数控机床故障诊断与维修

一、数控机床的组成

数控机床由数控装置、伺服驱动装置、检测反馈装置和机床本体四大部分组成再加上程序的输入/输出设备、可编程控制器、电源等辅助部分。

1. 数控装置(数控系统的核心)由硬件和软件部分组成接受输入代码经缓存、译码、运算插补等转变成控制指令实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。

2. 伺服驱动装置是数控装置和机床主机之间的联接环节接受数控装置的生成的进给信号经放大驱动主机的执行机构实现机床运动。

3. 检测反馈装置是通过检测元件将执行元件电机、刀架或工作台的速度和位移检测出来反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。

4. 机床本体是数控机床的机械结构件床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。

1.故障的基本概念

故障—数控机床全部或部分丧失原有的功能。

故障诊断—在数控机床运行中根据设备的故障现象在掌握数控系统各部分工作原理的前提下对现行的状态进行分析并辅以必要检测手段查明故障的部位和原因。提出有效的维修对策。

2.故障的分类

1从故障的起因分类

关联性故障—和系统的设计、结构或性能等缺陷有关而造成分固有性和随机性。

非关联性故障—和系统本身结构与制造无关的故障。

2从故障发生的状态分类

突然故障—发生前无故障征兆使用不当。

渐变故障—发生前有故障征兆逐渐严重。

3按故障发生的性质分类

软件故障—程序编制错误、参数设置不正确、机床操作失误等引起。

硬件故障—电子元器件、润滑系统、限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损坏造成。

干扰故障—由于系统工艺、线路设计、电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生。

3. 数控系统的可靠性

数控机床除了具有高精度、高效率和高技术的要求外还应该具有高可靠性。

衡量的指标有

MTBF—平均无故障时间

MTTR—排除故障的修理时间

平均有效度A

A=MTBF/MTBF+MTTR

数控设备使用寿命—故障频率曲线

4. 数控机床维修的特点

1数控机床是高投入、高精度、高效率的自动化设备

2一些重要设备处于关键的岗位和工序因故障停机时影响产量和质量

3数控机床在电气控制系统和机械结构比普通机床复杂故障检测和诊断有一定的难度。

1.通讯诊断(远程、海外诊断用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。

计算机发诊断程序 用户测试数据计算机诊断结果和处理方法用户特点实用简便有一定的局限性

2. 自修复系统

当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时系统在CRT上显示的同时自动寻找备用模块并接上。

特点实用但成本比较高而且只适合总线结构的CNC系统。

3. 人工智能专家故障诊断系统

4. 人工神经元网络(ANN)诊断

ANN具有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式故障等特点。这种方法将被诊断的系统的症状作为网络的输入将按一定数学模型所求得的故障原因作为网络的输出并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式隐存在网络上每个输出神经元对应着一个

故障原因。

熟悉数控机床各组成部分的工作原理与结构

确立数控机床故障诊断的基本思路与实施诊断的步骤及注意事项

掌握常用测试仪器的使用方法

通过理论和实训环节的教学能实施对数控机床的故障分析和诊断。

课程涉及内容广故障检测、分析难度高

一、数控机床的验收

1.机床性能

主轴性能

手动操作—高、中、低三挡转速连续进行五次正、反转的起动、停止检验其动作的灵活性和可靠性。观察功率、转速、主轴的准停及机床的振动情况。

进给性能

通过回原点、手动操作和手动数据输入方式操作检验正、反向的低、中、高速的进给运动的起动、停止、点动等动作的平稳性和可靠性。并检查回原点的准确性和可靠性软、硬限位是否确实可靠。

自动换刀性能

通过手动和M06指令自动运行检验换刀的可靠性、灵活性和平稳性并测定换刀时间是否符合要求。

机床噪声

主轴箱、冷却风扇、液压油泵等噪声小于85分贝。

2、数控功能

指令功能—指令的功能实现及准确性

操作功能—检验回原点、执行程序、进给倍率、急停等功能的准确性

CRT显示功能—检验位置、程序、各种菜单显示功能

3、连续空载运行

进行8—16小时的空载自动连续运行

4、验收检查项目

数控系统外观检查各部分破损、碰伤控制柜元器件的紧固检查接插件、接线端子、元器件的固定

输入电源电压、相序的确认

检查直流输出电压24V 、5V

确认数控系统与机床侧的接口

确认数控系统各参数的设定最佳性能

二、数控机床精度检验

1.几何精度检验静态精度检验

是综合反映机床关键零部件经组装后的综合几何形状误差。有各坐标轴的相互垂直度、台面的平行度、主轴的轴向和径向跳

动等检验项目。

2.定位精度检验

是测量机床各坐标轴在数控系统控制下所能达到的位置精度。

有直线运动定位精度、直线运动重复定位精度、直线运动的原点复归精度、直线运动失动量、回转工作台的定位精度、回转工作台的重复分度精度、数控回转工作台的失动量、回转工作台的原点复归精度等。

3.切削精度检验对数控车床

外圆车削直径、圆度

端面车削平面度

螺纹车削螺距积累误差等

一、点检

点检—按有关维护文件的规定对数控机床进行定点、定时的检查和维护

点检要求和内容

专职点检—重点设备、部位设备部门

日常点检—一般设备的检查及维护车间

生产点检—开机前检查、润滑、日常清洁、紧固等工作操作者

机床电气柜的散热通风

门上热交换器或轴流风扇对控制柜的内外进行空气循环。少开柜门

纸带阅读机的定期维护

对光电头、纸带压板定期进行防污处理

支持电池的定期更换

在机床断电期间有电池供电保持存储在COMS器件内的机床数据

检测反馈元件的维护

光电编码器、接近开关、行程开关与撞块、光栅等元件的检查和维护

备用电路板的定期通电

备用电路板应定期装到CNC系统上通电运行长期停用的数控机床也要经常通电

利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气。保证电器元件性能的稳定可靠。

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

双踪示波器—检查信号波形

钳形电流表—不断线检测电流

脉冲发生笔与逻辑测试笔

对芯片或功能电路板的输入注入逻辑电平脉冲用逻辑测试笔检测输出电平以判别其功能正常与否。

机械故障诊断仪

对机械故障进行检测、分析与诊断。

2. 工具

“+”、“ 一 ”螺丝刀、钳子、镊子、烙铁等

数控机床生产厂家必须向用户提供安装、

使用与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

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

数控机车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。

一、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

二、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。

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。

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

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

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

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

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

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

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。例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

FANUC 10TE

CRT

FS107E 1399B

ROM TEST END

RAM TEST

3、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。

可调出机床参数进行检查、修改或传送。

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

六、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

七、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。

八、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。

九.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。

十、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。

十一、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。

1.电源的组成

三相输入线路、熔断器、电源开关、电源变压器、控制变压器、断路器、各种继电器、接触器等。

2.通过电源配置提供给数控机床所需要的各种电源以满足不同负载的要求。

一般有380V、220V、200V、24V以及5V等。

2.维护保养内容

三相电源的电压值是否正常有否偏相

所有电气连接是否良好

各类开关是否有效

各继电器、接触器是否正常工作

检验热继电器、电弧抑制器等保护器件是否有效

检查电气柜防尘滤网、冷却风扇是否正常、电磁波干扰 电火花、中、高频电加热设备的电源都会产生强烈的电磁波通过空间传播被附近的数

控系统所接受如果能量足够就会干扰数控机床的正常工作。远离这些设备

二、供电线路干扰

输入电压过压或欠压引起电源报警而停机

电源波形畸变*引起错误信息会导致CPU停止运行

三、信号传输干扰

数控信号在传递过程中受到外界的干扰

干扰电压叠加在有用信号上

由绝缘不良、漏电阻及供电线路等引入。

1.减少供电线路的干扰

数控机床远离具有中、高频电源的设备

数控机床不要和大功率且频繁起、停的设备在同一供电干线上

在电源电压波动较大的地区加稳压电源

动力线和信号线分开走线

信号线采用屏蔽线或双绞线

控制线和电源线相交时要采用直角相交

2.减少机床控制中的干扰

压敏电阻保护浪涌吸收器—可对线路中的瞬变、尖蜂等噪声进行保护

压敏电阻的最大特点是当加在它上面的电压低于它的阀值"UN"时流过它的电流极小相当于一只关死的阀门当电压超过UN时流过它的电流激增

相当于阀门打开。利用这一功能可以抑制电路中经常出现的异常过电压保护电路免受过电压的损害。

阻容保护—交流接触器和电机频繁起停时因电磁感应会在机床电路中产生浪涌或尖蜂可抑制、吸收干扰噪声其基本原理是通过在半导体开关两端并接阻容电路为开关关断时存在于电路中的分布电感提供能量释放通道可有效抑制开关两端出现尖峰电压。

另外阻容电路也可并接于接触器、继电器等的交流线圈两端用于抑制线圈产生电磁干扰

续流二极管保护—直流电感元件在断电时在线圈着将产生较大的感应电动势并联的二极管可减少对控制电路的干扰

它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏

以并联的方式接到产生感应电动势的元件两端并与其形成回路使其产生的高电

动势在回路以续电流方式消耗从而起到保护电路中的元件不被损坏

3.屏蔽技术电磁、静电屏蔽

信号线采用屏蔽线铜质网状、穿在铁质蛇皮管或铁管中

关键元件或组件采用金属容器屏蔽

4.保证“接地”良好

“接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都市通过“接地”对机床起作用的。

信号地—用来提供电信号的基准电压0V

框架地—是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统。它是装置的面板、单元的外壳、操作板及各装置间接口的屏蔽线

系统地—是将框架地和大地相连接

接地要可靠接地电阻应小于10欧姆

接地线要粗应大于电源线的截面积

数控机床的地线系统

一、故障与故障诊断

数控机床在机械结构上和普通机床不同点在于传动链缩短传动部件的精度高机械维护的面更广。主轴、进给轴、导轨和丝杠、刀库和换刀装置、液压和气动等。

熟悉机械故障的特征掌握数控机床机械故障的诊断的方法和手段。还要注意数控机床机电之间的内在联系。

1. 机械故障的原因

机床在运行过程中机械零部件受到力、热、摩擦以及磨损等诸多因素的作用使其领部件偏离或丧失原有的功能。

2. 机械故障诊断

机床运行状态的识别、运行状态的信号获取、特征参数的分析故障性质的判断和故障部位的确定。

二、 机械故障诊断的方法

1、实用诊断技术

问—操作者渐/突发、故障现象、加工件的情况、传动系统的运动和动力、润滑、保养和检修情况

看—机床的转速变化、工件的表面粗糙度和振纹、颜色伤痕等明显症状

听—机床运转声强弱、频率高低等

闻—润滑油脂氧化蒸发油烟气焦糊气

触—用手感来判别机床的故障温升、振动、伤痕和波纹、爬行、松紧实用诊断技术在机械故障的诊断中具有

实用简便、快速有效的特点但诊断效果的好坏在很大程度上要凭借维修技术人员的经验而且有一定的局限性对一些疑难故障难以奏效。

2、振动、噪声测试(幅值大小、频率结构

3、油液分析磨粒成分、型貌、数量

4、温度测试表面温度及变化规律

5、超声、X射线探伤机件内部缺陷

6、专家诊断系统专家的经验、数据

主轴部件的性能要求

高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗振性、温升以及自动变速、准停和自动换刀等要求。

主轴部件的结构

成组高精度轴承滚动/静压/磁力/陶瓷及其配置、轴承间隙调整和润滑密封以及满足工件的自动装夹要求

主轴的维护特点

1.主轴润滑

减少摩擦、带走热量磨损和热变形- 循环润滑方式液压泵供油强力润滑和油脂润滑

-油气润滑方式定时定量把油雾送进轴承空隙中

-喷注润滑方式较大流量的恒温油喷注到主轴轴承大容量恒温油箱

2.防泄露

主轴故障诊断

故障现象 故障原因

1.主轴发热 轴承损伤或不清洁、轴承油脂耗尽或油脂过多、轴承间隙过小

2.主轴 电机与主轴传动的皮带过松、切削停转 皮带表面有油、离合器松

3.润滑油泄漏 润滑油过量、密封件损伤或失效、管件损坏

主轴故障诊断

故障现象 故障原因

4. 主轴噪声 缺少润滑、皮带轮动平衡振动 不佳、带轮过紧、齿轮磨损或啮合间隙过大、轴承损坏

5.主轴没有或 油泵转向不正确、油管或润滑不足 滤油器堵塞、油压不足

主轴故障诊断

故障现象 故障原因

6. 刀具不能 蝶形弹簧位移量太小、刀夹紧 具松夹弹簧上螺母松动

7.刀具夹紧后 刀具松夹弹簧压合过紧、不能松开 液压缸压力和行程不够

滚珠丝杠螺母副的维护

1.轴向间隙的调整

保证反向传动精度和轴向刚度垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式

2.支承轴承的定期检查

定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松动以及轴承是否损坏

3.滚珠丝杠副的润滑

润滑剂油/脂可提高耐磨性和传动效率工作前/半年

4.滚珠丝杠的防护

防止硬质灰尘或切屑污物的进入可采用防护罩或防护套管等

故障现象 故障原因

1.噪声大 丝杠支承轴承损坏或压盖压合

不好、联轴器松动、润滑不良或丝杠副滚珠有破损

2. 丝杠运动 轴向预紧太大、丝杠或螺母轴不灵活 线与导轨不平行、丝杠弯曲

导轨副的维护

1.间隙调整—保证导轨面之间合理的间隙小摩擦力大、磨损大运动失去准确性和平稳性、失去导向精度

2.滚动导轨的预紧—提高刚度、消除间隙

3.导轨的润滑—降低摩擦系数、减少磨损、防止导轨面锈蚀。润滑方式人工加油油杯供油、压力油润滑润滑油粘度变化小、润滑性好、油膜刚度

4.导轨的防护

防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨上而引起磨损、擦伤、和锈蚀导轨面上应有可靠的防护装置。常用的有刮板式、卷帘式和叠层式防护罩。需要经常进行清理和保养。

故障现象 故障原因

1.导轨研伤 地基与床身水平有变化使局部载荷过大、长期短工件加工局部磨损严重、导轨润滑不良、导轨材质不佳、刮研不符和要求、导轨维护不良落入脏物

故障现象 故障原因

2.加工面在 导轨直线度超差、工作台塞接刀处不平 铁松动或塞铁弯度过大、机床水平度差使导轨发生弯曲

刀库与换刀机械手的维护要点

1.严禁把超重、超长的刀具装入刀库防止机械手换刀时掉刀或发生碰撞

2.不管什么方式选刀时刀具号要和刀库上所需刀具一致

3.手动方式放往刀库上装刀时要确保装到位、装牢靠。刀座上的锁紧也要可靠

4.经常检查刀库的回零位置是否正确主轴回换刀点位置到位及时调整

5.要保持刀具刀柄和刀套的清洁

6.开机时应先使刀库和机械手空运行检查各部分工作是否正常行程开关、电磁阀、液压系统的压力等

刀库与换刀机械手的故障诊断

故障主要表现在刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定和机械手运动误差过大等

故障现象 故障原因

1.刀库刀套不 刀套上的调整螺母位置不对能卡紧刀具

2.刀库不能旋转 电机和蜗杆轴联轴器松动刀库与换刀机械手的故障诊断故障现象 故障原因

3.刀具从机械 刀具超重、机械手卡紧销损手中脱落 坏或没有弹出来

4.刀具交换时 换刀时主轴没有回到换刀点掉刀

5.换刀速度过 气压太高或太低和节流阀开快或过慢 口太大或太小

 一般主轴要求速度大范围连续可调、恒功率范围宽

主轴变速形式电动机带齿轮换档降速、增大传动比、增大主轴转矩电动机通过同步齿带或皮带驱动主轴恒

功率、机械传动简单

主轴伺服系统的故障形式及诊断方法

主轴伺服系统发生故障时有三种表现形式

在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息

在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示故障

无任何故障报警信息

主轴伺服系统常见故障有

外界干扰屏蔽和接地措施不良时主轴转速或反馈信号受电磁干扰使主轴驱动出现随机和无规律的波动。判别方法使主轴转速指令为零再看主轴状态

过载切削用量过大频繁正、反转等均可引起过载报警。具体表现为电动机过热、主轴驱动装置显示过电流报警等

主轴伺服系统常见故障有

1、主轴定位抖动

主轴准停用于刀具交换、精镗退刀及齿轮换档等场合有三种实现形式

1机械准停控制V形槽和定位液压缸

2磁性传感器的电气准停控制

3编码器型的准停控制准停角度可任意上述准停均要经减速减速或增益等参数设置不当、限位开关失灵、磁性传感器间隙变化或失灵都会引起定位抖动

1.磁性传感器

2.发磁体

3.主轴

4.支架

5.主轴箱

2、主轴转速与进给不匹配

当进行螺纹切削或用每转进给指令切削时会出现停止进给、主轴仍然运转的故障。主轴有一个每转一个脉冲的反馈信号

一般为主轴编码器有问题。可查CRT报警、I/O编码器状态或用每分钟进给指令代替

3、转速偏离指令值

主轴实际转速超过所规定的范围时要考虑电机过载、CNC输出没有达到与转速指令对应值、测速装置有故障、

主轴驱动装置故障

4、主轴电动机不转

原因1数控系统故障

CNC是否有速度信号输出使能信号是否接通

CTR观察I/O状态、分析PLC梯形图以确定主轴的启动条件润滑、冷却

原因2误操作

如未释放“急停”按键或已按下“机床锁住”按键

加工负载过大、撞刀或超程等错误的加工操作使机床进入“急停”状态。

原因3外部动力电源被切断

电源线断线、断路器、接触器开关已经弹开切忌立即合上开关应检查外部动力电源的电压和电流是否异常检查数控机床强电线路是否存在接地不良、断路、短路等问题。

原因4主轴驱动装置故障

因参数错误引起故障

接线处是否有脱落、开焊、积尘等现象

各连接电缆是否断线

故障出在PMC

上述问题都不存在时则需要检查主轴电机是否存在问题。