3数控系统及其故障诊断《数控机床故障诊断》课件.ppt

1、3 数控系统及其故障诊断 31 概述,311 数控系统的技术性能指标 (1)数控系统性能 取决于系统所采用的CPU。个人微机作为数控系统平台的开放式数控系统，提供了很高的速度和丰富的软硬 件资源。 (2)系统具有高分辨率 实现高精度、超精密加工，分辨率通常都在1um，进给速度可达到100240mmin。 超精密加工时分辨率为0.1um(甚至0.01um)，速度为240mmmin。,(3)控制功能 控制轴数和同时控制的轴(联动轴)数是数控系统功能的重要指标。 许多数控系统增加了螺旋线插补、极坐标面插补、圆柱面插补、抛物线插补、指数函数插补、渐开线插补、样条插补以及曲面直接插补等功能。,(4)伺服

2、驱动系统性能 绝大多数数控系统都采用了对位置环、速度环、电流环全部进行数字控制的交流伺服系统。,许多公司都开发了具有前馈控制、非线性控制、摩擦转矩补偿以及数字伺服自动调整等新功能的高性能伺服系统。 (5)数控系统内PLC功能 新型数控系统的PLC都有单独的CPU，除了逻辑控制外，还具有轴控制功能； 基本指令执行时间是o2usstep以上，梯形图语言程序容量可达16000步以上，输入点输出点数为768512，可扩展； PLC的软件除用梯形图语言编写之外，还可用 Pascal，C语言等编写。,(6)系统的通信接口功能 1. 高速远距离传传输接口； 2. 可连接局域网的接口； 适应FMS（柔性制造）

3、和CIMS（集成制造）,(7)数控系统的开放性 目前，以个人微机为平台的开放式数控系统有了很大的发展，数控系统生产厂家都在进 行开放式数控系统的研究。CNC系统变成了含有丰富的 机床厂(或用户)专利特征的个性化系统。 理想的开放系统为数控软件、硬件均可选择、可 重组、可添加，这就要求具有统一的软件、硬件规范化标准。,(8)数控系统可靠性与故障自诊断 1.数控系统的可靠性以平均无故障时间来衡量 国外有的系统达到10000h， 国内自主开发的数控系统仅能达到3000 5000h。 2.数控系统要有自诊断功能和良好的检测方法 具有软件、硬件的 故障自诊断程序，有些数控系统还对PLC有单独的诊断线路和

4、诊断软件，也有的数控系统 具有远程诊断服务功能，用户可通过远距离诊断接口和联网功能与远程维修服务中心联系取得支持，以解决故障中的疑难问题。,323 数控系统的功能和优点 CNC装置采用了微型计算机，通过软件可以实现很多功能。 主要功能包括： (1)控制轴数和联动轴数 (2)点位与连续移动功能 (3)编程单位与坐标移动分辨率 一般精度1um，较好精度 0.1um。 (4)最大指令值 与机床工作台行程有关。,(5)插朴功能 一般数控装置都有直线和圆孤插朴； 高档数控装置还具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、正弦插补、样条插补等。 (6)固定循环加工功能 钻孔、攻丝、镗孔、深孔钻削、切螺纹 等，

5、所需完成的动作循环十分典型，使用固定循环指令可以简化编程。,(7)进给功能 1.切削进给速度一般为lmmminlOOmmin。 2.同步进给速度为主轴每转时进给轴的进给量， 单位为mmr。 只有主轴上装有位置编码器(一般为脉冲编码器)的机床才能指定同步进给建度。 3.快速进给速度一般为进给速度的最高速度。 4.进给倍率操作面板上设置了进给倍率开关，可在0200之间变化。,(8)主轴速度功能 1主轴转速的编码方式一般用s代码和2位或4位 数表示，单位为rmln或mmrain 2.恒定线速度功能对保证车床或磨床加工工件端面 质量很有意义。 3.主轴定向准停功能使主轴在周向的某一位置准确 停止，有自

6、动换刀功能的机床必须选取有这一功 能的CNC装置。 (9)刀具功能 1.能选取的刀具数量和种类； 2.刀具的编码方式； 3.自动换刀的方式-即固定刀位换刀还是随机换 刀。,(10)补偿功能 1.刀具长度补偿、刀具半径补偿和刀尖圆弧的补偿. 2.工艺量的补偿包括： A.坐标轴的反向间隙补偿； B.进给传动件的传动误差补偿； C.进给齿条齿距误差补偿； D.机件的温度变形误差补偿等。,(11)字符图形显示功能 (12)程序编制功能 1.手工编程 用CNC系统配置键盘按零件图纸，遵循系统的指令规则输入零件加工程 序。编程时机床不能加工，因而耗费机时，只适用于简单零件。 2.背景编程 即在线编程，在机

7、床加工过程中进行编程，因此不占机时。 这种CNC装置中内部有专门用于编程的CPU。,3.自动编程cNC装置内有自动编程语言系统，由专 门的CPU来管理编程。 (13)输入、输出和通信功能 (14)自诊断功能,数控系统的优点归纳如下。 (1)具有灵活性 NC装置以固定接线的硬件结构来实现特定的逻辑电路功能，一旦制成，就难以改变。 而CNC装置只要改变相应控制软件，就可改变和扩展其功能，满足用户的不同需要。 (2)具有通用性 CNC装置硬件结构有多种形式模块化硬件结构使系统易于扩展，模块化软件能满足 各类数控机床(如车床、铣床、加工中心等)的不同控制要求，标准化的用户接口，统一的用户界面，既方便系

8、统的维护，又方便用户的培训。,(3)丰富的数控功能 利用计算机的高速数据处理能力，使CNC装置能方便地实现许多复杂的数控功能， 如二次曲线插补功能、曲面的直接插补功能、各类固定循环、函数和子程序调用、坐标系偏移和旋转、动态图形显示、刀具半径和长度补偿功能等。,(4)提高系统的可靠性 用户的零件NC程序在加工前一次送入系统的存储器，经检查系统调用执行，这避免了纸带输入机故障引起的零件程序的错误。 许多功能由软件实现，硬件所需元器件数目就大为减少，整个系统的可靠性得到改善。 (5)使用维修方便 CNC装置有诊断程序，当数控系统出现故障时，能显示出故障信息，使操作和维修人员能了解故障部位，减少了维修

9、停机的时间。,(6)基于PC平台的CNC的特点 基于PC平台的机床数控系提供了如触摸屏幕输入、声控轴入、联网通信、海量存储功能。 PC平台提供了开放式的基础，可供利用的软、硬件资源极为丰富，数控功能相应得到 扩展， 凡在PC机可运行的软件，如CAD、CAM、CAPP、工厂级生产调度管理软件、车间级生产调度管理软件等，在机 床数控系境上均可运行； 凡在PC机上可插入的硬件模块和可接上的外部设备，如同卡、图 形加速卡、声卡、打印机、摄像机等，机床数控系统上均可插入和接上。,332 数控系统的硬件故障诊断 硬件故障是指系统具体的部件损坏或者是安装不良而造成的故障。 3321 常规检查 (1)外观检查

10、 系统发生故障后，首先进行外观检查。运用自己的感官感受判断明显的故障。 检查有怀疑部分的元器件，看空气断路器、继电器是否脱扣，继电器是否跳闸，熔丝是否熔断，印制线路板上有无元件破损、断裂、过热，连接导线是否断裂、划伤，插接件是否脱落等；,若有人检修过电路板，还得检查开关位置、电位器设定、短路棒选择、线路更改是否与原来状态相符； 注意观察故障出现时的噪声、振动、焦煳味，异常发热、冷却风 扇是否转动正常等。,(2)连接电缆，连接线检查 针对故障有关部分，用一些简单的维修工具检查各连接线、电缆是否正常。尤其注意检查机械运动部位的接线及电缆。,例3-1 WY203型自动换箱数控组合机床Z轴一启动，即出

11、现跟随误差过大报警而停机。经检查发现位置拜反馈元件光栅电缆由于运动中受力而拉伤断裂，造成丢失反馈信号。,(3)连接端及接插件检查 针对故障有关部位，检查接线端子、单元接插件。这些部件容易松动、发热、氧化、电化腐蚀而断线或接触不良。 例3-2 TCl000型加工中心启动后出现114号报。经检查发现，Y轴光栅适配器电缆插头松脱。,(4)恶劣环境下工作的元器件检查 针对故障有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。这些元器件容易受热、受潮、受 振动、粘灰尘或油污而失效或老化。 例3-3 WY203型自动换箱数控组合机床一次x轴报警跟随误差太大。 检查发现，受冷却水及油污染，光栅标尺栅和指示栅都变脏。清

12、洗后，故障消失。,(4)恶劣环境下工作的元器件检查 针对故障有关部位，检查在恶劣环境下工作的元器件。这些元器件容易受热、受潮、受振动、粘灰尘或油污而失效或老化。 例3-3 WY203型自动换箱数控组合机床一次x轴报警跟随误差太大。 检查发现，受冷却水及油污染，光栅标尺栅和指示栅都变脏。清洗后，故障消失。,(5)易损部位的元器件检查 对元器件易损部位应按规定定期检查。 直流伺服电机电枢电刷及整流子，测速发电机电刷 容易磨损粘污物，造成转速下降；整流子都容易磨损粘污物后者造成转速不稳。 例3-4 WY203型自动换箱数控组合机床出现一次x轴电机不能启动故障。打开电机检查发现，碳刷磨损，整流子磨损，

13、电缆接头电化学腐蚀接触不良。,(6)定期保养的部件及元器件的检查 有些部件、元器件按规定应及时清洗润滑，否则容易出现故障。 如果冷却风扇不及时清洗风道等，则易造成过负荷。 如果不及时检查轴承，则在轴承润滑不良时，易造成通电后转不动。 例3-5 TC1000型加工中心NC系统运行异常，经检查，NC系统冷却风扇未能按时清除污物，空气道堵塞，风扇过负荷而烧坏，导致冷却对象过热，出现异常。,(7)电源电压检查 电源电压不正常，一般会造成故障停机，有时还造成控制系统动作紊乱。 硬件故障出现后，电源电压不可忽视! 从前(电源侧)向后地检查各种电源电压应 注意到电源组功耗大、易发热，容易出故障。,3322

14、故障现象分析法 寻找故障的特征，最好组织机械、电气技术人员及操作者会诊，捕捉出 现故障时机器的异常现象，分析产品检验结果及仪器记录的内容，必要时可以让故障再现，经过分析找到故障规律和线索。,3.3.2.3 面板显示与指示灯显示分析祛 数控机床配有面板显示器、指示灯、面板显示器。 可把大部分被监控的故障识别结果以报警的方式给出。 出现故障后，系统会根据故障情况、故障类型，提示或者同时中断运行而停机。 在维修人员未到现场前，操作者尽量不要破坏面 板显示状态、机床故障后的状态，并向维修人员报告自己发现的面板瞬时异常现象。 维修人员应抓住故障信号及有关信息特征，分析故障原因。,3.324 系统分析法

15、判断系统存在故障的部位时，可对控制系统方框图中的各方框单独考虑。 根据每一方框的功能，将方框划分为一个个独立的单元。 在对具体单元内部结构了解不透彻的情况下，可不管单元内容如何，只考虑其输入和输出。 首先检查被怀疑单元的输入，如果输入中有一个不正常，该单元就可能不正常。 这时应追查提供给该输入的上一级单元；在输入都正常的情况下而输出不正常，那么故障即在本单元内部。 在把该单元输入和输出与上下有关单元脱开后，可提供必要输入电压，观察其输出结果。,3325 信号追踪法 信号追踪法： 指按照控制系统方框图从前往后或从后向前地检查有关信号的有否、性 质、大小及不同运行方式的状态，与正常情况比较，看有什

16、么差异或是否符合逻辑。 如果线路中由各元件“串联”组成，则出现故障时“串联”的所有元件和连接线都值得怀疑。 在较长的“串联”电路中，适宜的做法是将电路分成两半，从中间开始向两个方向追踪，直到找 到有问题的元件(单元)为止。 两个相同的线路，可以对它们部分地交换试验。 交换一个单元一定要保证该单元所处大环节的完整性。,接线系统(继电器接触器系统)信号追踪法 硬接线系统具有可见接线、接线端子、测试点。 故障状态可以用试电笔、万用表，示波器等简单测试工具测量电压、电流信号大小、性质、变化状态、电路的短路、断路、电阻值变化等。,NC、PLC系统状态显示法 NC、PLC程序是软件结构，有些机床面板，编程

17、仪可以进行状态显示，显示其输入、输出及中间环节标志位等的状态，用于判别故障位置。 这种检查要比硬接线系统方便得多。,硬接线系统的强制 在信号线上加上正常情况的信号试后继线 路， 但这样做是很危险的。因此要特别注意： 1 要把涉及前级的线断开，避免所加电源对前 级造成损害； 2要尽量地移动可能移动的机床部分到可以 较长时间移动而不至于触及限位，以免飞车碰 撞； 3弄清楚所加信号是什么类型，是直流还是脉 冲，是恒流源还是恒压源等； 4 设定要尽可能小些； 5密切注意可能忽略的连锁可能导致的后果； 6 要密切观察运动情况，勿使飞车超程。,NC、PLC控制变量强制 例如： 1可强制PLC输出，标志位置

18、位或复位，借以区分故障在NC内、PLC内还是外设； 2接在PLC输出上的执行元件不动作，可强制该输出为1，看该元件是否带电； 3程序不执行若是由于PLC的一个中间标志位不为1所致，可以强制该标志位为1； 在诊断出故障单元后，亦可利用系统分析法和信号追踪法把故障范围缩小到单元内部的某个插件、芯片、元件。,3.3.2.6 静态测量法 主要是用万用表测量元器件的在线电阻及晶体管上的PN结电压； 用晶体管测试仪检查集成电路块等元件的好坏。 3.3.2.7 动态测量法 动态测量法是通过直观检查和静态测量后，根据电路原理图给印制电路板上加上必要的交、直流电压、同步电压和输入信号，然后用万用表、示波器等对印

19、制电路板的输出电压、电流及波形等全面诊断并捧除故障。,动态测量有： 电压测量法、电流测量法及信号注入及波形观察法。,1电压测量法： 对可疑电路的各点电压进行普遍测量，根据测量值与已知值或经验值进行比较，再应用逻辑推理方法判断出故障所在。 2电流测量法： 通过测量晶体管、集成电路的工作电流、各单元电路电流和电源板负载电流来检查电子印制电路扳的常规方法。 3信号注入及波形观察法： 利用信号发生器或直流电源在待查回路中的输入信号，用示波器观察输出波形。,334 数控系统的软件故障诊断 数控机床运行的过程就是在数控软件的控制下机床的动作过程。 数控机床软件系统出现问题的主要原因有： 1数控机床停机故障

20、多数是由软件错误或操 作不当引发的； 2. 优先检查软件可以避免拆卸机床而引发的 许多麻烦。 软件故障只要将软件内容恢复正常之 后就可排除故障。,(1)数控系统的软件配置 数控系统软件包括以下三个部分： 第一部分由数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环、测量循环等组成。 出于安全和保密的需要，这些程序出厂前被预先写人到EPROM中，构成了具体系统。 这部分软件对于机床生产厂和机床用户来说，读出、复制和恢复都很难。,第二部分是由机床制造厂编制的NC机床数据、PLC机床数据、PLC报警文本、PLC用户程序等组成。 PLC用户可以随时根据具体的使用要求和具体机床的性能对它进行修改。

21、这部分软件是由机床的生产厂在出厂前分别写入到RAM和EPROM中，并且提供技术资料加以说明。 由于存储于RAM中的数据容易丢失，所以机床用户可以对这部分软件数据进行改写，清除。,第三部分由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置参数、 R参数等组成。 这部分软件或参数被存储于RAM中，它们这部分软件或参数是与具体的加工密切相关。,通常容易引起软件故障的是第二和第三两部分,(2)软件故障发生的原因 软件故障是由软件变化或丢失而形成的。机床软件一般存储于RAM中。 软件故障形成的可能原因如下： 误操作引起的故障 在调试用户程序或修改机床参数时，操作者删除或更改了软件内容或参数，

22、从而造成软件故障。,供电电池电压不足引起的故障 为RAM供电的电池电压经过长时间的使用后，电池电压降低到额定值以下，或在停电情况下拔下为RAM供电的电池或电池电路断路或短路、接触不良等都会造成RAM得不到维持电压，从而使系统丢失软件及参数。,干扰信号引起的故障 有时电源的波动及干扰脉冲会串入数控系统总线，引起时序错误或造成数控装置等停止运行。 软件死循环引起的故障 运行复杂程序或进行大量计算时，有时会造成系统死循环 引起系统中断，造成软件故障。,操作不规范引起的故障 操作者违反了机床的操作规程，从而造成机床报警。 用户程序出错引起的故障 由于用户程序 中出现语法错误、非法数据、运行或箱人 中出

23、现故障报警等现象。,(3)软件故障的排除 对于软件丢失或参数变化造成的运行异常，程序中断，停机故障，可采取对数据、程序 更改或清除，重新输入来恢复系统的正常工作。 对于程序运行或数据处理中发生中断而造成的停机故障，可采取硬件复位法或关掉数控机床总电源开关，然后再重新开机的方法排除故障。 NC复位，PLC复位能使后续操作重新开始，而不会破坏有关软件和正常处理的结果， 以消除报警。,采用清除法。 开关系统电源是清除软件故障常用的方法，但对NC、PLC采用清除法时，可能会使数据全部丢失，应注意保护不想清除的数据。 因此，在出现故障报警或开关机清除之前一定要将报警信息的内容记录下来，以便于排除故障。,

24、(4)零件加工程序对机床正常运行的影响 加工过程中数控机床出现报警是经常发生的情况，大多是由于编程的错误。 出现以下三种情况时，可用执行功能测试程序来诊断数控系统的稳定性： 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，如不能可 靠地执行各加工指令； 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后。,功能测试程序： 将所诊断数控系统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。 在故障诊断时运行这个程序，可快速判定哪个功能不良或丧失。,34 利用数控机床

25、参数诊断故障 数控机床的参数决定了数控机床的功能、控制精度等。,以日本FANUC10、11、12系统为例: 在软件方面共设有26个大类的机床参数: 1与设定有关的参数、 2定时器参数、 3与控制器有关的参数、 4坐标系参数、 5进给速度参数、,6加减速控制参数、 7伺服参数、 8DIDO(数据输入输出)参数、 9 CRT/MDI及逻辑参数、 10程序参数、 11 IO接口参数、 12行程极限参数、 13螺距误差补偿参数、 14倾斜角补偿参数、 15平直度补偿参数、,16主轴控制参数， 17刀具偏移参数、 18 固定循环参效、 19缩放及坐标旋转参数、 20 自动拐角倍率参数、 21单方向定位参

26、数、 22用户宏程序有关参数、 23跳步信号输入功能有关参数、 24刀具自动偏移有关参数、 25刀具长度自动测量有关参数、 26刀具寿命管理有关参数。,3.4.2 数控机床的参数故障及诊断 在使用过程中，数控机床参数全部丢失或个别参数改变的原因如下： (1)数控系统后备电池失效 后备电池失效将导致全部参数丢失。 如果机床长期停用，最容易出现后备电池失效的现象。 措施： 定期为机床通电，使机床空运行一段时间。有利于后备电池使用寿命的延长和及时发现后备电池是否失效，也对机床数控系统、机械系统等整个系统使用寿命的延长有很大益处。,(2)操作者的误操作 由于误操作，有的将全部参数清除，或将个别参数改变

27、。 措施： 对操作者加强上岗前的业务技术培训及经常性的业务培训，制定可行的操作章程井严格执行。 (3)机床在DNC状态下加工工件或进行数据通信过 程中电网瞬间停电 造成数控机床参数改变或 丢失。,FANUC0系统一般采用以下两种方法之一来恢复系统参数： 1. 对照随机资料参数表的硬拷贝逐个检查机床的参数。 硬拷贝源参数来恢复机床参数，这种方式不需要外 部设备，但检查并恢复一万多个参数，费时费神， 效率太低，容易出错。 利用计算机和数控机床的DNC功能通过DNC软件 进行参数输人。这种方式因其效率高，操作简单，输入参数的出错率极低。 全面恢复一台数控机床参数从工作准备到工作结束使用时间不足10min，,35 可