数控技术及应用清华版9数控机床的故障诊断

第9章数控机床的故障诊断数控机床作为一种典型的机电一体化产品，是一个由多种技术综合在一起协同工作的复杂系统。在使用过程中不可避免地会发生这样或那样的故障，故障的定位和排除对机床的效率有着重大的影响。本章主要对数控机床故障的规律及故障诊断的方法进行一般性的总结介绍。第1页，共16页。19.1概述9.1.1系统可靠性和故障的概念系统可靠性是指系统在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力，而故障则意味着系统在规定条件下和规定时间内丧失了规定的功能。数控机床是个复杂的系统，由于种种原因，不可避免地会发生不同程度、不同类型的故障，导致数控机床不能正常工作。一般这些原因大致包括机械锈蚀、磨损和失效；元器件老化、损坏和失效；电气元件、插接件接触不良；环境变化等；随机干扰和噪声；软件程序丢失或被破坏等等。第2页，共16页。29.1.2数控机床的故障规律与一般设备相同，数控机床的故障率随时间变化的规律可用图9.1所示的故障曲线表示。1.初期运行期初期运行期的特点是故障发生的频率高，系统的故障率呈负指数函数曲线。使用初期之所以故障频繁，原因大致如下。(1) 机械部分(2) 电气部分(3) 液压部分2.有效寿命期数控系统要经过九至十四个月的运行才能进入有效寿命期。3.衰老期衰老期出现在数控机床使用的后期，其特点是故障率随着运行时间的增加而升高。第3页，共16页。39.1.3数控机床故障诊断的一般步骤故障诊断是指在系统运行或基本不拆卸的情况下，即可掌握系统当前运行状态的信息，查明产生故障的部位和原因，或预知系统的异常和劣化的动向并采取必要对策的一门技术。故障诊断一般按下列步骤进行：(1)详细了解故障情况。(2)根据故障情况进行分析，缩小范围，确定故障源查找的方向和手段。(3)由表及里进行故障源查找。第4页，共16页。49.2数控机床常用的故障诊断方法数控机床是涉及多个应用学科的十分复杂的系统，加之数控系统和机床本身的种类繁多，功能各异，不可能找出一种适合各种数控机床、各类故障的通用诊断方法。这里仅对一些常用的一般性方法作以介绍，在实际的故障诊断中，对这些方法要综合运用。第5页，共16页。59.2.1根据报警号进行故障诊断报警号(错误代码)一般包括下列几方面的故障(或错误)信息：程序编制错误或操作错误；存储器工作不正常；伺服系统故障；可编程序控制器故障；连接故障；温度、压力、液位等不正常；行程开关(或接近开关)状态不正确。利用报警号进行故障诊断是数控机床故障诊断的主要方法之一。第6页，共16页。69.2.2根据控制系统LED灯或数码管的指示进行故障诊断控制系统的LED(发光二极管)或数码管指示是另一种自诊断指示方法。如果和故障报警号同时报警，综合二者的报警内容，可更加明确地指示出故障的位置。在CRT上的报警号未出现或CRT不亮时，LED或数码管指示就是惟一的报警内容了。例如，FANUCl0、11系统的主电路板上有一个七段LED数码管，在电源接通后，系统首先进行自检，这时数码管的显示不断改变，最后显示“1”而停止，说明系统正常。如果停止于其他数字或符号上，则说明系统有故障，且每一个符号表示相应的故障内容，维修人员就可根据显示的内容进行相应的检查和处理。第7页，共16页。79.2.3根据PC状态或梯形图进行故障诊断现在的数据控机床上几乎毫无例外地使用了可编程序控制器(PC)，只不过有的与NC系统合并起来，统称为NC部分。控制对象一般是换刀系统，工作台板转换系统，液压、润滑、冷却系统及其他自动辅助装置等。这些系统及装置具有大量的开关量测量反馈元件，发生故障的概率较大。特别是在偶发故障期，NC部分及各电路板的故障较少，上述各部分发生的故障可能会成为主要的诊断维修目标。PC输入输出状态的确定方法是每一个维修人员所必须掌握的。因为当进行故障诊断时经常需要确定一个传感元件是什么状态以及PC的某个输出应为什么状态。用传统的方法进行测量非常麻烦，甚至难以做到。一般数控机床都能够从CRT上或LED指示灯上非常方便地确定其输入输出状态。第8页，共16页。89.2.4根据机床参数进行故障诊断机床参数也称机床常数，是数控系统与具体机床相匹配时所确定的一组数据，它实际上是NC程序中未定的数据或可选择的方式。机床参数通常存于RAM中，由厂家根据所配机床的具体情况进行设定，部分参数还要通过调试来确定。机床参数大都随机床以参数表等形式提供给用户。机床参数的内容广泛。如FANUC10，11，12系统的机床参数按功能分就有26大类：如与设定有关的参数、与轴控制有关的参数、与坐标系有关的参数、与进给速度有关的参数等等。第9页，共16页。99.2.5用诊断程序进行故障诊断所谓诊断程序就是对数控机床各部分包括数控系统本身进行状态或故障检测的软件，当数控机床发生故障时，可利用该程序诊断出故障源所在范围或具体位置。用诊断程序进行故障诊断一般有三种形式，即启动诊断、在线诊断或称后台诊断和离线诊断。启动诊断指从每次通电开始至进入正常的运行准备状态止，CNC内部诊断程序自动执行的诊断，一般情况下数秒之内即告完成，其目的是确认系统的主要硬件是否正常工作。在线诊断是指在系统通过启动诊断进入运行状态后由内部诊断程序对CNC及与之相连接的外设、各伺服单元和伺服电机等进行的自动检测和诊断。离线诊断是数控机床故障诊断的一个非常重要的手段，它能够较准确地诊断出故障源的具体位置，而许多故障靠传统的方法是不易进行诊断的。第10页，共16页。109.2.6经验法一般说来，对驱动系统故障应首先检查反馈系统、伺服电机本身、伺服驱动板及指令电压，如测速反馈环、位置反馈环、指令增益、检测倍率和漂移补偿等。对自动换刀不能执行则应首先检查换刀基准点的到位情况，液、气压是否正常，相关限位开关的动作是否正常等。知识和经验要靠平时的学习与维修实践的总结和积累，并无捷径可走，而这些又是数控机床维修所必不可少的。第11页，共16页。119.2.7换板法将怀疑目标用备件板进行更换，或用机床上相同的板进行互换。然后启动机床，观察故障现象是否消失或转移，以确定故障的具体位置。如果故障现象仍然存在，说明故障与所更换的电路板无关，而在其他部位；如果故障消失或转移，则说明更换之板正是故障板。此外，换板时，还要注意：(1)若不是对系统十分了解，有相当的把握，一般不要轻易更换CPU板及存储器板，这样有可能造成程序和机床参数的丢失，使故障扩大。(2)若是EPROM板或板上有EPROM芯片，请注意存储器芯片上贴的软件版本标签是否与原板完全一致。若不一致，则不能更换。(3)有些板是通用的，要根据机床的具体情况及使用位置进行设定。因此要注意板上拨动开关的位置是否与原板一致，短路线的设置是否与原板相同。第12页，共16页。129.3人工智能(AI)在故障诊断中的应用9.3.1专家系统的一般概念一般认为，专家系统是一个或一组能在某些特定领域内，应用大量的专家知识和推理方法求解复杂问题的一种人工智能计算机程序。一般专家系统如图9.2所示。它主要包括两大部分，即知识库和推理机。知识库中存放着求解问题所需的知识，推理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题。目前，主要存在以下几个问题：(1)知识获取困难，特别是经验性知识(启发式知识)更难获取。(2)对人的形象思维难以模拟。(3)知识领域狭窄。第13页，共16页。139.3.2数控机床故障诊断的专家系统从数控机床故障诊断的内容看，故障诊断专家系统具体可以用于以下三个方面：(1)故障监测。(2)故障分析，又叫故障分离或状态分析。(3)决策处理。第14页，共16页。149.4习题(1) 叙述故障及故障诊断的一般定义。(2) 为什么数控机床的故障规律会是如图9.1那样的？(3) 数控机床发生故障时，你会怎么去做？(4) 数控机床的常用故障诊断方法有哪些？(5) 什么是数控机床故障诊断的专家系统？系统是如何工作的？第15页，共16页。15内容梗概第9章数控机床的故障诊断。数控机床作为一种典型的机电一体化产品，是一个由多种技术综合在一起协同工作的复杂系统。本章主要对数控机床故障的规律及故障诊断的方法进行一般性的总结介绍。与一般设备相同，数控机床的故障率随时间变化的规律可用图9.1所示的故障曲线表示。初期运行期的特点是故障发生的频率高，系统的故障率呈负指数函数曲线。衰老期出现在数控机床使用的后期，其特点是故障率随着运行时间的增加而升高。9.1.3数控机床故障诊断的一般步骤。程序编制错误或操作错误。9.2.2根据控制系统LED灯或数码管的指示进行故障诊断。控制系统的LED(发光二极管)或数码管指示是另一种自诊断指示方法。9.2.3根据PC状态或梯形图进行故障诊断。这些系统及装置具有