数控机床故障诊断及维护.docx
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数控机床故障诊断及维护
数控机床故障诊断及维护
主讲：
刘大龙
机床结构
进给系统：
X轴、Y轴、Z轴
主传动系统
辅助系统：
冷却液、润滑、自动换刀装置
数控系统的组成
数控系统框图
本书主要内容
项目1数控机床强电回路故障诊断与维修
项目2FANUC0i数控系统的连接与调试
项目3FANUC0i数控系统中PMC控制的应用
项目4SINUMERIK802Se/Ce数控系统的连接与调试
项目5SINUMERIK802Se/Ce数控系统中PLC控制的应用
项目6数控机床机械部件的结构与维修
项目7数控机床典型故障诊断与维修
项目8零件加工误差分析与排除
1.数控机床故障诊断及维护的意义和要求
数控机床是现代制造业的基础设备。
目前，我国从国外引进了大量的数控系统及数控机床，同时，我国在数控系统的研究和开发上也做了也多年的研究，开发出了具有自主知识产权的数控系统，并与多家机床生产厂进行了配套，形成了一定的数控机床产销规模。
随着工业化进程的加快，数控机床在制造领域的作用越来越重要。
但是，数控机床是很复杂的设备，即使只是一般的操作使用人员也必须具备一定的专业知识,而对于那些数控机床维护维修人员，则有相当高的专业技术水平的要求。
1.2数控机床故障诊断及维护的主要内容
数控机床故障分类
CNC装置故障
伺服系统故障
主轴系统故障
刀具系统故障
其它部位故障
电源及电气控制部分维修、维护的内容
（1）驱动电路
（2）位置反馈电路
（3）电源及保护电路
（4）开/关信号连接电路
特别注意：
按钮、行程开关、接近开关、继电器、
电磁阀等机床电器开关
电气系统的故障诊断及维护是维护和故障诊断的
重点
1.3数控机床的工作环境要求
数控机床的工作环境是指数控机床工作时的温度、湿度、电网电压、接地等诸多方面。
如果忽视工作环境变化对数控机床的影响，轻则可能使机床不能正常使用，严重的可能损坏相关机床部件。
1.温度
精密数控机床一般都有恒温环境要求,只有在恒温条件下,才能确保机床精度和加工精度。
一般普通型数控机床对室温没有具体要求，但大量实践表明，当室温过高时数控系统的故障率大大增加。
数控系统中一般半导体工作温度要求在40~45℃以下，室温达到35℃时电气柜内部温度经常可能达40℃以上，所以系统不能正常工作。
此外避免阳光对数控机床直接照射，室内应配有良好的灯光照明设备。
2.湿度
数控机床要求工作环境的相对湿度应该小于75%，在高温高湿中的数控机床，大多采用密封电气柜，且配备空调进行冷却。
由于湿度大，在数控机床关电后，空气中的水分子在数控系统或驱动装置的线路板上产生结露。
当再次上电时，线路板上的结露产生短路，造成硬件模块的损坏。
因此对于高温高湿现场运行的数控机床，应该采取相应的措施，如配备去湿或烘干装置，消除结露后再上电运行，或者数控机床不关电。
从节能角度出发，只要去掉伺服驱动系统的使能，一台数控机床的耗能并不高。
以一台三个进给轴和一个7.5kW伺服主轴的数控机床为例，在数控机床工作时，功耗大约为15kW。
但当去掉伺服使能后，数控系统与驱动系统的功耗大约只有100W
3.电网电压
电源是维持系统正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。
日本的数控系统一般以允许在电压额定值的±10%范围内波动，而欧美的一些数控系统要求在±5%以内。
我国电源波动较大，质量差，还隐藏有如高频脉冲这一类的干扰，加上人为的因素（如突然拉闸断电等）。
电高峰期间，例如白天上班或下班前的一个小时左右以及晚上，往往超差较多，甚至达到±20％，使机床报警而无法进行正常工作，并对机床电源系统造成损坏，甚至导致机床参数数据的丢失等。
建议在CNC机床较集中的车间配置具有自动补偿调节功能的交流稳压供电系统；单台CNC机床可单独配置交流稳压器来解决。
4.导电粉尘
如果机床长期加工铸铁、铝质工件、石墨工件，数控机床的电气柜采用内外空气循环冷却，电气柜密封不严，导电粉尘进入电气柜并且在模块线路板上沉积，可能导致硬件部分损坏，特别是高压部件，如驱动器的电源模块等。
如果数控机床主要用于加工上述材料，在采购机床时应向机床制造厂提出明确要求——采用密闭的电气柜，采用空调内循环冷却。
5.生产现场的油雾
生产现场的油雾可能造成数控机床显示屏幕损坏。
由于油雾具有很强的附着力和扩散性，如果油雾随空气进入数控机床操作站，可能影响液晶显示器。
油雾可能附着在显示器的导电橡胶上，逐渐扩散，使显示器上开始出现黑色线条，且逐步扩大，最终导致显示器无法显示信息。
6.地线用中线替代
数控机床的许多带微处理器的部件都采用共地结构，如数控系统、输入输出模块、伺服驱动器的控制模块等，这些模块的特点是系统的保护接地就是微处理器的基准工作电压。
假如在用户现场没有保护接地，用户将主电源的中线作为地线连接到数控系统的保护接地端子上，当生产现场的三相动力电源出现不平衡时，中性线上可能出现不平衡电流，将对数控系统的硬件产生影响，轻则造成数控系统数据丢失，重则造成数控系统硬件模块损坏。
为了使数控机床能够充分发挥作用，为数控机床提供专用的地线是十分重要。
数控机床的地线要采用一点接地型，即辐射式接地法，以防止窜扰。
这种接地要求将数控柜中的信号接地、强电接地、机床接地等连接到公共的接地点上，而且数控柜和强电柜之间应该有足够粗的保护接地电缆，总的接地电阻要小于4~7Ω，并且总接地点要十分可靠。
7.伺服电机没有保护
伺服电机在数控机床上没有保护，直接暴露在冷却液的喷射范围，或润滑油在伺服电机轴端、电机的电缆插头处浸泡。
冷却液或润滑油可能进入伺服电机内部，并且在电机内部积累，进入编码器，使测量系统出现故障。
8.长期超性能使用
驱动系统设定了许多相关的过载极限参数，但是当这些参数被更改后，可能造成伺服驱动系统在过流状态下没有保护，导致驱动功率器件损坏。
另外，数控机床可能长期进行大切削量的加工，使得驱动器电源模块或功率模块过流损坏。
因此，必须了解数控机床允许的加工范围，才能保证在正确的范围内加工，避免硬件部件损坏。
1.4数控机床的操作规范（简）
一．运行前
1.检查程序与工件或毛坯是否一致。
2.检查工件坐标系与程序坐标系是否相符。
3.检查刀具表内刀具是否与程序内刀具信息一致；检查刀具的完好程度。
4.检查程序是否正确、切削用量的选择是否合理。
5.确定机床状态及各开关位置（进给倍率开关应为0）。
6.必须在确认工件夹紧后才能启动机床。
二．加工中
1.关闭防护门，启动机床；各坐标轴手动或自动回零（机械原点）。
2.对刀，确定工件坐标系原点的位置。
3.运行程序，观察机床动作及进给方向与程序是否相符。
4.当工件坐标、刀具位置、剩余量三者相符后，逐渐加大进给倍率开关。
5.当正常加工时，需要暂停程序前，应先将倍率开关缓慢关至0位。
6.中断程序后恢复加工时，应缓慢进给至原加工位置，再逐渐恢复到正常切削速率。
三．异常处理
1.当机床因报警而停机时，应先清除报警信息，将主轴安全移出加工位置，确定排除警报故障后，恢复加工。
2.当发生紧急情况时，应迅速停止程序，必要时可使用紧急停止按钮。
四.加工完毕
清理机床；登记本次使用机床情况。
1.5对维修人员的要求
1.专业知识面广
2.具有专业英语阅读能力
3.勤于学习不断提高
4.善于分析
5.善于总结
6.有较强的动手能力和实践技能
7.具有使用智能化仪器的能力
1.6数控机床故障的类型
数控机床故障的类型
1.按故障发生的原因分类
数控机床自身故障
数控机床外部故障
2.按故障发生的性质分类
软件故障
硬件故障
干扰故障
3.按故障发生的位置分类
数控系统故障
伺服系统故障
电气控制部分故障
主轴系统故障
进给系统故障
刀架、刀库、工作台故障等
1.7数控机床故障的特点
1.引起故障的原因复杂
2.故障诊断困难
3.测试和检测困难
1.8数控机床故障诊断及维护的基本技术
日常维护和保养
1.机械部分的检查保养
2.电气部分的维护保养
3.数控系统中硬件部分的检查维护
4.伺服电机和主轴电机的检查维护
5.液压系统的检查调整
6.气动系统的检查调整
7.检测反馈元件的检查
8.润滑部分的检查调整
加工中心日常维护一览表1-2
故障处理
1.调查故障现场，充分掌握故障信息
2.分析故障原因，确定检查方法和步骤
3.故障的检测和排除
故障处理
1.调查故障现场，充分掌握故障信息
特别要注意确定的故障信息
（1）发生故障时的报警号和报警提示是什么？
（2）如无报警，系统处于何种工作状态？
系统的工作方式诊断结果是什么？
（3）故障发生在哪个程序段？
执行何种指令？
故障发生前进行了何种操作?
（4）故障发生在何种速度下？
轴处于什么位置？
与指令值的误差量有多大？
（5）以前是否发生过类似的故障？
现场有无异常现象？
故障是否重复发生？
故障处理
例如通过报警号诊断故障原因
硬件报警显示的故障:
各单元装置上的报警灯
软件报警显示故障:
CRT显示器上显示出来的报警号报警信息
来自NC的报警和来自PLC的报警
存储器报警
过热报警
伺服系统报警
轴超程报警
程序出错报警
主轴报警
过载报警
断线报警
故障处理
2.分析故障原因，确定检查方法和步骤
分析故障原因时应注意以下几点
（1）列出故障问题
（2）对引起故障的原因和解决的方法进行综合、判断和筛选
（3）拟定检查内容、步骤和方法
故障处理
3.故障的检测和排除
故障诊断原则
（1）先外部后内部
外部的行程开关、按钮开关、液压气动元件、印刷电路板间的连接部位，接触不良，是产生数控机床故障的重要因素。
尽量避免随意地启封、拆卸，以避免扩大故障，降低机床性能。
（2）先机械后电气
机械故障容易察觉
大部分故障是机械部件失灵造成的。
（3）先静后动
不盲目动手，了解故障发生的过程及状态，查阅说明书、系统资料，先在机床断电的静止状态，观察、分析，确认无恶性故障或破坏性故障，方可给机床通电，进行动态观察检验和测试。
恶性故障或破坏性故障先排除故障才通电诊断。
（4）先公用后专用
如CNC、PLC、电源、液压等公用部分。
（5）先简单后复杂
（6）先一般后特殊
数控机床故障诊断及维修的一般方法
1.外观常规检查法
2.参数检查法
3.功能程序测试法
4.升降温法
5.敲击法
6.拉偏电源法
7.交换法
8.备板置换法
9.隔离法
10.系统更新重置法
11.对比法
12.原理分析法
数控机床故障诊断及维修的一般方法
基本方法（与医学方法的对比）
故障诊断分析举例
（不能联机）
常用的维修工具及仪器
1.常用维修工具
2.常用维修仪器
1.常用维修工具
（1）电烙铁
（2）吸锡器
（3）旋具
（4）钳类工具
（5）扳手
（6）其它
常用的维修工具及仪器
2.常用维修仪器
（1）万用表
（2）示波器
（3）逻辑测试笔和脉冲信号笔
（4）逻辑分析仪
（5）离线IC测试仪
（6）在线IC测试仪
（7）短路追踪仪
（8）特征代码分析仪
（9）激光干涉仪
（10）球杆仪
逻辑分析仪
离线IC测试仪
短路追踪仪
特征代码分析仪
激光干涉仪
球杆仪
数控机床电气控制基础知识
低压断路器
接触器
继电器
变压器及直流稳压电源
熔断器
开关电器
按钮、指示灯
导线和电缆
配线技术
一、低压断路器
低压断路器过去叫做自动空气开关，现采用IEC标准称为低压断路器。
低压断路器是将控制电器和保护电器的功能合为一体的电器。
它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当电路发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。
因此，低压断路器在数控机床上使用越来越广泛。
低压断路器的主要参数有：
额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其额定电流、整定范围、电磁脱扣器整定范围、主触点的分断能力等。
以下重点介绍数控机床常用的两种低压断路器。
1、塑料外壳式断路器
塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成，均安装在塑料外壳内组成一体。
机床常用DZ10、 DZ15、DZ5-20、DZ5-50等系列塑料外壳式断路器（以下简称断路器），适用于交流电压500V，直流电压220V以下的电路，作不频繁地接通和断开电路用,塑料外壳式断路器外形图如图2-1所示，断路器图形及文字符号如图2-2所示。
以DZ15系列为例，其适用于交流50Hz，额定电压为220V或380V，额定电流至100A的电路，作为配电、电动机的过载及短路保护用，亦可作为线路不频繁转换及电动机不频繁起动之用。
2、小型断路器
小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路.外形如图2-3所示，图2-4为断路器图形及文字符号。
机床常用MB1-63、 DZ30-32、DZ47-60等系列小型断路器。
以DZ47-60高分断小型断路器为例，适用于照明配电系统（C型）或电动机的配电系统（D型）。
其主要用于交流50Hz/60Hz，单极230V，二、三、四极400V线路的过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。
2、小型断路器
小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路.外形如图2-3所示，图2-4为断路器图形及文字符号。
机床常用MB1-63、 DZ30-32、DZ47-60等系列小型断路器。
以DZ47-60高分断小型断路器为例，适用于照明配电系统（C型）或电动机的配电系统（D型）。
其主要用于交流50Hz/60Hz，单极230V，二、三、四极400V线路的过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。
3、低压断路器的选择
选择低压断路器应注意：
（1）低压断路器的额定电流和额定电压应大于或等于线路、设备的正常工作电压和工作电流。
（2）低压断路器的极限通断能力应大于或等于电路的最大短路电流。
（3）欠电压脱扣器的额定电压等于线路的额定电压。
（4）过电流脱扣器的额定电流应大于或等于线路的最大负载电流。
使用低压断路器来实现短路保护比熔断器优越，因为当三相电路短路时，很有可能只有一相的熔断器熔断，造成单相运行。
对于低压断路器来说，只要造成短路都会使开关跳闸，将三相同时切断。
二、接触器
接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。
接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其它部件四部分组成。
其工作原理是当线圈通电后，静铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。
衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。
接触器按其主触点通过电流的种类不同，分为直流、交流两种，机床上应用最多的是交流接触器。
目前我国常用的交流接触器主要有：
CJ20、CJX1、CJX2、CJ12和CJ10等系列，引进德国BBC公司制造技术生产的B系列，德国SIEMENS公司的3TB系列，法国TE公司LC1系列等。
交流接触器外形如图2-5所示，接触器图形及文字符号如图2-6所示。
1、接触器的主要技术参数
（1）额定电压。
接触器铭牌上标注的额定电压是指主触点的额定电压。
常用的额定电压等级如表2-5所示。
（2）额定电流。
接触器铭牌上标注的额定电流是指主触点的额定电流。
（3）线圈的额定电压。
常用的额定电压等级如表2-6所示。
选用时一般交流负载用交流接触器，直流负载用直流接触器，但交流负载频繁动作时可采用直流线圈的交流接触器
直流线圈电压：
24、48、100、220、440交流线圈电压：
36、110、127、220、380
三、继电器
继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路，实现控制目的电器。
继电器的输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、速度、压力等非电量，输出为相应的触点动作
继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理可分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等。
1、电磁式继电器
电磁式继电器的结构和工作原理与电磁式接触器相似，也是由电磁机构、触点系统和释放弹簧等部分组成。
根据外来信号（电压或电流），利用电磁原理使衔铁产生闭合动作，从而带动触点动作，使控制电路接通或断开，实现控制电路的状态改变。
值得注意的是，继电器的触点不能用来接通和分断负载电路，这也是继电器的作用和接触器的作用的区别。
图2-7为电磁继电器外形图。
电磁式继电器的种类不同，但一般图形符号是相同的，如图2-8所示。
电流继电器的文字符号为KI，线圈方格中用I>（或I<）表示过电流（或欠电流）继电器；电压继电器的文字符号为KV，线圈方格中用U>（或U<）表示过电压（或欠电压）继电器。
（1）电磁式继电器的种类
电磁式继电器按吸引线圈电流种类不同,有交流和直流两种。
其结构及工作原理与接触器相似,但因继电器一般用来接通和断开控制电路，故触点电流容量较小（一般5A以下）。
由于电磁式继电器具有工作可靠、结构简单、制造方便、寿命长等一系列优点，故在数控机床电气控制系统中应用最为广泛。
a、电流继电器
电流继电器的线圈串联在被测量的电路中，以反应电路电流的变化。
为了不影响电路工作情况，电流继电器线圈匝数少，导线粗，线圈阻抗小。
电流继电器有欠电流继电器和过电流继电器两类。
欠电流继电器的吸引电流为线圈额定电流的30%~65%，释放电流为额定电流的10%~20%，因此，在电路正常工作时，衔铁是吸合的，只有当电流降低到某一整定值时，继电器释放，输出信号。
过电流继电器在电路正常工作时不动作，当电流超过某一整定值时才动作，整定范围通常为1.1~4倍额定电流。
在机床电气控制系统中，用得较多的电流继电器有JL14、JL15、JT3、JT9、JT10等型号，主要根据主电路内的电流种类和额定电流来选择。
b、电压继电器
电压继电器的结构与电流继电器相似，不同的是电压继电器线圈并联在被测量的电路的两端，以反应电路电压的变化。
为了不影响电路工作情况，电压继电器线圈匝数多，导线细，线圈阻抗大。
电压继电器按动作电压值的不同，有过电压、欠电压和零电压之分。
过电压继电器在电压为额定电压的110%~115%以上时动作；欠电压继电器在电压为额定电压的40%~70%时有保护动作；零电压继电器当电压降至额定电压的5%~25%时有保护动作。
机床电气控制系统中，常用的有JT3、JT4型。
c、中间继电器
中间继电器实质上是电压继电器的一种，但它触点多（多至六对或更多），触点电流容量大（额定电流5~10A），动作灵敏（动作时间不大于0.05s）。
其主要用途是当其他继电器的触点数或触点容量不够时，可借助中间继电器来扩大它们的触点数或触点容量，起到中间转换的作用。
数控机床中使用最多的是小型中间继电器。
机床上常用的型号有J27系列交流中间继电器和J28系列交直流两用中间继电器。
（3）中间继电器的选择
中间继电器主要依据被控制电路的电压等级，触点的数量、种类及容量来选用。
a、线圈电流的种类和电压等级应与控制电路一致。
如数控机床的控制电路采用直流24V供电，则继电器应选择线圈额定电压为24V的直流继电器。
b、按控制电路的要求选择触点的类型（是常开还是常闭）和数量。
c、继电器的触点额定电压应大于或等于被控制回路的电压。
d、继电器的触点电流应大于或等于被控制回路的额定电流，若是电感性负载，则应降低到额定电流50%以下使用。
2、时间继电器
时间继电器是一种用来实现触点延时接通或断开的控制电器，按其动作原理与构造不同，可分为电磁式、空气阻尼式、电动式和晶体管式等类型。
机床控制线路中应用较多的是空气阻尼式时间继电器，晶体管式时间继电器也获得愈来愈广泛的应用。
数控机床中一般由计算机软件实现各种时间控制，而不采用时间继电器方式来进行时间控制。
时间继电器的图形符号如图2-9所示，文字符号为KT。
3、热继电器
热继电器是一种利用电流的热效应时触电动作的保护电器。
常用于电动机的长期过载保护。
当电机长期过载时，热继电器的常闭触点动作，断开相应的回路，使电机得到保护。
热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电机过载时，通过发热元件上的电流增加，双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作。
由于双金属片的热惯性，即不能迅速对短路事故进行反应，而这个热惯性也是合乎要求的，因为在电机起动或短路过载时，热继电器不会动作，避免了电动机的不必要停车。
图2-10为热继电器外形图，图2-11为热继电器图形及文字符号。
4、固态继电器
固态继电器（SolidStateRelay）简称SSR,是上世纪70年代中后期发展起来的一种新型无触点继电器。
固态继电器是用晶体管或可控硅代替常规继电器的触点开关，而在前级中与光电隔离器融为一体。
因此，固态继电器实际上是一种带光电隔离器的无触点开关。
由于可靠性高、开关速度快和工作频率高、使用寿命长、便于小型化、输入控制电流小以及与TTL、CMOS等集成电路有较好的兼容性等一系列优点，在数控机床的程控装置以及微型计算机控制系统中得到了广泛的应用。
固态继电器图形及文字符号如图2-12所示.。
固态继电器的使用
固态继电器的输入端要求有从几个mA至20mA的驱动电流，最小工作电压3V，所以MOS逻辑信号通常要经晶体管缓冲级放大后再去控制固态继电器，对于CMOS的电路可利用NPN晶体管缓冲器。
当输出端的负载容量很大时，直流固态继电器可通过功率晶体管（交流固态继电器通过双向晶闸管）再驱动负载。
当温度超过35oC左右后，固态继电器的负载能力（最大负载电流）随温度升高而下降，因此使用时必须注意散热或降低电流使用。
对于容性或电阻负载，应限制其开通瞬间的浪涌电流值（一般为负载电流的7倍），对于电感性负载，应限制其瞬时峰值电压，以防止损坏固态继电器。
具体使用时，可参照产品样本或有关手册。
四、电源电器
1、变压器
变压器是一种将某一数值的交流电压变换成频率相同但数值不同的交流电压的静止电器。
（1）机床控制变压器
机床控制变压器适用于交流50～60Hz，输入电压不超过660V的电路，作为各类机床、机械设备等一般电器的控制电源、步进电机驱动器、局部照明及指示灯的电源。
图2-14为机床控制变压器外形图，图2-15为变压器图形及文字符号。
表2-12为JBK系列控制变压器电压型式，表2-13为BK系列控制变压器规格参数及尺寸。
（2）三相变压器
现在普遍采用的三相交流系统中，三相电压的变换可用三台单相变压器也可用一台三相变压器，从经济性和缩小安装体积等方面考虑，可优先选择三相变压器。
在数控机床中三相变压器主要是给伺服动力等供电。
图2-16为三相变压器外形图，图2-17图形及文字符号（星型-三角形联结）。
（3）变压器的选择
变压器的选择的主要依据是变压器的额定值，根据设备的需要，变压器有标准和非标准两类。
以下分别是这两类变压器的选择方法。
1）标准变压器
a、根据实际情况选择初级（原边）额定电压U1（380V,220V），再选择次级额定电压U2,U3,…（次级额定值是指初级加额定电压时，次级的空载输出，次级带有额定负载时输出电压下降5%，因此选择输出额定电压时应略高于负载额定电压）。
b、根据实际负载情况，确定次级绕组额定电
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