数控机床维护及数控系统故障诊断003.doc

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烟台工程职业技术学院

数控技术系数控设备应用与维护专业08级

毕业设计（论文）

题目:

数控机床维护及数控系统故障诊断

姓名寇瑞军学号2008080060

指导教师（签名）

二○一○年十月十五日

烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人慎重承诺：

我所撰写的论文《数控机床主轴部件及其维护维修》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。

如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。

毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。

学生（签名）:

20年月日

目录

[摘要]……………………………………………………………………………………………4

[前言]……………………………………………………………………………………………4

一、数控机床维护

（一）数控机床概况……………………………………………………………………………5

（二）数控维修的目的,要求,特点……………………………………………………………5

（三）数控机床维护内容………………………………………………………………………6

1.机床点检…………………………………………………………………………………6

2.数控系统的日常维护……………………………………………………………………6

3.机床各部件的具体维护与保养…………………………………………………………7

4.诊断常用的仪器仪表及工具……………………………………………………………9

5.数控机床维护实例………………………………………………………………………9

二、数控系统故障诊断

（一）数控系统组成……………………………………………………………………………10

（二）数控系统的日常维护……………………………………………………………………10

（三）数控系统故障诊断要求和方法…………………………………………………………10

1.诊断步骤和要求…………………………………………………………………………10

2.常用故障诊断方法………………………………………………………………………11

（四）数控系统诊断主要目标及故障分析…………………………………………………13

1.主轴驱动系统…………………………………………………………………………13

2.进给伺服系统…………………………………………………………………………16

（五）数控系统故障诊断实例………………………………………………………………21

[结论]……………………………………………………………………………………………22

[致谢]……………………………………………………………………………………………22

[参考文献]………………………………………………………………………………………23

数控机床维护及数控系统故障诊断

寇瑞军

[摘要]：

本文简要介绍了数控机床在日常工作中常出现的故障及其解决方法！

还有在平日的工作中如何更好的去维护我们的机床！

数控机床是一种价格昂贵的精密设备，这影响到我们加工出来的工件的精度和工件是否合格！

所以，对于机床的维护也是很重要的！

科学技术的发展，对机械产品提出了高精度、高复杂性的要求，而且产品的更新换代也在加快，这对机床设备不仅提出了精度和效率的要求，而且也对其提出了通用性和灵活性的要求。

数控机床就是针对这种要求而产生的一种新型自动化机床。

数控机床集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体，是高度机电一体化的典型产品。

它本身又是机电一体化的重要组成部分，是现代机床技术水平的重要标志。

数控机床体现了当前世界机床技术进步的主流，是衡量机械制造工艺水平的重要指标，在柔性生产和计算机集成制造等先进制造技术中起着重要的基础核心作用。

因此，如何更好的使用数控机床是一个很重要的问题。

由于数控机床是一种价格昂贵的精密设备，因此，其维护更是不容忽视。

关键词：

数控故障、检测、维护、解决方法

前言

要知道数控机床一般的故障出现在什么地方或者是如何去解决问题，我们就必须得熟练的了解数控机床的工作原理及特点等相关的一些知识！

这样我们才能在遇到这些问题的时候得心应手。

数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。

所以，数控加工的关键是加工数据和工艺的获取即数控编程。

一、数控机床维护

（一）数控机床概况

数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。

所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程

1.数控机床的组成

数控机床由数控装置、伺服驱动装置、检测反馈装置和机床本体四大部分组成，再加上程序的输入/输出设备、可编程控制器、电源等辅助部分。

1.数控装置（数控系统的核心）由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补）等转变成控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。

2.伺服驱动装置是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。

3.检测反馈装置是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。

4.机床本体是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。

（二）数控维修的目的,要求,特点

1.数控机床维护目的

延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种故障，提高数控机床的平均无故障工作时间和使用寿命。

2.数控维修的要求

（1）数控机床的使用环境

对于数控机床最好使其置于有恒温的环境和远离震动较大的设备（如冲床）和有电磁干扰的设备。

（2）电源要求

（3）数控机床应有操作规程

进行定期的维护、保养，出现故障注意记录保护现场等。

（4）数控机床不宜长期封存

（5）注意培训和配备操作人员、维修人员及编程人员

3.数控机床维修的特点

（1）数控机床是高投入、高精度、高效率的自动化设备；

（2）一些重要设备处于关键的岗位和工序，因故障停机时，影响产量和质量；

（3）数控机床在电气控制系统和机械结构比普通机床复杂，故障检测和诊断有一定的难度。

（三）数控机床的维护内容

1.机床点检

点检——按有关维护文件的规定对数控机床进行定点、定时的检查和维护

点检要求和内容

（1）专职点检—重点设备、部位（设备部门）

（2）日常点检—一般设备的检查及维护（车间）

（3）生产点检—开机前检查、润滑、日常清洁、

（4）紧固等工作（操作者）

2.数控系统的日常维护

（1）机床电气柜的散热通风

（2）门上热交换器或轴流风扇对控制柜的内外

（3）进行空气循环。

（少开柜门）

（4）纸带阅读机的定期维护

（5）对光电头、纸带压板定期进行防污处理

（6）支持电池的定期更换

（7）在机床断电期间，有电池供电保持存储在

（8）COMS器件内的机床数据

（9）检测反馈元件的维护

（10）光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、

（11）光栅等元件的检查和维护

（12）备用电路板的定期通电

（13）备用电路板应定期装到CNC系统上通电运行，长期停用的数控机床也要经常通电，利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气。

保证电器元件性能的稳定可靠。

3.机床各部件的具体维护与保养

3.1电源的维护与保养

（1）三相电源的电压值是否正常，有否偏相

（2）所有电气连接是否良好

（3）各类开关是否有效

（4）各继电器、接触器是否正常工作

（5）检验热继电器、电弧抑制器等保护器件是否有效

（6）检查电气柜防尘滤网、冷却风扇是否正常

附:

图CNC的供电系统

3.2刀库及换刀机械手的维护

（1）用手动方式往刀库上装刀时，要保证装到位，检查刀座上的锁紧是否可靠；

（2）严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞

（3）采用顺序选刀方式须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。

其他选刀方式也要注意所换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生；

（4）注意保持刀具刀柄和刀套的清洁

（5）经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作；

（6）开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作

3.3滚珠丝杠副的维护

（1）定期检查、调整丝杠螺母副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；

（2）定期检查丝杠支撑与床身的连接是否松动以及支撑轴承是否损坏。

如有以上问题要及时紧固松动部位，更换支撑轴承；

（3）采用润滑脂的滚珠丝杠，每半年清洗一次丝杠上的旧油脂，更换新油脂。

用润滑油润滑的滚珠丝杠，每天机床工作前加油一次；

（4）注意避免硬质灰尘或切屑进入丝杠防护罩和工作过程中碰击防护罩，防护装置一有损坏要及时更换。

3.4主传动链的维护

（1）定期调整主轴驱动带的松紧程度；

（2）防止各种杂质进入油箱。

每年更换一次润滑油；

（3）保持主轴与刀柄连接部位的清洁。

需及时调整液压缸和活塞的位移量；

（4）要及时调整配重。

3.5液压系统维护

（1）定期过滤或更换油液；

（2）控制液压系统中油液的温度；

（3）防止液压系统泄漏；

（4）定期检查清洗油箱和管路；

（5）执行日常点检查制度。

3.6气动系统维护

（1）清除压缩空气的杂质和水分；

（2）检查系统中油雾器的供油量；

（3）保持系统的密封性；

（4）注意调节工作压力；

（5）清洗或更换气动元件、滤芯；

4.诊断常用的仪器仪表及工具

（1）万用表—可测电阻、交、直流电压、电流

指针式：

有测量过程

数字式：

直接读数

（2）相序表—可检查直流驱动装置输入电流的相序

（3）双踪示波器—检查信号波形

（4）钳形电流表—不断线检测电流

（5）脉冲发生笔与逻辑测试笔

对芯片或功能电路板的输入注入逻辑电平脉冲，用逻辑测试笔检测输出电平，以判别其功能正常与否。

（6）机械故障诊断仪

对机械故障进行检测、分析与诊断。

（7）“+”、“一”螺丝刀、钳子、镊子、烙铁等

五、数控机床维护实例

一台FANUC10TE-F系统的AX15Z数控车床，系统上电后CRT上显示故障信息：

FS10TE　1399Ｂ

ROMTEST：

END

RAMTEST：

分析：

这是系统启动自诊断未通过而发出的软件报警。

　CRT的显示表明ROM测试已通过，而RAM测试未能通过

可能成因：

RAM故障、RAM电池或充电回路不良故障，或是RAM中参数丢失。

现场调查了解到：

刚更换过电池。

直接就检查电池的安装。

发现：

故障是电池接触不良导致RAM中参数的丢失。

重新装好电池并，重新输入数据与参数，故障排除——充分利用了启动自诊断。

第二章数控系统故障诊断

一、数控系统组成

数控系统是由硬件控制系统和软件控制系统两大部分组成

（一）硬件控制系统是以微处理器为核心，采用大规模集成电路芯片、可编程控制器、伺服驱动单元、伺服电机、各种输入输出设备（包括显示器、控制面板、输入输出接口等）等可见部件组成。

（二）软件控制系统即数控软件，包括数据输入输出、插补控制、刀具补偿控制、加减速控制、位置控制、伺服控制、键盘控制、显示控制、接口控制等控制软件及各种参数、报警文本等组成。

二、数控系统的日常维护

（一）机床电气柜的散热通风

（二）上热交换器或轴流风扇对控制柜的内外进行空气循环。

（少开柜门）

纸带阅读机的定期维护，对光电头、纸带压板定期进行防污处理

（三）支持电池的定期更换

在机床断电期间，有电池供电保持存储在COMS器件内的机床数据

（四）检测反馈元件的维护

光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、光栅等元件的检查和维护

（五）备用电路板的定期通电

备用电路板应定期装到CNC系统上通电运行，长期停用的数控机床也要经常通电，利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气。

保证电器元件性能的稳定可靠。

三、数控系统故障诊断方法

（一）诊断步骤和要求

1.故障诊断故障判断（确定故障性质）、故障定位（确定故障部位）

2.故障诊断要求：

（1）故障检测方法简便有效

（2）使用的诊断仪器少而实用

（3）故障诊断的所需的时间尽可能短

（二）常用故障诊断方法

1.直观法（望闻问切）

问—机床的故障现象、加工状况等

看—CRT报警信息、报警指示灯、熔丝断否、元器件烟熏烧焦、电容器膨胀变形、开裂、保护器脱扣、触点火花等

听—异常声响（铁芯、欠压、振动等）

闻—电气元件焦糊味及其它异味

摸—发热、振动、接触不良等

2.CNC系统的自诊断功能

开机自诊断—系统内部自诊断程序通电后动执行对CPU、存储器、总线和等模块及功能板、CRT、软盘等外围设备进行功能测试，确定主要硬件能正常工作。

运行中的故障信息提示—发生故障在CRT上报警信息，查阅维修手册确定故障原因及排除方法。

（不唯一，信息丰富则准确）

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、支持电池失效或接触不良等

3.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状态信息

接口检查

接口检查—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，“1”表示通，“0”表示断。

利用状态显示可以检查数控系统是否将信号输出到机床侧，机床侧的开关信号是否已输入到系统，从而确定故障是在机床测还是在系统侧。

例：

NCP400L数控车床接口状态

接口检查

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。

当机床长期闲置不用或受到外部干扰会使数据丢失或发生数据混乱，机床将不能正常工作。

可调出机床参数进行检查、修改或传送。

4.报警指示灯显示故障

除CRT软报警外，还有许多“硬件”报警指示灯，分布在电源、主轴驱动、伺服驱动I/O装置上，由此可判断故障的原因。

5.备板置换法（替代法）

用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。

（故障被排除或范围缩小）

注意：

断电状态下/选择开关/跨线一致

6.将功能相同的模板或单元相互交换，观察故障的转移情况，就能快速判断故障的部位。

7.敲击法

数控系统是由各种电路板组成，电路板上、接插件等处有虚焊或接口槽接触不良都会引起故障。

可用绝缘物轻轻敲打疑点处，若出现，则敲击处很可能就是故障部位。

8.升温法

设备运行较长时间或环境温度较高时，机床就会出现故障，可用电吹风、红外灯照射可疑的元件或组件。

确定故障点。

9.功能程序测试法

当数控机床加工造成废品而无法确定是编程、操作不当还是数控系统故障时，或是闲置时间较长的数控机床重新投入使用时。

将G、M、S、T、F功能的全部指令编写一个试验程序并运行在这台机床，可快速判断哪个功能不良或丧失。

10.隔离法

隔离法是将某些控制回路断开，从而达到缩小查找故障区域的目的。

例：

某加工中心，在JOG方式下，进给平稳，但自动则不正常。

首先要确定是NC故障还是伺服系统故障，先断开伺服速度给定信号，用电池电压作信号，故障依旧。

说明NC系统没有问题。

进一步检查是Y轴

夹紧装置出故障。

11.测量比较法为了检测方便，在模板或单元上设有检测

端子，用万用表、示波器等仪器对这些端子的电平或波形进行测试，将测试值与正常值进行比较，可以分析和判断故障的原因和及故障的部位。

各种故障诊断方法各有特点，要根据故障现象的特点灵活的组合应用。

四、数控系统诊断主要目标及故障分析

（一）主轴驱动系统

1.常用主轴驱动系统介绍

FANUC公司主轴驱动系统主要采用交流主轴驱动系统，有S、H、P三个系列（1.5~371.5~223.7~37kW）

主要特点：

（1）采用微处理控制技术

（2）主回路采用晶体管PWM逆变器

（3）具有主轴定向控制、数字和模拟输入

2.主轴伺服系统的故障形式及诊断方法

主轴伺服系统发生故障时，有三种表现形式：

（1）在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息

（2）在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示故障

（3）无任何故障报警信息

3.主轴伺服系统常见故障有：

（1）外界干扰：

（2）屏蔽和接地措施不良时，主轴转速或反馈信号受电磁干扰，使主轴驱动出现随机和无规律的波动。

判别方法，使主轴转速指令为零再看主轴状态

（3）过载：

切削用量过大，频繁正、反转等均可引起过载报警。

表现为电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等

（4）主轴定位抖动

主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合，有三种实现形式：

（1）机械准停控制（V形槽和定位液压缸）

（2）磁性传感器的电气准停控制（图）

（3）编码器型的准停控制（准停角度可任意）

上述准停均要经减速，减速或增益等参数设置不当；限位开关失灵；磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动磁性传感器主轴准停装置

5.主轴转速与进给不匹配:

当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时，会出现停止进给、主轴仍然运转的故障。

6.转速偏离指令值：

主轴实际转速超过所规定的范围时要考虑，电机过载、CNC输出没有达到与转速指令对应值、测速装置有故障、主轴驱动装置故障

7.主轴异常噪声及振动：

电气驱动（在减速过程中发生、振动周期与转速无关）；主轴机械（恒转速自由停车、振动周期与转速有关）

8.主轴电动机不转：

CNC是否有速度信号输出；使能信号是否接通、CTR观察I/O状态、分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件（润滑、冷却）；主轴驱动故障；主轴电机故障

主轴直流驱动的故障诊断

1.控制电路

控制回路采用电流反馈和速度反馈的双闭环调速系统，内环是电流环，外环是速度环。

调速特点是速度环的输出是电流环的输入，可以根据速度指令电压和转速反馈电压的差值及时控制电动机的转矩。

在速度差值大时，转矩大，速度变化快，转速尽快达到给定值，当转速接近给定值时，转矩自动减小，避免超调

2.主电路

数控机床直流主轴电动机由于功率较大，切要求正、反转及停止迅速，驱动装置采用三相桥式反并联逻辑无环流可逆变调速系统，在制动时，除了缩短制动时间，还能将主轴旋转的机械能转变成电能送回电网。

还利用逻辑电路，使一组晶闸管工作时，另一组的触发脉冲被封锁，切断两组之间流通的电流

主轴交流驱动的故障诊断

6SC650系列主轴交流驱动系统

1.驱动装置的组成（原理图）

2.故障诊断

故障代码当交流主轴驱动变频器在运行中发生故障，变频器面板上的数码管会以代码的形式提示故障的类型。

辅助诊断除故障代码外，在控制和I/O模块还有测试插座，作为辅助诊断的手段通过测试，可进一步判断变频器是否缺相以及过电流等故障

（二）进给伺服系统

任务完成CNC对各坐标轴的位置控制

组成进给驱动、位置检测及机械传动装置

工作过程程序指令经插补运算得位置指令，同时将检测到的实际位置信号反馈数控系统构成半或闭环控制系统，是外环为位置环内环为速度环的控制系统

位置检测光栅、光电编码器、感应同步器、旋转变压器和磁栅、速度监测测速发电机和光电编码器等

1.常见进给驱动系统

（1）直流进给驱动系统

FANUC公司直流进给驱动系统。

小惯量L、中惯量M系列直流伺服电动机，采用PWM速度控制单元。

大惯量H系列直流伺服电动机，采用晶闸管速度控制单元均有过速、过流、过载等多种保护功能

（2）交流进给驱动系统

FANUC公司交流进给驱动系统

驱动装置：

晶体管PWM控制的a系列交流驱动单元

电动机：

S、L、SP和T系列永磁式三相交流同步电动机

2.伺服系统结构形式

伺服系统不同的结构形式，主要体现在检测信号的反馈形式上，以带编码器的伺服电动机为例：

方式1—转速反馈与位置反馈信号处理分离

方式2—编码器同时作为转速和位置检测，处理均在数控系统中完成

方式3—编码器方式同上，处理方式不同方式4—数字式伺服系统

3.进给伺服系统的故障形式及诊断方法

故障出现后的表现方式：

CRT、驱动单元、无

4.常见故障

超程—进给运动超过软限位或硬限位，CRT

（1）过载—进给运动的负载过大、频繁正反转以及传动链润滑不良等引起，CRT及伺服驱动单元都会有报警信息窜动—测速信号或速度控制信号不稳定、接线接触不良等引起

（2）1爬行—发生在起动加速段或低速进给时，一般是由于进给传动链的润滑不良、伺服系统增益过低及负载过大、联轴器松动等引起

（3）振动—与进给速度有关，速度环增益太高或速度反馈有故障；与速度无关，位置环增益太高或位置反馈有故障；在加速过程中产生，减速时间设定过小

（4）伺服电动机不转—数控系统速度信号是否输出；使能信号是否接通；冷却润滑条件是否满足；电磁制动是否释放；驱动单元故障；伺服电动机故障

（5）位置误差—系统设置的允差过小；伺服增益设置不当；位置检测装置有污染；进给传动链累积误差过大；主轴箱垂直运动时平衡装置不稳

（6）漂移—当指令值为零时，坐标轴仍移动从而造成位置误差。

通过漂移补偿和驱动单元上的零速调整来消除

（7）回参考点故障—有找不到和找不准参考点两种故障，前者主要是回参考点减速开关产生的信号或零标志脉冲信号失效所致，可用示波器检测信号；后者是参考点开关挡快位置设置不当引起，只要重新调整即可

5.故障定位

模块交换法

X和Y的驱动单元一样，当一轴发生故障时，用另一轴代替看故障的转移情况为确定是否伺服单元和伺服电动机故障，可以脱开位置环，检查速度环。

有干电池和变阻器组成直流回路

（1）驱动结构

2.驱动方式—直流PWM和晶闸管驱动方式、

交流变频控制方式、步进电机驱动方式

（1）直流进给驱动

PWM调速是利用脉宽调制器对大功