数控机床故障诊断与维修论文

PAGEPAGE1数控机床故障诊断论文院系班级姓名学号日期摘要：本文主要研究数控机床故障分析及消除措施的相关内容。从数控机床故障诊断的基础内容谈起，介绍数控机床故障规律，故障诊断的一般步骤及方法。接着讲述数控机床的常见故障，包括机械故障、伺服系统故障、PLC等电气故障。最后通过实例具体介绍数控机床故障产生后分析处理的过程。从而得知，数控机床维修是一门复杂的技术，要熟悉数控机床的各个部分，理论加实践，提高工作效率。关键词：数控机床、故障、诊断、维修1引言数控机床是一种高效的自动化机床，他综合了计算机技术，自动化技术，伺服驱动，精密测量和精密机械等各个领域的新的技术成果，是一门新兴的工业控制技术。由于其经济性能好，生产效益高，在生产上处于越来越重要的地位。为了提高机床的使用率，提高系统的有效度，结合工作实际浅谈一下数控系统故障处置和维修的一般方法。以提高数控机床的维修技术。2数控机床故障诊断2.1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1所示的浴盆曲线表示。在整个使用寿命期，根据数控机床的故障频度大致分为3个阶段，即早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。早期故障期：早期故障期的特点是故障发生的频率高，但随着使用时间的增加迅速下降。偶发故障期：数控机床在经历了初期的各种老化、磨合和调整后，开始进入相对稳定的正常运行期。在这个阶段，故障率低而且相对稳定，近似常数。偶发故障是由于偶然因素引起的。耗损故障期：耗损故障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。出现这种现象的基本原因是由于数控机床的零部件及电子元器件经过长时间的运行，由于疲劳、磨损、老化等原因，寿命已接近衰竭，从而处于频发故障状态。2.2数控机床故障诊断的一般步骤无论是处于哪一个故障期，数控机床故障诊断的一般步骤都是相同的。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)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。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。2.3数控机床的常用检修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，这些方法互相联系，在实际的故障诊断中，对这些方法要综合运用。（1）根据报警号进行故障诊断计算机数控系统大都具有很强的自诊断功能。当机床发生故障时，可对整个机床包括数控系统自身进行全面的检查和诊断，并将诊断到的故障或错误以报警号或错误代码的形式显示在CRT上。报警号(错误代码)一般包括下列几方面的故障(或错误)信息：①程序编制错误或操作错误；②存储器工作不正常；③伺服系统故障；④可编程控制器故障；⑤连接故障；⑥温度、压力、液位等不正常；⑦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。如果机床发生了故障，且有报警号显示于CRT上，首先就要根据报警号的内容进行相应的分析与诊断。当然，报警号多数情况下并不能直接指出故障源之所在，而是指出了一种现象，维修人员就可以根据所指出的现象进行分析，缩小检查的范围，有目的地进行某个方面的检查。（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或数码管指示就是唯一的报警内容了。例如，FANUC10，11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。（3）根据机床参数进行故障诊断机床参数也称为机床常数，是通用的数控系统与具体的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或参数纸带的形式提供给用户。由于某种原因，如误操作、参数纸带不良等，存于RAM中的机床参数可能发生改变甚至丢失而引起机床故障。在维修过程中，有时也要利用某些机床参数对机床进行调整，还有的参数须要根据机床的运行情况及状态进行必要的修正。因此，维修人员对机床参数应尽可能地熟悉，理解其含义，只有在理解的基础上才能很好地利用它，才能正确地进行修正而不致产生错误。（4）用诊断程序进行故障诊断诊断程序一般分为三套，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可否正常工作。主要检查的硬件包括：CPU、存储器、I/O单元等印刷板或模块；CRT/MDI单元、阅读机、软盘单元等装置或外设。若被检测内容正常，则CRT显示表明系统已进入正常运行的基本画面(一般是位置显示画面)。否则，将显示报警信息。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。只要系统不断电，在线诊断也就不会停止，在线诊断的诊断范围大，显示信息的内容也很多。一台带有刀库和台板转换的加工中心报警内容有五六百条。离线诊断是利用专用的检测诊断程序进行的旨在最终查明故障原因，精确确定故障部位的高层次诊断，离线诊断的程序存储及使用方法一般不相同（5）其他诊断方法a、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，只改变模板。b、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。c、敲击法数控系统是由各种电路板组成，电路板上、接插件等处有虚焊或接口槽接触不良都会引起故障。可用绝缘物轻轻敲打疑点处，若出现，则敲击处很可能就是故障部位。d、升温法设备运行较长时间或环境温度较高时，机床就会出现故障，可用电吹风、红外灯照射可疑的元件或组件。确定故障点。e、功能程序测试法当数控机床加工造成废品而无法确定是编程、操作不当还是数控系统故障时，或是闲置时间较长的数控机床重新投入使用时。将G、M、S、T、F功能的全部指令编写一个试验程序并运行在这台机床，可快速判断哪个功能不良或丧失。f、隔离法隔离法是将某些控制回路断开，从而达到缩小查找故障区域的目的。例：某加工中心，在JOG方式下，进给平稳，但自动则不正常。首先要确定是NC故障还是伺服系统故障，先断开伺服速度给定信号，用电池电压作信号，故障依旧。说明NC系统没有问题。进一步检查是Y轴夹紧装置出故障。g、测量比较法为了检测方便，在模板或单元上设有检测端子，用万用表、示波器等仪器对这些端子的电平或波形进行测试，将测试值与正常值进行比较，可以分析和判断故障的原因和及故障的部位。各种故障诊断方法各有特点，要根据故障现象的特点灵活的组合应用。3数控机床常见故障诊断与维修3.1数控机床机械结构故障诊断与维修（1）进给运动系统（滚珠丝杠螺母副）的故障诊断a、丝杠螺母润滑不良1)分油器是否分油2)油管是否堵塞b、滚珠丝杠副噪声1)滚珠丝杠轴承压盖压合不良2)滚珠丝杠润滑不良3)滚珠破损4)电动机与滚珠丝杠联轴器松动（2）刀架、刀库及换刀装置故障诊断转塔刀架没有抬起动作控制系统是否有T指令输出信号抬起电磁铁断线或抬起阀杆卡死压力不够抬起液压缸研损或密封损坏与转塔抬起联接的机械部分研损转塔不正位转位盘上的撞块与选位开关松动，使转塔到位时传输信号超期或滞后上下联接盘与中心轴花键间隙过大产生位移偏差大，落下时易碰牙顶，引起不到位转位凸轮与转位盘间隙过大凸轮在轴上窜动转位凸轮轴的轴向预紧力过大或有机械干涉转塔转位不停两计数开关不同时计数或复置开关损坏转塔上的24V电源断线刀具不能夹紧风泵气压不足增压漏气刀具卡紧液压缸漏油刀具松卡弹簧上的螺丝母松动刀具夹紧后不能松开松锁刀的弹簧压力过紧刀套不能夹紧刀具检查刀套上的调节螺母机械手换刀速度过快气压太高或节流阀开口过大换刀时找不到刀刀位编码用组合行程开关、接近开关等元件损坏、接触不好或灵敏度降低（3）液压与气动系统故障诊断a、液压泵有异常噪声或压力下降油量不足，滤油器露出油面吸油管吸入空气回油管高出油面，空气进入油池进油口滤油器容量不足滤油器局部堵塞液压泵转速过高或液压泵装反液压泵与电动机联接同轴度差定子和叶片磨损，轴承和轴损坏泵与其他机械共振c、液压泵发热、油温过高液压泵工作压力超载吸油管和系统回油管距离太近油箱油量不足摩擦引起机械损失，泄漏引起容积损失压力过高d、系统及工作压力低，运动部件爬行泄漏e、尾座顶不紧或不运动压力不足液压缸活塞拉毛或研损密封圈损坏液压阀断线或卡死套筒研损f、导轨润滑不良分油器堵塞油管破裂或渗漏没有气体动力源油路堵塞g、滚珠丝杠润滑不良分油管是否分油油管是否堵塞3.2常见伺服系统故障及诊断a、伺服超差:机床的实际进给值与指令值之差超过限定的允许值.检查CNC控制系统与驱动放大模块之间,CNC控制系统与位置检测器之间,驱动放大器与伺服电机之间的边线是否正确、可靠检查位置检测器的信号及相关的D/A转换电路是否有问题检查驱动放大器电压是否有问题检查电动机轴与传动机械间是否配合良好，是否有松动或间隙存在检查位置环增益是否符合要求，若不符合要求对有关的电位器应予以调整b、机床停止时，有关进给轴振动检查高频脉动信号并观察其波形及振幅，若不符合应调节有关电位器检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器检查位置检测用编码盘的轴、联轴节、齿轮系是否啮合良好c、机床运行时声音不好，有摆动现象检查测速发电机换向器表面是否光滑、清洁，电刷与换向器间是否接触良好检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器检查伺服放大器位置环增益是否符合要求，若不符合要求对有关的电位器应予以调整检查位置检测器与联轴节间的装配是否有松动检查由位置检测器来的反馈信号的波形及D/A转换后的波形幅度d、飞车现象位置传感器或速度传感器的信号反相，或者是电枢线接反了，即整个系统不是负反馈而变成正反馈了速度指令给的不正确位置传感器或速度传感器的反馈信号没有接或者是有接线断开CNC控制系统或伺服控制板有故障电源板有故障而引起的逻辑混乱e、所有的轴均不运动用户保护性锁紧如急停\制动,或有关运动的相应开关位置不正确主电源熔丝断由于过载保护用断路器动作或监控用继电器的触点未接触好f、电动机过热滑板运行时摩擦力或阻力太大热保护继电器脱扣,电流设定错误励磁电流太低或永磁式电动机失磁时,为获得所需力矩也可引起电枢电流增高而使电动机发热切削条件恶劣运动夹紧/制动装置没充分释放齿轮传动系损坏或传感器有问题电机本身内部匝间短路而引起的过热带风扇冷却的电动机,风扇坏g、机床定位精度不准滑板运行时阻力太大位置环的增益或速度环的低频增益太低机械传动部分有反向间隙位置环或速度环的零点平衡调整不合理接地\屏蔽不好或电缆布线不合理h、零件加工表面粗糙检查测速发电机换向器的表面光滑状况及电刷的磨合状况检查高频脉冲波形的振幅、频率、及滤波形状检查切削条件是否合理，刀尖是否损坏检查机械传动的反向间隙检查位置检测信号的振幅检查机床的振动状况如机床水平状态、地基、主轴旋转时有否振动等3.3数控机床PLC故障诊断的方法（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。综上所述，PLC故障诊断的要点是:要了解数控机床各部分检测开关的安装位置。如加工中心的刀库，机械手和回转工作台，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关，接近开关和压力开关等，要清楚检测开关作为PLC输入信号的标志。要了解执行机构的动作顺序。如液压缸、气缸的电磁换向阀等，要清楚对应的PLC输出信号标志。要了解各种条件标志。如启动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号借助编程器跟踪梯形图的动态变化，分析故障的原因，根据机床的工作原理作出正确的诊断。4、数控机床常见故障诊断及维修实例（1）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%。分析诊断：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，发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，讲主轴参数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。（2）丝杠窜动引起的故障维修故障现象：TH6380卧式加工中心，启动液压后，手动运行Y轴时，液压自动中断，CRT显示报警，驱动失效，其他各轴正常。分析诊断：该故障涉及电气、机械、液压等部分。任一环节有问题均可导致驱动失效，因此检查的顺序大致如下。伺服驱动装置→电动机及测量器件→电动机与丝杠连接部分→液压平衡装置→开口螺母和滚珠丝杠→轴承→其他机械部分。①检查驱动装置外部接线及内部元器件的状态良好，电动机与测量系统正常。②拆下Y轴液压抱闸后情况同前，将电动机与丝杠的同步传动带脱离，手摇Y轴丝杠，发现丝杠上下窜动。③拆开滚珠丝杠上轴承座正常。④拆开滚珠丝杠下轴承座后发现轴向推力轴承的紧固螺母松动，导致滚珠丝杠上下窜动。由于滚珠丝杠上下窜动，造成伺服电动机转动带动丝杠空转约一圈。在数控系统中，当NC指令发出后，测量系统应有反馈信号，若间隙的距离超过了数控系统所规定的范围，即电动机空走若干个脉冲后光栅尺无任何反馈信号，则数控系统必报警，导致驱动失效，机床不能运行。拧好紧固螺母，滚珠丝杠不再窜动，则故障排除。（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