（机械电子工程专业论文）高速铣齿机床故障诊断系统设计.pdf

硕士学位论文 摘要 数控机床涉及电气、液压、机械等多个领域，排除数控机床故障时间长、难度大， 对维修人员的要求很高。提高数控机床自身的故障诊断能力，可降低对维修人员的技术 要求，提高机床的使用效率和可靠性。 本文以高速铣齿机床为研究对象，以数控机床的自动故障诊断为目的。将故障树分 析法应用到高速铣齿机床液压系统的故障诊断中，实现故障的定性分析与定量分析；以 多元线性回归方法建立主轴切削力矩经验公式，完成切削过程力矩监控；结合p l c 程序 实时监控机床各电气部件，实现故障自动报警和故障提示。主要的研究工作如下： 1 ) 建立液压系统故障树，找出液压系统故障原因与压力继电器的信号对应关系，数 控系统根据p l c 信号实现液压系统的故障诊断报警提示。根据可靠性的定义，借助 m a t l a b 工具分析液压系统的可靠性，得出机床液压系统的检修时间。 2 ) 由进给速度v 卜切削深度嘞与刀盘转速，z ，获取切削力矩实验数据，采用多元线 性回归方法，借助m a t l a b 得到经验公式参数，计算切削力矩值，p l c 根据计算值与 实际测得值比较，实现力n - r _ 过程中切削力矩的实时监控，在故障早期发出报警信号。 3 ) 分析高速铣齿机床电气原理图，加入辅助触点实现p l c 对电气部件的实时状态监 控；分祈高速铣齿机床操作中的控制程序，加入操作报警提示程序，有效避免操作人员 的误操作；在机床导轨上加入硬限位，避免超程故障。 4 ) 给出高速铣齿机床在加入报警后的加工过程流程图及加工程序。说明p l c 程序的 基本结构、子程序调用方法及报警文本的制作方法。制作报警文本，实现高速铣齿机床 报警提示的显示。 本课题完成了高速铣齿机床故障诊断系统设计，方便操作人员实时了解机床工作状 况，在机床发生故障时，能有效提高维修人员查找与排除故障的效率。 关键词：数控机床液压故障树成形铣齿可编程逻辑控制器 a b s t r a c t a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n er e l a t e dt om e c h a n i c a l ，e l e c t r i c a l ，h y d r a u l i ca n do t h e rf i e l d s i ft h e r ei ss o m e t h i n gw r o n gw i t ht h em a c h i n e ，i t sd i f f i c u l ta n dn e e d sal o n gt i m et or u l eo u t ， t h er e l e v a n tt e c h n i c a lr e q u i r e m e n t so ft h em a i n t e n a n c ew o r k e ri sh i 曲t h u s ，i m p r o v i n gt h e f a u l t d i a g n o s i sc a p a b i l i t y o fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n ec a nd e c r e a s et h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t so f t h em a i n t e n a n c ew o r k e ra n di n c r e a s et h eu s ee f f i c i e n c ya n dt h er e l i a b i l i t yo f t l l em a c h i n e t h eh i 曲s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n ew a sr e s e a r c h e d ，o nt h ep u r p o s eo fa u t o m a t i c d i a g n o s i so ft h en u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n e f a u l tt r e ea n a l y s i sw a su s e di nt h ef a u l td i a g n o s i s o ft h eh y d r a u l i cs y s t e mo ft h eh i 曲s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n e ，t h eq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa n d t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ef a u l t sw a sr e a l i z e d t h ee m p i r i c a lf o r m u l ao ft h em i l l i n g t o r q u ew a se s t a b l i s h e db yt h em u l t i v a r i a b l el i n e a rm e t h o d ，r e a l - t i m em o n i t o r i n gf o rt h e m i l l i n gt o r q u ew a sr e a l i z e d t h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t sw e r er e a l - t i m em o n i t o r e db yp l c a u t o m a t i cd i a g n o s i sa n df a u l th i n t i n gf u n c t i o nw a sr e a l i z e d t h eo u t l i n eo ft h i sr e s e a r c hw a s a sf o l l o w i n g ： 1 ) t h ef a u l tt r e eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p sb e t w e e n t h ef a u l tr e a s o n so ft h eh y d r a u l i cs y s t e ma n dt h es i g n a l so ft h ep r e s s u r e r e l a y sw e r ef o u n d ，a n dc n cs y s t e mc a ns h o wt h ea l a r m so ft h ef a u l td i a g n o s i so ft h eh y d r a u l i c s y s t e ma c c o r d i n gt ot h es i g n a l so fp l c t h er e l i a b i l i t yo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw a sa n a l y z e d w i t ht h eh e l po fm a t l a b ，a n dt h er e p a i rt i m eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e mw a s g o t 2 ) t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao fm i l l i n gt o r q u ew a sg o ta c c o r d i n gt ot h ef e e dr a t e ，t h ec u t t i n g d e p t h ，a n dt h er o t a t i o n a ls p e e do ft h ed i s cc u t t e r t h em u l t i v a r i a b l el i n e a rm e t h o dw a su s e di n g e t t i n gt h ep a r a m e t e r so fe m p i r i c a lf o r m u l aa n dc a l c u l a t i n gm i l l i n gt o r q u ew i t ht h eh e l po f m a t l a b r e a l t i m em o n i t o r i n gf o rt h em i l l i n gt o r q u ei nm a c h i n gp r o c e s su s i n gp l c ，a n d p l cc a ns e n dt h ea l a r ms i g n a la tt h ee a r l yf a u l ta c c o d i n gt ot h ec o m p a r i s o nb e t w e e n c a l c u l a t e dv a l u ea n dm e a s u r e dv a l u e 3 ) t h ee l e c t r i c a ls c h e m a t i cd i a g r a mo fh i 曲s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n ew a sa n a l y z e d ， a n dr e a l t i m em o n i t o r i n gf o rt h ee l e c t r i c a lc o m p o n e n t sw i t hp l cb ya d d i n ga u x i l i a r yc o n t a c t s i i 硕士学位论灭 t h ec o n t r o lp r o g r a mo ft h eh i 曲s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n ew a sa n a l z e d ，a l a r mp r o g r a mw a s a d d e di n t oi tt oa v o i dm i s o p e r a t i o n ，a n dp o s i t i v es t o pw a sa d d e di n t om a c h i n et o a v o i d s u p e r - p a t h 4 ) m a c h i n gp r o c e s sf l o w c h a r ta n dm a c h i n gp r o g r a m w e r eg i v e na f t e rt h ea l a r mp r o g r a m w a sa d d e di n t ot h em a c h i n e t h eb a s i cs t r u c t u r eo fp l cp r o g r a m ，t h ec a l l i n gm e t h o do f s u b r o u t i n ea n dt h em a k i n gm e t h o do fa l a r md o c u m e n tw e r es h o w n t h ea l a r md o c u m e n tw a s m a d e ，a n dt h es h o w no fa l a r mh i n t i n gi nh i 曲s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n e w a sr e a l i z e d t h ed e s i g no ff a u l td i a g n o s i ss y s t e mw a sf i n i s h e d ，w h i c hc a np r o v i d eo p e r a t o r c o n v e n i e n c ef o rr e a l t i m ek n o w i n gt h es i t u a t i o no ft h em a c h i n ea n di m p r o v ee f f i c i e n c yo f f i n d i n ga n ds o l v i n gp r o b l e m sw h e n t h em a c h i n ei sb r o k e nd o w n k e y w o r d s ：n u m e r i c a lc o n t r 0 1m a c h i n e ； p l c h y d r a u l i c ；f a u l tt r e e ；f o r m i n gg e a rm i l l i n g ； 1 1 1 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景及意义l 1 2 数控机床故障诊断技术2 1 2 1 故障诊断方法2 1 2 2 数控机床故障诊断技术的发展趋势3 1 3 数控铣齿机床4 1 3 1 铣齿4 1 3 2 高速铣齿机床结构5 1 3 3s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统6 1 3 4p l c 模块7 1 4 本文研究主要内容8 第2 章故障树分析方法1 0 2 1 故障树分析法概述1 0 2 1 1 概j 苤1 0 2 1 2 故障树中的应用符号1 1 2 1 3 故障树的建造1 2 2 2 故障树分析1 3 2 2 1 故障树的定性分析1 3 2 2 2 故障树的定量分析1 5 2 3 本章小结1 5 第3 章液压系统的故障诊断1 6 3 1 液压系统的故障树分析1 6 3 1 1 液压系统基本原理1 6 i v 硕士学位论文 3 1 2 液压系统故障树的建立1 7 3 2 液压系统的报警提示18 3 2 1 液压系统故障信号分析18 3 2 2 液压系统故障报警提示程序2 0 3 3 液压系统的可靠性分析2 2 3 3 1 可靠性定义一2 2 3 3 2 液压系统可靠度计算2 4 3 4 本章小结2 6 第4 章主轴切削力矩故障诊断2 7 4 1 多元线性回归2 7 4 1 1 多元线性回归的数学模型2 7 4 1 2 参数的最小二乘估计一2 8 4 1 3 回归方程的显著检验一2 8 4 2 切削力距实验研究2 9 4 2 1 切削力矩实验方案一2 9 4 2 2 实验数据处理31 4 3 切削过程监控及报警提示3 3 4 3 1 切削力矩监控过程3 3 4 3 2 切削力矩报警提示3 4 4 4 本章小结3 7 第5 章机床操作报警提示3 8 5 1 电气柜部件状态监控3 8 5 2 手动操作报警提示4 0 5 3 机床硬限位超程报警4 3 5 4 本章小结4 6 第6 章故障诊断系统的功能及实现4 7 6 1 故障诊断在加工过程中的功能4 7 6 1 1 高速铣齿机床加工过程一4 7 6 1 2 数控加工程序4 9 v 目录 6 2p l c ( s 7 3 0 0 ) 软件使用5 0 6 38 4 0 d 系统报警的实现5 4 6 3 18 4 0 d 系统报警文本的制作5 5 6 3 2 报警功能的实现一5 7 6 4 本章小结5 8 第7 章结论及展望5 9 7 1 结论5 9 7 2 展望6 0 参考文献6 1 攻读学位期间成果6 4 致谢6 5 附录6 6 v i 硕士学位论文 i i 课题研究背景及意义 第1 章绪论 本课题来源于2 0 0 9 年度江苏省科技支撑计划( 工业) 项目“高效大型极坐标数 控铣、滚齿复合机床关键技术研究及其应用( b e 2 0 0 9 1 6 7 ) ”。 传统的齿轮加工方式一般采用滚齿、插齿或指形铣刀来铣齿，对于加工大模数齿轮， 生产效率低。西方发达国家在高速、高效齿轮加工方面的新技术推广非常快。如德国的 罗特艾德公司是世界最大的回转支承生产商，其齿轮加工大部份采用数控高速铣齿机床； 意大利的索尔公司是工程机械制造商的后起之秀，其大直径齿轮的加工主要采用数控高 速成形铣齿机床与成形磨齿机床，这种粗铣加精加工的方法可以使齿轮加工效率提高 3 5 倍。国内南京高速齿轮公司、三一集团及瓦轴集团等单位相继采用粗铣、精滚或精 磨齿轮加工的新工艺【。 数控铣齿机床的数量逐年增加，国外铣齿机床质量可靠但价格是国内机床的3 - - 5 倍，并且一旦机床出现故障维修费用昂贵，国内的铣齿机床在质量上与国外的机床上有 一定的差距，但由于价格优势也占有一定的市场份额。生产设备的可靠性不论有多高， 其发生故障都是不可避免的，因此用户关心的不仅是机床能连续工作时间的多少，还有 在设备出现故障征兆时如何及时对其进行维修等。由于数控机床的故障的复杂性，用户 自身很难确定故障原因并进行维修，设备制造企业对其所生产的设备也难以提供快捷的 服务和技术支持。这就要求数控机床本身具有一定的故障报警提示，帮助用户了解故障 原因并可进行一些简单故障的排除以及帮助设备制造企业在维修机床之前做好相关准备 工作。 数控机床是国防工业现代化的重要战略装备，关系到国家战略地位和体现国家综合 国力水平的重要标志。对国内的数控设备生产企业来说，在竞争中不仅要比技术、比质 量，还要比拼对市场的响应速度和产品售后服务的质量 2 】。 数控设备集机、电、液、气于一体，技术含量高，一旦发生故障，数控设备用户凭 借自身的技术力量难以解决其所有问题。目前数控设备的维护仍然采用传统的方式，即 一旦数控设备发生故障，依赖于有丰富经验的工程师，或者是数控设备的生产厂家。对 数控设备的诊断主要依赖维修人员的经验知识，而这些经验知识一般只存在于维修人员 的大脑里，没有规范的维护维修记录，不利于诊断知识的共享，同时它也成为制约维修 第1 章绪论 维护水平进一步提高的瓶颈【3 。 对于机械设备，特别是关键设备进行实时监控与故障诊断可以有效减少事故的发生， 节省维修费用和时间。英国调查了数千家工厂，证实了采用诊断技术后，设备维修费用 可以减少五分之一到二分之一，故障停机时间减少了四分之三 4 j 。 本课题研究的意义：使得用户在数控设备发生故障后，能借助本系统帮助快速诊断 出故障原因，找到排除故障的方法，有效的缩短因设备故障而造成的设备停机时间。同 时对于设备制造商来说，通过使用本系统进行技术支持，减少了产品维修人员的出差次 数及时间，降低了售后技术支持费用，增强了产品的市场竞争力。 1 2 数控机床故障诊断技术 1 2 1 故障诊断方法 机械设备的故障诊断主要是指对制造设备及制造过程的状态监测及故障诊断。故障 诊断主要包括两个方面：一是对机械设备的运行状态进行监测：二是在设备发生故障后 对故障进行分析及诊断【5 j 。 随着集成电路的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积缩小，价格 逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善，数控装置的故障已从数控机床总的故障 次数中占主导地位降到了很次要的地位，约占整个故障的5 5 。数控机床本体故障约占 整个故障的5 7 ，包括主轴箱故障、导轨副和丝杠螺母副的配合故障，润滑及支承的预 紧故障、液压和气动装置故障。电子控制系统故障约占整个故障的3 7 5 ，包括伺服系 统故障、检测元件故障、机床电器故障、执行电器及各种电机故障 6 】 7 1 。 数控机床故障的常用诊断方法有8 9 】 1 0 】： 1 ) 直观法：即操作者利用感官观察故障发生时的各种光、声、味等异常现象，判断 故障的可能部位或部件。 2 ) c y c 自诊断法：利用数控系统硬件及软件报警的自诊断功能找出故障原因。 3 ) 参数估计诊断法：当故障由参数的显著变化来描述时，可利用已有的参数估计方 法来检测故障信息，根据参数的估计值与正常值之间的偏差情况来判定系统的故障情况。 4 ) 一致性检验诊断法：通过检验系统实际模型是否与正常模型一致来实现故障检测。 5 ) 备件置换法：利用备用的元件替换可疑的故障元件，观察故障转变情况，从而找 出故障原因。 壁主兰堡垒查 6 ) 测量比较法：一般机床上有很多端子，可用万用表或示波器测量这些端子的信号， 将测得值与正常值进行比较分析故障原因及部位。 7 ) 原理分析法：当发生故障时，从设备的工作原理出发，在逻辑关系上推出可能的 故障原因，这个方法对维修人员的技术要求比较高。 除了以上几种方法还有故障树分析法、敲击法、p l c 程序法等，在故障诊断时通常 多种方法综合运用，到达排除故障的目的。 1 2 2 数控机床故障诊断技术发展趋势 随着电子测量技术、信号处理技术、通信技术、计算机及人工智能技术的发展，国 内外已将一些新的概念引入到诊断领域，数控机床故障诊断技术也有了很大的发展。 1 ) 自诊断系统：数控机床自诊断系统也称为自修复系统，一旦某个模块出现故障， 系统通过自诊断程序启动系统内备用的模块。如辛辛那提公司生产的系统就采用了这种 自修复技术。但是自修复技术需要备用模块插入备用插槽，出于成本的考虑一般只会将 重要的模块插入备用插槽【1 1 1 。 2 ) 故障诊断专家系统：专家系统是一种“基于知识”的智能计算机程序诊断系统， 它的实质是在程序内部有特定领域大量专家的知识和经验，以此为基础求解实际问题的 智能系统。对于数控机床，故障诊断专家系统主要用于机床状态监测、故障分析及处理 等方面【1 2 】 1 3 】。王申银对具有代表性的加工中，t , t h s 5 6 4 0 2 及c k 615 0 数控车床进行了故障 分析，介绍了数控机床故障诊断专家系统的实现步骤，建立了知识库和推理机【l4 1 。翟大 鹏运用故障树分析法建立数控机床主要故障部位的故障树，通过a c c e s s 建立故障数据库， 并采用v b 6 0 来开发设计数控机床故障诊断专家系统 1 5 1 。 3 ) 人工神经网络诊断技术：人工神经元网络，简称神经网络，它是在对人脑思维研 究的基础上，模仿人的大脑神经元结构特征，应用数学方法将其简化、抽象并模拟，而 建立的一种非线性动力学网络系统。由于神经网络系统具有处理复杂多模式及进行联系、 推测、容错、记忆、自适应、自学习等功能，作为一种新的模式识别技术和知识处理方 法，人工神经网络在故障诊断领域中显示出极大的应用潜力，这是数控机床故障诊断技 术新的发展途径 1 l 】 1 6 ” 。黄建军建立了改进b p 神经网络的非线性系统预测模型，实现 了对机床刀架的振动趋势进行多步预测 1 引。 4 ) “基于行为”的智能化故障诊断技术：“基于行为 的计算机辅助诊断的基本原理 是从某台机器的实际运行状态出发，“自下而上”，即从具体到一般( 而“基于知识”的 第1 章绪论 专家系统则是“自上而下”，即从一般到特殊) ，从机器工况状态的变化判断其故障属性 1 1 1 。智能化故障诊断系统的目标是根据设备的运行行为，经过自动识别自我完善从初级 智能系统发展为高级智能针对某一特定设备的专用系统【1 5 】。 5 ) 远程故障诊断系统：即设备远程通信系统，西门子生产的数控系统具有这种诊断 功能 1 1 】 1 9 】。曾林峰以武汉华中数控股份有限公司生产的数控系统为对象，研究基于w e b 的数控机床远程故障诊断方法 3 】。聂彩丽针对数控机床的机械故障研究了基于w e b 并集 成了神经网络和专家系统的数控机床故障诊断系统 2 0 1 。 数控机床的故障诊断技术大体由三部分组成 2 l 】： 1 ) 对造成电气和机械部件失效的疲劳、磨损、断裂、腐蚀等物化原因的研究； 2 ) 对故障诊断的信息研究。即故障信号的采集、处理与分析的研究； 3 ) 对数学原理与诊断逻辑方面的研究。通过模型方法、逻辑方法、推理和人工智能 方法，判断故障发生的部位和发生故障的原因。 多信息量融合、多层次诊断集成、故障诊断与控制结合的集成是数控机床故障诊断 发展的方向。 1 3 数控铣齿机床 1 3 1 铣齿加工 铣齿是一种用单齿或多齿刀具进行的断续切削。铣刀安装在旋转的主轴上，工件 安装在工作台上，铣刀作直线运动趋近工件从而实现切削，轮齿由分度头进行分度。齿 轮铣削机床首先在美国、瑞士和德国发展并应用。国内近几年才开始使用齿轮铣削技术， 不同厂家生产的数控铣床配备的数控系统各不相同，但基本功能大致相同。 随着科技的发展，特别是以下几种技术的发展给铣齿技术注入了新的生机： 1 ) 数控技术的发展可以满足铣齿所要求的各种复杂运动； 2 ) n 量技术的发展可以满足机床的快速和准确分度及插补加工要求； 3 ) 高效率的粗加工逐步被提到重要的位置上来，而高速铣齿正好能满足这一要求； 4 ) z 面刃铣刀粗铣齿加工技术减少了大模数齿轮的粗加工工作量，提高了加工效率； 数控高速铣齿机正是在这种背景下应运而生，它能以最经济的价格获得最大的效益。 4 硕士学位论文 1 配重锤2 立柱 3 链轮 4 一主轴箱5 z 向拖板6 铣刀 7 被加工齿轮8 回转工作台9 - x 向拖板 图1 1s k x c 一4 0 0 0 铣齿机床结构图【2 2 j f i g 1 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fg e a rm i l l i n gm a c h i n eo fs k x c - 4 0 0 0 图1 1 是s k x c 4 0 0 0 铣齿机床。交流变频调速电机通过同步带和三级齿轮箱带动高 速铣齿机床的主轴。进给传动系统包括x 向和z 向的直线进给的传动和回转工作台的转 动进给的传动。水平进给直线运动与垂直进给直线运动通过两个方向的交流伺服电机、 精密齿轮减速箱、滚珠丝杆分别与拖板相联接；回转工作台由交流伺服电机经减速齿轮、 蜗轮副来实现。 1 3 2 高速铣齿机床结构 图1 2 描述了一台具有一个由交流变频器驱动的主轴和三个有伺服电机驱动的进给 轴组成的半闭环控制高速铣齿数控机床的基本工作原理图。 加工程序 输入接口 数控系统 操作面板 加工程序 读入处理 辅助功能 译码处理 机床可编 程控制器 p l c 进给位置 控制器 差补控制 速度控制 服单元m 服电机m 轴 司服单元m 服电机卜- 吨轴 司服单元帅服电机怫轴 交流变频器卜叫主轴 中间继电器卜_ - 叫执行器件( 如各类电机、电磁阀等) 态器件( 如各类指示灯、压力继电器等) 图1 - 2 高速铣齿机床工作原理图 f i g 1 2w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fh i g h s p e e dg e a rm i l l i n gm a c h i n e 数控机床可以分为“n c 侧”和“机床侧”两部分。“n c 侧”包括数控系统的软件及 硬件，还有与n c 系统连接的外围设备。“机床侧”包括液压系统、冷却及润滑系统、机 堑! 主竺笙 床电气线路、机床机械部分等。p l c 处于c n c 及机床之间，对“n c 侧”和“机床侧”的 各种信号进行处理。p l c 对机床和c n c 的信息交换有以下几个方面 1 0 】。 1 ) 机床侧一p l c ：机床侧的开关信号及模拟量信号通过p l c 的d i 、a i 接口送入p l c ， 这些信号的含义及地址由机床制造商定义。 2 ) p l c 一机床侧：p l c 控制机床的信号通过p l c 的d o 、a o 接口送给机床，这些信号 的含义及地址由机床制造商定义。 3 ) c n c p l c ：c n c 送至u p c c 的信号可以有开关量信号完成，也可以将信号送至t j p c c 的寄存器中，这些信号由c n c 的生产商定义，机床制造厂家只使用不可更改。 4 ) p l c c n c ：p l c 送至 j c n c 中的信号可以有开关量信号完成，所有p l c 送至i j c n c 中的信号含义由c n c 生产商确定，机床制造商仅可使用。 1 3 3s i n u m e r i k 8 4 0 d 数控系统 s i m t m e r 8 4 0 d 数控系统，是西门子公司2 0 世纪9 0 年代推出的高性能数控系统。 它保持西门子前两代系统s i n u m e r 8 8 0 和8 4 0 c 的三c p u 结构：人机通信c p u ( m m c c p u ) 、数字控$ 1 j c p u ( n c c p u ) 和可编程逻辑控制器c p u ( p l c c p u ) 三部 分在功能上既相互分工，又互为支持 2 3 2 6 1 。如图1 3 所示： 图1 3 西门子8 4 0 d 系统组成 f i g 1 3c o m p o s i t i o no fs i e m e n s8 4 0 ds y s t e m 表1 1 、表1 2 、表1 3 为8 4 0 d 数控系统报警号分类【2 7 1 。 硕士学位论文 表1 1n c k 报警号分类 1 a b l e1 1a l a r mc l a s s i f i c a t i o no f n c k 报警号范围 功能 0 0 0 0 0 0 0 0 9 9 9 9 0 1 0 0 0 0 0 1 9 9 9 9 0 2 0 0 0 0 0 2 9 9 9 9 0 3 0 0 0 0 0 9 9 9 9 9 0 6 0 0 0 0 0 6 4 9 9 9 0 6 5 0 0 0 0 6 9 9 9 9 0 7 0 0 0 0 0 7 9 9 9 9 普通报警 通道报警 轴主轴报警 功能报警 s i e m e n s 循环报警 用户循环报警 编译循环，机床厂家编制的及o e m 报警 表1 2m m c 报警号分类 1 a b l e1 2a l a r mc l a s s i f i c a t i o no fm m c 报警号范围功能 1 0 0 0 0 0 1 0 0 9 9 9 1 0 1 0 0 0 1 0 1 9 9 9 1 0 2 0 0 0 1 0 2 9 9 9 1 0 3 0 0 0 1 0 3 9 9 9 1 0 4 0 0 0 1 0 4 9 9 9 1 0 5 0 0 0 1 0 5 9 9 9 1 0 6 0 0 0 1 0 6 9 9 9 1 0 7 0 0 0 1 0 7 9 9 9 l1 0 0 0 0 11 0 9 9 9 1 2 0 0 0 0 1 2 0 9 9 9 基本系统 诊断 维修 机床 参数 编程 备用 o e m m m c l o o 信息 m m c1 0 2 1 0 3 信息 表1 3p l c 报警号分类 乃6 l e l 3a l a r mc l a s s i f i c a t i o no f p l c 报警号范围功能 4 0 0 0 0 0 - 4 9 9 9 9 9 5 0 0 0 0 0 5 9 9 9 9 9 6 0 0 0 0 0 6 9 9 9 9 9 7 0 0 0 0 0 7 9 9 9 9 9 8 0 0 0 0 0 8 9 9 9 9 9 ( 8 1 0 0 0 1 8 1 0 0 0 9 ) 普通报警 通道报警 轴主轴报警 用户区 定序器图表 从p l c 发出的系统错误信息 1 3 4p l c 模块 s 小m e r 8 4 0 d 系统的p l c 部分使用的是西门子s i m a t i cs 7 3 0 0 的软件及模块， 在同一条导轨上从左到右依次为电源模块( p o w e rs u p p l y ) 、接口模块( i n t e r f a c em o d u l e ) 7 第1 章绪论 及信号模块( s i g n a lm o d u l e ) ，在高数铣齿机床上的p l c 如图1 - 4 2 8 1 。 最多8 个s m p si ms ms ms m 图1 4p l c 结构图 f i g i - 4s t r u c t u r ed i a g r a mo fp l c 电源模块( p s ) 是为p l c 提供+ 2 4 v 和+ 5 v 。 接口模块( m ) 是用于级间串联的。 信号模块( s m ) 是p l c 的输入输出模块。 1 4 本文研究主要内容 。) 最 【 多 产四 一j 级 数控机床的故障诊断根据系统的信号及其它诊断信号查明导致机床故障的初始原 因，并提出维修决策，使机床可靠、高效的工作发挥最大的效益。 随着数控机床的功能不断提高，一旦出现故障，排除时间增加，难度增加，相应的 停机造成的损失及维修费用也相应增加。由于数控机床涉及到多个学科，对维修人员技 术要求较高，故障的及时诊断及维修困难较大。如何在数控机床出现故障后进行快速诊 断和维修变得非常重要。 本课题研究内容： 1 ) 将故障树分析法应用到高速铣齿机床液压系统的故障诊断中，建立液压系统的故 障树。找出液压系统故障原因与压力继电器的信号对应关系，使得数控系统能够根据p l c 信号实现液压系统的故障诊断报警提示。 2 、) 对s k x c 4 0 0 0 数控高速铣齿机床主轴切削力矩进行实验研究，由实验获取进给速 度v f 、切削深度a p 和刀盘转速n 确定的切削力矩实验数据，通过数据拟合获得经验公式。 通过p l c 对切削过程进行实时监控将切削力矩理论值与实际测得值进行比较，在故障发 硕士学位论文 生早期提出报警并立刻停机等待检查。 3 ) 分析高速铣齿机床电气原理图及p l c 逻辑控制程序，加入辅助触点及添加p l c 控制程序，完成对电气部件实时状态监控以及机床误操作的报警提示，找出避免机床超 程故障的方法。 4 ) 研究数控机床的加工过程及加工程序，设计出机床运行过程中报警程序的调用方 式。找出制作报警文档并将其与西门子8 4 0 d 数控系统的连接方法，使得发生故障时可 以由数控系统给出报警提示及解决方案。 第2 章故障树分析方法 第2 章故障树分析方法 2 1 故障树分析法概述 2 1 1 概述 故障树分析、法 2 9 1 ( f a u l tt r e ea n a l y s i s ) 简称f t a 法，是一种将系统故障形成的原因 由总体至部分按树枝状逐级细化的分析方法，是对复杂动态系统的设计或现场发生失效 形式进行可靠性分析的工具，目的是判明基本故障，确定故障的原因、影响和发生概率 【3 0 】 o 美国贝尔电话实验室1 9 6 1 年将故障树分析法应用在“民兵”导弹发射系统的设计中， 成功的对导弹随机失效问题做出了预测。随后有很多重要的分析技术应用到了故障树分 析法中。目前故障树分析法被公认为是分析系统可靠性及安全性的一种具有发展前途的 方法【3 1 】。 故障树分析法是将所要研究的系统最不希望发生的故障现象作为故障分析的目标， 然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成这些原因的事件发生的全部直 接因素，一直追查到原始的、不能再深究的因素为止。将最不希望发生的事件称为顶事 件，最底层不用深究的事件称为底事件，介于顶事件及底事件中间的称为中间事件。这 些事件由相应的符号代表，然后用合适的逻辑门将这些符号连接成树状图，这个图形就 称为故障树。以故障树为基础，分析各种可能引发系统故障的原因，评估系统可靠性或 者安全性的方法称为故障树分析法。 故障树分析法的优点： 1 ) 直观、形象：故障树分析法是从系统到部件再到零件这样的“下降形”分析方法， 通过逻辑符号绘制出的一个倒树形图。图形能将系统的故障与导致该故障的各种因素直 观而又形象的呈现出来。 2 ) 灵活、多用：对系统的可靠性、安全性进行定性分析及定量分析，可以分析由单 个元件导致的系统故障或者两个或以上元件同时导致的系统故障。还可分析系统中各元 件的重要程度，可同时考虑环境因素和人为因素的影响。 3 ) 多目标、可计算：在设计中，帮助设计者直观的了解系统的故障模式，对系统故 障进行预测和诊断，找出薄弱环节提出改进措施，实现系统设计的最优化方案。在设各 硕士学位论文 管理和维修中，以故障树为基础分析故障原因，可以优化配置元件的备品，采取合理的 维修措施。在计算中，可以用计算机结合故障树完成定量分析。 故障树分析方法的缺点是：理论性较强，逻辑性较严密，它要求分析人员对所要研 究的系统有充分的理解，否则在建立故障树的过程中遗漏一些重要信息将导致错误的结 果，同时建立故障树也是一件相当费时的工作口9 1 。 故障树分析法在实际应用中的作用 3 2 】： 1 ) 系统的可靠性及安全性分析； 2 ) 系统的故障原因分析及系统检修表的制定； 3 ) 通过对系统的可靠性分析，评价系统中各个元件的重要度，为改进系统设计方案 及选型提供理论基础； 4 ) 分析系统发生故障的概率，比如在宇航、导弹及核电站中的应用： 5 ) 制作的故障树可以为管理人员及维修人员的培训提供技术资料。 2 1 2 故障树中的应用符号 描述系统状态、部件状态的改变过程叫事件。如果系统按规定要求完成所要求的功 能称为正常事件，如果系统不能完成所要求的功能则称为故障事件。故障树分析法中代 表故障事件的符号如图2 1 。 ( d ) 图2 1 故障事件符号 f i g 2 1s y m b o lo ff a i l u r ee v e n t 图2 1 ( a ) 为顶事件符号，指被研究系统最不希望发生的事件，位于故障树的顶端。 图2 1 ( b ) 为中间事件符号，位于顶事件与底事件之间。 图2 1 ( c ) 为底事件又称为基本事件，指系统内部件失效，它不可再进行分解或者 已有足够的原始数据，是在系统运行中的一个随机事件。 图2 1 ( d ) 为省略事件符号，指那些可能发生的故障但发生概率极小，或由于资料 缺乏不需要进一步分析或者原因不清楚的失效事件。 故障树分析法中用来连接各事件的逻辑门符号如图2 2 。 第2 章故障树分析方法 图2 - 2 故障树逻辑门符号 f i g 2 2l o g i cg a t es y m b o lo f f a u l tt r e e 图2 2 ( a ) 为逻辑与门符号，仅当输入事件全部发生时，门的输出事件才发生。 图2 2 ( b ) 为逻辑或门符号，只要一个或一个以上输入事件发生时，门的输出事件 就发生。 图2 2 ( c ) 为逻辑非门