1、 数控机床几类典型故障分析 摘 要 数控机床是一种采用计算机技术新型的自动化机床，是机电一体化的产品。数控机床加工精度高、柔性好、效率高、可以加工形状非常复杂的工件，得到了广泛应用。由于数控机床技术先进构成复杂，设备容易出现问题，并且很多问题诊断、排除的难度都比较大。因此数控系统故障分析对提高数控机床的利用率和延长设备寿命有很大帮助。 论文针对目前应用较为广泛的几种数控系统的故障进行分析，在论文的前期翻阅了大量的资料，根据任务书的要求确定了论文总体思路。 在论文中对回参考点原理、回零方式及电源单元工作原 理进行说明，介绍了数控机床故障诊断原则和诊断方法，重点介绍了回参考点故障、电源单元故障和无
2、报警故障等三类故障。着重分析了故障产生原因和解决方法，列举了典型故障的分析过程和处理方法。 关键词 ：数控系统，故障分析，故障诊断，无报警故障 Trouble Analysis of Certain Model Computer Numerical Control System ABSTRACT CNC machine tool is a mechatronics kind automatic product which adopts the computer with new technology. The numerical control lathe has been used wide
3、ly, because it can manufacat complicated shape and it has higher accuracy,good flexibility and higher efficiency. As CNC machine tool has advantage techniques and complicated composition, it go wrong easily and many trouble diagnosis and removing difficultly. So CNC system analysis is good for impro
4、ving mechine tool utilization and equipment life-span. Tthesis has analyzed the troubles of several kinds of CNC system applicant widely. A large number of materials were browsed in early stage and overal design plan are confirmed according to the request of tast book. In the thesis, it detailed bac
5、k to reference point priciple and method and power unit work principle, recommended the numerical control lathe trouble diagnosis principle and method. It introduces three kinds of troubles such as back to reference troubles, power unit troubles and no alarm troubles. It analyzed emphatically the tr
6、ouble reason and solution, has enumerated the typical trouble analyis process and treatment method. Key wards: CNC system, trouble analyis ,trouble diagnosis, no alarm troubles 目 录 1 绪 论 . 1 1.1 概述 . 1 1.2 数控机床故障诊断原则 . 1 1.3 数控机床故障诊断方法 . 2 2 参考 点报警类故障分析 . 4 2.1 数控机床返回参考点的必要性 . 4 2.2 数控机床返回参考点的方式 . 4
7、 2.2.1 栅格法 . 4 2.2.2 磁开关法 . 5 2.3 数控机床回参考点故障诊断与分析 . 5 2.4 回参考点故障实例分析 . 8 2.4.1 回零动作过程异常，无法找到零点 . 8 2.4.2 回零动作过程正常，所回零点不准确 . 8 3.系统电源单元故障分析 . 10 3.1 电源单元输入电路工作原理 . 10 3.1.1 输入的主电路 . 11 3.1.2 输入的控制电路 . 11 3.1.3 电压监控和调整电路 . 11 3.2 电源单元输出工作原理 . 12 3.3 电源单元故障分析 . 13 3.3.1 电源单元无法 接通的故障分析 . 13 3.3.2 电源单元熔断
8、器熔断故障的分析 . 13 4 数控机床无报警故障分析 . 15 4.1 无报警故障发生原因 . 15 4.2 无报警故障实例分析 . 16 5 总 结 . 18 参考文献 . 19 附录 :英文资料及中文翻译 . 20 致 谢 . 40 - 1 - 1 绪 论 1.1 概述 数控机床是一种高效的自动化机床自动化技术，及伺服驱动、精密测量和精密机械等各个领域的新技术成果， 是将现代技术和高科技知识集于一体的机、电、液、控技术设备，具有技术密集和知识密集的特点，有较高自动化水 平和生产效率。数控机床技术是一门新兴的工业控制技术。 数控机床适应性强；加工精度高，质量稳定；生产效益高：能实现复杂的运
9、动；经济性能好；有利于生产管理的现代化。因此，其在现代生产过程中处于越来越重要的地位。 我国现有数控机床的数控系统品种极其繁多，既有国产的各档数控系统，也有来自世界各国的系统。如 FANUC O TC， 0 TD系统，西门子 810、 820、 880系统，三菱系统，华中系统，广州数控，等等。各型系统复杂程度参差不齐，功能各异，结构样式也不一样。 数控机床的广泛运用是制造业提高设备技术水平的有效手段 ，也是制造业发展的必由之路。数控机床的数控系统是数控机床的核心所在，它的可靠运行，直接关系到整个设备的正常运行。也就是说，当数控系统故障发生后，如何迅速诊断故障出处并解决问题使其恢复正常，是提高数
10、控机床设备使用率的迫切要求。在维修数控系统过程中，故障的诊断是否遵循一定的规律和方法 ? 如何在诸多故障现象当中，捕捉到故障病因的症结所在 ?这对提高机床的使用率，提高系统的有效度，提高数控机床的维修技术，是很重要的。 下面以接触较多、使用较广泛的系统为背景，浅谈数控系统故障分析的一般方法。 1.2 数控机床故障诊断原则 1.先外部后内部。数控机床是集机械、液压、电气为一体的机床，故其故障的发生也由三者综合反映出来。维修人员应先由外向内逐一进行排查。尽量避免随意地启封、拆卸 ,否则会扩大故障 ,使机床丧失精度，降低性能。 2.先机械后电气。一般来说，机械故障较易发觉，而数控系统故障的诊断难度较
11、大。在故障检修之前，首先排除机械性的故障 ,往往可以达到事半功倍的效果。 3.先静后动。先在机床断电的静止状态下 ,通过了解、观察测试、分析确认为非破坏性故障后，方可给机床通电。在运行状态下，进行动态的观察、检验和测试，查找故障。而对破坏性故 障 ,必须先排除危险后，方可通电。 - 2 - 4.先简单后复杂。当出现多种故障互相交织掩盖，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。往往简单问题解决后，难度较大的问题也可能变得容易了。 1.3 数控机床故障诊断方法 1.直观法。这是一种最基本、最简单的方法。维修人员通过对故障发生的各种光、声、味等异常现象的认真观察，可将故障范围缩小
12、到一个模块上。这往往要求维修人员具有丰富的实践经验以及综合判断能力。 2.参数诊断。数控系统的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据，这些直接影响着数控机床的性能。参数通 常是存放在存储器中。一旦电池电量不足或由于外界的某种干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，使系统发生混乱机床无法正常工作。通过核对、修正参数，就能将故障排除。因此，当机床长期闲置之后启动系统时，无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。 3.交换法。这是现场判断故障简单易行的常用方法之一。交换法是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷电路板、模板、集成电路芯片或元器
13、件换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷电路板或芯片一级。 4.自诊断功能法。故障自诊 断功能是数控系统一项十分重要的技术，它的强弱是评价系统性能的一项重要指标。当数控系统一旦发生故障，借助系统的自诊断功能，往往可以迅速、准确查明原因并确定故障部位。这个方法是当前维修中最常用、最有 效的方法。 自诊断方法有 3种。 （ 1）开机自诊断。每当数控系统通电开始，系统内部自诊断软件对系统中最关键的硬件和控制软件，如数控装置中的 CPU、 PAM、 ROM等芯片， MDI、 CRT、 I O等模块及监控软件、系统软件等逐个进行检测，并将检测结果显示在 CRT上。开机自诊断通常需一分钟左右的时间。一旦
14、检测通不过，即在 CRT上显示报警信息或报警号，指出哪个部分发生故障。 （ 2）在线诊断。系统处于正常运转状态时，运行内部诊断程序，对系统本身、PLC、位置伺服单元以及与数控装置相连的其他外部设备进行自动测试和检查，并及时显示有关故障信息。只要系统不停电，在线诊断就不会停止。 （ 3）离线诊断。也称脱线诊断。当 CNC系统故障或要判定系统是否真有故障时，将数控系统与机床脱离作检查，以便对故障作进一步定位，力求把故障定位在尽可能小的范围内。 5.对比法。是以正确的电压、电平或波形与异常的相比较来寻找故障部位。有时- 3 - 还可以将正常部分试验性地 造成“故障”或报警 (如断开连线、拔去组件 )
15、，看其是否和相同部分产生的故障现象相似，以判断故障原因。 6.敲击法。如果数控系统的故障若有若无，这时可用敲击法检查出故障所在部位。这种若有若无的故障多是由于虚焊或接触不良引起的，当用绝缘物轻轻敲击有虚焊或接触不良的疑点处，故障肯定会重复再现。 7.局部升温法。数控系统经过长期运行后元器件均要老化，性能变坏。当它们尚未完全损坏时，出现的故障会变得时隐时现。这时可用热吹风机或电烙铁等对被怀疑的元器件进行局部升温，加速其老化，以便彻底暴露故障部件。 8.原理分析法。根据 数控系统的组成原理，可从逻辑上分析出各点的逻辑电平和特征参数 (如电压值或波形等 )，然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪对
16、其进行测量、分析和比较，从而对故障进行定位。 9.隔离法。有些故障，如运动爬行、抖动等，当一时难以区分是数控部分还是伺服部分或是机械部分故障造成时，常采用隔离法。将电机分离，数控与伺服分离，位置闭环分离作开环处理。这样能将复杂的问题化为简单，较快地找到故障的原因。 1O.更新建立法。当 CNC或 PLC装置由于电网干扰，或其他偶然原因发生异常情况或死机时，应清除有关内存区，重新进行冷启动或 热启动。并对 CNC参数进行重新设置，便可排除故障。 除上述方法外，还有电压拉偏法、软件检测法等多种方法。这些检查方法各有特点，在处理故障时，可按不同情况灵活应用或数种方法结合使用，逐渐缩小故障可疑范围，找
17、出故障所在。 - 4 - 2 参考点报警类故障分析 2.1 数控机床返回参考点的必要性 数控机床位置检测装置如果采用绝对编码器时 ,由于系统断电后位置检测装置靠电池来维持坐标值的记忆，所以机床开机时 ,不需要进行返回参考点的操作。目前，大多数数控机床采用增量编码器作为位置检测装置，系统断电后，工件坐标系的 坐标值尽管靠电池维持坐标值的记忆，但只是记忆机床断电前的坐标值而不是机床的实际位置，所以机床首次开机后要进行返回参考点操作。 返回参考点的好处如下。 1.系统通过参考点来确定机床的原点位置，以正确建立机床坐标系。 2.可以消除丝杠间隙的累计误差及丝杠螺距误差补偿对加工的影响。 2.2 数控机
18、床返回参考点的方式 数控机床返回参考点的方式常用的有以下两种 ,既栅格法和磁开关法 .下面来对两种回参考点的方法与原理做一下简要的叙述 . 2.2.1 栅格法 这是数控机床回零的主要方式，使用脉冲编码器或光栅尺回零。根据检测元件计量方式的不同分为绝对栅格法回零和增量栅格法回零。 1.绝对栅格法。机床只在首次开机调试时进行回零操作调整，同时系统后备存储器记录零点位置信息，此后开机不必再回零操作。 2.增量栅格法。机床开机均必须进行回零操作，动作过程一般有 4种形式： 手动方式下坐标轴高速 (V1)靠近零点，接近零点便启动回零操作，系统控制坐标轴以低速 (V2)继续向零点移动，触发零点开关后，系统
19、开始查询检测元件发出的零标志脉冲，系统收到零标志脉冲后发出栅格脉冲控制信号控制回零轴制动，同时位移计数器清零，此时回零轴所处位置就是数控机床的坐标 系零点，回零结束；坐标轴先高速 (V1)靠近零点，触发零点开关后，系统控制坐标轴以低速 (V2)继续向零点移动，越过零点开关后，系统开始查询零标志脉冲，后续动作同 ； 坐标轴先高速 (V1)靠近零点，触发零点开关后，系统控制坐标轴制动，然后以速度 (V2)反向移动，系统开始查询零标志脉冲，后续动作同 ；坐标轴先高速 (V1)靠近零点，触发零点开关后，坐标轴制动停止，然后以微速 (v3)反向移过零点开关，又以速度 (v2)向零点移动，当零点开关再次被
20、触发后，系统开始查询零标志脉冲，后续动作同 。 - 5 - 2.2.2 磁开 关法 磁开关法回参考点的原理是在机械本体上安装磁铁及磁感应原点开关或者接近开关，当磁感应开关或者接近开关检测到原点信号后，伺服电动机立即停止运行，该停止点被定义为原点。 磁开关法回原点的特点是软件几硬件简单，但原点位置随着伺服电动机速度的变化而成比例地漂移，即原点不稳定，因此，目前大多数机床采用栅点法回原点。 2.3 数控机床回参考点故障诊断与分析 当数控机床回参考点出现故障时，首先应由简单到复杂，进行全面检查。先检查原点减速挡块是否松动、减速开关固定是否牢固、开关是否损坏，若无问题，应进一 图 1 数控机床回参考点
21、故障诊断流程 未执行返回参考点动作 回参考点有减速而超程 回参考点无减速而超程 回参考点有减速未超程而停机 偏移栅格位移 偏移随机位移 数控机床返回参考点故障 停机检查与诊断 有无报警 有报警 ,机床回参考点失败 无报警 ,机床回参考点失败 有无超程 偏移性质 Y N N Y - 6 - 步用千分表或激光测量仪检查机械相对位置的漂移量、检查减速开关位置与原点之间的位置关系，然后检查伺服电机每转的运动量、指令倍率比 (CMR)及检测倍乘比 (DMR)，再检查回原点快速进给速度的参数设置及接近原点的减速速度的参数设置。数控机床回参考点不稳定，不但会直接影响零件加工精度，对于加工中心机床，还会影响到
22、自动换刀。数控机床回参考点出现的故障 大多出现在机床侧，以硬件故障居多，但随着机床元器件的老化，软故障也时而发生，下面介绍几种数控机床回参考点故障及其对策。图 1 所示，为数控机床会参考点故障诊断流程框图。 1.机床能够执行返回参考点操作，回参考点绿灯亮。但返回参考点时出现停止位置漂移，且没有报警产生 该故障一般有两种情况： (1)机床开机后首次手动回参考点时，偏离参考点一个或几个栅格距离，以后每次进行回参考点操作所偏离的距离是一定的。一般造成这种故障的原因是减速块位置不正确；减速块的长度太短或参考点用的接近开关的位置不当。该故障一般在机床首次安装 调试后或大修后发生，可通过调整减速块的位置或
23、接近开关的位置来解决，或者通过调整回参考点快速进给速度、快速进给的时间常数来解决。 (2)偏离参考点任意位置，即偏离一个随机值或出现微小偏移，且每次进行回参考点操作所偏离的距离不等。这种故障可考虑下列因素并实施相应对策：外界干扰，如电缆屏蔽层接地不良，脉冲编码器的信号线与强电电缆靠得太近；脉冲编码器或光栅尺的电源电压太低 (低于 4.75V)或有故障；速度控制单元控制板不良；进给轴与伺服电机之间的联轴器松动；电缆连接器接触不良或电缆损坏。可想而知，数控机床发生这类故障 对用户来说是最可怕的，因为对于进行批量加工生产的数控机床，若机床每天所进行的回参考点操作所定位的位置不稳定，机床加工时的工件坐
24、标系会随每次进行回参考点操作参考点的漂移而产生漂移，机床所加工的批量零部件尺寸精度会出现不一致现象，而且极易造成批量废品。 2.机床在返回参考点时发出超程报警 (OVER TROVERL+或 +Y或 +Z)，回参考点绿灯不亮，数控系统出现“ NOTREADY”状态，机床回参考点失败 该故障由于存在报警，机床不会执行任何程序，不会出现上述加工件批量废品现象。这种故障一般有四种情况： (1)机 床回参考点时无减速动作，一直运动到触及限位开关超程而停机。这种情况是因为返回参考点减速开关失效，开关接触压下后不能复位，或减速挡块松动而位移，机床回参考点时零点脉冲不起作用，致使减速信号没有输入到数控系统。
25、解除机床的坐标超程应使用“超程解除”功能按钮，并将机床移回行程范围以内，然后应检查回参考点减速开关是否松动及相应的行程开关减速信号线是否有短路或断路现象。 (2)返回参考点过程中有减速，但以低速移动到触及限位开关而停机，返回参考- 7 - 点失败。可能原因有：减速后，返回参考点标记指定的基准脉冲不出现。其中一种可能是 编码器或光栅在返回基准点操作中没有发出返回基准点脉冲信号，或返回基准点标记失效，或检测系统硬件故障，对返回基准点脉冲信号无识别和处理能力；另一种可能是减速开关与返回参考点标记位置错位，减速开关复位后，未出现基准点标记，如表 1所示。这种情况应拆开编码器或光栅进行检查 (最好请传感
26、器专业人员检查，严禁随便拆卸 )，可能是编码器或光栅内出现油污，导致零标志信号脉冲丢失所致。 表 1 返回参考点示意图 方法 图示 措施 (3)返回参考点过程中有减速，且有返回参考点标记指定 的回基准脉冲出现后的制动到零速时的过程，但未到参考点就触及限位开关而停机，返回参考点失败。该故障是由于返回参考点的返回基准点脉冲被超越后，坐标轴未移动到指定距离就触及限位开关。这种情况应仔细检查减速开关与零位信号开关的位置关系，或者检查编码器与光栅的基准点脉冲出现的时序。 (4)机床在返回基准点时，发出“未返回参考点”报警，机床不执行返回参考点动作，其原因可能是因改变了设定参数所致。出现这种情况应考虑检查数控机床的如下参数： 指令倍率比 (CMR)是否设为零；检测倍乘比 (DMR)是否设为零； 回参考点快速进给速度是否设为零；接近原点的减速速度是否设为零等；机床操作面机械位移标尺栅指示标尺栅 更改基准点坐标值法 更改栅格位移值法 保持 MD18 和 MD21 不变 ,既归基准中指示栅机械上移动距离与原来相同 ,既出现归基准点标记。 不变动光栅位置，不更改零件程序尺寸及基准点栅格值，适当后移限位开关。 更改栅格位移值， 在原栅格位移中减去一 个偏一值，在归基一次，使基准点位置与原来位置相同。
