XXXX年毕业论文华中数控故障诊断与维护.docx
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XXXX年毕业论文华中数控故障诊断与维护
摘要：
自从计算机技术应用到了机床上，近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对关系国计民生的一些重要行业，如IT、汽车、轻工、医疗等的发展也起着越来越重要的作用。
数控机床是机电一体化在机械加工领域中的典型产品，具有高精度、高效率和高适应性的特点。
数控机床已在我国批量生产、大量引进和推广使用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来了很大的经济效益。
由于机床数控系统的先进性、复杂性和智能化高的特点，若其任何部分发生故障与失效现象，都会使数控机床停机，从而造成生产停顿。
因此，对数控车床的故障进行诊断与排除就显得十分必要。
本文主要研究华中数控机床数控系统故障诊断与维修的相关内容。
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：
华中数控机床、故障、诊断、维修
Abstract：
Sincethecomputertechnologyisappliedtomachinetool.Nearlyhalfacentury,theCNCsystemhasgonethroughtwostagesandsixgenerationsofdevelopment.ApplicationofCNCtechnologynotonlytothetraditionalmanufacturingindustrieshasbroughtrevolutionarychangesinthemanufacturingsectorasasymbolofindustrialization,andwiththecontinuousdevelopmentofCNCtechnologyandtheexpansionofapplicationfields,itisthepeople'slivelihood,someimportantindustries,Forexample,IT,thedevelopmentofautomotive,lightindustrial,medical,etc.CNCmachinetoolsarethecharacteristicsofmechanicalandelectricalintegrationoftypicalproductsinthefieldofmachining,withhighprecision,highefficiencyandhighadaptability.CNCmachinetoolsinChina'smass,alargenumbertointroduceandpromotetheuseofthemtocreatetheconditionsforthedevelopmentofthemachinerymanufacturingindustry,andhasbroughtgreateconomicbenefits.DuetotheadvancednatureoftheCNCsystem,complexandintelligentfeatures,ifanypartofitsfailureandfailurephenomenonwillcausetheCNCmachinetooldowntime,resultinginproductiontoastandstill.Therefore,thefailureoftheCNClathediagnosisandruleoutthatitisverynecessary.
Keywords：
HuazhongCNC,Failure,Diagnosis,Maintenance.
1.绪论
1.1.课题背景
数控技术是现代机械制造工业的重要技术装备，也是先进制造技术的基础技术装备。
随着电子技术的不断发展，数控机床在我国的应用越来越广泛，但由于数控机床系统及其复杂，又因大部分具有技术专利，不提供关键的图样和资料，所以数控机床的维修成为了一个难题。
论文将主要针对华中数控机床进行了简单介绍、故障现象描述或给出典型实例、故障的诊断过程及故障的维修等内容。
本论文将参考相关资料，根据自己的学习和实习时的工作经验进行编写，初学经验不足望能见谅。
1.2.本课题的主要内容
1.2.1.设计内容
1、从FANUC系统数控机床数控系统、主轴伺服系统、进给伺服系统、机床电气与PLC控制等方面中任选一个方面，对生产中此方面常见的1~2个故障进行诊断与维修；（如：
1.机床开机后急停且不能复位；2机床回参考点故障；3刀具不能锁紧；4.主轴调速故障等）；
2、在进行故障诊断与维修时必修包括以下内容：
故障的现象、故障分析的过程、故障原因、解决方案、此类事件的预防措施。
1.2.2.设计要求
1、鼓励上网查阅资料，严禁上网整篇下载剽窃，可以选择性引用；
2、严格按照论文的撰写要求，格式规范，内容充实；
3、正文字数不得少于5000字；
4、要求上交打印（A4）一份，电子文档一份。
2.数控机床的介绍
2.1.数控机床的概念
数控（NC）机床是一种通过编码指令编制零件加工程序，使刀具沿着程序编制的轨迹自动定位的机床。
它是以数控系统为代表的新技术对传统机械制造业渗透而形成的机电一体化产品；数控机床的核心是它的控制单元即数控系统。
其技术范围履盖很多领域，包括：
（1）机械制造技术；
（2）信息处理、加工、传输技术：
（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术：
（6）软件技术等
2.2.华中数控系统特点
华中数控综合实验台由数控装置、变频调速主轴及三相异步电动机、交流伺服单元及交流伺服电动机、步进电动机驱动器及步进电动机、测量装置、十字工作台组成。
图华中数控系统
表2.2.1典型车床数控系统主要器件
序号
名称
规格
主要用途
备注
1.
数控装置
HNC-21TC
控制系统
华中数控
2.
软驱单元
HFD-2001
数据交换
华中数控
3.
控制变压器
AC380/220V300W
/110V250W
/24V100W
/24V100W
伺服控制电源、开关电源供电
华中数控
交流接触器电源
照明灯电源
HNC-21TC电源
7.
伺服变压器
3PAC380/200V2.5KW
为伺服电源模块供电
华中数控
8.
开关电源
AC220/DC24V100W
开关量及中间继电器
明玮
9.
伺服电源模块
HSV-11P075
为伺服驱动器供强电
华中数控
10.
伺服驱动器
HSV-11D030
X、Z轴电机伺服驱动器
华中数控
11.
伺服电机
110STZ4-1-LM（4NM）
X轴进给电机
华中数控
12.
伺服电机
130STZ7.5-1-LM（7.5NM）
Z轴进给电机
华中数控
1、数控装置（数控系统的核心）
HNC-21TF数控装置内置嵌入式工业PC机，配置7.7”彩色液晶屏和通用工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口，内嵌式PLC于一体，可选配各种类型的脉冲接口、模拟接口的交流伺服单元或步进电动机驱动器。
2、变频调速主轴单元
变频主轴采用西门子MICROMASTER440系列的SE6440-2UD21-5AA0变频器配三相异步电机。
3、交流伺服驱动单元
交流伺服和交流伺服电机采用松下MINASA系列的MSDA023A1A伺服单元和MSMA022A1C伺服电动机。
4、步进驱动单元
步进驱动器和步进电机采用深圳雷塞M535和57HS13。
四相混合式步进电机，步进角为1.8度,静转矩1.3Nm,额定相电流2.8A。
5、输入与输出装置
输入接线端子板提供NPN和PNP两种类型开关量信号输入，输出继电器板集成八个单刀单投继电器和两个双刀双投继电器。
6、工作台
机械部分采用滚珠丝杠传动的模块化十字工作台，用于实现目标轨迹和动作。
X轴执行装置采用四相混合式步进电机，步进电机没有传感器，不需要反馈，用于实现开环控制。
Y轴执行装置采用交流伺服电机，交流伺服和交流伺服电机组成一个速度闭环控制系统。
安装在交流伺服电机轴上的增量式码盘充当位置传感器，用于间接测量机械部分的移动距离，构成一个位置半闭环控制系统；也可用安装在十字工作台上的光栅尺直接测量机械部分移动位移，构成一个位置闭环控制系统。
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。
2.2.1.电气原理图简介
下面以示意图的形式，显示了电气原理图的主要部分，对于线号仅给出了在不同的页面均出现的线缆的线号。
2.2.2.继电器与输入输出开关量
继电器主要是由输出开关量控制的，输入开关量主要是指进给装置、主轴装置、机床电气等部分的状态信息与报警信息。
2.2.3.伺服单元接线图
2.3.数控机床的工作原理
数控机床的一般工作原理如图所示。
在正确的控制指令下，运行正常的数控机床才能加工出合格的零件。
否则，机床将终止运行并显示有关的错误信息或报警，或者加工的零件有质量问题。
而控制指令的正确则取决于正常的工作指令与反馈信号。
工作指令的正常由正确的编程和参数设置，以及CNC装置的正常工作决定的。
反馈信号的正常又由检测系统的正常所保证。
总之，机床的运行正常，是由强电控制及辅助控制系统的正常状态，以及机械的本体可靠与稳定所保证。
能否显示与报警，又与相关的器件、接口与电路有关。
因此，数控机床能否正常工作并加工出合格的产品，是由供电系统与机床电CNC的软件与硬件、传感器及其检测回路、机械传动及其结构等综合因素所决定的。
3.数控机床诊断应具备基本常识
3.1.数控机床系统的可靠性
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）
3.2.数控机床诊断的特点
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。
3.3.对人员的基本要求
1、应熟悉掌握数控机床的操作技能，熟悉编程工作，了解数控系统的基本工作原理与结构组成；
2、必须详细熟读数控机床有关的各种说明书，了解有关规格、操作说明、维修说明，以及系统的性能、结构布局、电缆连接、电气原理图和机床PLC梯形图等；
3、除会用传统仪器仪表工具外，还应具备使用多通道示波器、逻辑分析仪和频谱分析仪等现代化、智能化仪器的技能；
4、在完成一次故障诊断及排除故障过程后，应能对诊断排除故障工作，进行总结；
5、能做好故障诊断及维护记录，分析故障产生的原因及排除故障的方法，归类存档；
6、知识面广，掌握计算机技术、模拟与数字电路基础、自动控制与电机拖动、检测技术及机械加工工艺方面的基础知识与具备一定的外语水平。
3.4.对排故手段的要求
1、准备好常用备品、配件并随时可以得到微电子元器件的实际供应；
2、必要的维修工具、仪器、仪表、接线、微机等；
3、完整资料、手册、线路图、维修说明书（包括CNC操作说明书）以及接口、调整与诊断、PLC说明书等：
3.5.排故前的准备工作
接到用户的直接要求后，应尽可能直接与用户联系，以便尽快地获取现场及故障信息。
如数控机床的进给与主轴驱动型号、报警指示或故障现象、用户现场有无备件等。
3.6.现场排故与维修
对数控机床出现的故障（主要是数控系统部分）进行诊断，找出故障部位过程的关键是诊断，即对系统或外围线路进行检测，确定有无故障，并对故障定位指出故障的确切位置。
从整机定位到插线板，在某些场合下要定位到元器件。
3.7.数控机床的诊断原则与常用诊断方法
数控系统的故障诊断一般有故障检测、故障判断、隔离及故障定位三个阶段。
第一个阶段的故障检测是对数控系统进行测试，判断是否存在故障；第二阶段是判断故障性质，并分离出故障部件或模块；第三阶段是将故障定位到可以更换的模块或印制线路板上，以缩短修理时间。
其诊断流程如下：
1.初步判别
通常在资料较全时，可通过资料分析判断故障所在，或采取接口信号法，根据故障现象判别可能发生故障的部位，而后再按照故障与这一部位的具体特点，逐个部位检查，初步判别。
2.报警处理
a．系统报警的处理：
数控系统发生故障时，一般在显示屏或操作面板上给出故障报警信号和相应的信息。
通常系统的操作手册中都有详细的报警信号、报警内容和处理方法。
由于系统的报警设置单一、齐全，维修时可根据每一报警后面给出的信息与处理办法自行处理；
b．机床报警和操作信息的处理：
机床制造厂根据机床的电气特点，应用PLC程序，将一些能反映机床接口电气控制方面的故障或操作信息以特定的标志，通过显示器给出，并可通过特定键，看到更详尽的报警说明。
3.无报警或无法报警的故障处理当系统的PLC无法运行，系统已停机或系统没有报警但工作不正常时，需要根据故障发生前后的系统状态信息，运用已掌握的理论基础进行分析，做出正确的判断。
总之，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。
3.7.1.数控机床故障诊断原则
1、先外部后内部
数控机车是集机械、液压、电气为一体的机床，故其故障的发生也我由这三者综合反映出来。
维修人员应该由外向内逐一进行排查。
尽量避免随意地启封、拆卸，否者会扩大故障，使机床丧失精度，降低性能。
2、先机械后电气
一般说来，机械故障容易发觉，而数控系统的故障的诊断难度较大。
在故障的检修之前，首先排除机械的故障。
3、先静后动
先在机车断电的静止状态下，通过了解，观察测试，分析确认为非破坏性故障，必须先排除危险后，方可以通电。
4、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，先先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。
往往简单的解决了，难度大问题也简单化了。
4.数控机床常用电器元件
4.1.低压断路器
低压断路器过去叫做自动空气开关，现采用IEC标准称为低压断路器。
低压断路器是将控制电器和保护电器的功能合为一体的电器。
它常作为不频繁接通和断开的电路的总电源开关或部分电路的电源开关，当电路发生过载、短路或欠压等故障时能自动切断电路，有效地保护串接在它后面的电器设备，并且在分断故障电流后一般不需要更换零部件。
因此，低压断路器在数控机床上使用越来越广泛。
低压断路器的主要参数有：
额定电压、额定电流、极数、脱扣器类型及其主触点的分断能力等。
以下重点介绍数控机床常用的两种低压断路器。
4.1.1.塑料外壳式断路器
塑料外壳式断路器由手柄、操作机构、脱扣装置、灭弧装置及触头系统等组成，均安装在塑料外壳内组成一体。
4.1.2.小型断路器
小型断路器主要用于照明配电系统和控制回路.外形如图2-3所示，图2-4为断路器图形及文字符号。
机床常用MB1-63、 DZ30-32、DZ47-60等系列小型断路器。
以DZ47-60高分断小型断路器为例，适用于照明配电系统（C型）或电动机的配电系统（D型）。
其主要用于交流50Hz/60Hz，单极230V，二、三、四极400V线路的过载、短路保护，同时也可以在正常情况下不频繁地通断电器装置和照明线路。
4.2.接触器
接触器是一种用来频繁地接通或分断带有负载的主电路（如电动机）的自动控制电器。
接触器由电磁机构、触点系统、灭弧装置及其它部件四部分组成。
其工作原理是当线圈通电后，静铁心产生电磁吸力将衔铁吸合。
衔铁带动触点系统动作，使常闭触点断开，常开触点闭合。
当线圈断电时，电磁吸力消失，衔铁在反作用弹簧力的作用下释放，触点系统随之复位。
4.3.继电器
继电器是一种根据输入信号的变化接通或断开控制电路，实现控制目的电器。
继电器的输入信号可以是电流、电压等电量，也可以是温度、速度、压力等非电量，输出为相应的触点动作
继电器的种类很多，按输入信号的性质分为：
电压继电器、电流继电器、时间继电器、温度继电器、速度继电器等。
按工作原理可分为：
电磁式继电器、感应式继电器、电动式继电器、热继电器等。
4.3.1.热继电器
热继电器是一种利用电流的热效应时触电动作的保护电器。
常用于电动机的长期过载保护。
当电机长期过载时，热继电器的常闭触点动作，断开相应的回路，使电机得到保护。
热继电器由发热元件（电阻丝）、双金属片、传导部分和常闭触点组成，当电机过载时，通过发热元件上的电流增加，双金属片受热弯曲，带动常闭触点动作。
由于双金属片的热惯性，即不能迅速对短路事故进行反应，而这个热惯性也是合乎要求的，因为在电机起动或短路过载时，热继电器不会动作，避免了电动机的不必要停车。
4.4.熔断器
熔断器是一种广泛应用的最简单的有效的保护电器。
在使用时，熔断器串接在所保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它的熔体能自动迅速熔断，从而切断电路，使导线和电气设备不致损坏。
熔断器主要由熔体和安装熔体的熔管（或熔座）两部分组成。
熔体一般由熔点低，易于熔断、导电性良好的合金材料制成。
熔体熔断后再次工作必须更换熔体。
图2-21为熔断器及熔断隔离器外形图，图2-22为熔断器图形及文字符号。
4.5.数控机床故障诊断慨括
数控机床是个复杂的系统，一台数控机床既有机械装置、液压系统，又有电气控制部分和软件程序等。
组成数控机床的这些部分，由于种种原因，不可避免地会发生不同程度、不同类型的故障，导致数控机床不能正常工作。
这些原因大致包括：
机械锈蚀、磨损和失效；元器件老化、损坏和失效；电气元件、接插件接触不良；环境变化，如电流或电压波动、温度变化、液压压力和流量的波动以及油污等；随机干扰和噪声；软件程序丢失或被破坏等。
此外，错误的操作也会引起数控机床不能正常工作。
数控机床维修的关键是故障的诊断，即故障源的查找和故障定位。
一般讲根据不同的故障类型，采用不同的故障诊断方法。
4.6.故障的基本概念
1、故障—数控机床全部或部分丧失原有的功能。
2、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。
4.7.数控机床故障的分类
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。
4、按故障的严重程度分类
危险性故障—数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时，
因故障失去保护动作，造成人身或设备事故。
安全性故障—机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床不能起动。
4.8.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。
1.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。
2.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。
3.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。
5.华中数控机床常见故障诊断及维修实例
5.1.数控机床出现急停故障
用于当数控系统或数控机床出现紧急情况，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；当数控系统出现自动报警信息后，须按下急停按钮。
带查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并回复正常。
5.1.1.机床一直处于急停状态，不能复位
分析及处理：
1、电气方面的原因
a、急停回路短路
b、限位开关的损坏
c、急停按钮损坏
措施：
1.检查超程限位开关的常闭触点，更换开关或按钮；
2.检查急停按钮的常闭触点,若未装手持单元或手持单元上无急停按钮,XS8接口中的4和17脚应短接
2、系统参数设置错误，使系统信号不能正常输入输出或复位条件不能不能满足引起的急停故障；PLC软件未向系统发送复位信息。
检查KA中间继电器；检查PLC程序。
措施：
检查PLC程序
3、PLC中规定的系统复位所需要完成的信息为满足要求。
如伺服动力电源是否准备好；检查电源模块；检查电源模块连接线；检查伺服动力电源空气开关。
4、PLC程序编写错误
5.1.2.在自动运行的过程中，报跟踪误差过大引起的急停故障
分析及处理：
1、负载过大
如负载过大，或者夹具夹偏造成的摩擦力或阻力过大，从而造成加在伺服电动机的扭矩过大，使电动机造成了丢步形成了跟踪误差过大。
2、编码器的反馈出现问题
如：
编码器的电缆是否出现了松动，或者用示波器检查编码器所反馈回来的脉冲是否正常。
3、伺服驱动系统强电电压不稳或者电源缺相引起。
5.1.3.伺服单元报警引起的急停
分析及处理：
伺服单元如果报警或者出现故障，PLC检测到后可以使整个系统处在急停状态，直到将伺服部分的故障排除，系统才可以复位，如果是因为伺服驱动器报警而引起的急停，有些系统可以通过急停对整个系统进行复位，包括伺服驱动器，可以消除一般报警。
5.1.4.主轴单元报警引起的急停
分析及处理：
主轴单元如果报警或者出现故障，PLC检测到后可以使整个系统处在急停状态，直到将主轴部分故障排除，系统才可以复位，如果是因为主轴驱动器报警而出现的急停，有些系统可以通过急停对整个系统进行复位，包括伺服驱动器，可以消除一般的报警。
常见原因：
a、主轴空开跳闸
b、主轴单元报警或主轴驱动器出错
5.2.机床回参考点（回零）故障
5.2.1.参考点编码器类故障分析与维修
按机床检测元件检测原点信号方式的不同，返回
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