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1、数控机床故障诊断与维修第1章 数控机床故障诊断与维修的基本概念11 数控机床故障诊断与维修的意义 一、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
2、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、数控机床故障诊断 1.故障的基本概念 故障数控机床全部或部分丧失原有的功能。 故障诊断在数控机床运行中，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。 2.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）从故障发生的状态分类 突然故障发生前无故障征兆，使用
3、不当。 渐变故障发生前有故障征兆，逐渐严重。3）按故障发生的性质分类 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。 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。 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。 4）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。 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。 3. 数控系统的可靠性 数控机床除了具有高精度、高效率和高技术的要求外，还应该具有高可靠性。系统可靠性是指数控系统
4、在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力，故障是指系统在规定的条件和规定的时间内失去了规定的功能。数控机床是复杂的大系统，它涉及光、机、电、液等很多技术，发生故障是难免的。机械锈蚀、机械磨损、机械失效，电子元器件老化、插件接触不良、电流电压波动、温度变化、干扰、噪声，软件丢失或本身有隐患、灰尘，操作失误等都可导致数控机床出故障。衡量的指标有： MTBF平均无故障时间 MTTR排除故障的修理时间 平均有效度A A=MTBF/（MTBF+MTTR） 4. 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；
5、 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、课程的基本要求与特点熟悉数控机床各组成部分的工作原理与结构确立数控机床故障诊断的基本思路与实施诊断的步骤及注意事项掌握常用测试仪器的使用方法通过理论和实训环节的教学，能实施对数控机床的故障分析和诊断。课程涉及内容广，故障检测、分析难度高12 数控机床故障诊断与维修的基本要求 121 工作环境 122 日常保养和维护 一、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 专职点检重点设备、部位（设备部门） 日常点检一般设备的检查及维护（车间） 生产点检开机前检查、润滑、日常清洁、
6、紧固等工作（操作者）二、数控系统的日常维护机床电气柜的散热通风门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。123 操作员和维修人员 数控机床有自诊断功能，为数控机床的故障诊断提供了有力的手段。但是数
7、控机床的大部分故障表现为综合性故障。操作员要熟悉数控机床的功能与操作，做好数控机床的日常保养与维护工作。维修人员必须认真仔细地阅读诊断用技术资料，并对照机床实物，做到心中有数。一旦机床发生故障，再进行分析的同时查阅资料，它们主要有：数控机床电气使用说明书数控机床电气原理图数控机床电气连接图数控机床结构简图数控机床参数表数控机床PLC控制程序数控系统操作手册数控系统编程手册数控系统安装与维修手册伺服驱动系统使用说明书13 数控机床故障的类型与特点 131 数控机床故障的类型 数控设备使用寿命故障频率曲线故障诊断内容1）动作诊断：监视机床各动作部分，判定动作不良的部位。诊断部位是ATC、APC和机
8、床主轴。2）状态诊断：当机床电机带动负载时，观察运行状态。3）点检诊断：定期点检液压元件、气动元件和强电柜。4）操作诊断：监视操作错误和程序错误。5）数控系统故障自诊断132数控机床故障的特点 一、故障软故障由调整、参数设置或操作不当引起（在使用初期发生较多，不熟悉）硬故障由数控机床（控制、检测、驱动、液气、机械装置）的硬件失效引起二、故障处理对策 除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源。应保持故障现场。 从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。 如不能消
9、失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。复位后，故障不能消失，可从以下几方面进行调查：1. 检查机床的运行状态机床故障时的运行方式CRT显示的内容（报警信号和报警号）驱动装置、变频器等显示的报警指示故障时轴的定位误差刀具轨迹是否正常辅助机能的运行状态2. 检查加工程序及操作情况是否为新编制的加工程序刀具补偿指令及补偿量是否正确故障是否与换刀有关故障是否与进给速度有关操作者的情况（新手）3. 检查系统的输入电压输入电压的波动，电压值是否在正常范围附近有否使用大电流的装置4. 检查环境状态CNC周围的温度状况控制柜热交换器、轴流风扇工作
10、情况系统周围的振动情况附近有否高频干扰源5. 检查机床状况熔丝是否已熔断故障前是否修理过机床或设置过参数机床是否已调整好在运行过程中是否改变过工作方式机床是否正处于急停、锁住状态速度倍率开关是否设为零进给保持按钮是否被按下间隙补偿量是否合适机床各信号电缆有否破损信号线和电源线是否分开走线屏蔽线接地是否正确14 数控机床故障诊断与维修的一般方法 141 数控机床故障诊断与维修的一般方法 一、故障与故障诊断 数控机床在机械结构上和普通机床不同点在于传动链缩短，传动部件的精度高，机械维护的面更广。主轴、进给轴、导轨和丝杠、刀库和换刀装置、液压和气动等。 熟悉机械故障的特征，掌握数控机床机械故障的诊断
11、的方法和手段。还要注意数控机床机电之间的内在联系。1. 机械故障的原因 机床在运行过程中，机械零部件受到力、热、摩擦以及磨损等诸多因素的作用，使其领部件偏离或丧失原有的功能。2. 机械故障诊断 机床运行状态的识别、运行状态的信号获取、特征参数的分析，故障性质的判断和故障部位的确定。二、机械故障诊断的方法实用诊断技术（问、听、看、闻、摸、查）振动、噪声测试(幅值大小、频率结构）油液分析（磨粒成分、型貌、数量）温度测试（表面温度及变化规律）超声、X射线探伤（机件内部缺陷）专家诊断系统（专家的经验、数据）1.实用诊断技术问操作者（渐/突发、故障现象、加工件的情况、传动系统的运动和动力、润滑、保养和检
12、修情况）看机床的转速变化、工件的表面粗糙度和振纹、颜色伤痕等明显症状听机床运转声（强弱、频率高低等）闻润滑油脂氧化蒸发油烟气焦糊气触用手感来判别机床的故障（温升、 振动、伤痕和波纹、爬行、松紧） 实用诊断技术在机械故障的诊断中具有实用简便、快速有效的特点，但诊断效果的好坏在很大程度上要凭借维修技术人员的经验，而且有一定的局限性，对一些疑难故障难以奏效。 2. 机械振动检测诊断法 以机床振动作为信息源，在机床运行过程中获取信号，对信号作各种处理和分析，通过某些特征量的变化来判别有无故障、根据由以往诊断经验形成的一些判据来确定故障的性质并综合一些其他依据来进一步确定故障的部位。具有实用可靠、判断准
13、确的特点诊断过程1）阅被诊断设备的技术资料，分析传动关系、计算传动件的特征值；2）获取信号、信号调理与处理；3）信号分析、故障判断（部位、性质）。 故障振动信号分类 1）平稳性故障信号机械结构在正弦周期性力信号、复杂周期性力信号和准周期性力信号（轴弯曲、偏心、滚子失圆等渐变性故障）作用下产生的响应信号。 特点：响应信号的频率成分与激励信号的频率成分相同。频谱为有限根谱线，而且能量集中在故障的特征频率及其倍频上。 2）冲击性故障信号机械结构在周期性冲击力作用下的脉冲响 应，他与冲击信号本身有很大的不同。 特点：信号能量短时间释放，其频谱为无穷根谱线，间隔等于脉冲发生的频率。能量集中于基频。 信号
14、分析方法 1) 时域分析法（直观） 了解信号的幅值和时间的关系，确定振动的程度，设备是否有故障及严重程度。不能确定故障部位（特征量的统计分析、相关分析等、均值、有效值、均方根值、方差等）。 2) 频域分析法(了解信号的频率结构，寻找故障源) 幅值谱分析应用傅里叶变换、傅里叶傅里叶积分将时域信号变为频域信号。 功率谱分析在频域中对信号能量或功率分布情况的描述。 滤波谱分析平稳性故障信号 解调谱分析冲击性故障信号测试仪器系统诊断实例 1）了解设备的运行状态：设备在运行中有什么异常情况，不同速度档位有什么区别。 2）得到设备的有关资料：设备的传动系统图、轴承分布图等技术资料，并对其进行分析。 3）计
15、算传动链和传动件的特征频率：计算传动链，计算各传动件的特征频率系数。 对设备进行诊断测试1）放置测振、测速传感器（位置、信号要求）（一般选振动或噪声较大的部位）；2）连接仪器系统；3）开动被测设备；4）调节测速电平、显示主轴转速并记录；5）从较高频段开始测试，逐渐到较低频段， 并调节放大器的增益，使信号处于最佳状 态；6）记录、打印测试结果。传动链 30/60 27/30 27/57 特征系数 4.69 140. 2.35 63.33 2.1 57 1.0特征频率 3.58 107.4 1.79 48.32 1.61 43.5 0.763 故障诊断分析1）由主轴转频计算各传动件的特征频率；2）
16、对照计算值和测试结果，由前述机械故障诊断知识进行分析，判断故障的部位和故障性质。得出诊断结果。142 数控机床故障诊断与维修的技术 数控诊断技术的发展 1. 通讯诊断(远程、海外诊断） 用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。 计算机发诊断程序 用户测试数据 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. 人工智能专家故障诊断系统 4. 计算机仿真与检测 （1）MATLAB仿真 （2）虚拟仪器检测5. 人工神经元网络(ANN)诊断 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等特点。这种方法将被诊断的系统的症状作为网络的输入，将按一定数学模型所求得的故障原因作为网络的输出，并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式隐存在网络上，每个输出神经元对应着一个故障原因。 6. 用最新现代调试仪器诊断机床的故障与缺陷Renishaw 激光干涉仪、球杆仪是用于数控机床的最新的现代调试、验收仪器，当然同样可用于诊断机床的故障与缺陷。
