数控维修技术讲座

数控维修知识讲座第1页，共90页。课程介绍

数控机床维修是数控机床应用技术专业的一门专业课，主要介绍CNC机床的安装工艺，机械调试及验收，CNC机床的机械结构特点，典型CNC系统的原理、参数设置、PLC编程及接口，伺服及主轴的调整，数控机床常见故障的查找与维修方法等内容。通过本课程的学习使学生熟悉数控机床故障诊断与维修技术，掌握数控机床日常维护、保养和故障排除方法。第2页，共90页。课程学习内容第一章概述第二章数控机床的组成第三章数控机床安装及验收第五章典型数控系统的结构第六章典型数控系统的报警与处理第七章数控机床维护与保养第四章数控机床的检修方法第3页，共90页。第一章概述

数控机床是高度机电一体化的技术装备，和普通机床相比也包括机械、电气、液压气动方面的故障，但电气系统更为复杂，故障侧重于电气、机械、液压等的交叉点。而且数控系统种类繁多，给检测和诊断带来很大的困难。本章内容1．数控机床的特点2．我国数控机床的发展现状3．加强数控维修的意义4．对数控维修人员的要求5．本课程的学习任务、要求第4页，共90页。1)40年代后期，由美国由美国北密支安的一个小型飞机工业承包商派尔逊斯公司提出了数控机床构想，设想通过控制机床的微小增量运动来加工机翼曲面即用记录有坐标位置的数据的穿孔卡来控制机床的动作，以实现曲线、曲面的加工。随后美国空军投入大量军费给MIT伺服机构实验室。2)1952年MIT第一台数控机床样机研制成功1953年开始应用初步应用MIT开发了APT编程系统3)飞机制造企业对数控机床需求的发展起了推动作用。

飞机结构复杂、精度要求高、大量复杂曲面形状零件、产量小、转型快，其生产特点决定了其急需NC设备，从而为数控机床的发展应用提供了机遇。数控机床产生的历史背景第5页，共90页。第一章概述１．数控机床的特点4).有利于实现管理和机械加工的自动化。2).可以提高生产效率，一般可提高加工效率3－5倍；3).适合于复杂形状零件加工；1).有利于提高加工精度，保证同批零件的一致性；优点：第6页，共90页。缺点：1).设备造价昂贵，机时费用高2).工作环境要求苛刻（温度、湿度、灰尘等）3).操作、编程、维修保养人员素质要求高第7页，共90页。第一章概述2．我国数控机床的发展现状起步年代：1958开始研制

目前生产能力：2001年国内数控机床产量已达1.8万台.2011年国内数控机床产量已达近25万台.国产数控系统：。华中数控。航天数控。蓝天数控。广州数控

第8页，共90页。第一章概述3．加强数控维修的意义

。技术需要。市场需要。企业的效益需要第9页，共90页。第一章概述4．对数控维修人员的要求1)专业知识面要广2)勤于学习，善于分析4)具有专业英语阅读能力5)具有较强的动手能力3)重视经验积累

第10页，共90页。总之要做到：要多看—多看数控资料多看各种技术图纸多看外文要多问—多问专家多问操作者多问其他维修人员第11页，共90页。要多记—多记有关的各种参数多记液压、机械状态坚持做工作笔记要多思—要开阔视野要知其他所以然考虑要领先一步第12页，共90页。要多练—要敢于动手，善于动手学会使用有关仪器进行“小改小革”要自己动手修板子第13页，共90页。第一章概述

尽管数控机床故障复杂，千变万化，只要我们认真对待，培养一支高素质的机电一体化的维修队伍，通过多看、多问、多思、多练、积累经验，掌握维修技巧，融会贯通，我们一定能够主要依靠自己的力量，把数控机床修好、用好、管好。第14页，共90页。第一章概述5．本课程的学习任务、要求。掌握数控机床基础知识

机床安装调试验收的的知识、验收机床精度的方法。。掌握典型数控系统的软硬件知识、具有对典型数控系统故障进行初步诊断及判断的能力。

。熟悉数控机床维修的原则方法。第15页，共90页。第二章数控机床的组成1.数控机床的主要组成部分输入输出设备第16页，共90页。①几何信息：确定加工零件的几何形状，如位移、圆心、曲面法矢量等.②辅助功能信息：说明加工条件，如刀具几何参数、进给速度和主轴转速、开关冷却液、程序结束等.③准备功能信息：说明插补类型、加工坐标平面、实现刀具半径补偿等.1)NC程序(控制介质）：NC程序传入NC机床的途径:键盘手工敲入、穿孔纸带、拷贝、I/O通讯接口第17页，共90页。①输入装置：接收外部的输入程序并存储②控制器：控制和协调数控装置各部分协调工作③运算器：接收控制信息，对集合信息进行插补运算并向输出装置发出进给脉冲④输出装置：将脉冲输出给伺服系统2)数控装置：由输入装置、控制器、运算器和输出装置组成。第18页，共90页。

数控装置工作流程示图第19页，共90页。

不同的数控机床研制机构,生产了不同的数控系统,即机床的同一运动,由于其数控系统的不同,其程序控制代码不同。世界上比较著名的数控系统有:现数控系统发展的趋势:统一、简捷、可读性强日本---FANUC系列数控系统德国---SIEMENS系列数控系统HEIDENHAIN系列数控系统中国---华中数控等数控系统第20页，共90页。3)伺服系统(数控机床运动的动力装置)工作过程：（弱电强电）脉冲信号伺服单元放大器电动机运转工作台、主轴移动丝杠转动伺服系统是数控装置与机床本体间的传动联系环节，可以将来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸的零件。第21页，共90页。

机床本体主要由床身、导轨、各运动部件、工作台、刀库、排屑器等组成。4)机床本体

机床本体指的是数控机床的机械构造实体。它与普通机床的差别，主要是机械传动的结构和功能部件要求更高。第22页，共90页。5)检测装置

在机床的坐标轴中安装有编码器、光栅尺等来实时监测运动部分的位移量,并与理论值比较,以确定需补充的运动脉冲量。第23页，共90页。数控机床工作流程第24页，共90页。数控系统与数控机床的组成

！！！第25页，共90页。操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具组成：按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器它是数控机床特有部件。数控系统与数控机床的组成第26页，共90页。控制介质与输入输出设备控制介质是记录零件加工程序的媒介输入输出设备是CNC系统与外部设备进行交互装置。数控机床常用的控制介质和输入输出设备同PC机。

数控系统与数控机床的组成第27页，共90页。通讯现代的数控系统除采用输入输出设备进行信息交换外，一般都具有用通讯方式进行信息交换的能力。它们是实现CAD/CAM的集成、FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通讯（RS-232等串口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式，MAP协议等）网络技术（internet，LAN等）。

数控系统与数控机床的组成第28页，共90页。

CNC装置(CNC单元)组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板，通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件。

数控系统与数控机床的组成第29页，共90页。显卡CPU卡轴卡CPU卡电源背景灯电源CPU显卡电源

数控系统与数控机床的组成第30页，共90页。

伺服单元、驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服模块：进给伺服驱动装置和进给电机

数控系统与数控机床的组成第31页，共90页。

测量装置位置和速度测量装置。以实现进给伺服系统的闭环控制。（光栅尺、旋转编码器、磁栅尺）作用保证灵敏、准确地跟踪CNC装置指令

数控系统与数控机床的组成第32页，共90页。

数控机床的控制除了对坐标轴的进给进行位置伺服控制外，还需要对机床的主轴、刀具和各种开关信号进行控制。如主轴的正、反转，起动和停止，刀具交换，工件夹紧、松开，工作台交换以及切削液的开、关和润滑系统的启动等进行顺序控制。顺序控制的信息主要是开关量信号，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件输入的信号和继电器、接触器、电磁阀等输出元件所需要的输出信号。在数控机床上用可编程控制器完成这一控制任务。

数控系统与数控机床的组成第33页，共90页。

PLC、机床I/O电路和装置用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成。

机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件(由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路；数控系统与数控机床的组成第34页，共90页。

机床本体机床：数控机床的主体，是实现制造加工的执行部件。组成：由主运动部件、进给运动部件（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）。

数控系统与数控机床的组成第35页，共90页。三、伺服驱动基础伺服驱动控制原理机床工作台（包括转台）的进给是用伺服机构驱动的，，而且电机多数都是用永磁式同步电动机。电动机与滚珠丝杠直接连接，这样由于传动链短，运动损失小，且反应迅速，因此可获得高精度。

机床的进给伺服属于位置控制伺服系统。驱动装置接受数控系统输出的速度控制信号，输出电能驱动电动机。

第36页，共90页。三、伺服驱动基础由于驱动装置用于对驱动电机的速度控制，故有时也称驱动装置为速度控制单元；又因为驱动装置是伺服系统中的功率放大部分，故又可称驱动装置为伺服驱动单元。驱动装置中功率器件的作用就是将控制信号进行功率放大，以达到驱动电动机的目的。

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对进给伺服的要求不只是静态特性，如：停止时的定位精度、稳定度。更重要的是进给的伺服刚性好，响应性快，运动的稳定性好，分辨率高。这样才能高速、高精度地加工出表面光滑的高质量工件第38页，共90页。驱动电机是数控机床伺服系统的执行元件。数控机床驱动电机的常用种类如下图所示：三、伺服驱动基础第39页，共90页。

伺服系统-执行机构（步进电动机）步进电动机

是一种将脉冲信号变成角位移的电动机。角位移与输入脉冲个数成正比。主要用于开环控制方式，没有反馈机构，结构较简单。三、伺服驱动基础第40页，共90页。

伺服系统-执行机构（直流伺服电动机）直流伺服电动机

具有转矩大、过载能力强、动态响应好、良好的调速性能等很多优点。但是它存在一些固有的缺点，例如其电刷和换向套易磨损，需经常维护，结构也比较复杂。数控机床上应用的直流伺服电动机主要是永磁直流伺服电动机。三、伺服驱动基础第41页，共90页。

伺服系统-执行机构（进给电动机）交流伺服电动机其应用已成了当今数控机床驱动系统的主流。交流电动机的速度控制应用最多的是变频调速。一般采用先将交流电源变为直流，再变为可供给电动机的可调压、可调频的交流电。三、伺服驱动基础第42页，共90页。

伺服系统-执行机构（主轴电动机）主轴电动机结构交流主轴电动机采用三相交流异步电动机。总体结构由定子及转子构成，定子上有固定的三相绕组，转子铁心上开有许多槽，每个槽内装有一根导体，所有导体两端短接在端环上，如果去掉铁心，转子绕组的形状像一个鼠笼，所以叫做笼型转子。三、伺服驱动基础第43页，共90页。伺服系统-执行机构（主轴驱动形式）主轴驱动形式目前主要有两种驱动形式，一是主轴电动机带齿轮换档变速，以增大传动比，放大主轴功率，满足切削加工的需要；二是主轴电动机通过同步齿形带或皮带驱动主轴，该类主轴电动机又称宽域电动机或强切削电动机，具有恒功率、调速比大等特点。采用强切削电动机后，由于无需机械变速，主轴箱内省却了齿轮和离合器，主轴箱实际上成为了主轴支架，简化了主传动系统。三、伺服驱动基础第44页，共90页。四、数控机床的分类

按进给伺服系统的类型分类按数控系统的进给伺服子系统有无位置测量装置可分为开环数控系统和闭环数控系统，在闭环数控系统中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环和半闭环两种。第45页，共90页。开环数控系统没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大四、数控机床的分类第46页，共90页。半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈四、数控机床的分类第47页，共90页。全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈四、数控机床的分类第48页，共90页。

按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线切割机、电火花加工机、激光加工机等。其它类型：数控装配机、数控测量机、机器人等。四、数控机床的分类第49页，共90页。按控制功能分类点位控制数控系统仅能实现刀具相对于工件从一点到另一点的精确定位运动；对轨迹不作控制要求；运动过程中不进行任何加工。适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机。四、数控机床的分类第50页，共90页。轮廓控制数控系统具有控制几个进给轴同时谐调运动(坐标联动)，使工件相对于刀具按程序规定的轨迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工的数控系统。适用范围：数控车床、数控铣床、加工中心等用于加工曲线和曲面的机床。现代的数控机床基本上都是装备的这种数控系统。四、数控机床的分类第51页，共90页。

按联动轴数分，2轴联动（平面曲线）3轴联动（空间曲面，球头刀）4轴联动（空间曲面）5轴联动及6轴联动（空间曲面）。联动轴数越多数控系统的控制算法就越复杂。四、数控机床的分类第52页，共90页。五、数控加工原理数控加工中数据转换过程图3数控加工中数据转换过程译码刀补处理插补处理PLC控制进给伺服系统切削运动、机床I/O装置成形运动加工程序第53页，共90页。加工程序：语法正确、语意正确；国际标准它主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度F；主轴转速S；G代码；M代码；刀具号T；子程序处理和循环调用处理等数据或标志的存放顺序和格式。准备功能：G代码，使数控机床准备好某种运动方式的指令；辅助功能：M代码，用于数控机床开关量的控制；五、数控加工原理第54页，共90页。

刀补处理(计算刀具中心轨迹)用户零件加工程序通常是按零件轮廓编制的，而数控机床在加工过程中控制的是刀具中心轨迹，因此在加工前必须将零件轮廓变换成刀具中心的轨迹。刀补处理就是完成这种转换的程序。零件轮廓与刀具中心轨迹五、数控加工原理第55页，共90页。插补概念：在数控加工时，数控装置需要在规定加工轮廓的起点和终点之间进行中间点的坐标计算，然后按计算结果向各坐标轴直线插补圆弧插补分配适量的脉冲数，从而得到相应轴方向上的数控运动。这种坐标点的“密化计算”称作插补。完成插补运算的装置称为插补器。插补类型:直线(一次);圆弧(二次)；空间样条曲线(三次)五、数控加工原理第56页，共90页。

机床坐标系是指用于确定机床的运动方向和移动距离的坐标系。标准的数控机床坐标系是一个笛卡尔直角坐标系，其基本坐标轴为X、Y、Z直角坐标，相对于每个坐标轴的旋转运动坐标为A、B、C。笛卡尔直角坐标系五、数控加工原理第57页，共90页。卧式数控车床1）车床坐标系第58页，共90页。当Z轴水平时，沿主轴向工件看，X轴的正方向指向右边。2）铣、钻、镗床坐标系卧式升降台数控铣床第59页，共90页。

对于单立柱机床，从工作台向立柱方向看，X轴的正方向指向右边。立式升降台数控铣床第60页，共90页。

参考点

为建立机床坐标系，在机机床上专门设置的基准点。通过回参考点命令，使机床进行回参考点运动，使机床各坐标轴回到基准点并定位，以参考点为基准建立机床坐标系。第61页，共90页。工件坐标系坐标轴与机床坐标系相应坐标轴平行，方向一致；工件坐标系的建立应遵循一定的规则；机床零点工作零点y0x0x2y2xy第62页，共90页。第三章数控机床安装及验收第63页，共90页。第四章数控机床的检修方法第64页，共90页。一、诊断常用的仪器仪表及工具1.仪器仪表万用表—可测电阻、交、直流电压、电流指针式：有测量过程数字式：直接读数相序表—可检查直流驱动装置输入电流的相序示波器—检查信号波形钳形电流表—不断线检测电流2.工具“+”、“一”螺丝刀、钳子、镊子、烙铁等第65页，共90页。二、诊断用技术资料数控机床生产厂家必须向用户提供安装、使用、维修有关的技术资料，主要有：数控机床电气使用说明书数控机床电气原理图数控机床电气连接图数控机床结构简图数控机床参数表数控机床PLC控制程序第66页，共90页。数控系统操作手册数控系统编程手册数控系统安装与维修手册伺服驱动系统使用说明书

数控机床的技术资料对故障分析与诊断非常重要，必须认真仔细地阅读，并对照机床实物，做到心中有数。一旦机床发生故障，再进行分析的同时查阅资料。第67页，共90页。三故障处理

1、故障软故障—由调整、参数设置或操作不当引起（在使用初期发生较多，不熟悉）硬故障—由数控机床（控制、检测、驱动、液气、机械装置）的硬件失效引起

2、故障处理对策除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即切断机床的电源。应保持故障现场。第68页，共90页。

从机床外观、CRT显示的内容、主板或驱动装置报警灯等方面进行检查。可按系统复位键，观察系统的变化，报警是否消失。如消失，说明是随机性故障或是由操作错误引起的。如不能消失，把可能引起该故障的原因罗列出来，进行综合分析、判断，必要时进行一些检测或试验，达到确诊故障的目的。第69页，共90页。复位后，故障不能消失，可从以下几方面进行调查：1.检查机床的运行状态机床故障时的运行方式CRT显示的内容（报警信号和报警号）驱动装置、变频器等显示的报警指示故障时轴的定位误差刀具轨迹是否正常辅助机能的运行状态第70页，共90页。2.检查加工程序及操作情况是否为新编制的加工程序刀具补偿指令及补偿量是否正确故障是否与换刀有关故障是否与进给速度有关操作者的情况（新手）3.检查系统的输入电压输入电压的波动，电压值是否在正常范围附近有否使用大电流的装置第71页，共90页。4.检查环境状态CNC周围的温度状况控制柜热交换器、轴流风扇工作情况系统周围的振动情况附近有否高频干扰源5.检查机床状况熔丝是否已熔断故障前是否修理过机床或设置过参数机床是否已调整好第72页，共90页。在运行过程中是否改变过工作方式机床是否正处于急停、锁住状态速度倍率开关是否设为零进给保持按钮是否被按下间隙补偿量是否合适机床各信号电缆有否破损信号线和电源线是否分开走线屏蔽线接地是否正确第73页，共90页。四数控系统故障诊断方法一、诊断步骤和要求

故障检测（确定有否故障）1.故障诊断故障判断（确定故障性质）故障定位（确定故障部位）2.故障诊断要求：故障检测方法简便有效使用的诊断仪器少而实用故障诊断的所需的时间尽可能短第74页，共90页。二、常用故障诊断方法1.直观法（望闻问切）问—机床的故障现象、加工状况等看—CRT报警信息、报警指示灯、熔丝断否、元器件烟熏烧焦、电容器膨胀变形、开裂、保护器脱扣、触点火花等听—异常声响（铁芯、欠压、振动等）闻—电气元件焦糊味及其它异味摸—发热、振动、接触不良等第75页，共90页。2.CNC系统的自诊断功能开机自诊断—系统内部自诊断程序通电后动执行对CPU、存储器、总线和I/O等模块及功能板、CRT、软盘等外围设备进行功能测试，确定主要硬件能正常工作。运行中的故障信息提示—发生故障在CRT上报警信息，查阅维修手册确定故障原因及排除方法。（不唯一，信息丰富则准确）二、常用故障诊断方法第76页，共90页。3.数据和状态检查CNC系统的自诊断不但能在CRT上显示故障报警信息，而且还能以多页“诊断地址”和“诊断数据”的形式提供机床参数和状态信息接口检查参数检查二、常用故障诊断方法第77页，共90页。接口检查—系统与机床、系统与PLC、机床与PLC的输入/输出信号，接口诊断功能可将所有开关量信号的状态显示在CRT上，“1”表示通，“0”表示断。

利用状态显示可以检查数控系统是否将信号输出到机床侧，机床侧的开关信号是否已输入到系统，从而确定故障是在机床侧还是在系统侧。

第78页，共90页。参数检查数控机床的机床参数是经一系列的试验和调整而获得的重要参数，是机床正常运行的保证。包括有增益、加速度、轮廓监控及各种补偿值等。当机床长期闲置不用或受到外部干扰会使数据丢失或发生数据混乱，机床将不能正常工作。此时，可调出机床参数进行检查、修改或传送。二、常用故障诊断方法第79页，共90页。4.报警指示灯显示故障除CRT软报警外，还有许多“硬件”报警指示灯，分布在电源、主轴驱动、伺服驱动、I/O装置上，由此可判断故障的原因。5.备板置换法（替代法）用同功能的备用板替换被怀疑有故障的模板。（故障被排除或范围缩小）

注意：断电状态下/选择开关/跨线一致二、常用故障诊断方法第80页，共90页。6、将功能相同的模板或单元相互交换，观察故障的转移情况，就能快速判断故障的部位。系统X驱动Y驱动X电机Y电机二、常用故障诊断方法第81页，共90页。7、敲击法数