《数控机床故障分析与维修》课件第2章.ppt

1、第2章 数控系统的故障成因分析与自诊断技术 2.1 CNC系统的特点系统的特点2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障2.3 CNC系统的自诊断系统的自诊断2.4 伺服系统的自诊断伺服系统的自诊断2.1 CNC系统的特点系统的特点 由图0.1.6数控机床工作原理示意图可见，CNC装置是数控系统的核心。CNC数控是由软件(存储的程序)来实现数字控制的。数控系统的特殊性(见0.1.4节)主要由它的核心装置CNC装置来体现的。而CNC装置结构包括了软件结构与硬件结构(见图0.1.4与图0.1.5)。图2.1.1更清楚地给出了作为数控系统核心CNC装置的一般结构情况。(其中，纸带阅读器往往被磁盘驱动

2、器与计算机通讯接口所替代)在硬件结构中，值得关注的是数量多而种类又复杂的I/O接口。图2.1.1 一般CNC装置的结构 在数控系统的数字电路中传递的数字信号：无论是工作指令信号、反馈信号，还是控制指令信号，大多是数字信号，也就是电脉冲信号。从图2.1.2上CNC装置输入与输出可以看出这一特点。实际上，在具有大规模数字电路的CNC装置中，信号输入与输出接口装置上，及其信号连接与传递途经中(注意：在技术资料中，电气图中的连线与节点，也是信号节点与信号电缆)，传送的多是电脉冲信号。这种信号极易受电网或电磁场感应脉冲的干扰。图2.1.2 CNC装置的输入与输出信号 综上所述，CNC装置有哪几个重要特点

3、呢？/在学习中，请注意不断培养识图与总结能力。/CNC装置的重要特点 软件数控。具有软件结构与硬件结构。工作与传递的信号为电脉冲。具有自诊断功能。2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障 2.2.1 内因与外因内因与外因前面已经介绍了数控机床按发生性质的故障分类方法，如图0.2.1所示。如果以CNC系统为研究对象，可按故障成因进行分类(即按CNC系统内因与外因分类方法)，如图2.2.1所示。(图中的“关联”是指与系统本身有关。)图2.2.1 故障按数控系统内因与外因分类 显然，操作员与维修员的工作失误，必然引发故障。“人为”因素，除了损坏性动作外，一般造成的故障是“软性故障”。所以，如果我们

4、把人与机器视为“统一体”，那么把他们的失误造成故障的成因也可看作是数控系统的内因。“电磁干扰”，表面上是外因，但是外因是通过内因而起作用的。所以，分析时需要寻找数控系统的防干扰措施不完备而“未御敌于门外”的原因。2.2.2 CNC系统的主要故障系统的主要故障在图0.2.1中，已将数控机床故障按发生性质分类分成主机故障与电气故障。主机故障主要是发生于机床本体部分(机床侧)的机械故障。电气故障分成强电故障与弱电故障。强电故障，主要是指发生于机床侧的电器器件及其组成电路故障。弱电故障是数控机床故障诊断的主要难点，存在于CNC装置系统(CNC侧)，可以分成硬件故障与软件故障。可以用图2.2.2来说明数

5、控机床的故障类型与发生部位。这里给出的“部位”，就是在诊断时要进行“故障大定位”的部位。例如，机床侧、CNC侧或CNC装置等。图2.2.2 数控机床的故障类型及其发生部位 数控机床的主要故障类型是电气故障，主要是系统内因所致。据统计：约30的故障来自于机床低压电器。占有较高故障率的故障来自于：检测元件及其电路、复杂的I/O电路、印刷电路板及其元器件。约占5的“不明故障”是起因于被干扰的数字信号(或存储的数据与参数)。约10的故障起因于监控程序、管理程序以及微程序等造成的软件故障。新程序或机床调试阶段，操作工失误造成不少“软性”故障。/在实际应用中，经常将涉及操作失误、电磁干扰造成数据或参数混乱

6、，归于“软性”故障。所以，以后分析中也常将故障分成“硬性故障”和“软性故障”。实际工作中，硬性故障泛指所有的低压电器、电子元器件及其连接与线路故障。/2.2.3 CNC系统软件故障现象及其成因系统软件故障现象及其成因CNC系统的常见软件故障现象及其成因，由表2.2.1可提供参考。该表格分析归纳了常见软件故障现象及其成因。由表可见：一种故障现象可以有不同的成因。(例如键盘故障，参数设置与开关都存在问题可能。)同种成因可以导致不同的故障现象。有些故障现象表面是软件故障，而究其成因时，却有可能是硬件故障或干扰、人为因素所造成。表表2.2.1 CNC系统常见的软件故障现象及其成因系统常见的软件故障现象

7、及其成因 故 障 成 因 软件故障现象 软件故障成因 硬件故障成因 人为/软性成因 各种干扰 RAM/电池 失电或失效 器件/线缆/接插件/印刷板故障 1 操作错误信息 操作失误 2 超调 加/减 速或增益参数设置不当 3 死机或停机 4 失控 5 程序中断 故障停机 6 无报警不能运行或报警停机 7 键盘输入后无相应动作 参数设置错误或失匹/改写了RAM 中的标准控制数据/开关位置错置 编程错误 冗长程序的运算出错/死循环/运算中断/写操作 I/O 的破坏 8 多种报警并存 显示“没准 备好”电磁干扰窜入总线导致时序出错 电网干扰电磁干扰/辐射干扰窜入 RAM，或 RAM 失效与失电造成 R

8、AM 中的程序/数据/参数被更改或丢失:CNC/PLC 中机床数据丢失 系统参数的改变与丢失 系统程序/PLC 用户程序的改变与丢失 零件加工程序编程错误 屏蔽与接地不良 电源线连接相序错误 负反馈接成正反馈 主板/计算机内保险丝熔断*相关电器，如：接触器、继电器或接线的接触不良 传感器污染或失效 开关失效 电池充电电路线路中故障/各种接触不良/电池寿命终极 或失效 外因：突然停电、周围施工/感性负载 长期闲置后起用的机床，或老机床失修 说明 维修后/新程序的调试阶段/新操作工 内因：接口电路故障以及屏蔽与接地问题 *带电测量导致短路或撞车后所造成，是人为因素 表表2.2.1 CNC系统常见的

9、软件故障现象及其成因系统常见的软件故障现象及其成因 2.2.4 CNC系统硬件故障现象及其成因系统硬件故障现象及其成因通常为了方便起见，将电气器件故障与硬件故障混合在一起，通称为硬件故障。所以，在后面的分析中的“硬件故障”，是指CNC系统中电器与电子器件/线缆/线路板及其接插件/电气装置等故障。可能与硬件故障相关的常见故障现象，归纳于表2.2.2中。/为什么要加上“可能”两字？因为有些故障现象还可能与软件故障成因有关。/表表2.2.2 数控系统常见的硬件或器件故障现象数控系统常见的硬件或器件故障现象 无 输 出 输 出 不 正 常 不能启动 不动作 无反应 失控 异常 显示器不显示 数控系统不

10、能 启动 不能运行 轴不动 程序中断 故障停机 刀架不转 刀架不回落 工作台不回落 机械手不能抓刀 键盘输入后 无相应动作 飞车 超程 超差 不能回零 刀架转而不停 显示器混乱/不稳 轴运行不稳 频繁停机 偶尔停机 振动与噪声 加工质量差(如表面振纹)欠压 过压 过流 过热 过载 表2.2.2列出的故障现象中，有些故障现象表现为硬件不工作或工作不正常，而实际涉及的成因却可能是软性的或参数设置问题。例如，有的是控制开关位置置错的操作失误。控制开关不动作可能是在参数设置为“0”状态，而有的开关位置正常(例如急停、机床锁住与进给保持开关)可能在参数设置中为“1”状态等。又如，伺服轴电机的高频振动就与

11、电流环增益参数设置有关。再如，超程与不能回零可能是由于软超程参数与参照点设置不当引起的。同样，参数设置的失匹，可以造成机床的许多控制性故障。也就是说，故障机理中的软与硬经常是“纠缠”在一起，给诊断工作与故障定位带来困难。因此，“先软后硬”，先检查参数设置与相对硬件的实时状态，将有助于判别软件故障还是硬件故障。其实，“据理析象”就是基于分析、归纳与总结故障现象所有可能联系到的一切成因(故障机理)。器件故障包括：低压电器故障、传感器故障、总线装置故障、接口装置故障、直流电源故障、控制器故障、调节器故障、伺服放大器故障等。器件故障的成因，可以归为两类：一类是，器件功能丧失引起的功能故障(或称“硬性故

12、障”)。一般采用静态检查，容易查出。其中又可以分成可恢复性的和不可恢复性的。器件本身硬性损坏，就是一种不可恢复的故障，必须换件。而接触性、移位性、污染性、干扰性(例如散热不良或电磁干扰)以及接线错误等造成的故障是可以修复的。另一类是，器件的性能故障(或称“软性故障”)，即器件的性能参数变化以致部分功能丧失。一般需要动态检查，比较难查。例如传感器的松动、振动与噪声、温升、动态误差大、加工质量差等。在1.2.4节中所例举的那些维护中应该特别关注的器件，也就是在不同条件下最易出现故障的器件。不同的条件，将引发不同机理的硬件故障。例如：长期闲置的机床上的接插件接头、保险丝卡座、接地点、接触器或继电器等

13、触点、电池夹等易氧化与腐蚀，引发功能性故障。老机床易引发拖动弯曲电缆的疲劳折断以及含有弹簧的元器件(多见于低压电器中)弹性失效；机械手的传感器、位置开关、编码器、测速发电机等易发生松动移位；存储器电池、光电池、光电阅读器的读带、芯片与集成电路易出现老化寿命问题以及直流电机电刷磨损等；传感器(光栅/光电头/电机整流子/编码器)、低压控制电器的污染；过滤器与风道的堵塞以及伺服驱动单元大功率器件失效造成温升等，即可以是功能性故障又可为性能故障。新机床或刚维修的机床容易出现接线错误等的软性故障。2.3 CNC系统的自诊断系统的自诊断 目前，CNC系统自诊断技术包括如下几种类型：状态诊断 机床在负载情况

14、下主轴与进给轴的运动状态。动作诊断 诊断机床主轴、自动换刀(ATC)装置、工作台自动交换装置(APCC)的各个动作及动作的不良部位。点检诊断 定时、循环式点检关键低压电器、伺服接口、液压及气动元件等的状态。操作诊断 监视程序错误(奇偶校验等)、输入数据，以及操作错误等。系统诊断 诊断CNC装置本身的关键元器件与线路板等的状态。系统诊断，是指由数控装置系统制造公司所设置程序来进行CNC装置系统故障诊断，以NC报警文本在CRT上显示数控装置(数控侧)故障内容的报警号或报警信息(软件报警)。对照技术手册上的报警说明，即可确定产生故障的可能原因。如果CNC板故障，则以在主板上LED指示灯不正常显示或报

15、警灯点亮来进行硬件报警。状态诊断、动作诊断与点检诊断内容都在机床侧的硬件或器件上。操作诊断的内容是软性的。这四方面诊断，一般由PLC可编程控制器来完成。诊断结果的显示有三种方式：PLC报警文本：由机床制造厂或使用者设置的故障报警内容(例如802S的700000700003报警号以及其I/O板上有多个IQ.7端子留给最终用户设置各种报警号)。一旦PLC检测到相关的故障信号，即可在CRT上显示对应的报警号或报警信息。在技术手册或维修手册上可以查到报警号相关的可能故障成因。PLC报警报警(文本文本)内容内容用户程序错误；缓冲PLC数据错误或故障；机床接口电气控制(状态)故障；面板上各种元器件的状态信

16、息(包括操作后状态信息)；运行中的各类故障报警(包括强电控制电路与低压电器等)。显然，来自PLC装置报警(简称“PLC报警”)内容大多数是发生在机床侧的硬件或器件故障。是PLC装置根据机床电气控制程序化特点、结合了PLC程序中信号逻辑关系、应用了PLC实用程序编程语言与编制方法以及信号处理，来给出报警显示的。PLC装置是通过它的I/O接口电路来检测的信号与输出报警信号。PLC报警特点报警特点 PLC报警机理报警机理 PLC装置按程序要求、定时循环扫描其I板上各接口特定信号的输入。如果在规定的时间内,未检测到相应信号的正常逻辑值，PLC装置按照程序中规定的状态对比判别原则，处理后由它的相应O接口输出报警信号给CNC主板与CRT或报警继电器。定时扫描I接口逻辑状态对比被检测的信号输入 输出报警信号状态为“0”(无信号或不正常)PLC装置、装置、I/O板接口及其它们供电的正常与否，是能板接口及其它们供电的正常与否，是能否正常报警的前提否正常报警的前提。实时诊断画面上多页的实时信号状态表。被检测的信号以自己的代号(标志位)与地址在表中特定位置上显示它们的实时逻辑状态(0或1)。需要注意：信号采