧重于电子、机械、液、气及光学的交叉点上。应懂得充分利用NC和PLC提供的故障信息来查找故障。并且要熟悉数控系统、位置检测与伺服驱动、强电和辅助控制的工作原理、特点、常见故障及处理。数控机床是NC、PLC、伺服系统和精密机械等融合了多项高新技术的实时控制的过程装备，是典型的机电一体化的产品，因此，要求维修人员也是机电融合的人才。2023/9/28162023/9/2817二、数控机床故障的分类数控机床全部或部分丧失了系统规定的功能就称为故障。数控机床的故障是多种多样的，可以从不同角度对其进行分类：1．从故障的起因分类：关联性和非关联性故障2．从故障的时间分类：随机故障和有规则故障3．从发生状态分类：突然故障和渐变故障4．按影响程度分类：完全失效和部分失效故障5．按严重程度分类：危险性故障和安全性故障6．按性质分类：软件故障、硬件故障和干扰故障2023/9/2818三、数控机床的可靠性数控机床和数控系统的发展趋势是：高性能、多功能、高精度、高柔性及高可靠性。可靠性是指在规定的工作条件（环境温度、湿度、使用条件及使用方法等）下，产品执行其功能长时间稳定工作而不发生故障的能力。可靠性的曲线变化规律（俗称“浴盆曲线”）。2023/9/2819衡量可靠性常用的标准有如下几个：1．平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailure）平均无故障时间是指可修复产品的相邻两次故障间系统能正常工作时间的平均值。我国“机床数字控制系统通用技术条件”中规定，用MTBF衡量数控产品的可靠性，要求数控系统MTBF不低于3000h。现在CNC系统的可靠性指标已达30余年（10年前为10000h）。有些国家采用其他指标作为衡量数控系统可靠性的指标。这个值越长越好。2023/9/28202．平均修复时间（MeanTimeToRepair）数控系统在寿命范围内，从故障开始维修到能正常工作所用的平均修复时间。这个值越小，表明维修速度越快。2023/9/28213．有效度

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。

小于1，越接近1越好，它是衡量数控机床的可靠性和可维修性的指标。影响数控机床可靠性的因素，包括设计、包装、运输、安装、使用等全过程，使用时影响可靠性的指标如表1-1所示：2023/9/2822表1-1影响数控机床（使用时）可靠性的因素因素要

求措

施电网质量电压应在规定的误差范围之内，+10%~-15%；频率为（50±1）Hz；数控机床接地电阻要符合要求；以上三项要平衡。1．数控机床专线供电；2．使用稳压电源。安装环境无粉尘、无太阳直射；湿度、温度符合要求。建立专门的数控车间操作者1．岗位培训；2．取得上岗资格证；3．严格按操作规程操作。进行岗位培训；严禁无证上岗；制定详细的、可执行的操作规程。日常维护按照《机床使用说明书》进行日常的维护和保养制定切实可行的维护保养制度2023/9/2823四、数控机床维修人员的要求数控机床的故障诊断与维修涉及的知识面广，故障往往发生在机、电、液、气、光的交叉点上，准确的诊断比较困难，因此对数控机床维修人员有如下5个方面的要求。1．专业知识面要广2．有较强的动手能力与实验能力3．具有专业外语的阅读能力4．绘图能力5．良好的品质1．专业知识面要广

掌握数控原理、电工电子技术、自动控制与电力拖动、检测技术、液压与气动、机械传动及机械加工方面的知识；·掌握数字控制、伺服驱动及PLC的工作原理；·掌握检测系统的工作原理；·能编写简单的数控加工程序；·能运用各种方法编写PLC的程序。2023/9/28242．有较强的动手能力与实验能力

·对数控系统进行操作；·能查看报警信息；·能检查、修改参数；·能调用自诊断功能，进行PLC接口检查；·会使用维修的工具、仪器、仪表；·会操作数控机床。2023/9/28253．具有专业外语的阅读能力

·能读懂数控系统的操作面板、CRT显示的外文信息；·能读懂外文的随机手册；·能读懂外文的技术资料；·能熟练的运用外文的报警提示。2023/9/28264．绘图能力

能绘制一般的机械、电气图；通过实物测量，能绘制光栅尺测量头的原理图；通过实物测量，能绘制电气原理图。2023/9/28275．良好的品质

勤于学习：刻苦钻研，边干边学；自觉的学习新出现的数控机床操作、编程，了解其结构；自觉的了解其他工厂中的设备；虚心学习别人的经验。善于分析：能由表及里，去伪存真，找到发生故障的原因；能从众多故障现象中找出主要的，起决定性故障现象，并对此进行分析。胆大心细：对于没见过的故障敢修；先熟悉情况，后动手、不要盲目蛮干。2023/9/28281.4数控机床故障诊断与维修

一、数控机床故障诊断与维修的一般步骤数控机床的故障诊断与维修的过程基本上分为故障原因的调查和分析、故障的排除、维修总结三个阶段。1．故障的调查与分析2．故障排除3．维修排故后的总结提高工作2023/9/28291．故障的调查与分析

（1）询问调查（2）现场检查

参照表1-2。（3）故障分析（4）确定原因（5）排故准备2023/9/28302．故障排除

这是排故的第二阶段，是实施阶段。如上所述，完成了故障分析，也就基本上完成了故障的排除，剩下的工作就是按照相关操作规程具体实施。2023/9/28313．维修排故后的总结提高工作

总结提高工作的主要内容包括：（1）详细记录从故障的发生、分析判断到排除全过程中出现的各种问题，采取的各种措施，相关电路图、相关参数和相关软件。（2）有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出带有普遍意义的内容作为研究课题，进行理论性探讨，写出论文，从而达到提高的目的。（3）总结故障排除过程中所需要的各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补齐，以备将来之需。（4）从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定学习计划，力争尽快补课。（5）找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。2023/9/2832总结提高工作的好处是：

（1）迅速提高维修者的理论水平和维修能力。（2）提高重复性故障的维修速度。（3）利于分析设备的故障率及可维修性，改进操作规程，提高机床寿命和利用率。（4）可改进数控机床原设计之不足。（5）资源共享。总结资料可作为其他维修人员的参数资料、学习培训教材。2023/9/2833二、数控机床维修的原则

充分利用数控系统的自诊断功能，如系统的开机诊断、运行诊断、PLC的监控功能。同时在检测故障过程中还应掌握以下原则：（1）先静后动（2）先外部后内部（3）先机械后电气（4）先公用后专用（5）先简单后复杂（6）先一般后特殊例1-1

2023/9/2834三、数控机床故障诊断与维修的一般方法

（一）装置自诊断法（二）观察检查法（三）备件替换法（四）电路板参数测试对比法（五）功能程序测试法（六）参数检查法2023/9/2835（七）逻辑线路追踪法(原理分析法)（八）用可编程控制器进行PLC中断状态分析法（九）接口状态显示诊断法（十）测量比较法（十一）升温，降温法（十二）其它方法2023/9/2836一

装置自诊断法

l．启动自诊断(初始化诊断)2．在线诊断(后台诊断)例1-23．离线检查2023/9/2837二

观察检查法

1.问

机床的操作、维护、运行是否有异常。2.看

机床器件是否发生物理变化或运动变化。

例1-3

例1-43.听

机械或电气部分是否有异常声响。例1-54.触CNC系统出现时有时无的故障现象时，宜采用此方法。5.嗅

在电气设备诊断或各种易挥发物体的器件采用此方法效果较好。2023/9/2838三

备件替换法

“替换”是电气修理中常用的一种简单方便的方法，此方法可缩短停机时间，快速找到故障。将具有相同功能的两块板互相交换(一块好的，一块被怀疑是坏的)，观察故障现象是否随之转移来判断被怀疑板。这些板是指印制线路板、模块、集成电路芯片或元器件。若没有备用电路板或组件，可把故障区与无故障区的相同的电路板或组件互相交换，然后观察故障排除及转移情况，也可得到确诊。2023/9/2839“替换法”的注意事项“替换法”如果使用不当，会带来许多麻烦，甚至造成人为故障。因此，正确认识和掌握“替换”的使用范围和操作方法，是提高维修工作效率和避免人为故障发生的最好方法。注意：①必须断电后才能更换电路板或组件；②有些电路板，例如PLC的I／O板上有地址开关，交换时要相应改变设置值；③有些电路板上有跳线及桥接调整电阻、电容，也应与原板相同，方可交换；④模块的输入输出必须相同。以驱动器为例，型号要相同，若不同，则要考虑接口、功率的影响，避免故障扩大。⑤在确定对某一部分要进行替换前，应认真检查与其连接的有关线路和其他相关的电器。确认无故障后才能将新的替换上去，防止外部故障引起替换上去的部件损坏。2023/9/2840四

电路板参数测试对比法

当系统发生故障后，采用常规电工检测仪器、工具，按系统电路图及机床电路图，对故障部分的电压、电源、脉冲信号等进行实测，在各电路板的测试端子上进行电压值及波形的测试，与正常值和正常波形进行比较。若无原始记录，也可与对应无故障区的相同的电路板比较，从而确诊故障电路板是否发生故障。如电源的输入电压超限，应对电源监控，以排除其它原因。如发生位置控制环故障，可用示波器检查测量回路的信号状态，或用示波器观察其信号输出是否缺相，有无干扰。例1-62023/9/2841五

功能程序测试法

功能程序测试法是将所维修数控系统G、M、S、T、F功能的全部使用指令编写出一个试验程序，并存储在软盘上。应用场合：①机床加工造成废品而一时无法确定是编程、操作不当，还是数控系统故障时；②数控系统出现随机性故障，一时难以区别是外来干扰，还是系统稳定性不好。③闲置时间较长的数控机床在投入使用时或数控机床进行定期检修时。例1-72023/9/2842六

参数检查法

数控机床的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据。例如工作范围、轴动态参数，数据需要根据具体的控制对象而修改。这种可读写的存储器有电池保持的RAM、EPROM、F1ashROM、硬盘等。例1-8

例1-9应用场合：对于电池保持的RAM，一旦电池电压不足(一般电池2-3年需更换)或机床长期闲置或外部干扰会使参数丢失或混乱，从而使系统不能正常工作。EPROM、FlashROM由于不需要电池，在数控系统中应用越来越普遍。当机床长期闲置或无缘无故出现不正常现象或有故障而无应答时，就要根据故障特征检查和校对有关参数。2023/9/2843七逻辑线路追踪法(原理分析法)

逻辑线路追踪法就是通过追踪与故障相关联的信号，从中找到故障单元，根据CNC系统原理图(即组成原理)，从前往后或从后往前地检查有关信号的有无、性质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，看有什么差异或是否符合逻辑关系。对于硬接线系统(继电器—接触器系统)，它具有可见接线、接线端子、测试点。2023/9/2844八用可编程控制器进行PLC中断状态分析法

可编程控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因，查明故障之所在，在可编程控制器的维修中这是最常用、最有效和快速的方法。2023/9/2845九接口状态显示诊断法

接口是连接CNC系统、PLC、机床本体的节点，节点是信息传递和控制的要道，通过接口的状态信息(通“1”、断“0”)，若系统带有分立的PLC时，系统产生故障后，首先应判断故障是出现在CNC系统内部，还是在PLC或机床(MT)侧。这就要求