机床数控技术及应用-7

7.3数控机床的维护与保养7.3.1预防性维护1．人员培训(1)应为数控机床配备经过专门技术培训的编程、操作和维修人员。要求维修人员不但要有机械、加工工艺及液压、气动方面的知识，也要具备电子计算机、自动控制、驱动及测量技术等知识，这样才能全面了解和掌握数控机床，搞好维修。(2)维修人员在维修前应详细阅读机床的有关说明书，包括机床结构图、梯形图、系统原理与框图以及电缆连接等的说明书。(3)维修人员必须懂一些英语，以便看懂铭牌及电气说明书上的简要注释，以及常用芯片、主器件和电动机的名称及数据等。7.3.1预防性维护2．使用注意事项(1)尽量少开数控柜的门。因为机加工车间的空气中灰尘、油雾、金属粉末很多，落在印刷线路板或电子组件上容易造成元器件间绝缘电阻的下降，以致发生故障甚至使元器件及印刷电路损坏等(2)定期更换直流电动机电刷。如果数控机床闲置不用达半年以上，应将电刷从电动机中取出，以免化学腐蚀作用使换向器表面腐蚀，换向性能变差，甚至损坏整台电动机。7.3.1预防性维护(3)尽量提高数控机床的利用率。由于数控机床价格昂贵，结构复杂，出现故障时用户又难以排除，经常闲置床，这种“保护’’方法是不可取的，尤其对于数控系更是如此。因为数控系统由成千上万个电子器件组成，它们的性能和寿命具有很高的离散性；虽经严格筛选但使用过程中仍不免会有某些元件出现故障。因此可以认为数控系统存在着失效率曲线，即故障曲线，如图7.3.1所示.该曲线似一个浴盆，故又称浴盆曲线。7.3.1预防性维护失效率曲线可以分成3个区域在第1区域(即初期运行区)内系统的故障率呈负指数函数曲线，故障率较高，称早期失效。第II区域为数控系统的有效寿命区，失效率较低，属于随机失效。第III区域为系统的衰老区，此时的失效率随时间推延而急剧增加，即系统已到了寿命的极限，称耗散失效。一般来说，数控系统要经过9-14个月的运行才能进入有效寿命区。因此用户安装完数控机床后，要长期连续运行，充分利用一年保修的有利条件，使初期运行区在保修期内结束。7.3.2设备的日常保养一般维修应包含两方而的含义。一是日常的维护，这是为了延长平均无故障时间；二是故障维修，此时要缩短平均修复时间。为了延长各元器件的寿命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故的发生，争取机床能在较长时间内正常工作，必须对数控机床进行日常保养。表7.3.1中列举了数控机床定期维护的检查顺序。日常维护分为每天检查、每周检查、每半年及一年检查和不定期检查等多种检查周期，检查内容为常规检查内容。对一些机床上频繁运部件(无论是机械部分还是控制驱动部分)，都应作为重点的定时检查对象。7.4CNC系统的可靠性和故障诊断技术7.4.1系统可靠性及故障的基本概念数控系统丧失了规定的功能称为故障。故障发生的频次及相关的运行时间是衡量数控系统可靠性的基本参数。可靠性是产品的一种属性，是产品在规定的条件下能正确执行预期功能的时间量度。只有功能适当、操作使用方便有效使用期长的产品，才能在工业环境中推广应用。1．可靠度或可靠率R(t)系统(或设备、元件)在规定的条件下工作到t时刻，能正确地完成规定功能的概率为可靠度(或可靠率)。它也表示产品在一定时间内不易发生故障的程度，一般用R(t)表示。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念2．失效率λ(t)指在t时刻前系统无故障，而在t时刻后的单位时间内因故障而引起失效的概率。对于质量稳定的产品，其失效率可用一个常数表示，称为平均失效率λ，λ可通过试验确定，即

λ＝n／TN其中n为一定时间内失效的产品数；T为接收试验产品的总试验时间；N为受试产品的总数。失效率的单位为“1/h”，常用“％/kh”或“h-5”表示。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念左图所示为典型的R(t)与λ(t)曲线。λ(t)有一段低平部分，表示产品的偶然失效率，可视为常数λ。此时其可靠度为以λ为参数的指数函数，即R(t)＝e-λt7.4.1系统可靠性及故障的基本概念3.平均无故障时间（MEANTIMEBETWEENFAILURE，简称MTBF）平均无故障时间的含义是：可修复产品在两次故障之间能正常工作的时间的平均值，也就是产品在寿命范围内总工作时间与总故障次数的比，即7.4.1系统可靠性及故障的基本概念它与可靠度R（t）的关系为

式中的t为系统连续正确工作的时间。如果MTBF＝30000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）＝99.468％，若MTBF＝22000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）＝99.927％。而7.4.1系系统统可可靠靠性性及及故故障障的的基基本本概概念念又因因为为我国国的的《《机机床床数数字字控控制制系系统统通通用用技技术术条条件件》》规规定定，，数数控控系系统统产产品品的的可可靠靠性性验验证证用用平平均均无无故故障障工工作作时时间间MTBF作作为为衡衡量量指指标标,MTBF最低不不应低低于3000h、5000h或或10000(分三三档)。日日本FANUC系统统的MTBF可达22000h，，甚至36000h。所以而这是平均寿寿命的表示示法，在实实际中很有有用。7.4.1系统统可靠性及及故障的基基本概念4.平均均修复时间间（meantimetorepair，简称MTTR）平均修复时时间是指数控机床在在寿命范围围内，每次次从出现故故障开始维维修，直至至能正常工工作所用的的平均时间间。显然这这个时间越越短越好。。除必要的的物质条件件外，诊断断人员的水水平在这里里起主导作作用，造就就一批精干干的维修队队伍是非常常关键的。。7.4.1系统统可靠性及及故障的基基本概念5.有效效度A这是从可靠靠性和可维维修度对数数控机床的的正常工作作概率进行行综合评价价的尺度，，是指一台台可维修的的数控机床床在某一段段时间内，，维持其性性能的概率率。A是一一个小于于1的的数，但但越接近近1越越好。7.4.1系系统可可靠性及及故障的的基本概概念我国数控控机床可可靠性现现状数控机床床可靠性性的主要要指标MTBF一一直是影影响我国国数控机机床市场场竞争力力的主要要问题，，经过““九五””期间产产、学、、研相结结合的共共同努力力，该项项指标已已经有了了很大的的提高：：加工中中心的MTBF从从“八五五”的平平均200多多小时提提高到平平均400多多小时，，数控车车床的MTBF从从平均200多小小时提高高到450多多小时时，自行行研制的的CNC系系统的MTBF从从5000小时时提高到到10000小时以以上，尽尽管与国国际先进进水平还还有一定定差距，，但成绩绩还是可可喜的。。7.4.1系系统可可靠性及及故障的的基本概概念要全面认认识一台台数控系系统的可可靠性，，除了故故障平均均间隔时时间MTBF外外，还必必须考虑虑系统的的可利用用率，即即有效度度A因为为A与MTBF和MTTR都都有关。。我国目前前的数控控系统中中，一类类是从国国外引进进的数控控先进设设备。尽尽管其MTBF很大，，但可维维修性很很差。往往往院了了国外生生产公司司的专门门检修人人员能进进行检修修以外，，国内厂厂方技术术人员无无法维修修，因此此可利用用率很仍仍低。另一类是是国内的的数控系系统，其其MTBF可能能很小，，但可维维护性却却比国外外系统好好得多，，从而可可利用率率也相当当高。7.4.1系系统可可靠性及及故障的的基本概概念另外，在在评价国国内数控控系统时时必须要要有合理理的指标标，应当当结合必必要性和和可能性性进行评评价。所谓必要要性，是是指使用用者根据据生产需需要对数数控系统统提出的的可靠性性要求，，数控系系统必须须达到此此要求才才有使用用价值。。所谓可能能性，就就是在现现有的生生产手段段、投资资决策、、工艺条条件、元元器件来来源等条条件下，，数控系系统可能能达到的的可靠性性指标。。目前，，根据机机械加工工的特点点及具体体要求，，对于一一般用途途的数控控系统，，平均故障障间隔时时间MTBF〉=3000h可利用率率A＞0.95对于特殊殊要求，，或用于于柔性制制造系统统和计算算机集成成制造系系统的数数控系统统，其可可靠性要要求要高高得多。。7.4.2影影响可靠靠性的因因数1.元器器件失效效元器件是是构成系系统的基基本单元元，整机机的失效效率等于于各组成成部分失失效率之之和。例例如硅三三极管的的失效率率λ＝0.01h－5（表7.4.1），，则平平均无无故障障时间间MTBF＝1/λλ＝＝10h7。5000个该该类元元件总总的失失效率率λ‘‘＝5000××0.01h＝＝50h－5，则MTBF＝＝1/λλ’＝＝2××10h3。一般，，有i种n个相相同元元器件件系统统的总总失效效率为为：λ总＝式中i＝1，2，‥‥‥，，m。。为元元器件件的种种类；；ni为某种种元件件的数数量。。7.4.2影影响可可靠性性的因因数2．元元器件件的联联接与与组装装不良良接触不不良，，温度度、湿湿度变变化大大，油油污、、粉尘尘污染染及机机械振振动等等对元元件、、线路路板、、接插插件产产生严严重后后果。。走线线的不不合理理等也也会影影响系系统的的可靠靠性。7.4.2影影响可可靠性性的因因数3．电电磁干干扰作为机机电一一体化化产物物的数数控机机床，，是机机械、、电子子、电电力、、强电电、弱弱电、、硬件件、软软件技技术紧紧密相相结合合的自自动化化系统统，因因此电电磁环环境和和电磁磁干扰扰对它它来讲讲是既既复杂杂又重重要的的问题题。（1））高频频电磁磁干扰扰。如如电器器开关关通断断时会会产生生电火火花，，邻近近大功功率用用电设设备的的启、、制动动也会会造成成电源源电压压的波波动等等。（2））直流流电源源负载载能力力不足足，尤尤其是是单块块集成成稳压压电源源内部部分布布电容容的影影响，，均对对高频频（10kHz）衰衰减特特性不不利，，使其其不能能稳定定、可可靠地地工作作。（3））电源源与地地线的的线径径太细细或布布局不不合理理，使使信号号发生生畸变变或交交叉干干扰。。（4））控制制信号号线过过长而而又无无屏蔽蔽隔离离措施施，或或与强强电信信号并并行走走线时时，易易受电电磁干干扰而而产生生错误误信号号。7.4.3提提高高可靠靠性的的方法法与措措施1．提提高可可靠性性的基基本方方法按可靠靠性理理论进进行可可靠性性设计计以后后，还还需要要在元元件选选择、、装配配工艺艺、故故障检检测等等方面面严格格把关关．每每一阶阶段都都必须须有切切实可可行的的保证证可靠靠性的的措施施。提提高可可招性性的方方法很很多，，犬体体有如如下几几个：：(1)采用用可靠靠性容容错设设计。。一般来说说，在逻逻辑设计计中，除除了注意意尽可能能降低对对元件允允差的要要求，扩扩大电路路的稳定定储备量量，提高高电路的的抗干扰扰能力以以外，还还可采用用容错设设计。即即在一定定条件下下可以允允许机器器产生一一些错误误，而不不影响机机器正确确功能的的执行，，可以采采取所谓谓“冗余余”结构构，诸如如硬件冗冗余、软软件冗余余及时间间冗余等等。7.4.3提提高可可靠性的的方法与与措施(2)对对元器件件按照规规定范围围严格地地进行筛筛选。要根据具具体情况况对元器器件进行行筛选。。主要要要进行机机械性能能测试、、高低温温循环考考验和冲冲击、密密封性能能测试。。另外，，还要进进行电气气性能稳稳定性的的老化试试验，逻逻辑功能能的正确确性测试试和静动动态的参参数测试试等。(3)在在装配工工艺方面面采取严严格措施施。装配工艺艺是确保保系统可可靠性的的极其重重要的一一环。装装配工艺艺包括合合理的系系统结构构、最佳佳的电路路板和连连接、先先进的焊焊接工艺艺、高质质量的接接插件以以及合理理的走线线方式和和地线处处理等。。(4)采采用故障障诊断技技术。要保证发发现故障障后能立立即检测测故障，，判断故故障的原原因，并并能准确确定位故故障点，，这就是是故障诊诊断技术术。7.4.4故故障诊诊断的方方法1．概述述所谓故障障诊断，，就是确确认故障障原因和和部位。。通过故故障诊断断程序的的运行，，就能在在系统运运行之前前及时发发现和排排除故障障，又能能在发现现故障以以后准确确定位故故障。早期的故故障诊断断主要是是考核系系统的功功能，如如果检查查出错误误，并不不能定位位故障点点，仍需需维修人人员凭经经验和电电路基本本理论判判断。随着着人人工工智智能能专专家家系系统统在在数数控控技技术术领领域域的的应应用用，，故障障诊诊断断又又进进入入了了才才崭崭新新的的阶阶段段。。7.4.4故故障障诊诊断断的的方方法法2．．数数控控系系统统的的自自诊诊断断与与功功能能故故障障诊诊断断法法(1)自自诊诊断断流流程程自诊诊断断功功能能一一般般可可在在开开机机后后自自动动诊诊断断整整个个硬硬件件系系统统，，为为整整个个系系统统的的正正常常工工作作准准备备好好条条件件。。另另外外在在运运行行过过程程或或输输人人数数控控程程序序的的过过程程中中，，一一旦旦发发现现错错误误也也会会自自动动进进入入自自诊诊断断，，通通过过故故障障检检测测定定位位故故障障并并指指示示故故障障内内容容。。自诊诊断断系系统统的的设设计计思思想想是是，，向向被被诊诊断断的的部部件件或或装装置置写写入入一一串串称称为为测测试试码码的的数数据据，，观观测测相相应应的的输输出出数数据据（（称称为为校校验验码码)。。通通过过对对观观测测结结果果的的分分析析，，根根据据事事先先已已知知的的测测试试码码、、校校验验码码和和故故障障的的对对应应关关系系确确定定故故障障。。为为了了使使故故障障诊诊断断具具有有良良好好的的诊诊断断性性能能(即即诊诊断断时时间间短短、、诊诊断断准准确确度度高高、、诊诊断断分分辨辨能能力力强强)，，选选择择测测试试码码、、确确定定校校验验码码与与故故障障之之间间的的对对应应关关系系、、研研究究实实行行诊诊断断的的方方法法等等是是故故障障诊诊断断的的关关键键技技术术。。7.4.4故障障诊断的方方法由流程图7.4.5可知．自自诊断系统统提供了能能识别数控控系统硬、、软件错误误的程序,包括启动动诊断,在在线诊断,离线诊断断三种方法法,一旦故故障发生,系统停止止当前的工工作.(2)功能能故障诊断断法这种方法不不考虑的的的内部电路路结构，只只关心模块块所能实现现的功能，，它把模模块(或集集成芯片)看成黑匣匣子，根据据功能选择择一些特征征信号作为为输入,然然后观测其其对应的输输出，再进进行结果分分析，并与与正常功能能反复进行行比较，这这样就可以以确定模块块是否出了了故障，同同时可确定定故障在系系统中所在在的位置。。这种方法法在中、大大规模集成成电路的系系统里获得得了广泛的的应用。7.4.4故障障诊断的方方法3.自诊断断的主要功功能数控系统的的自诊断功功能，主要要包括如下下3方面内内容。（1）状态态显示将将数控系统统各主要逻逻辑部件的的故障状态态及输入输输出信号的的故障状态态，以故障障代码及简简要说明的的方式显示示在CRT上。（2）伺服服系统的校校验停停止止移动时如如果误差寄寄存器的误误差比设定定值大，则则报警。移移动时如果果误差寄存存器的误差差比设定值值大，则停停止进给。。另外，位位置检测系系统工作异异常、电压压指令的漂漂移值过大大、直流或或交流电动动机过热、、速度控制制工作异常常时等都会会报警。（3）数控控指令系统统的校验对对程序结结构、机能能、参数设设定错误、、代码格式式错误等进进行校验，，并对每一一字符和程程序段进行行奇偶校验验，还可对对指令系统统的有关硬硬件进行检检查。然后后在CRT上显示故故障号，用用户根据故故障号即可可查找出故故障的详细细内容与故故障产生的的原因。7.4.4故障障诊断的方方法4．自诊诊断的新新发展1.通讯讯诊断(远程、、海外诊诊断）用户机床床的通讯讯口通过过电话线线和维修修中心的的专用通通讯诊断断计算机机相连。。计算机机发诊断断程序用用户测试试数据,计算机机诊断结结果和处处理方法法。2.自自修复系系统当诊断软软件发现现数控机机床在运运行中某某模块有有故障时时，系统统在CRT上显显示的同同时，自自动寻找找备用模模块并接接上。特特点：实实用但成成本比较较高，而而且只适适合总线线结构的的CNC系统。。3.具有有人工智智能(AI)功功能的专专家故障障诊断系系统7.4.4故故障诊诊断的方方法一般诊断断专家系系统的结结构如图图7.4.6所所示。图图中的知知识库是是专家知知识、经经验书本本知识、、常识等等的集成成。7.4.4故故障诊诊断的方方法对于数控控系统专专家系统统来说，，故障知知识库的的建立是是关键；；数据库则则是用于于存储本本领城内内的初始始数据以以及推理理过程中中得到的的各种中中间信息息；推理机则则用于控控制、协协调整个个系统，，根据当当前输入入的数据据，利用用知识库库中的知知识，核核‘定推推理策略略解决当当前的问问题.数控系统统故障诊诊断专家家系统的的发展趋趋势是将将机、电电、液各各方面的的故障知知识统——起来建建立一个个知识库库，利用用在线检检测到的的各种信信息，通通过分析析、综合合、推理理而准确确定位故故障点，，并提出出合理的的排障方方法。而而且还要要具备某某种自学学的能力力，不断断地修改改、完善善知识库库。可以以预见这这种系统统将会获获得很大大发展，，并完全全进入商商品化实实用阶段段。7.5数控控机床故障障的判断与与排除7.5.1数控机床床故障处理理的原则数控机床的的大部分故故障都以综综合故障的的形式出现现，其判断断处理的原原则如下。。1.充分调调查故障现现场首先要充分分了解机床床是在什么么情况下出出现故障的的，有些什什么表面现现象，出现现故障后操操作者采取取过什么措措施。要仔仔细观察CNC中工工作寄存器器和缓冲寄寄存器的内内容，了解解正在执行行程序段的的内容及自自诊断显示示的报警内内容，并观观察各个印印刷线路板板上有无报报警红灯。。然后再按按下CNC的复位健健，观察故故障报警是是否消失。。7.5.1数控机床床故障处理理的原则2.分析可可能造成故故障的因素素数控机床上上出现同一一种故障的的原因有可可能是多种种多样的，，有机械的的原因、机机床电气的的原因和控控制系统的的原因等。。因此在分分析时要把把有关的因因素都罗列列出来。3.确定故故障产生的的原因并排排除故障由于造成故故障的因素素很多，因因此维修人人员必须利利用机床的的技术档案案、现场经经验和判断断能力、机机、电、液液等综合技技术知识以以及必要的的测试手段段和工具仪仪器，确定定最有可能能造成故障障的因素，，然后通过过必要的试试验逐一寻寻找确定，，最后根据据原因调整整有关的元元部件。7.5.2数控控机床的的机械故故障及排排除1.共性性故障数控机床床机械部部分的修修理与常常规机床床有许多多共同点点。但由由于数控控机床大大量采用用了电气气控制，，机械结结构大为为简化，，所以机机械故障障的发生生率大大大降低。。一般常常见的共共性机械械故障有有以下几几种。（1）进进给传动动链故障障由于数控控机床普普遍采用用了滚动动摩擦副副，所以以进给传传动链故故障大部部分是以以运动品品质下降降的形式式表现出出来，如如定位精精度下降降，反向向间隙过过大，机机械爬行行，轴承承噪声过过大等。。因此这这种故障障的修理理常与运运动副预预紧力、、松动环环节和补补偿环节节的调整整有关。。（2）主主轴部件件故障由于数控控机床采采用电气气调速，，主轴箱箱内部的的结构比比较简单单。其可可能出现现的故障障有自动动拉紧刀刀柄装置置、自动动变档装装置的故故障及主主轴运动动精度保保持性方方面的故故障等。。7.5.2数控控机床的的机械故故障及排排除（3）自自动换刀刀装置的的故障自动换刀刀装置已已在加工工中心和和车削中中心等数数控机床床上大量量配置，，当前有有50%以上的的机床故故障都与与自动换换刀装置置有关。。这些故故障主要要表现为为刀库运运动故障障、定位位误差过过大、机机械手夹夹持刀柄柄不稳定定、机械械手误差差过大等等。这些些故障最最后都造造成换刀刀动作卡卡住，整整机停止止工作。。（4）位位置检查查用行程程开关压压合故障障为了保证证数控机机床的工工作可靠靠性，机机床上大大量采用用了限制制运动位位置的行行程开关关。在机机床的长长期工作作中，运运动部件件运动特特性的变变化、压压合行程程开关机机械装置置的可靠靠性及行行程开关关本身的的品质特特性等都都影响整整机的故故障率。。（5）配配套附件件的可靠靠性故障障配套部部件包包括冷冷却液液装置置、排排屑装装置、、导轨轨防护护罩、、冷却却液防防护罩罩、主主轴冷冷却恒恒温箱箱和液液压油油箱等等。7.5.2数控控机床床的机机械故故障及及排除除2.加加工中中心的的机械械故障障及排排除加工中中心的的机械械故障障常从从三方方面考考虑：：机械械本体体的故故障、、程序序错误误和零零件加加工精精度不不良等等。（1））主主轴轴箱箱的的故故障障这部部分分故故障障有有自自动动拉拉紧紧刀刀柄柄装装置置、、自自动动调调速速装装置置、、主主轴轴快快速速运运动动的的精精度度保保持持性性等等方方面面的的故故障障。。（2））进给给传动动链的的故障障7.5.2数控控机床床的机机械故故障及及排除除（3））自动动换刀刀装置置的故故障自动换换刀装装置是是加工工中心心既重重要又又容易易出故故障的的部分分，需需每日日维护护、保保养。。（4））程序序错误误引起起的故故障①程序序组成成的语语言有有错误误时要要发生生报警警。②刀具具选定定错误误。可可通过过刀具具形状状的显显示确确认。。7.5.2数控控机床床的机机械故故障及及排除除（5））零件件加工工精度度不良良为了保保证工工件的的加工工精度度，可可测出出刀具具基准准点和和刀具具磨损损产生生的误误差，，并根根据测测得的的误差差进行行补偿偿。为为保证证零件件的加加工精精度必必须做做到以以下几几点。。操作者补偿偿输入错误误，如刀具具选择和工工件识别错错误等。操作者需需随时注注意机