1、数控机床维护及数控系统故障诊断004烟台工程职业技术学院 数控技术 系 数控技术应用与维护 专业 08 级毕业设计（论文）题 目: 数控机床诊断与维护 姓名 王海峰 学号 指导教师（签名） 二 年 月 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：我所撰写的设计（论文） 数控机床诊与维护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)王海峰 年 月 日摘要4前言4一 数控机床的特点、组成及工作原理及可靠性（1）数控机床的特点 4（2）数控机床的工作原理4
2、（3）数控机床的可靠性 52、现代数控系统维修排故基础（1）维修工作人员基本条件6（2）在维修手段方面应具备的条件6（3）维修前的准备63、数控机床开机调试（1）通电前外观检查7（2）机床总电压的接通8（3）CNC电箱通电 8（4）MDI试验 94、数控机床日常维护及保养（1）数控机床的开电与关电10（2）与外部计算机的联机使用10（3）日常维护125、现场维修（1）数控系统的故障诊断13（2）数控系统常见的故障分析16（3）故障排除法19（4）电气故障的排除20（5）电器维修与故障的排除21（6）维修中应注意的事项236、维修调试后的技术处理（1）在现场维修结束后，应认真填写现场记录25（2
3、）总结提高工作的好处257、结论268、致谢26数控机床维修与数控诊断王海峰【摘要】数控机床,它是把机械加工过程中的各种控制信息代码化,通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号,控制机床的动作,按图纸要求,自动地将零件加工出来。由于它是集强、弱电于一体,数字技术控制机械制造的一体化设备。一旦机床的某些部分出现故障,就势必使机床停机。因此,良好的日常维护是非常必要的。【关键词】数控系统 故障原因 维护 数控机床 数控装置前言随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。数控设备已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益
4、。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上与传统方式发生了飞跃的变化。数控维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，因此，目前它已经成为一门专门的学科。数控设备要求在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。我们现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：人员素质较差，缺
5、乏数字测试分析手段，数域和数域与频域综合方面的测试分析技术等有待提高等等。下面是我从现代数控设备的基本构成入手，对数控机床的诊断与维修的经验与心得。 一数控机床的特点、组成及工作原理及可靠性 （一）特点：、（1）能适应不同零件的自动加工；（2）加工精度高、加工质量稳定；（3）尤其能优质高效地完成复杂零件的加工；（4）工序集中，一机多用；（5）高技术设备，购买、使用、维护和维修费用相对较高；（二）工作原理：将被加工零件的形状、尺寸、工艺要求等信息按规定编程，并记录在输入介质上，输入到数控装置。数控装置对输入信息进行处理和计算，根据计算的结果向各执行机构（进给系统、主轴系统等）分配进给指令。执行机
6、构对来自数控装置的各种指令进行处理、转换和放大，驱动机床的运动部件（工作台、刀具及主轴等）运动，按照要求的形状和尺寸完成零件的加工任务。而辅助控制则是为了保证机床安全、方便、有效工作而必不可少的一些操作，如冷却、润滑、工件刀具的的自动松夹，排屑，限位，各种保护，联锁互锁等。（三）设备运行的可靠性设备故障是最令人头痛的问题，特别是同类设备台数少时，设备故障将直接影响生产，衡量设备可靠性可简单的用下面两个指标。（1）平均无故障时间（MTBF），其值可由下式计算：MTBF=总工作时间/总故障次数（小时）；（2）平均排除故障时间（MTTR），即从出现故障直到故障排除恢复正常为止的平均时间。从以上两个指
7、标看，所选择的设备一个是要少出故障，同时还要考虑生产厂家的售后服务，即排除故障要及时。二 现代数控系统维修排故基础目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，
8、使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、P
9、LC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。数控系统的主要特点是：可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。 （一）维修工作人员的基本条件维修工作开展得好坏首先取决于人员条件。维修工作人员必须具备以下要
10、求：（1）高度的责任心与良好的职业道德；（2）知识面广，掌握计算机技术、自动控制与电机拖动、模拟与数字电路基础、机械加工工艺方面及检测技术的基础知识与一定的外语水平；（3）经过良好的技术培训，掌握有关数控、驱动及PLC的工作原理，懂得CNC编程和编程语言；（4）熟悉机床结构，具有实验技能和较强的动手操作能力；（5）掌握各种常用（尤其是现场）的测试仪器、仪表和各种工具。 （二）在维修手段方面应具备的条件（1）准备好常用备品、配件；（2）必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机。最好有小型编程系统或编程器，用以支援设备调试；（3）随时可以得到微电子元器件的实际支援或供应； （4）完整资料、手册、线路
11、图、维修说明书（包括CNC操作说明书）以及接口、调整与诊断、驱动说明书，PLC说明书（包括PLC用户程序单），元器件表格等。（三）维修前的准备接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场信息、现场情况及故障信息。如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。据此预先分析可能出现的故障原因与部位，而后在出发到现场之前，准备好有关的技术资料与维修服务工具、仪器备件等，做到有备而去.三 数控机床开机调试数控机床是一种技术含量很高的机电仪一体化的机床，用户买到一台数控机床后，是否正确的安全地开机，调试是很关键的一步。这一步的正确与否在很大程序上决定了这台数
12、控机床能否发挥正常的经济效率以及它本身的使用寿命，这对数控机床的生产厂和用户厂都是事关重大的课题。数控机床开机，调试应按下列的步骤进行。（一） 通电前的外观检查（1）机床电器检查打开机床电控箱，检查继电器，接触器，熔断器，伺服电机速度，控制单元插座，主轴电机速度控制单元插座等有无松动，如有松动应恢复正常状态，有锁紧机构的接插件一定要锁紧，有转接盒的机床一定要检查转接盒上的插座，接线有无松动，有锁紧机构的一定要锁紧。（2）CNC电箱检查打开CNC电箱门，检查各类接口插座，伺服电机反馈线插座，主轴脉冲发生器插座，手摇脉冲发生器插座，CRT插座等，如有松动要重新插好，有锁紧机构的一定要锁紧。按照说明
13、书检查各个印刷线路板上的短路端子的设置情况，一定要符合机床生产厂设定的状态，确实有误的应重新设置，一般情况下无需重新设置，但用户一定要对短路端子的设置状态做好原始记录。（3）接线质量检查检查所有的接线端子。包括强弱电部分在装配时机床生产厂自行接线的端子及各电机电源线的接线端子，每个端子都要用旋具紧固一次，直到用旋具拧不动为止，各电机插座一定要拧紧。（4）电磁阀检查所有电磁阀都要用手推动数次，以防止长时间不通电造成的动作不良，如发现异常，应作好记录，以备通电后确认修理或更换。（5）限位开关检查检查所有限位开关动作的灵活及固定性是否牢固，发现动作不良或固定不牢的应立即处理。（6）操作面板上按钮及开
14、关检查，检查操作面板上所有按钮，开关，指示灯的接线，发现有误应立即处理，检查CRT单元上的插座及接线。（7）地线检查要求有良好的地线，测量机床地线，接地电阻不能大于1。（8）电源相序检查用相序表检查输入电源的相序，确认输入电源的相序与机床上各处标定的电源相序应绝对一致。有二次接线的设备，如电源变压器等，必须确认二次接线的相序的一致性。要保证各处相序的绝对正确。此时应测量电源电压，做好记录。（二）机床总电压的接通（1）接通机床总电源，检查CNC电箱，主轴电机冷却风扇，机床电器箱冷却风扇的转向是否正确，润滑，液压等处的油标志指示以及机床照明灯是否正常，各熔断器有无损坏，如有异常应立即停电检修，无异
15、常可以继续进行。（2）测量强电各部分的电压特别是供CNC及伺服单元用的电源变压器的初次级电压，并作好记录。（3）观察有无漏油，特别是供转塔转位、卡紧，主轴换档的以及卡盘卡紧等处的液压缸和电磁阀。如有漏油应立即停电修理或更换。（三） CNC电箱通电（1）按CNC电源通电按扭，接通CNC电源，观察CRT显示，直到出现正常画面为止。如果出现ALARM显示，应该寻找故障并排除，此时应重新送电检查。（2）打开CNC电源，根据有关资料上给出的测试端子的位置测量各级电压，有偏差的应调整到给定值，并作好记录。（3）将状态开关置于适当的位置，如日本FANUC系统应放置在MDI状态，选择到参数页面。逐条逐位地核对
16、参数，这些参数应与随机所带参数表符合。如发现有不一致的参数，应搞清各个参数的意义后再决定是否修改，如齿隙补偿的数值可能与参数表不一致，这在进行实际加工后可随时进行修改。（4）将状态选择开关放置在JOG位置，将点动速度放在最低档，分别进行各坐标正反方向的点动操作，同时用手按与点动方向相对应的超程保护开关，验证其保护作用的可靠性，然后，再进行慢速的超程试验，验证超程撞块安装的正确性。（5）将状态开关置于回零位置，完成回零操作，参考点返回的动作不完成就不能进行其它操作。因此遇此情况应首先进行本项操作，然后再进行第（4）项操作。（6）将状态开关置于JOG位置或MDI位置，进行手动变档试验，验证后将主轴
17、调速开关放在最低位置，进行各档的主轴正反转试验，观察主轴运转的情况和速度显示的正确性，然后再逐渐升速到最高转速，观察主轴运转的稳定性。（7）进行手动导轨润滑试验，使导轨有良好的润滑。（8）逐渐变化快移超调开关和进给倍率开关，随意点动刀架，观察速度变化的正确性。（四）MDI试验（1）测量主轴实际转速将机床锁住开关放在接通位置，用手动数据输入指令，进行主轴任意变档，变速试验，测量主轴实际转速，并观察主轴速度显示值，调整其误差应限定在5之内。（2）进行转塔或刀座的选刀试验其目的是检查刀座或正、反转和定位精度的正确性。（3）功能试验根据定货的情况不同，功能也不同，可根据具体情况对各个功能进行试验。为防
18、止意外情况发生，最好先将机床锁住进行试验，然后再放开机床进行试验。（4）EDIT功能试验将状态选择开关置于EDIT位置，自行编制一简单程序，尽可能多地包括各种功能指令和辅助功能指令，移动尺寸以机床最大行程为限，同时进行程序的增加，删除和修改。（5）自动状态试验将机床锁住，用编制的程序进行空运转试验，验证程序的正确性，然后放开机床，分别将进给倍率开关，快速超调开关，主轴速度超调开关进行多种变化，使机床在上述各开关的多种变化的情况下进行充分地运行，后将各超调开关置于100处，使机床充分运行，观察整机的工作情况是否正常。 至此，一台数控机床才算开机调试完毕。四 数控机床的日常维护和保养数控机床的日常
19、维护是也是数控机床运行的稳定性、可靠性保证，是延长数控机床使用寿命的手段。数控机床的日常保养和维护的项目在机床制造厂提供的机床使用说明书中有着明确的描述。对于数控机床的用户来说，机床的稳定可靠运行就可以产生效益。尽管数控机床在其设计生产中采取了很多手段和措施来保证可靠性和稳定性，但是在数控机床的使用过程中如果不遵守规定的运行条件，或不按照规定进行维护，都有可能造成数控机床的停机。一旦机床由于机械故障或者电气故障而停机，导致生产中断，加之恢复机床正常运行所需要的费用，比如维修、采购备件、以及服务等，造成的经济损失是可观的。因此，在数控机床使用过程中的维护和保养也是使数控机床创造更多价值的重要手段
20、。(一) 数控机床开电与关电数控机床的开电和关电看起来是一件非常简单的任务，但是很多潜在的故障都有可能在这个过程中发生。比如在高温高湿的气候环境中，应检查电气柜中是否有结露的现象。如果发现有结露的迹象，绝对不能打开数控机床的主电源。在结露的状态下开电，可能造成数控机床中的电气部件的损坏。除非在机床制造厂提供的技术条件中明确规定该机床可以在高湿度的环境中无故障运行，比如机床的电气系统采用了密封设计，否则结露造成的电气部件损坏影响生产。数控机床关电的过程中也存在着出现故障的可能。特别是对于采用馈电制动方式的驱动系统（参见2.3 章），直接关电使得驱动器的馈电回路中断。由于驱动器中的能量不能馈入电网
21、可能导致驱动器硬件故障。对于数控机床关电的一般要求是必须断开伺服驱动系统的使能信号后，才能关闭主电源。断开伺服驱动器使能信号的方法与机床制造厂的设计有关。产自不同机床制造厂的机床，断电的操作要求可能是不同的。大多数数控机床都是利用急停操作来断开伺服驱动器的使能信号。这样，要求在断开数控机床主电源之前，必须先进行急停操作，然后方可断开数控机床的主电源。当然有些数控机床采用了安全继电器来控制伺服系统的使能，并且采用带前置触点的主电源开关，这样的机床可以直接断开主电源。用户在使用数控机床时一定要参阅机床厂提供的技术资料，了解机床对关电的要求。其实先急停，再断主电源的方法是保险的安全关电方法。(二)
22、与外部计算机的联机使用随之计算机技术、软件技术的发展，越来越多的用户使用计算机辅助设计和制造系统(CAD/CAM)设计零件的加工程序，有CAD/CAM 系统生成的零件程序往往需要很大的内存空间，而往往超出数控机床的内存极限。一般数控系统用于存储零件程序的存储器在256k 字节到512k 字节，也有一些数控系统的程序内存可达到2500k 字节。但置对于一个由CAD/CAM系统生成的零件程序来说，2500k 字节仍然不能满足要求。因此对于超长的零件程序大多采用在线加工的方式。所谓在线加工就是零件程序存储在计算机的磁盘上，数控机床通过串行通讯接口与计算机连接，通过边传输，边加工的方式运行零件程序。图
23、6.1 利用RS232 串行通讯进行在线加工在线加工的通讯方式大多采用RS232 接口。由于RS232 接口采用共地通讯方式，见图2-103。由于共地使得RS232 通讯的可靠性受到工业环境的影响。从数控机床使用者的角度讲，必须保证外部计算机与数控系统之间共地，否则不仅通讯的数据可能受到影响，而且极易导致数控系统和计算机的硬件损坏。图6.2 RS232通讯电缆的连接（插头为9孔D型）保证计算机与数控系统的共地的基本措施是计算机与数控机床共用电源。机床制造厂通常在数控机床上为外部设备预留了单相交流电源，而且该电源的保护地与数控系统的保护地在数控机床的电气柜中连通。在使用计算机时，只需将计算机的电
24、源线连接到数控机床的外部设备电源插座上。就可以保证计算机和数控系统共地。有些机床厂为避免由于RS232 接口在用户生产现场的共地问题引起的硬件损坏，为其生产的数控机床配备了RS232 接口隔离器，见图2-104。RS232 隔离器将通讯信号通过光电元件隔离，这样即使计算机与数控机床使用不同的电源供电，也不会导致任何硬件故障或损坏。图6.3 RS232 隔离器不管数控机床是否配备了RS232 隔离器，要保证通讯的质量和硬件可可靠性，外部设备与数控机床使用同一个电源是最简单和有效的方法。(三) 日常维护通过日常的维护和保养，可以避免或减少数控机床的故障，或者提早发现潜在的故障，并及时采取防范措施。
25、所以数控机床的日常维护保养是数控机床稳定可靠运行的基本保证。数控机床定期保养的项目通常有：（1）通过数控系统的维护信息，或者通过专用的调试软件工具，来检查各轴伺服驱动系统的空载电流。所谓空载电流就是不加工时坐标轴空载运动所需的电流。如果发现电流增大表明传动系统可能存在机械故障。这时需要打开机床的防护罩，检查运动部件的润滑状况，检查有无明显的磨损，检查用于导轨润滑的润滑液位，应将润滑剂加注到规定的液位；(2) 检查数控机床电气柜状况。如电气柜的冷却采用的是风扇驱动空气的内外循环，则应检查电气柜进气口过滤材料是否需要更换。对于采用空气内外循环的电气柜还应该检查电气柜中各部件的外部清洁状况，如果灰尘
26、过多应采取措施进行清洁，否则可能在今后的运行中出现硬件故障；如果数控机床的电气柜采用工业空调冷却，需要定期检查冷却的效果。如果制冷效果差或者不制冷，可能由于电气柜中的温度过高而导致数控系统工作不稳定，甚至导致电气柜中的部件损坏。如果发现空调的制冷效果不好，应及时检修，比如加注制冷剂；(3) 检查用于数控机床保护接地的接地电阻。是否在规定的指标内；(4) 检查各轴的反向间隙，如果发现反向间隙超出数控机床出厂时的数据，说明滚珠丝杠可能磨损或出现配合问题。这时最理想的措施是对于机械部件进行调整。通过调整数控系统的反向间隙补偿值，也可以减小或消除反向间隙，这种方法可能会掩盖机械上存在的问题。对于过大的
27、反向间隙，尽管采取了补偿的措施，数控机床的动态特性会受到很大的影响。同样需要检查各个坐标轴的定位精度。定位精度的下降是丝杠磨损或装配故障的表现。与反向间隙一样，补偿不能根本解决问题，最佳的解决方案是首先解决机械上存在的问题；（5) 检查刀具冷却使用的冷却液是否充足，是否过期老化，应该根据情况加注或更换冷却剂；（6) 有些数控机床采用高速主轴时配有主轴冷却系统，需要检查主轴的冷却效果，来决定是否需要加注制冷剂；（7）检查液压系统的过滤器是否需要清洗或更换，检查气动系统的滤清器是否需要清洗或更换；（8） 检查生产现场的环境，温度、湿度，空气中是否有导电粉尘，空气中油雾浓度；（9） 检查车床主轴的皮
28、带是否磨损；一台数控机床是否能够按照设计指标充分发挥作用，日常的维护和保养是十分重要的。许多企业配置设备管理机构。并且制定了完备的设备管理规程。也有一些企业将设备管理外包，委托专业设备维护公司对其生产现场的数控机床进行维护保养。其目都是保证数控系统的稳定运行。五 现场维修现场维修是对数控机床出现的故障（主要是数控部分）进行诊断，找出故障部位，以相应的正常备件更换，使机床恢复正常运行。这过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。从整机定位到插线板，在某些场合下甚至定位到元器件。这是整个维修工作的主要部分。（一）数控系统的故障诊断（1）初步判别通常
29、在资料较全时，可通过资料分析判断故障所在，或采取接口信号法根据故障现象判别可能发生故障的部位，而后再按照故障与这一部位的具体特点，逐个部位检查，初步判别。在实际应用中，可能用一种方法即可查到故障并排除，有时需要多种方法并用。对各种判别故障点的方法的掌握程度主要取决于对故障设备原理与结构掌握的深度。（2）报警处理系统报警的处理：数控系统发生故障时，一般在显示屏或操作面板上给出故障信号和相应的信息。通常系统的操作手册或调整手册中都有详细的报警号，报警内容和处理方法。由于系统的报警设置单一、齐全、严密、明确、维修人员可根据每一警报后面给出的信息与处理办法自行处理。机床报警和操作信息的处理：机床制造厂
30、根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过特定键，看到更详尽的报警说明。这类报警可以根据机床厂提供的排除故障手册进行处理，也可以利用操作面板或编程器根据电路图和PLC程序，查出相应的信号状态，按逻辑关系找出故障点进行处理。（3）无报警或无法报警的故障处理当系统的PLC无法运行，系统已停机或系统没有报警但工作不正常时，需要根据故障发生前后的系统状态信息，运用已掌握的理论基础，进行分析，做出正确的判断。下面阐述这种故障诊断和排除办法。 故障诊断方法（1）常规检查法目测目测故障板，仔细检查有无保险丝烧断，元器件烧焦，烟熏，开裂现象，有无异物断路现象。以此可判断板内有无过流，过压，短路
