数控机床故障分析与消除措施 毕业论文.docx

黑龙江农业经济职业学院机电工程系毕业论文黑龙江农业经济职业学院毕业论文数控机床故障分析与消除措施 姓 名： 指导教师： 专 业： 数 控 技 术 班 级： 1 1 1 2013年 月 日14 目 录摘 要1前 言21 常见电气故障分类32 故障的调查分析53.1 故障调查53.2故障分析判断53数控机床plc故障诊断的方法64电气维修与故障的排除75故障举例分析86数控机床故障诊断的一般步骤97维修实例分析108掌握电气故障排除的方法12结 论13参考文献14致 谢15数控机床故障分析与消除措施摘 要:本文针对数控机床电气控制系统，从常见电气故障分类、故障的分析诊断方法、电气故障的排除方法等4个方而阐述了数控机床的电气维修技术。对数控机床的电气维修技术做出了简明的概括，简单阐述了数控机床的电气系统的构成，把一些常见的故障进行分类，列举了一些常见数控的机床的电气故障的诊断方法，总结归纳出了数控机床的电气维修方法及技巧。关键词：数控机床，电气维修，故障前 言数控机床是企业机械加工生产中的重要设备，一旦因故障停机，影响和损失往往很大。但是，对这样的设备使用者往往更多地是看重其效能，而不重视对它的合理使用，对其日常保养及维修工作关注很少，等到故障出现时再临时抱佛脚造成停产停工的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视其日常保养和维修工作，创造出良好的维修条件。由于数控机床的故障多为电气故障，所以电气维修尤为重要。论文将涉及数控机床简单介绍、故障现象描述或给出典型实例、故障的成因的分析和论证、故障诊断过程及消除故障的措施等内容。1.常见电气故障分类 根据数控机床电气故障的性质、现象、故障的偶然性、机械特性变化、故障是否有报警显示等可分为以下类型。（1)以故障发生的部位可分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印刷电路板、电线电缆、接插件等产生不正常状态甚至损坏的故障。硬件故障是需要修理甚至更换才可排除的。而软件故障一般是指plc产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改plc程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，一旦发生这种故障就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。（2)以故障出现时有无指示和报警，可分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。现代数控系统都设计有完美的自诊断程序，实时监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。有诊断指示的电气故障较为容易排除。无诊断指示的故障通常是由于上述诊断程序的不完整性所致(如开关不闭合、接插松动等)。这类故障则要根据产生故障前的工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析和排除。（3)以故障出现时对工件或对机床有无破坏，分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏工件甚至机床的故障在维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除，技术难度较高且有一定风险。对于非破坏性故障，则可卸下工作，试着重现故障过程，但应十分小心。（4)以故障出现的偶然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定的条件则一定会产生的确定的故障;而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障。后者的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能排除。（5)以机床的运动品质特性来衡量，则属于机床运动特性下降的故障。在这种情况下，机床虽能正常运转却加工不出合格的工件。例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机电环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。故障的分类方式有很多，而一种故障的产生往往是多种类型的混合，这就要求维修人员根据故障的性质、故障的表象、产生故障的原因或后果等具体情况，参照上述分类采取相应的排除法。2故障的调查与分析这是排除故障的第一阶段，是关键的一部分2.1故障调查（1)询问调查。在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持现场故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速准确地分析故障原因;同时仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排除故障时应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。（2)现场检查，故障分析。到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实初步判断的准确度。由于操作者的经验和水平，有可能对故障状况描述不清甚至完全不准确，因此到现场后仍然不要急于动手处理，而应重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，增加故障排除的难度，随后再根据已知的故障状况按上述故障分类办法分析故障类型，从而确定排除故障的原则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手册和使用说明书，就可以列出产生该故障的多种可能的原因。（3)确定原因，作好准备。对多种可能的原因进行排查，从中找出产生本次故障的真正原因。这就取决于工作人员对该机床的熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力。对于较复杂故障，需要做一系列的准备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理、元器件的采购甚至故障排除方案步骤的制定等等。2.2故障分析与判断数控机床电气系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排队过程，一旦查明了原因，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要。通常电气故障常用的分析诊断方法如下:1)直观检查法(1)询问：向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析判断过程中可能要多次询问。(2)目视：总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示，局部查看有无保险烧断，元器件烧焦、开裂，电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等。(3)触摸：在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、各功率及信号导线的连接状况等来发现可能出现故障的原因。(4)通电：这是为了检查有无冒烟、打火，有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在，一旦发现，立即断电进行分析。2)仪表仪器检查法使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压及相关直流及脉冲信号等进行测量，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，对某些电路板上设置的相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位，用plc编程器查找plc程序中的故障部位及原因等。3)信号与报警指示分析法(1)硬件报警指示：这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指不示灯状态和相应的功能说明，便可获知指示内容及故障原因与排除方法。(2)软件报警指示：系统软件、plc程序与加工程序中的故障通常都设有报警显示，依据报警显示对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排队方法。4)接口状态检查法现代数控系统多将plc集成于其中，而cnc与plc之间则以一系列接口信号形式相互通信连接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的，这些接口信号有的可以在相应的接口板和输入输出板上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在c rt屏幕上显示出来，而所有的接口信号都可以用plc编程器调出。5)参数调整法数控系统、plc及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机床、不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配，而且更是使机床各项功能达到最佳所必需的。因此，任何参数的变化(尤其是模拟量参数)甚至丢失都是不允许的，而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最佳状态。此类故障多指故障分类一节中后几类故障，需要重新调整相关的一个或多个参数方可排除。这种方法不仅要对具体系统主要参数十分了解，即知晓其地址、熟悉其作用，而且还要有较丰富的电气调试经验。6)备件置换法当故障分析结果集中于某一块印刷电路板上时，由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实在某一区域或某一元件上是十分困难的。为了缩短停机时间，在有相同备件的条件下可以先将备件换上，然后再去检查修复故障板。备件板的更换要注意以下问题:(1)更换任何备件都必须在断电情况下进行。(2)许多印刷电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要，因此在更换备件板上一定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警而不能工作。(3)某些印刷电路板还需在更换后进行某些特定操作，以完成其中软件与参数的建立。这一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。(4)有些印刷电路板是不能轻易拔出的，例如含有工作存储器的板，或者备用电池板，它们会丢失有用的参数或者程序。必须更换时，一定要遵照有关说明进行操作。鉴于以上条件，在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步骤之后再动手，以免造成更大的故障。7)交叉换位法当发现故障电路板或者暂不能确定是否是故障电路板而又没有备件的情况下，可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查。例如:两个坐标的指令板或伺服板交换，从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意的是，不仅硬件接线需正确交换，还要将一系列相应的参数交换，否则不仅达不到目的，反而会产生新的故障或造成思维的混乱。一定要事先考虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误后再行交换检查。8)特殊处理法当今的数控系统已进入开放化的发展阶段，其中软件含量越来越丰富，有系统软件、机床制造者软件，甚至还有使用者自己的软件。由于软件逻辑的设计中不可避免的一些问题，会使得有些故障状态无从分析，例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，有时就有可能将故障消除。工作人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。3数控机床plc故障诊断方法（1）根据报警信号诊断故障数控系统的故障报警信息，为用户提供排除故障的信息。 （2）根据动作顺序诊断故障数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作，都是按一定的顺序来完成因此，观察机械装置的运动过程，比较故障和正常时的情况，就可发现疑点，诊断出故障原因。 （3）根据控制对象的工作原理诊断故障数控机床的plc程序是按照控制对象的工作原理设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合plc的i/o状态是诊断故障很有效的方法。（4）根据plc的i/o状态诊断故障在数控机床中，输入/输出信号的传递，一般要通过plc的i/o接口来实现，因此一些故障会在plc的i/o接口通道上反映出来。数控机床的这个特点为故障诊断提供了方便。如果不是数控系统硬件故障，可以不必查看梯形图和有关电路图，通过查询plc的i/o通常状态和故障状态来进行诊断。另外一种简单实用的方法，就是将数控机床的输入/输出状态列表，通过比较通常状态和故障状态，就能迅速诊断出故障部位。 （5）通过plc梯形图诊断故障根据plc的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。如果采用这种方法诊断机床故障，首先应该查清机床的工作原理、动作顺序和连锁关系，然后利用cnc系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据plc梯形图查看相关的输入、输出及标志的状态，以确定故障原因。（6）动态跟踪梯形图诊断故障有些plc发生故障时，查看输入/输出及标志状态均为正常，此时必须通过plc动态跟踪，实时跟踪输入/输出及标志状态的瞬间变化。根据plc动作原理作出诊断。4电气维修与故障的排除这是排除故障的第二步，是实施阶段。如前所述，电气故障的分析过程也就是故障的排除过程，因此电气故障的一些常用排除方法在前面的分析方法中已综合介绍过了，这里仅列举几个常见电气故障的维修与处理方法。1)电源电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源，它的失效或者故障，轻者会丢失数据、造成停机;重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电力充足，电网质量高，因此对其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说就略显不足，再加上一些人为的因素，难免出现由电源而引起的故障。因此要求我们在设计数控机床的供电系统时应尽量做到:(1)提供独立的配电箱而不与其他设备串用;(2)电网供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置;(3)电源始端有良好的接触; (4)进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线(n)与接地线(pe)应严格分开;(5)电源柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。2)数控系统位置环故障(1)位置环报警。这可能是位置测量回路开路、测量元件损坏、位置控制建立的接口信号不存在等造成的。(2)坐标轴在没有指令的情况下产生运动。这可能是漂移过大、位置环或度环接成正反馈、反馈接线开路、测量元件损坏等造成的。(3)机床坐标找不到零点。这可能是零方向远离零点、编码器损坏或接线开路、光栅零点标记移位、回零减速开关失灵等造成的。(4)机床动态特性变差，工件加工质量下降，甚至在一定速度下机床发生振动。这其中有很大一种可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重，或者导轨润滑不充分以至磨损造成的。对于电气控制系统来说则可能是速度环、位置环和相关参数已不在最佳匹配状态，应在机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。3)偶发性停机故障这里有两种可能的情况:一种情况是相关软件设计中的问题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，一般情况下机床断电后重新通电便会消失;另一种情况是由环境条件引起的，如强力干扰(电网或周边设备)、温度过高、湿度过大等。这种环境因素往往被人们所忽视，例如南方地区将机床置于普通厂房甚至靠近敞开的大门附近，电源柜长时间开门运行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾的设备等等。这些因素不仅会造成故障，严重的还会损坏系统与机床必须注意改善。5故障举例分析一台处于正常使用期的fanuc系统的xk08数控铣床在运行过程中, z轴产生31号报警。（1）维修前准备查看维修手册,31号报警内容误差寄存器的内容大于规定值。故障特征为: z轴跟随误差软件报警。分析现象跟随误差涉及的是位置环问题又因为是驱动z轴时出现的报警故可预估故障大定位在z轴位置环。分析闭环工作原理:位置环系统是由控制单元与驱动单元为主链、位置检测反馈回路为副链的闭环。（2）罗列故障成因导致报警条件成立有以下三种可能,现采用排他法来选出最有可能的成因。（3工作/控制指令值过大或过小。可能是cnc装置或控制器损坏或受干扰,但是可能性很小。可以排除。（4）允差值过小。可能成因有:a.参数设置错误。这不可能,因为机床并非处于调试阶段。b.参数被修改了。可能是外界干扰或存储器失电。若干扰导致参数混乱的结果,那么被修改的参数就不止一个。故首先查参数。（5）实测值过小或过大,而工作指令正常。可能成因有:a.反馈信号线接反而成了“正反馈”,根随误差过大。不可能,因为并非维修或调试后的机床。b.反馈信号的增加或丢失。因为信号线及监测系统的屏蔽与接地不良、周围有感性负载的干扰、传感器松动与摆动安装不良等原因。故应检查位置检测装置系统的屏蔽与接地,并调查环境。c.反馈信号的滞后,在规定的监测时间内信号未到达而使实测值为0。用久的机床上易发生:位置传感器的污染、信号线的损坏以及接触不良、位置偏移或损坏等。故应检查位置检测装置系统及其接线系统。d.没有反馈信号。 6.数控机床故障诊断的一般步骤当数控机床发生故障时，除非出现危险及数控机床或人身安全的紧急情况，一般不要关断电源，要尽可能地保持机床原来的状态不变，并对出现的一些信号和现象做好记录，这主要包括：（1）故障现象的详细记录（2）故障发生的操作方式及内容（3）故障号及故障指示灯的显示内容（4）故障发生时机床各部分的状态与位置有无其他偶然因素故障发生时机床各部分的状态与位置，如突然停电、外线电压波动较大、打雷、某部位进水等。数控机床一旦发生故 ，首先要沉着冷静，根据故障情况进行全面的分析，确定查找故障源的方法和手段，然后有计划、有目的地一步步仔细检查，切不可急于动手，凭着看到的部分现象和主观臆断乱查一通。故障诊断一般按下列步骤进行：（1）详细了解故障情况。例如，当数控机床发生颤振、振动或超调现象时，要弄清楚是发生在全部轴还是某一轴；如果是某一轴，是全程还是某一位置；是一运动就发生还是仅在快速、进给状态某速度、加速或减速的某个状态下发生。为了进一步了解故障情况，要对数控机床进行初步检查，并着重检查荧光屏上的显示内容，控制柜中的故障指示灯、状态指示灯等。当故障情况允许时，最好开机试验，详细观察故障情况。（2）障情况进行分析，缩小范围，确定故障源查找的方向和手段。对故障现象进行全面了解后，下一步可根据故障现象分析故障可能存在的位置。有些故障与其他部分联系较少，容易确定查找的方向，而有些故障原因很多，难以用简单的方法确定出故障源的查找方向，这就要仔细查阅数控机床的相关资料，弄清与故障有关的各种因素，确定若干个查找方向，并逐一进行查找。（3）由表及里进行故障源查找。故障查找一般是从易到难、从外围到内部逐步进行。所谓难易，包括技术上的复杂程度和拆卸装配方面的难易程度。技术上的复杂程度是指判断其是否有故障存在的难易程度。在故障诊断的过程中，首先应该检查可直接接近或经过简单的拆卸即可进行检查的那些部位，然后检查需要进行大量的拆卸工作之后才能接近和进行检查的那些部位。 7.维修实例分析 下面针对本校的数控车床xk714b在电气装配及调试过程中遇到的故障现象进行实例分析。该车床为欧式结构，配备华中hnc21-td数控系统，霍尔元件式四方刀架，主轴由交流电动机和变频器控制，进给伺服系统为半闭环控制。（1）刀架不能正常换刀故障 故障现象：刀到四号到位时，无法找到刀位，刀架转动几圈后刀架超时报警。分析诊断：该机床使用的是霍尔元件式刀架，刀架转动几圈后换刀超时报警，说明无法找到相应到位，即没有刀架中该刀位的信号，检查电器柜端子板连接四号刀换刀限位的459号线，发现其脱落，然后将459号线接到正确位置，故障排除。（2）主轴出现噪声的故障维修故障现象：主轴噪声较大，主轴无载荷情况下，负载表指示超过40%故障分析：首先检查主轴参数设定，包括放大器型号、电动机型号及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机旋转情况，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机旋转情况，发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为1，即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测元件有问题。经检查发现安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。（3）刀架、刀库、换刀装置的故障维修故障现象：某加工中心采用凸轮机械手换刀。换刀过程中，动作中断，发出2035号报警，显示机械手伸出故障。分析诊断：根据报警内容，机床是因为无法执行下一步“从主轴和刀库中拔出刀具”而使换刀过程中断并报警。机械手未能伸出完成从主轴和刀库中拔刀动作，产生故障的原因可能有：1）“松刀”感应开关失灵。在换刀过程中，各动作的完成信号均由感应开关发出，只有上一动作完成后才能进行下一动作。第三步为“主轴松刀”，如果感应开关未发信号，则机械手“拔刀”就不会动作。检查两感应开关，信号正常。2）“松刀”电磁阀失灵。主轴的“松刀”，是由电磁阀接通液压缸来完成的。如电磁阀失灵，则液压缸未进油，刀具就“松”不了。检查主轴的“松刀”电磁阀，动作均正常。3）“松刀”液压缸因液压系统压力不够或漏油而不动作，或行程不到位。检查刀库松刀液压缸，动作正常。行程到位；打开主轴箱后罩，检查主轴松刀液压缸，发现已到达松刀位置，油压也正常，液压缸无漏油现象。4）机械手系统有问题，建立不起“拔刀”条件。其原因可能是电动机控制电路有问题。检查电动机控制电路系统正常。5）刀具是靠碟形弹簧通过拉杆和弹簧卡头将刀具柄尾端的拉钉拉紧的。松刀时，液压缸的活塞杆顶压顶杆，顶杆通过空心螺钉推动拉杆，一方面使弹簧卡头松开刀具的拉钉，另一方面又顶动拉钉，使刀具右移而在主轴锥孔中变“松”。处理方法：拆下“松刀”液压缸，检查发现这一故障系制造装配时，空心螺钉的伸出量调的太小，故“松刀”液压缸行程到位，而刀具在主轴锥孔中“压出”不够，刀具无法取出。调整空心螺钉的“伸长量”，保证在主轴“松刀”液压缸行程到位后，刀柄在主轴锥孔中的压出量为0.4-0.5mm。经以上调整后，故障可排除。8. 掌握电气故障排除的方法故障的排除是维修人员的一项重要工作，要彻底排除故障，必须清楚故障发生的原因，更重要的是能从理论上分析、解决故障发生，要具有一定的专业理论知识，要掌握排除故障的方法。（1）电阻测试法 电阻测试法是一种常用的测量方法。通常是扎用万用表的电阻档，测量电机、线路、触头等是否书使用标值以及是否通断的一种方法，或用兆欧表钡相与相、相与地之间的绝缘电阻等。测量时，注意选择使用的量程与校对表的准确性，一般使用电阻法测量时通用做法是先选用低档，同时要注意被测线路是否有回路，并严禁带电测量。（2）电压测试法电压测试法是指利用万用表相应的电压档，测量电路中电压值的一种方法。通常测量时，有时测量电源、负载的电压，有时也测量开路电压，以判断线路是否正常。测量时应注意表的档位，选择合适的量程，一般测量未知交流或开路电压时通常选用电压的最高档，以确保不至于在高电压低量程下进行操作，以免把表损坏;同时测量直流时，要注意正负极性。（3）电流测试法电流测试法是通常测量线路中的电流是否符合正常值，以判断故障原因的一种方法。对弱电回路采用将电流表或万用表电流档串接在电路中进行测量;对强电回路，常采用钳形电流表检测。（4）仪器测试法借助各种仪器仪表测量各种参数，如用示波器观察波形及参数的变化，以便分析故障的原因，多用弱电线路中。（5）常规检查法依靠人的感觉器官(如:有的电气设备在使用中烧焦的糊味，打火、放电的现象等)并借助于一些简单的仪器(如:万用表)来寻找故障原因。这种方法在维修中最常用，也是首先采用的。（6）更换原配件法 即在怀疑某个器件或电路板有故障，但不能定，且有代用件时，可替换试验，看故障是否消失，恢复正常。（7）直接检查法 对在了解故障原因或根据经验，判断出现故障位置，可以直接检查所怀疑的故障点。(8)逐步排除法 如有短路故障出现时，可逐步切除部分线路以确定故障范围和故障点。(9)调整参数法 有些情况，出现故障时，线路中元器件不一定坏，线路接触也良好，只是由于某些物理量调整得不合适或运行时间长了，有可能因外界因素致使系统参数发生改变或不能自动修正