数控机床故障诊断与维修课件完整版

数控机床故障诊断与维修授课人：目录CONTENTS绪论01项目1：主轴电气系统故障诊断与维修02项目2：主轴机电系统故障诊断与维修03项目3：进给传动系统故障诊断与维修04项目5：数控系统报警故障诊断06项目4：伺服系统报警故障诊断与维修05绪论Part01任务目标了解数控机床故障诊断应遵循的原则。了解数控机床故障排除的一般思路。了解数控机床故障诊断的对象及分类。掌握数控机床的结构，了解机床的加工工作原理。①②③④相关知识一、数控机床结构与工作原理二、数控机床故障诊断的对象与分类三、数控机床故障排除的思路四、故障排除应遵循的原则一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的主要控制对象是坐标轴的位移(包括移动速度、方向、位置等)，其控制信息主要来源于数控加工程序或运动控制程序。数控系统最基本的组成包括输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置测量反馈装置、辅助控制机构、机床本体等六部分组成如图0-1所示，下面将对这六部分进行具体介绍。图0-1数控机床的组成一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成（1）输入/输出装置

输入/输出装置的作用是用于数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入/输出。键盘和显示器是数控设备必备的最基本的输入/输出装置。作为数控系统的外围设备，台式计算机便携式计算机是目前常用的输入/输出装置之一。（2）数控装置

数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存器等组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理后，输出各种信息和指令，用以控制机床的各部分进行规定的动作。

在这些控制信息和指令中，最基本的是经插补运算后生成的坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量等指令，并提供给伺服驱动装置，经驱动器放大后，最终控制坐标轴的位移。这些控制信息和指令直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成（3）伺服驱动装置

伺服驱动装置通常由伺服放大器(亦称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。在数控机床上，一般都采用交流伺服电动机作为执行机构。目前，在先进的高速加工机床上已经开始使用直线电动机。另外，在20世纪年代以前生产的数控机床上有采用直流伺服电动机的简易数控机床中，也有用步进电动机作为执行机构的。伺服放大器的形成决定于执行机构，它必须与驱动电动机配套使用。（4）测量反馈装置

测量反馈装置是闭环(半闭环)数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件(如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等)，将执行元件或工作台等的实际位移的速度和位移检测出来,反馈给伺服驱动装置或数控装置，补偿进给速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。测量检测装置检测信号反馈的位置，取决于数控系统的结构形式。伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。

先进的伺服驱动装置采用了数字式伺服驱动技术（简称数字伺服)，伺服驱动装置和数控装置之间采用了总线连接，反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动装置进行连接，并通过总线传送到数控装置。只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动装置(俗称模拟伺服)时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成（5）

辅助控制机构

辅助控制机构指介于数控装置与机床机械、液压部件之间的控制部件，其主要作用是接收数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令，刀具选择交换指令、冷却、润滑装置的启/停指令、工件和机床部件的松开、夹紧指令、工作台转位等辅助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。它通常由PLC和强电控制回路构成，PLC在结构上可以与CNC一体化(内置式PLC)，也可以相对独立(外置式PLC)。（6）机床本体

机床本体就是数控机床的机械结构件由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台，以及辅助运动装置、液压/气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑、防护系统等部分组成。为了满足数控技术的要求，为了满足数控技术的要求，充分发挥机床性能，数控机床与普通机床相比较，机床本体在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面已发生了很大床的变化。机床本体的机械部件包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成下面以数控车床为例简单介绍机床本体的结构。图0-2数控车床的结构

1）主轴箱(床头箱)主轴箱固定在床身的最左边，其功能是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转，以实现机床的主运动。

2）刀架刀架安装在机床的刀架滑板上，加工时可实现自动换刀。

3）刀架滑板刀架滑板由纵向(Z向)滑板和横向(X向)滑板组成。纵向滑板安装在床身导轨上，沿床身实现纵向(Z向)运动;横向滑板安装在纵向滑板上，沿纵向滑板上的导轨实现横向(X向)运动。刀架滑板的作用是使安装在其上的刀具在加工中实现纵向进给和横向进给运动。一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成下面以数控车床为例简单介绍机床本体的结构。图0-2数控车床的结构

4）尾座尾座安装在床身导轨上，并沿导轨可进行纵向移动调整位置。尾座的作用是安装顶尖支撑工件，在加工中起辅助支承作用。

5）床身床身固定在机床底座上，是机床的基本支撑件。在床身上安装着机床的各主要部件(图0-2)。床身的作用是支撑各主要部件，并使它们在工作时保持准确的相对位置。

6）底座底座是机床的基础，用于支撑机床的各部件，连接电气柜，支撑防护罩和安装排屑装置。一、数控机床结构与工作原理1、数控机床的基本组成下面以数控车床为例简单介绍机床本体的结构。图0-2数控车床的结构7）防护罩防护罩安装在机床底座下，用于加工时保护操作者的安全和保持环境的清洁。8）机床的液压传动系统机床的液压传动系统用来实现机床上的一些辅助运动，主要是实现机床主轴的变速、尾座套筒的移动及工件自动夹紧机构的动作。9）机床润滑系统机床润滑系统为机床运动部件提供润滑和冷却。10）机床切削液系统机床切削液系统为机床在加工中提供充足的切削液以满足切削加工的要求。一、数控机床结构与工作原理2、数控机床加工原理在传统的金属切削机床上，操作者在加工零件时，根据图纸的要求，需要不断地改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。数控机床的加工，其实质是应用了“微分”原理，其工作原理与过程(见图0-3)简述如下。

（1）数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量(脉冲当量)为单位进行微分，并计算出各坐标轴需要移动的脉冲数。

（2）通过数控装置的“插补”软件或“插补”运算器，将要求的轨迹用以“最小移动量”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。

（3）数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。图0-3数控机床加工原理示意图一、数控机床结构与工作原理2、数控机床加工原理由上可得出以下结论:1）要数控机床的最小移动量(脉冲当量)足够小，所用的拟合折线就可以等效代替理论曲线；2）只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的；3）只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴(刀具)的运动速度。这样就实现了数控机床控制刀具移动轨迹的根本目的。根据给定的数学函数，在理想轨迹(轮廓)的已知点之问通过数据点的密化，计算并确定中间点的方法，称为插补；能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数。显然，数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴的数量是衡量数控机床性能的重要技术指标。图0-3数控机床加工原理示意图二、数控机床故障诊断的对象与分类1、数控机床故障诊断对象（1）数控机床本体(包括液压、气动和润滑装置)

对数控机床本体而言，由于机械部件处于运动摩擦过程中，因此对它的维护就显得特别重要，如主轴箱的冷却和润滑、导轨副和丝杠螺母副的间隙调整与润滑，以及支承的预紧、液压与气动装置的压力调整和流量调整等。

（2）电气控制系统

电气控制系统包括数控系统、伺服系统、机床电器柜(也称强电柜)及操作面板等。数控系统与机床电器设备之间的接口有四个部分：

①驱动电路主要指与坐标轴进给驱动和主轴驱动之间的电路。②位置反馈电路指数控系统与位置检测装置之间的连接电路。③电源及保护电路由数控机床强电控制线路中的电源控制电路构成，强电线路由电源变压器、控制变压器、各种断路器、保护开关、接触器、熔断器等连接而成，以便为交流电动机、电磁铁、离合器和电磁阀等功率执行元件供电。④开关信号连接电路开关信号是数控系统与机床之间的输人输出控制信号，输人输出信号在数控系统和机床之间的传送通过I/O接口进行。数控系统中的各种信号均可以用机床数据位“1”或“O”来表示。数控系统通过对输入开关量的处理，向I/O接口输出各种控制命令，控制强电线路的动作。二、数控机床故障诊断的对象与分类1、数控机床故障诊断对象

（2）电气控制系统

数控设备从电气的角度看，最明显的特征就是用电气驱动替代了普通机床的机械传动，相应的主运动和进给运动由主轴电动机和伺服电动机执行完成，而电动机的驱动必须有相应的驱动装置和电源配置。

现代数控机床一般用可编程序控制器替代普通机床强电控制柜中的大部分机床电器，从而实现对主轴、进给、换刀、润滑、冷却、液压及气动传动等系统的逻辑控制。特别要注意的是机床上各部位的按钮、行程开关、接近开关、继电器、电磁阀等机床电器开关，开关的可靠性直接影响机床能否正确执行动作。这些设备的故障是数控设备最常见的故障。数控机床为了保证精度，一般采用了反馈装,包括速度检测装置和位置。检测装置的好坏直接影响数控机床的运动精度及定位精度。由上所述，电气系统的故障诊断及维护是数控机床维护和故障诊断的重点。资料表明:数控设备的操作、保养和调整不当占整个设备故障的57%，伺服系统、电源及电气控制部分的故障占整个故障的37.5%,而数控系统的故障占5.5%。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（1）按数控机床发生故障的部件分类（1）机床本体故障

数控机床的机床本体部分，主要包括机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护装置。

因机械安装、调试及操作使用不当等原因而引起的机械传动故障和导轨副摩擦过大故障通常表现为传动噪声大，加工精度差，运行阻力大。例如:传动链的挠性联轴器松动，齿轮、丝杠与轴承缺油，导轨塞铁调整不当，导轨润滑不良以及数控系统参数设置不当等原因均可造成以上故障。尤其应引起重视的是机床各部位标明的注油点(注油孔)须定时、定量加注润滑油(脂)，这是机床各传动链正常运行的保证。另外，液压、润滑与气动系统的故障主要表现在管路阻塞或密封不良，造成数控机床无法正常工作。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（1）按数控机床发生故障的部件分类（2）电气故障电气故障分弱电故障与强电故障。弱电部分主要指CNC装置、PLC控制器、CRT显器以及伺服单元、输入/输出装置等电子电路，这部分又有硬件故障与软件故障之分。硬件故障主要是指上述各装置的印制电路板上的集成电路芯片、分立元件、接插件以及外部连接组件等发生的故障。常见的软件故障有加工程序出错、系统程序和参数的改变或丢失、计算机的运算出错等。强电故障是指继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电磁铁、行程开关等元器件，以及由其所组成的电路发生故障。这一部分的故障十分常见，必须引起足够的重视。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（2）按数控机床发生故障的性质分类（1）系统性故障系统性故障通常指只要满足一定的条件或超过某一设定，工作中的数控机床必然会发生的故障。这一类故障现象极为常见。例如:润滑、冷却或液压等系统由于管路泄漏引起游标下降到某一限值，必然会发生液位报警，使数控机床停机。再如:数控机床在加工中因切削用量过大达到某一限值时，必然会发生过载或超温报警，导致数控系统迅速停机。因此，正确使用与精心维护数控机床是杜绝或避免这类系统性故障的切实保障。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（2）按数控机床发生故障的性质分类（2）随机性故障

随机性故障，通常指数控机床在同样的条件下工作时偶然发生的一次或两次故障。有的文献上称此为“软故障”。由于此类故障在条件相同的状态下偶然发生一两次，因此，随机性故障的原因分析与故障诊断较其他故障困难得多。一般而言，这类故障的发生往往与安装质量、组件排列、参数设定、元器件品质、操作失误与维护不当，以及工作环境影响等诸因素有关。例如:接插件与连接组件因疏忽未加锁定，印制电路板上的元器件松动变形或焊点虚脱，继电器触点、各类开关触头因污染锈蚀，以及直流电刷接触不良等所造成的接触不可靠等。另外，工作环境温度过高或过低，湿度过大，电源波动与机械振动、有害粉尘与气体污染等原因均可引发此类偶然性故障。

因此，加强数控系统的维护检查，确保电柜门的密封，严防工业粉尘及有害气体的侵袭等，均可避免此类故故障的发生。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（3）按数控机床发生故障时有无报警显示分类（1）有报警显示的故障

这类故障又可分为硬件报警显示与软件报警显示两种。

硬件报警显示指各单元装置上的警示灯（一般由LED发光管或小型指示灯等组成）有指示。在数控系统中有许多用来指示故障部位的警示灯，如控制操作面板、位置控制印制线路板、伺服控制单元、主轴单元、电源单元等部位上常设有这类警示灯。一旦数控系统出现了故障后，借助相应部位上的警示灯可大致分析判断相互故障发生的部位与性质，这无疑给故障分析、诊断带来极大方便。因此，维修人员在日常维护和排除故障时应认真检查这些警示灯的状态是否正常。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（3）按数控机床发生故障时有无报警显示分类（1）有报警显示的故障

软件报警显示通常是指显示屏(CRT)上显示出来的报警号和报警信息。由于数控系统具有自诊断功能，因此它一旦检测到故障，即按故障的级别进行处理，同时在CRT上以报警号的形式显示该故障信息。这类报警显示常见的有存储器警示、过热警示、伺服系统警示、轴超程警示、程序出错警示、主轴警示、过载警示以及短路警示等。通常软件报瞥类型少则几十种，多则上千种，这无疑为故障判断和排的故障报警提供了极大的帮助。

NC报警为数控部分的故障报警，可通过所显示的报警号，对照维修手册中有关NC故障报警及说明来确定产生该故障的原因。PLC的报警大多数属于机床侧的故障报警，显示由PLC的报警信息文本所提供，可通过所显示的报警号，对照维修手册中有关PLC故障的报警信息、PLC接口说明，以及PLC程序等内容检查PLC有关接口和内部继电器状态，确定产生故障的原因。通常，PLC报警发生的可能性要比NC报警高得多。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（3）按数控机床发生故障时有无报警显示分类（2）无报警显示的故障

这类故障发生时无任何硬件或软件的报警显示，因此分析诊断难度较大。例如在数控机床通电后，在手动方式或自动方式运行时，X轴出现爬行现象，且无任何报警显示；又如机床在自动方式运行时突然停止，而CRT上无任何报警显示；在运行机床的某轴时发生异常声响，一般也无报警显示等。一些早期的数控系统由于自诊断功能不强，尚未采用PLC控制器，无PLC报警信息文本，所以出现无报警显示的故障的情况会更多一些。

对于无报警显示故障，通常要具体情况具体分析，要根据故障发生的前后变化状态进行分析判断。例如：X轴在运行时出现爬行现象，首先判断是数控部分故障还是伺服部分故障。具体做法是:在手摇脉冲进给方式中，可均匀地旋转手摇脉冲发生器，同时分别观察比较CRT上Y轴、Z轴与X轴进给数字的变化速率。通常，如数控部分正常，则三个轴的变化速率应基本相同，从而可确定X轴的爬行故障是伺服部分还是机械传动所造成。二、数控机床故障诊断的对象与分类2、数控机床常见故障分类（4）按数控机床发生故障的原因分类（1）数控机床自身故障

这类故障是由数控机床自身的原因引起的，与外部使用环境条件无关。数控机床所发生的大多数故障均属此类故障，但应区别有些故障并非由机床本身而是由外部原因所造成的。（2）数控机床外部故障

这类故障是由外部原因造成的。例如，数控机床的供电电压过低，电压波动过大，电压相序不对或三相电压不平衡;环境温度过高;有害气体、潮气、粉尘侵人数控系统;外来振动和干扰，如电焊机所产生的电火花干扰等均有可能使数控机床发生故障。还有人为因素所造成的故障，如操作不当、手动进给过快造成超程报警、自动切削进给过快造成过载报警。又如由于操作人员不按时按量给机床机械传动系统加注润滑油，易造成传动噪声或导轨摩擦系数过大而使工作台进给超载。据有关资料统计，首次使用数控机床或由技能不熟练的工人来操作数控机床，在使用的第一年内，由操作不当所造成的外部故障要占1/3以上。除上述常见故障分类外，还可按故障发生时有无破坏性分为破坏性故障和非破坏性故障；按故障发生的部位分为数控装置故障，进给伺服系统故障，主轴系统故障，刀架、刀库、工作台故障等。三、数控机床故障排除的思路1、确认故障现象，调查故障现场，充分掌握故障信息数控系统的型号颇多，所产生的故障原因往往比较复杂，下面介绍故障处理的几种思路。

当数控机床发生故障时，维护维修人员对故障的确认是很有必要的，特别是在操作使用人员不熟悉机床的情况下尤为重要。此时，不应该也不能让非专业人士随意开动机床，特别是出现故障后的机床，以免故障的进一步扩大。

在数控系统出现故障后，维护维修人员也不要急于动手，盲目处理。首先要查看故障记录，向操作人员询问故障出现的全过程；其次，在确认通电对数控系统无危险的情况下再通电亲自观察。特别要注意主要故障信息，包括数控系统有何异常，CRT显示的报警内容是什么等。具体如下：①在故障发生时，报警号和报警提示是什么？有哪些指示灯和发光管报警？②如无报警，数控系统处于何种工作状态？数控系统的工作方式和诊断结果如何？③故障发生在哪个程序段?执行何种指令？故障发生前进行了何种操作？④故障发生时，进给在何种速度下?机床轴处于什么位置？与指令值的误差量有多大？⑤以前是否发生过类似故障?现场有无异常现象？故障能否重复发生？⑥观察数控系统的外观、内部各部分是否有异常之处。三、数控机床故障排除的思路2、根据所掌握故障信息明确故障的复杂程度，并列出故障部位的全部疑点

在充分调查和现场掌握第一手材料的基础上，把故障问题正确地罗列出来。俗话说，能够把问题说清楚，就已经解决了问题的一半。3、分析故障原因，制定排除故障的方案

在分析故障时，维修人员不应仅局限于CNC部分，而要对机床强电、机械、液压、气动等方而都做详细的检查，并进行综合判断，制定出故障排除的方案，达到快速确诊和高效排除故障的目的。分析故障原因时应注意以下两个方面1）思路一定要开阔，无论是数控系统、强电部分，还是机械、液压、气压传动等，要将有可能引起故障的原因以及每一种解决的方法全部列出来，进行综合判断和筛选。2）在对故障进行深人分析的基础上，预测故障原因并拟定检查的内容、步骤和方法，制定故障排除方案。三、数控机床故障排除的思路4、检测故障，逐级定位故障部位

根据预测的故障原因和预先确定的排除方案，用试验的方法进行验证，逐级来定位故障部位，最级终找出发生故障的正确位置。为了准确、快速地定位故障,应遵循"先方案后操作”等原则。5、故障的排除

根据故障部位及发生故障的准确原因，应采用合理的故障排除方法，高效高质量地修复数控机床，尽快让数控机床投人生产。6、解决故障后资料的整理

故障排除后，应迅速恢复机床现场，并做好相关资料的整理工作，以便提高自己的业务水平，方便机床的后续维护和维修。四、故障排除应遵循的原则

在检测故障的过程中，应充分利用数控系统的自诊断功能，如系统的开机诊断、运行诊断、PLC的监控功能等，根据需要随时检测有关部分的工作状态和接口信息，同时还应灵活应用数控系统故障检查的一些行之有效的方法，如交换法、隔离法等。在本书后续章节中将介绍这些方法。另外，在检测、排除故障中还应掌握以下若干原则。1、先方案后操作（先静后动）维护维修人员碰到机床故障后，应先静下心来，考虑解决方案后再动手。维修人员本身要做到先静后动，不可盲目动手，应先询问机床操作人员故障发生的过程及状态，阅读机床说明书、图样资料后，方可动手查找和处理故障。如果上来就碰这敲那，连此断彼，徒劳的结果也许尚可容忍;若现场的破坏导致误判，或者引人新的故障或导致更严重的后果，则会后患无穷。2、先检查后通电确定方案后，对有故障的机床要秉承“先静后动”的原则，先在机床断电的静止状态下，通过观察、测试，分析，确认为非恶性循环性故障或非破坏性故障后，方可给机床通电。在运行的工况下，进行动态的观察、检验和测试，查找故障。对恶性的破坏性故障，必须先排除危险后方可通电，在运行的工况下进行动态诊断。四、故障排除应遵循的原则3、先软件后硬件当发生故障的机床通电后，应先检查数控系统的软件工作是否正常。有些故障可能是软件的参数丢失，或者是操作人员的使用方式、操作方法不当而造成的。切忌一上来就人拆大卸，以免造成更严重的后果。4、先外部后内部数控机床是机械、液压、电气等一体化的机床，故其故障必然要从机械、液压、电气这三个方面综合反映出来在检修数控机床时，要求维修人员遵循“先外部后内部”的原则。即当数控机床发生故障后，维修人员应先采用望、闻、听、问等方法，由外向内逐一进行检查。比如在数控机床中，外部的行程开关、按钮开关、液压气动元件的连接部位，印制电路板插头座、边缘接插件与外部或相互之间的连接部位，电控柜插座或端子板这些机电设备之间的连接部位，因其接触不良造成信号传递失真是造成数控机床故障的重要因素。此外，由于在工业环境中，温度、湿度变化较大，油污或粉尘对元件及线路板的污染，机械的振动等，都会对信号传送通道的接插件部位产生严重影响。在检修中要重视这些因素，首先检查这些部位就可以迅速排除较多的故障。另外，尽量避免随意启封、拆卸。不适当的大拆大卸，往往会加大故障，使数控机床丧失精度，降低性能。四、故障排除应遵循的原则5、先机械后电气由于数控机床是一种自动化程度高、技术较复杂的先进机械加工设备，一般来讲，机械故障较易察觉，而数控系统故障的诊断则难度要大些。“先机械后电气”的原则就是指在数控机床的检修中，首先检查机械部分是否正常，行程开关是否灵活，气动液压部分是否正常等。从经验来看，很大部分数控机床的故障是由机械动作失灵引起的。所以，在故障检修之前应首先逐一排除机械性的故障，这样往往可以达到事半功倍的效果。6、先公用后专用公用性的问题往往会影响到全局，而专用性的问题只影响局部口如数控机床的几个进给轴都不能运动时，应先检查各轴公用的CNC、PLC、电源、液压等部分并排除故障，然后再设法解决某轴的局部问题。又如电网或主电源故障是全局性的，因此一般应首先检查电源部分，看看保险丝是否正常，直流电压输出是否正常等等。总之只有先解决影响面大的主要矛盾，局部的、次要的矛盾才有可能迎刃而解。四、故障排除应遵循的原则7、先简单后复杂当出现多种故障相互交织掩盖一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。常常在解决简单故障的过程中，难度大的问题也可能变得容易，或者在排除简易故障时受到启发，对复杂故障的认识更为洁晰，从而也就有了解决的办法。8、先一般后特殊在排除某一故障时,要先考虑最常见的可能原因，然后再分析很少发生的特殊原因。例如当数控车床G轴回零不准时，常常是由降速挡块位置变动而造成的。一旦出现这一故障，应先检查该挡块位置;在排除这一故障常见的可能性之后，再检查脉冲编码器、位置控制等其他环节。总之，在数控机床出现故障后，要视故障的难易程度，以及故障是否属于常见性故障，合理采用不同的方法。思考与练习

1．

简述数控系统的基本组成？2．

数控机床常见故障的分类？3．

故障机理是什么？在研究故障机理时，需要考察的基本因素有哪些？4．

电气故障分哪两类，分别指什么？5．

数控机床故障排除的思路？6．

试用故障机理分析某一元件的故障发生过程。7．

数控机床现场调查故障通常先按哪两个步骤进行，具体内容是什么？8．

什么是数控系统自诊断？9．

数控系统如何进行高级诊断？项目一

主轴电气系统故障诊断与维修Part02项目一主轴电气系统故障诊断与维修电气元件统故障诊断与维修任务一任务二基于PLC梯形图的故障诊断与维修任务一

电气系统及刀架故障诊断能够对一般的数控机床电气系统故障进行诊断和维修。掌握数控机床电气控制系统维修规律。熟悉数控机床主轴常见故障现象与诊断方法。了解数控机床电气系统的主要结构与连接常见故障现象及诊断方法。①②③④任务目标相关知识一、电气系统概述二、电气系统故障诊断三、数控机床刀架结构及常见故障四、数控机床常见报警提示及帮助一、电气系统概述电气控制系统的构成形式数控机床是一种典型而复杂的机电一体化产品，按照传动形式所采用的机件和工作介质的不同，可划分成电气传动及控制系统、机械传动及控制系统和液压气压传动及控制系统三大部分。各种数控机床的电气传动控制系统，其基本构成以及构成原理是相同的。整个电气控制系统可以细分为CNC计算机数控系统和强电两大部分。CNC计算机数控系统是一专用的数控装置，由CNC系统、输入/输出接口、驱动单元和执行机构组成，是控制系统执行加工的核心。数控机床强电部分包括可编程控制单元、主轴控制单元及主轴电动机、强电电路及机床电器、速度控制单元及进给电动机等。本章主要阐述强电部分。（1）数据输入装置。将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孔带阅读机（已很少使用）、3.5in软盘驱动器(lin=0.0254m)、CNC键盘（MDI面板）、数控系统配备的硬盘及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机（较少使用）、PC等。（2）数控装置。数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多的是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。一、电气系统概述电气控制系统的构成形式（3）可编程序控制器。机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。当代PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。（4）主轴驱动。接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC，用以完成对主轴的各项功能控制。主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性。其中，有些参数是不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等；有些是可根据运行状态加以调改的，例如零漂等。通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同。因此要注意二者一致，切勿冲突。一、电气系统概述电气控制系统的构成形式（5）进给伺服。接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流（转矩）调节输出驱动信号驱动伺服电动机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链的状态发生变化，就需重调速度环调节器。（6）电器硬件电路。随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器（继电器、接触器），很少还有继电器逻辑电路的存在。但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由PLC取而代之，但是这不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。（7）机床（电气部分）。包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等，它们是实现机床各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。这里可能的圭要故障多数属于电气自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。一、电气系统概述电气控制系统的构成形式（8）速度测量。通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。这里应注意测速反馈电压的匹配连接，并且不要拆卸测速机。引起的速度失控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。

（9）位置测量。较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较，直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。位置环可能出现的故障多为硬件故障，例如位置测量元件受到污染、导线连接故障等。（10）外部设备。一般指PC、打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。使用中的主要问题与输入装置一样，要注意匹配问题。一、电气系统概述电气系统连接的基本过程数控机床的种类和规格、型号繁多，不同生产厂家的电气连接与调试方法也有所不同，但基本的组成大同小异，主要由机床操作台、配电柜和床身电气三大部分组成。其中操作台主要有机床操作面板电气、I/0单元电气和LCD/MDI电气、配电柜主要有配电盘、机床I/O单元、主轴模块和伺服模块。图1-1所示为配置FANUCOi数控系统的HTM系列加工中心的数控系统连接图。图1-1HTM系列加工中心的数控系统连接图从图1-1可以看出数控机床电气系统连接的基本过程：首先是机床床身的连接。电柜配好后，可与机床本体进行连线，继而进行操作台、机床行程开关、伺服电动机等部件的接线工作。一、电气系统概述电气系统连接的基本过程机床电气柜的配作在数控系统及其他电气元件到货后，根据电气原理图、电气元件接线图和电柜布置图在电柜内进行元器件的安装，包括动力单元的安装与配电柜总装，如图1-2a、b和图1-3所示。a)HTM-C配电柜动力单元的安装b)HTM-C配电柜总装图1-21-熔断器及断路器2-开关电源3-主轴及进给驱动装置4-CNC装置5-接地排6-接触器

7-接线排

8-机床控制变压器9-中间继电器10-输入/输出（I/O）端子排图1-3数控机床电气控制柜示意图二、电气系统故障诊断数控机床中的常见开关及故障诊断（1）胶壳刀开关常见故障为：开关动作时的拉弧烧损或氧化静插座，造成接触不良。（2）铁壳开关常见故障：熔丝熔断，接触或连接不良；触刀烧毁或接触不良；机构生锈或松动，手柄失灵；外壳接地不良，进线绝缘不良造成外壳漏电。（3）组合／转换开关常见故障为：机构损坏、磨损、松动造成动作失效；触头弹性失效或尘污接触不良造成三触头不能同时接通或断开；久用污染形成导电层、胶木烧焦、绝缘破坏，造成短路。（4）按钮开关常见故障为：按下启动按钮有触电感觉，原因为导线与按钮防护金属外壳短路；停止按钮失灵，原因为接线错误、线头松动；按下停止按钮，再按启动按钮，被控电气不动作，原因为复位弹簧失效导致动断触头间短路。（5）位置开关常见故障为：机构失灵、损坏、断线或离挡块太远；开关复位，但动断触头不能闭合（触头偏斜或脱落，顶杆移位被卡或弹簧失效）；开关的顶杆已偏转，但触头不动（开关安装欠妥，触头被卡），开关松动与移位（外因）。所以，开关是验收中不可缺少的项目，又是定期维修与更换的项目之一。一般,开关的机械寿命为5000～10000次，电寿命带负载的操作次数为5001000次。二、电气系统故障诊断低压断路器常见故障现象及其诊断低压断路器常见故障现象及原因见表1-1。故障现象故障原因不动作手动操作时不能闭合（不能接通或不能启动）-欠压脱扣器线圈损坏。热脱扣的双金属片（热元件）尚未冷却复原，脱扣后未给予足够时间冷却。储能弹簧失效变形，导致闭合力减小。反作用弹簧力过大。锁键和塔钩因长期使用而磨损。触点接触不良一一主触头

动作延时过长传动机构润滑不良、锈死、积尘造成阻力过大。锁键和塔钩因长期使用而磨损。弹簧断裂、生锈卡住或失效

欠压脱扣器不能分断一欠压不报警现象拉力弹簧失效、断裂或卡住。欠压脱扣器线圈损坏误动作电动机启动时，立即分断（一开机即过流报警）调试后，过流脱扣器瞬时整定值太小。对于老机床，可能是反力弹簧断裂或生锈卡住

闭合一定时间后自动分断调试或维修后，过流脱扣器延时整定值不符合要求。对于老机床，可能是热元件老化

断路器温升过大（过热报警）触点阻抗过大造成热效应而导致热脱扣，原因是：触头表面磨损过大或接触不良。两个导电零件连接螺钉松动

欠压脱扣器噪声大噪声只可能是由常闭型的脱扣器产生，在老机床中，原因是：弹簧失效变硬，不恢复。铁芯工作面有油污或短路环断裂

机壳带电漏电保护短路器失效，原因是：互感器线圈的触电氧化。接触不良。匝间短路。接地不良二、电气系统故障诊断接触器常见故障现象及诊断由于接触器的主要控制对象是电动机，因而电动机的启停，正反装动作与接触器就有直接关系，在诊断中应予注意。尤其是频繁使用的老机床或闲置很久的机床，必须注意接触器的检查与定期维修。常见故障原因分析见表1-2。故障现象故障原因电源电压机械电磁铁主触头负载效应操作使用弹簧机构励磁线圈铁芯主触点不闭合过低锈住粘连、恢复弹簧变硬铁芯机械锈住或卡住断线、线圈额定电压高于电源电压铁芯极面有油污、尘埃或气隙太大

线圈断电而铁芯不释放

恢复弹簧损坏失效机构松动、脱离或移位

工作气隙减小导致励磁增大

使用超过寿命主触头不释放回路电压过低触头弹簧压力过小

熔焊、烧结、金属颗粒突起负载侧短路频率过高或长期过载电磁铁噪声大过低触头弹簧压力过大铁芯机械锈住或卡住接触点接触不良铁芯短路环断裂电磨损、接触不良

线圈过热或烧毁过高或过低

匝间短路

操作频率过高注：（1)直流接触器，分段电路时拉弧大，易造成主触头电磨损。(2〉交流接触器的线圈易烧毁，并出现断电后由于剩磁而不释放，辅助触头不可靠；电磁铁的分磁环易断裂。(3)操作频率，是指每小时允许的操作次数。目前有300次/h、600次/h和200次/h等不同接触器。接触器的机械寿命很高，一般可达次以上。而其电气寿命，与负载大小和操作频率有关，触头闭合频率高，就会缩短使用寿命，并使线圈与铁芯温度升高。表1-2故障原因分析表二、电气系统故障诊断继电器常见故障现象及诊断继电器对极限温度、相对湿度、气压、振动及冲击强度等方面都有一定的要求。继电器在动作过程中触点断开时出现腐蚀或黏结现象，以及触点闭合时出现传动压降超过规定水平，均视为失效。继电器的主要故障现象是不动作与误动作，因此需要定期检查与维修。（1）热继电器对于热继电器，产生不动作与误动作的原因可从控制输入、机构与参数、负载效应等几方面来分析。如电动机已严重过载，则热继电器不动作的原因如下。1）电动机的额定电流选择得太大，造成受载电流过大。2）整定电流调节太大，造成动作滞后。3）动作机构卡死，导板脱出。4）热元件烧毁或脱焊。影响因素有：操作频率过高；负载侧短路；阻抗太大使电动机启动时间过长而导致过流。5）控制电路不通。影响因素有：自动复位的热继电器中调节螺钉未调在自动复位的位置上；手动复位的热继电器在动作后未复位。二、电气系统故障诊断继电器常见故障现象及诊断继电器对极限温度、相对湿度、气压、振动及冲击强度等方面都有一定的要求。继电器在动作过程中触点断开时出现腐蚀或黏结现象，以及触点闭合时出现传动压降超过规定水平，均视为失效。继电器的主要故障现象是不动作与误动作，因此需要定期检查与维修。热继电器误动作的可能原因有以下几种，主要与热元件的温度不正常有关。①环境温度过高，或受强烈的冲击振动。②调试不当，整定电流太小。③使用不当，操作频率过高，使电流热效应大，造成提前动作。④负载效应。阻抗过大、电动机启动时间过长，产生大电流热效应，造成提前动作。⑤维修不当。维修后，连接导线过细，导热性差，造成提前动作，或者连接导线过粗，造成滞后动作。由此可见，单独使用热继电器作为过载保护器是不可靠的。热继电器必须与其他的短路保护器一起使用。通常采用一种三相带断相保护的组合型的热继电器。二、电气系统故障诊断继电器常见故障现象及诊断继电器对极限温度、相对湿度、气压、振动及冲击强度等方面都有一定的要求。继电器在动作过程中触点断开时出现腐蚀或黏结现象，以及触点闭合时出现传动压降超过规定水平，均视为失效。继电器的主要故障现象是不动作与误动作，因此需要定期检查与维修。（2）速度继电器速度继电器安装接线时，其正反向触头不可接错，否则就不能起到反向制动时的接通或断开反向电源的作用。在反接制动时，速度继电器的常见故障如下。1）不能制动。这是由于器内胶木摆杆断裂、动合触头接触不良、弹性动触头断裂或失去弹性等。2）制动不正常。一般为动触点弹性片调整不当，可调整螺钉向上，减小弹性。二、电气系统故障诊断继电器常见故障现象及诊断继电器对极限温度、相对湿度、气压、振动及冲击强度等方面都有一定的要求。继电器在动作过程中触点断开时出现腐蚀或黏结现象，以及触点闭合时出现传动压降超过规定水平，均视为失效。继电器的主要故障现象是不动作与误动作，因此需要定期检查与维修。（3）时间继电器时间继电器的失控主要表现在延时特性的失控，延时触头不动作。可能原因如下。1）电源电压低于线圈额定电压。2）电磁铁线圈断线，3）棘爪无弹性，不能刹住棘轮。4）游丝断裂。5）若是控制同步电动机，则可能是电动机线圈断线。6）触头接触不良或熔焊。二、电气系统故障诊断继电器常见故障现象及诊断继电器对极限温度、相对湿度、气压、振动及冲击强度等方面都有一定的要求。继电器在动作过程中触点断开时出现腐蚀或黏结现象，以及触点闭合时出现传动压降超过规定水平，均视为失效。继电器的主要故障现象是不动作与误动作，因此需要定期检查与维修。（4）中间继电器中间继电器实际上是一种电磁式继电器，在数控机床的控制系统中用得最多。以它的通断来控制信号向控制元件的传递，控制各种电磁线圈的电源通断，并起欠压保护作用。由于它的触头容量较小，一般不能应用于主回路中。中间继电器往往可具有多对触头，从而可同时控制几个电路。在常用触头及机构故障时，往往可以利用冗余的触头副来代替，而不必更换整个继电器。另外中间继电器无其他要求，只要在零压时能可靠释放即可。二、电气系统故障诊断熔断器常见故障现象及诊断（1）交流电源无输出故障原因可能为：1）熔断安装时受损，或是熔断器本身的质量问题。2）熔断器选用规格不当，熔体允许电流规格太小。3）熔体两端或接线端接触不良，或是熔断器接触不良，或其夹座的接触不良，造成熔断丝实际未断使电路出现不同的故障。（2）开关电路失电故障原因可能为：1）若熔断器管内呈白雾状，则可能是板桥中的个别开关管不良或击穿造成的局部短路，一般不易检查出来。2）若熔断器管壁发黑，则必定对应有高压滤波电容击穿或整流管击穿造成严重短路故障。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰机床数控系统中既包含高电压、大电流的强电设备，又包含低电压、小电流的控制与信号处理设备和传感器，即弱电设备。强电设备产生的强烈电磁骚扰对弱电设备的正常工作构成极大的威胁。此外，系统所在的生产现场的电磁环境较恶劣，系统外各种动力负载的骚扰、供电系统的骚扰和大气中的骚扰等都会对系统内的弱电设备产生严重影响，由于弱电设备是控制强电设备的，所以，一旦弱电设备受到干扰，加工精度就会降低或引起误动作，进而可能导致事故发生或整个系统的瘫痪。

大量实际和统计数字表明，数控装置和计算机等的故障，90%来自电源噪声和电源本身的故障。强电设备会使供电系统污染，产生强脉冲噪声，通过传输线影响微电子设备，特别是数字控制装置的安全稳定运行。因此，数控机床的预防干扰，不仅要对微电子电路采取抑制措施，还要对其电源系统采取抑制干扰措施。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（1）干扰的来源干扰是影响数控机床正常运行的一个重要因素，常见的干扰有电磁波干扰、供电线路干扰和信号传输干扰等。1）电磁波干扰各种大功率高频、中频发生装置和电火花高频电源等，使用的过程中都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间向外传播，被附近的干扰对象所吸收。如被附近的数控系统所吸收并且能量足够时，就会影响数控机床的正常工作。2）供电线路干扰数控系统对输入电压的变化范围都有一定的要求，过电压或欠电压都会引起电源电压监控报警，从而导致停机。如果线路受到干扰，就会产生谐波失真、频率与相位漂移。动力电网的另一种干扰是由大电感负载所引起的。大电感在断电时要把存储的能量释放出来，在电网中形成高峰尖脉冲，它的产生是随机的，由于这种电感负载产生的干扰脉冲频域宽，特别是高频窄脉冲，峰值高，能量大，干扰严重但变化迅速，不会引起电源监控的反应，如果通过电线路窜人数控系统，引起的错误信息会导致CPU停止运行，系统数据丢失。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（1）干扰的来源干扰是影响数控机床正常运行的一个重要因素，常见的干扰有电磁波干扰、供电线路干扰和信号传输干扰等。3）信号传输干扰数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外界干扰，常会产生串模干扰和共模干扰。串模干扰的表现形式如下。①通过泄漏电阻的干扰。最常见的现象是元件支架、检测元件、接线柱、印制线路以及电容绝缘不良，使噪声源得以通过这些漏电阻作用于有关电路而造成干扰。②通过共阻抗耦合的干扰。最常见的例子是通过接地线阻抗的共阻耦合干扰。③经电源配电回路引入的干扰。当干扰电压对两根信号线的干扰大小相等、相位相同时属于共模干扰，由于接收装置的共模抑制比一般均较高，所以对系统的影响不大。但当接收装置的两个输入端出现很难避免的不平衡时，共模干扰的一部分将转换为串模干扰。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法电磁干扰的抑制方法有许多种，屏蔽、隔离、滤波、接地和设备的合理布局等都是诊断、控制或消除干扰的基本方法和有效措施。此外，利用软件抗干扰技术，也能收到良好效果。下面主要通过介绍几种常用的抗干扰措施，培养认识干扰、初步具备诊断及排除干扰故障的能力。1）减少供电线路中的干扰数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备，要避免大功率启动、停止频繁的设备和电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，变频器控制电路配线要采用独立的动力线供电。在电网电压变化较大的地区，供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减小电网电压的波动。动力线与信号线要分离，如各自使用各自独立的线槽等，距离尽可能保持在30cm以上，最小距离为5-7.5cm，同时尽量避免平行走线，不能将强电线与信号线捆扎在一起。信号线采用绞合线，以减少和防止磁场耦合和电场耦合的干扰。采用隔离变压器供电能实现电路与电路之间的电气隔离，从而解决地线环路电流带来的设备与设备之间的干扰，同时，隔离变压器对于抗共模干扰也有一定作用，对瞬变脉冲和雷击浪涌干扰能起到很好的抑制作用，是一种应用相当广泛的电源线抗干扰措施。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法2）减少机床控制中的干扰①压敏电阻保护数控系统开机运行时，分别会在交流输入电源相线之间叠加峰值为1kV的浪涌（冲击）电压；在交流输入电源相线与保护接地端(PE)间叠加峰值为2kV的浪涌（冲击）电压。为此，数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。在电路中加入压敏电阻，又称浪涌吸收器，可对线路中的瞬变和尖峰等噪声起一定的抑制作用。压敏电阻是一种非线性过电压保护元件，抑制过电压能力强，反应速度快。平时漏电流很小，而放电能力异常大，可通过数千安培电流，且能重复使用。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法②阻容保护如图1-4(a)、(b)所示是数控机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。交流接触器和交流电动机频繁启停时，其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪声，干扰数控系统和伺服系统的正常工作。在这些电器上加入阻容吸收回路，会改变电感元件的线路阻抗，使交流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在启停时平稳，抑制了电器产生的干扰噪声。交流接触器的阻容吸收回路，其电阻一般为220，电容一般为0.2F/380V；交流电动机各相之间的阻容吸收回路，电阻一般为30，电容一般为0.47F/380V。目前，有些交流接触器配备有标准的阻容吸收器件，如TE公司的D2系列接触器，其交流接触器中的LA4线圈抑制模块，可直接插入接触器规定的部位，安装方便，三相灭弧器用于三相负载的阻容吸收。图1-4机床电路中的抗干扰措施（a）KM线圈阻容吸收器；（b）交流电动机阻容吸收器；（c）续流二极管二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法③续流二极管保护如图1-4(c)所示是数控机床电气控制中直流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势。例如，直流6V继电器线圈断电时有时会出现300-600V的浪涌电压，在电感元件两端反向并联一个续流二极管，释放线圈断电时产生的感应电动势，可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰噪声。目前，有些直流继电器已将续流二极管做成一体，如FUJI中间继电器DC24VHH153P-FL在其线圈两端并有二极管，给使用安装带来了方便。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法④屏蔽技术利用导电或导磁材料制成容器，将需要防护的电路或线路包在其中，割断或削弱干扰场的空间耦合通道，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等几种。其中静电屏蔽主要是为了消除两个或几个电路之间由于分电容耦合而产生的干扰，如变压器初次级之间接地的屏蔽层就属于此类。电磁屏蔽对于高频电磁干扰的屏蔽，是通过反射或吸收的方法来承受或排除电磁能量。在几千赫兹以下，钢是电磁干扰的良好吸收材料，而在几兆赫兹以上，任何结构适当的金属都是良好的电磁干扰吸收材料。增加屏蔽物厚度，可增加电磁干扰的吸收量；低频磁场屏蔽对于恒定磁场和低频磁场，利用高磁导率的铁磁材料可实现屏蔽。它将磁力线限制在磁阻很小的屏蔽导体内。此外，利用双绞线也可消除这类干扰。通常使用的铜质网状屏蔽电缆能同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽的作用；将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到电磁屏蔽和低频磁屏蔽的目的；仪器的铁皮外壳接地能同时起到静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法⑤保证“接地”良好将电路、设备机壳等与作为零电位的一个公共参考点（或面）实现低阻抗的连接，称为接地。接地的目的有两个，一是为了安全，例如，把电子设备的机壳和机座等与大地相接，当设备中存在漏电时，不致影响人身安全，称为安全接地；二是为了给系统提供一个基准电位，如脉冲数字电路的零电位点等，或为了抑制干扰，如屏蔽接地等，称为工作接地。接地目的不同，其“地”的概念也不同。安全接地一般是与大地相接，而工作接地，其“地”可以是大地，也可以是系统中其他电位参考点，如电源的某一个极。接地是电磁兼容设计的一个重要内容。接地不当会引起电磁干扰，甚至造成损伤人、机的事故，而正确的接地方式则会消除干扰。机电一体化系统常用的接地方式有以下几种。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法单点接地。单点接地是指一个电路或设备中，只有一个物理点被定义为接地参考点，而其他凡是需要接地的点都被接到这一点上。如果一个系统包含许多设备，则每个设备的“地”都是独立的，设备内电路采用自己的单点接地，然后整个系统的各个设备的“地”都连到系统唯一指定的参考点上。设备内部电路的单点接地有串联、并联、串一并联混合接地3种方式。如图1-5所示，从防止噪声角度看，图1-5(a)所示的串联接地方式是最不适用的。由于接地电阻是串联的，所以各电路间相互发生干扰。虽然这种接地方式很不合理，但由于比较简单，很多场合下仍在使用。这种接地方式当各电路的电平相差不大时还可勉强使用，但当各电路的电平相差很大时就不能使用了，因为高电平将会产生很大的地电流并干扰到低电平电路中去。使用这种单点串联接地方式时，还应注意把低电平的电路放在距接地点最近的地方。并联接地方式如图1-5(b)所示，这种方式在低频时是最适用的，因为各电路的地电位只与本电路的地电流和地线阻抗有关，不会因地电流而引起各电路间的耦合。这种方式的缺点是需要连很多根地线，使用比较麻烦。多点接地。单点接地所需地线较多如图1-6，在低频时适用。若电路工作频率较高，电感分量大，各地线间的互感耦合会增加干扰，因此常用多点接地，各接地点就近接于接地汇流排或底座和外壳等金属构件上。多点接地的优点在于连接地线上出现高频驻波的现象明显减少，但是多点接地系统中的多地线回路对线路的维护提出了更高的要求。因为设备本身的腐蚀、冲击振动和温度变化等因素都会使接地系统出现高阻抗，而使接地效果变差。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法复合接地。由于机电一体化系统的实际情况比较复杂，很难通过一种简单的接地方式来解决，因此常采用单点和多点组合成复合接地方式。一般来说，电路频率在lMHz以下时采用单点接地方式；当频率高于10MHz时，应采用多点接地方式；当频率在1~10MHz时，可采用复合接地。浮地。浮地是指设备的整个地线系统和大地之间无导体连接，它是以悬浮的“地”作为参考电平。采用浮地的连接方式可使设备不受大地电流的影响，设备的参考电平（零电平）符合“水涨船高”的原则，随高电压的感应而相应提高，机内器件不会因高压感应而击穿。在飞机、军舰和宇宙飞船的电子设备上常采用浮地系统。浮地系统的缺点是：当附近有高压设备时，通过寄生电流耦合而使外壳带电，不安全。此外，大型设备或高频设备由于分布参量影响大，很难做到真正的绝缘，因此，大型高频设备不宜采用浮地系统。除以上几种接地方式外，机电一体化系统的接地还应注意把交流接地点与直流接地点分开，避免由于地电阻把交流电力线引进的干扰传输到系统内部；把模拟地与数字地分开，接在各自的地线汇流排上，避免大功率地线对模拟电路增加感应干扰。二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法图1-5单点接地方式（a）串联接地方式（b）并联接地方式（c）串-并联混合接地方式图1-6多点接地方式二、电气系统故障诊断数控机床的电磁干扰（2）干扰故障诊断与维修方法⑥滤波常用的滤波技术有如下两种。低通滤波器。这是一种广泛被采用的技术，由LC组成的低通滤波器能把50Hz的电源高频噪声滤掉，对共模和常模噪声都能很好地抑制，对50HZ电源则无衰减。直流滤波器。直流稳压电源用大容量电解电容进行平滑滤波也是常用技术之一。在电源中除功率器件外，滤波电容是关键元件，应谨慎选择。三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构数控机床刀架的基本认识数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图1-7）和卧式（如图1-8）两种。立式主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外，卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。

数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种。图

1-7立式回转刀架图1-8卧式回转刀架三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构数控机床刀架的基本认识（1）数控车床回转刀架的基本要求数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性。数控车床回转刀架的基本要求：1）转位准确可靠，工作平稳安全；2）按最短路线就近选位，转位时间短；3）重复定位精度高；4）防水、防屑、密封性优良；5）夹紧刚度高，适宜重负荷切削。CK6140为经济性数控车床。其设计的刀架可与数控车床的数控系统接口相连接，又可配置简易的数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、切断、车螺纹、镗孔的加工工序。按照数控车床回转刀架的基本要求和CK6140车床的实际情况，本设计初选刀架为立式简易型四工位电动机回转刀架，采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，机械螺母升降转位式的工作原理。（2）数控车床立式回转刀架的结构特点数控车床立式回转刀架的结构特点：1）设置端齿盘作精定位元件；2）采用霍尔开关（无触点霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命；3）可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳；4）具有防水防滑作用。三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构回转刀架的工作过程本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤，如图1-9所示，其工作过程如下：（1）刀架抬起当数控系统发出换刀指令后,通过接口电路使电机正转,经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转,此时由于齿盘3、4处于啮合状态，在丝杆螺母机构8转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘3、4脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。（2）刀架转位当圆套8逆时针转过150°时，齿盘3、4完全脱开，此时销钉准确进入圆套8中的凹槽中，带动刀架体转位。三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构回转刀架的工作过程本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤，如图1-9所示，其工作过程如下：（3）刀架定位当上刀架转到需要到位后（旋转90°、180°或270°），数控装置发出的换刀指令使霍尔开关9中的某一个选通,当磁性板10与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘5地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构7使上刀架移到齿盘3、4重新啮合,实现精确定位。（4）刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时，电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构回转刀架的工作过程本设计回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤，如图1-9所示，其工作过程如下：

当数控系统发出换刀信号时，首先继电器K6动作，换刀电动机正转驱动蜗轮蜗杆机构使上刀体上升。当上刀体上升到一定的高度时，离合转盘起作用，带动上刀体旋转进行选刀。刀架上方的发信盘中对应的每个刀位都安装有一个传感器（如霍尔开关、感应开关等），当上刀体旋转到某刀位时，该刀位的传感器向数控系统输出信号，数控系统将刀位信号与指令刀位信号进行比较，当两信号相同时，说明上刀体已旋转到所选刀位。此时数控系统控制继电器K6释放，继电器K7吸合，换刀电动机反转。活动销反靠在反靠盘上初定位。在活动销反靠的作用下，螺杆带动上刀体下降，直至齿牙盘咬合，完成精定位，并通过蜗轮和蜗杆锁紧螺母，使刀架紧固。此时，数控系统控制继电器K2释放，换刀电动机停转，从而完成换刀动作。图1-9回转刀架三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构说明：M2刀架电动机QF3刀架电动机带过载保护的电源空开KM5、KM6刀架电动机正、反转控制交流接触器KA1由急停控制的中间继电器KA6、KA7刀架电动机正、反转控制中间继电器S1~S4刀位检测霍尔开关SB11手动刀位选择按钮SB12手动换刀启动按钮RC3三相灭弧器RC9、RC10单相灭弧器

自动刀架控制涉及到的I/O信号如下：

PLC输入信号：

X2.7：刀架电动机过热报警输入；

X3.0~X3.3：1~4号刀到位信号输入；

X30.6：手动刀位选择按钮信号输入；

X30.7：手动换刀启动按钮信号输入；PLC输出信号：

Y0.6：刀架正转继电器控制输出；

Y0.7：刀架反转继电器控制输出。

（a）强电电路

（b）接触器电路

（c）PLC输入/输出图1-10刀架控制的电气设计三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，功能和普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹四把不同功能的刀具，方刀架回转90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制。换刀时方刀架的动作顺序是：刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架。为完成上述动作要求，要有相应的机构来实现，下面就以WZD4型刀架为例说明其具体结构，如图1-11所示。1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销图1-11数控车床方刀架结构三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构该刀架可以安装四把不同的刀具，转位信号由加工程序指定。当换刀指令发出后，小型电动机1起动正转，通过平键套简联轴器2使蜗杆轴3转动，从而带动蜗轮丝杠4转动。蜗轮的上部外圆柱加工有外螺纹，所以该零件称蜗轮丝杠。刀架体7内孔加工有内螺纹，与蜗轮丝杠旋合。蜗轮丝杠内孔与刀架中心轴外圆是滑动配合，在转位换刀时，中心轴固定不动，蜗轮丝杠环绕中心轴旋转。当蜗轮开始转动时，由于在刀架底座5和刀架体7上的端面齿处在啮合状态，且蜗轮丝杠轴向固定，这时刀架体7抬起。当刀架体抬至一定距离后，端面齿脱开。转位套9用销钉与蜗轮丝杠4联接，随蜗轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开，转位套正好转过160°（如图1-11cA-A所示），球头销8在弹簧力的作用下进入转位套9的槽中，带动刀架体转位。1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销图1-11数控车床方刀架结构三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构刀架体7转动时带着电刷座10转动，当转到程序指定的刀号时，粗定位销15在弹簧的作用下进入粗定位盘6的槽中进行粗定位，同时电刷13、14接触导通，使电动机1反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7和刀架底座5上的端面齿啮合，实现精确定位。电动机继续反转，此时蜗轮停止转动，蜗杆轴3继续转动，译码装置由发信体11与电刷13、14组成，电刷13负责发信，电刷14负责位置判断。刀架不定期位出现过位或不到位时，可松开螺母12调好发信体11与电刷14的相对位置。随夹紧力增加，转矩不断增大，达到一定值时，在传感器的控制下，电动机1停止转动。1-电动机2-联轴器3-蜗杆轴4-蜗轮丝杠5-刀架底座6-粗定位盘7-刀架体8-球头销9-转位套10-电刷座11-发信体12-螺母13、14-电刷15-粗定位销图1-11数控车床方刀架结构三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构刀架发信盘的工作原理电动刀架发信盘是固定在刀架内部中心固定轴上由尼龙材料作为封装的圆盘部件。发信盘的内部根据刀架工位数设有四个或六个霍尔元件，并与固定在刀架上的磁钢共同作用来检测刀具的位置，如图1-12所示。图1-12四工位电动刀架发信盘在电动刀架的位置三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构刀架发信盘的工作原理（1）发信盘内部结构和工作原理四工位发信盘共有六个接线端子，两个端子为直流电源端，其余四个端子按顺序分别接四个刀位所对应的霍尔元件的控制端，根据霍尔传感器的输出信号来识别和感知刀具的位置状态。当程序指令刀架更换2号刀具时，刀架电机驱动刀架旋转；当在刀架上的磁钢到达发信盘的2号位置时，霍尔元件就会发出开关信号给CNC系统刀架位置控制接口，确定刀具已到达确定位置并锁住刀架。电路原理如图1-13所示。从原理图可知，发信盘的主要器件构成是霍尔器件。图1-13电动刀架发信盘电路原理图三、数控机床刀架结构及常见故障数控机床刀架结构刀架发信盘的工作原理（2）霍尔器件结构和检测刀架发信盘内部核心元件是霍尔器件（Hall-effectdevices)，它是由