数控维修电子教案1.docx
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数控维修电子教案1
《数控设备故障诊断与维护》电子教案
一、课程的性质与任务
本教材是数控技术应用及设备维修专业的一门实践性极强的课程，它以培养现代化企业需要的高素质的中、高级数控设备维修人才为目的，重点突出了对数控设备维修人员基本技能的培养和训练。
本书从内容和形式都注意突出职业教育特色，全书体系以职业行为为导向，改变传统的学科教材的编写体系，对原理性内容的叙述不作烦琐的理论介绍，将重点放在应用知识的介绍上，将知识结构和内容按数控设备维修岗位的要求，进行圆周式的排列，以培养学生能力为主线，实用性强，理论够用为度。
书中举有丰富的范例，具有可读性。
本书可作为高职数控技术应用、数控设备维修及相关专业的教材及数控设备维修短期培训班的培训教材。
全书语言通俗易懂，图形清晰，技术资料规范符合国家标准。
通过本课程的学习，着重培养学生职业能力和实践能力，使学生对常见数控设备的故障诊断与维修具有初步的分析、判断能力和一定的维修技能。
二、教学建议
1、本课程是一门实践性很强的课程，教学中应尽量结合实际和进行现场教学。
让学生直接观看数控设备的各个机械部件及电路控制板，帮助学生加深对数控设备机-电一体化的认识和理解。
2、课程的每个单元学习完后，应安排一次数控设备故障维修技能训练，通过预先设置一些故障现象，让学生分析原因并动手排除，从而培养学生理论联系实际的学习方法和提高他们操作技能。
3、教学中可以根据需要对各章节进行调整和补充。
但须注意知识结构体系、学生的认知水平和教学内容的逻辑关系不被打乱。
教师在讲授中应尽量采用教学课件和多媒体电教设备进行教学，使学生便于学习和接受。
4、书后附的题目仅供参考，习题答案也不唯一，教学中可根据实际情况自行设计一些实际题目。
5、教学中可以结合数控设备故障诊断和维修的典型案例进行分析，运用有关机-电一体化知识让学生进行分析，提高学生的故障诊断和维修分析运用能力。
6、建议本门课程结合教学内容安排一些实验，如：
数控设备的几何精度测量；数控系统的连接与调试；数控系统的参数设置与调整；数控设备工作台的拆装；步进电动机驱动系统的调试等。
三、教学时间分配
章
课程内容
课时
第1章
数控设备的安装与调试
6
第2章
数控设备维修的基本知识
8
第3章
数控系统的故障诊断与维修
12
第4章
伺服系统的故障诊断与维修
14
第5章
数控设备机械运动的故障诊断与维修
14
第6章
其他数控设备的故障诊断与维修
10
合计
注：
以上课时分配仅供参考，教学中可根据教学的安排再做调整。
第1章数控设备的安装与调试
授课班级
授课日期
课时
教室
备注
本章教学提要
教学重点：
数控设备的基本组成，数控设备的安装、调试及验收的内容和方法。
了解数控设备的基本组成；熟悉数控设备的安装、调试及常用的验收方法
教学难点：
数控设备调试及验收的指标的检测。
本章教学内容
1.1数控设备的基本结构
数控设备的基本结构通常由机床主体、数控装置和伺服系统三部分组成。
但对较多的数控设备，在结构上已普遍将其数控装置与伺服系统（执行电机除外）进行了一体化设计，该部分称为机床数控系统。
所以，数控设备的基本结构也可归纳为：
主要由机床主体和数控系统两大部分组成。
1.1.1数控设备的构成
数控设备的构成如图1.1所示。
图1.1数控设备的构成
1．机床主体
数控设备机床主体的组成部分与该类普通机床基本相同，但为了实现其特殊的整体功能要求，故在其设计上，进行了一系列专门的处理。
例如，简化了主轴箱及其变速、变向等传动系统；简化了从主轴至工作台（或刀架滑板）间的机械传动结构，使机械传动链较短；广泛采用了提高机床刚性、减小振动及摩擦阻力等措施（如倾斜导轨，构件动平衡，采用滚珠丝杠、滚动导轨等）；增加了多刀架、多工作台、自动送料及自动排屑装置等。
2．机床数控系统
（1）输入/输出设备及接口
数控设备操作人员与数控系统之间的信息交流过程是通过输入/输出设备或接口来完成的。
除了操作面板上的键盘及显示器和启动键之外，还有信息输入、存储装置及计算机的通信和联网装置等。
（2）数控装置
数控装置主要由主控制器（又称为微处理器或CPU）、运算器、外围逻辑电路及接口（PIO）等组成，其实质就是一台工业计算机。
数控装置的逻辑方框图如图1.2所示。
数控装置的作用是，接收通过加工程序等输入的几何信息、工艺信息及机床辅助动作等信息，经处理和分配后，向驱动机构发出执行的命令。
在执行过程中，同时又将反馈回来的有关信息进行处理，然后发出新的执行命令，以完成信息输入、轨迹插补及位置控制这三项基本任务。
图1.2数控装置的逻辑方框图
（3）伺服系统
伺服系统是数控设备的驱动执行机构，它又分为主轴伺服系统和进给伺服系统两大类，如图1.3所示。
伺服系统主要由以功率放大为重点的电子电路单元、以驱动电机为主的执行单元及配合伺服系统正常及稳定工作的机械传动单元等组成。
伺服系统的控制过程如图1.4所示。
图1.3伺服系统的类别
图1.4伺服系统的控制过程
伺服系统的作用是，将从数控装置输出线路接收到的微弱脉冲电信号经整形、放大等电路处理为较强的电信号后，将其接收到的有关数字量信息转换成模拟量信息，从而驱动执行电机带动机床主轴或进给机构按规定的速度和信息进行运动（角位移或直线位移）。
（4）检测反馈装置
检测反馈装置的作用是，将检测元件准确测出的直线位移或角位移迅速反馈给数控装置，以便与加工程序给定的指令值进行比较。
如果比较出有误差，数控装置将向伺服系统发出新的修正命令，以控制机床有关机构向消除误差的方向进行补偿位移，并如此反复进行，达到消除其误差的目的。
对数控设备，通常按有、无检测反馈装置将其伺服系统分为开环、闭环及半闭环系统。
开环系统无检测反馈装置，其控制精度主要取决于系统的机械传动链和步进电机运行的精度，而闭环系统的控制精度则主要取决于检测反馈装置的精度。
（5）可编程序控制器
可编程序控制器（ProgrammableController，简称PC）与个人计算机（PersonalComputer，也简称PC）均是以CPU为基础的自动控制装置，但可编程序控制器是专用于工业环境，其主要作用是解决工业设备的逻辑关系与开关量控制。
而个人计算机则以完成数学运算、插补运算等计算功能为主。
可编程序控制器在数控设备中，通常不采用微机编程语言，而是通过它编制出所需要的顺序，配合数控系统以交换不同处理方式下的控制信息，完成对数控设备的主轴功能（S）、辅助功能（M）及刀具功能（T）的控制。
当它与机床电器一起传递其控制的执行信号时，可替代大量的继电器、电磁阀及接触器等，从而提高了机床强电控制的可靠性和灵活性，还可减轻机床数控系统中微处理器（CPU）繁重的工作负担，节省其内存容量。
1.1.2数控设备的结构特点
数控设备属于高精度、高效率、高自动化程度和高柔性的工作母机，它具有以下的结构特点。
1．高刚度
数控设备常需要在高速、重载、强力切削条件下正常工作，故要求机床的各主要机械部件（如床身、工作台、刀架等）具有很高的刚度，工作中应无变形或振动，以保证切削加工过程能平稳地进行。
2．高柔性
数控设备的高柔性，是指数控设备灵活与可变的特性。
它所具有的柔性是数控设备同其他组合机床、仿形机床及自动化专用机床的显著区别之一。
当数控设备的加工对象改变时，只需要改变加工程序和重新调整刀具，就能自动完成工件的加工，而不必对机床（含靠模板等附件）进行特殊调整。
这样，不仅能满足多品种零件的加工要求，还缩短了生产准备周期，对品种频繁改型及科研、新品试制具有突出的优越性。
3．高灵敏度
因数控设备是在自动状态下工作的，要求机床的运动精度较高，对需要进行相对运动的机构均应减小摩擦力，且在低速位移时无爬行现象。
在机床结构上，通常采用滚动摩擦取代滑动摩擦（如采用滚动导轨、滚珠丝杠等）或减小运动副的摩擦系数（如采用静压导轨、静压轴承及贴塑导轨等），以适应数控设备的高灵敏度要求。
4．热变形小
机床相对运动的构件在高频率的位移及换向过程中，容易产生热量，导致其构件产生热变形，从而影响到构件的运动精度。
因此，要求各构件的发热量要最少，即要求构件（材料）的热变形系数尽量小，降热条件尽量好，如高速运转的主轴通常采用恒温冷却装置等。
5．高抗振性
数控设备运动构件产生的振动（特别是切削时产生的谐振），不仅影响到机床的灵敏度，还将影响到加工工件的宏观几何精度以及工件表面的质量（表面粗糙度）。
提高构件的制造精度，保持最佳的运动间隙，减少机械传动机构，缩短传动链等，是保证高抗振性的有效途径。
6．高精度保持性
数控设备能在高速、强力切削情况下，满负荷或超负荷地工作，是因为它具有高的精度保持性，使机床在长期运行中具有稳定的加工精度。
除了正确选择有关构件的材料外，还要采取诸如特种淬火、冷热时效处理等工艺措施，以提高运动部件的耐磨性，减小使用中的变形，同时延长构件的寿命。
7．高可靠性
数控设备主要在自动条件下工作，必须保证其在较长时间连续运行时的稳定性和可靠性，同时在使用寿命周期内发生故障的几率应尽可能小。
因此，数控设备中的CNC系统软件（系统程序）以及主要运动构件（如主轴、滑板等）应保证不出故障，对需要频繁操作的刀库、换刀装置等构件，也必须保证其在长期工作中要十分可靠。
对机床数控系统的平均无故障时间（MTBF），也有相应的标准作出规定。
数控设备的工作原理
1．数控设备的工作过程
数控设备的工作过程如图1.5所示。
图1.5数控设备的工作过程
①将编制好的加工程序通过操作面板上的键盘或输入机将数字信息输送给数控装置。
②数控装置将所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式进行分配：
一是向进给伺服系统发出进给等执行命令，二是向可编程序控制器发出S,M,T等指令信号。
③可编程序控制器接到S,M,T等指令信号后，即控制机床主体立即执行这些指令，并将机床主体执行的情况实时反馈给数控装置。
④伺服系统接到进给执行命令后，立即驱动机床主体的各坐标轴（进给机构）严格按照指令要求准确进行位移，自动完成工件的加工。
⑤在各坐标轴位移过程中，检测反馈装置将位移的实测值迅速反馈给数控装置，以便与指令值进行比较，然后以极快的速度向伺服系统发出补偿执行指令，直到实测值与指令值吻合为止。
⑥在各坐标轴位移过程中，如发生“超程”现象，其限位装置即可向可编程序控制器或直接向数控装置发出某些坐标轴超程的信号，数控系统则一方面通过显示器发出报警信号，另一方面则向进给伺服系统发出停止执行命令，以实施超程保护。
2．数控设备的工作原理
综上所述，数控设备的工作原理可归纳为：
数控装置内的计算机对通过输入装置以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，再通过伺服系统及可编程序控制器向机床主轴及进给等执行机构发出指令，机床主体则按照这些指令，并在检测反馈装置的配合下，对工件加工所需的各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和进给速度等项要求实现自动控制，从而完成工件的加工。
数控设备的安装
授课班级
授课日期
课时
教室
备注
1.2.1数控设备的安装原则
对各种数控设备，其安装原则是：
选择良好的工作环境（避开阳光直射、电弧光与热源辐射、强电及强磁干扰，工作场地要清洁、防震、空气干燥、温差较小等），确定机床各部分的安装位置，校正机床水平位置，固牢机床并有利于机床的安全使用，最终符合数控设备安装技术的各项规定。
1.2.2数控设备的安装方法
1．中型（含小型）数控设备的安装方法
对这类数控设备的安装，因其安装技术要求不十分严格，故一般采用与普通机床相似的方法进行安装。
①按机床说明书所附机床基础图规定的地脚位置做好预留孔及电缆和管路槽，稳妥地吊装机床就位（铺以楔铁、垫板），将地脚螺栓穿过床脚孔放入地面基础预留孔中，初步校平机床后，在预留孔中浇注混凝土，待混凝土充分凝固后，精校机床至水平，连接好全部管、线，在清理和善后工作结束后，即可转入试车阶段。
②对于自带防震可调垫铁（地脚）的数控设备，只需按机床的排列位置稳妥吊装到位，校正水平，连接好全部管、线后，即可转入试车阶段。
2．大型数控设备的安装方法
对于大型数控设备，因其装箱运输都必须是在设备经过解体后才能进行的，故机床的安装（含组装）难度较大，技术要求也高。
这类机床的安装方法将通过下面相关的安装步骤进行说明。
1.2.3数控设备的安装步骤及注意事项
1．机床的初就位及组装
①按照机床生产厂对本机床基础的具体要求（或动力机器基础设计规范），提前做好机床安装基础和相关准备工作。
②组织有关技术人员仔细阅读和分析有关机床安装方面的资料，确定安装方案及实施步骤，然后将机床各箱部件置于地基上就位，检查无误后转入组装环节。
③组装过程一般分为以下几个步骤。
步骤
a.清理部件表面。
将所有连接面、导轨、定位和运动表面的防锈层（如涂料）清理干净，并涂上规定的润滑油。
b.将数控柜、电气柜、立柱、刀库和刀具交换装置等部件按预定方案组装成整机。
在组装过程中，机床各部件间的连接与定位必须使用原装的定位销、定位块和其他定位元件，以保证下一步精度调整工作的顺利进行。
c.机床各部件组装完成后，应按照有关技术、安全、环保等规范的要求，准确可靠地连接好电缆，密封好水、电、气、油各管线，特别要注意防止任何污染异物进入管路，否则后果不堪设想。
d.整理组装现场，将连接好的各管、线就位固定，安装好防护罩壳，清扫整机，以达到良好的组装效果。
2．数控系统的连接
数控系统的连接是针对数控装置和伺服系统（主轴与进给）而进行的，它包括外部电缆的连接和数控系统电源线的连接两部分。
（1）外部电缆的连接
连接前应仔细检查各连接件（如电路板、脉冲编码器等）是否完好或有无污垢，电缆线有无破损，然后严格按照机床随机提供的电缆连接指导书（图、表），仔细地将带电缆的接插件一一对号入座。
连接完毕后，还应认真检查所有接插件（包括航空插头、插座）是否插入到位，接插件上的紧固螺钉是否拧紧，避免因接插件接触不良而引起的故障（含软故障）。
接插件连接后，还应进行可靠的接地连接，以确保设备及人身安全，减小电气干扰。
机床厂对接地电缆及接地方式有明确的规定。
地线通常采用辐射式连接法，即先将数控柜中的信号地、强电地及机床地等连接到公共接地点上，然后再将公共接地点直接与大地连接。
在对数控柜与强电柜进行接地连接时，其接地电缆截面积应在5.5mm2以上，公共接地点必须与大地接触良好，接地电阻一般要求小于4～7。
（2）电源线的连接
数控系统电源线的连接，是指数控柜电源变压器输入电缆的连接和伺服变压器绕组抽头点的连接。
对于进口的数控系统或数控设备，应特别注意到各国不同的供电制式，无论是数控系统的电源变压器，还是伺服变压器，都设置了多抽头，以供不同的用户选择使用。
因此，必须根据我国供电的具体情况，结合各抽头标志正确进行连接。
3．机床连接电源的检查与确认
该项工作是机床调试前的重要工作之一，它关系到数控设备能否正常投入使用。
连接电源的检查与确认包括以下几个方面内容。
（1）交流电压和频率的检查与确认
机床通电前必须检查交流电源的输入电压和频率是否与数控设备的设定参数相匹配。
我国供电制式是交流380V、三相，交流220V、单相，频率均为50Hz。
有些国家的供电制式与我国不同，如日本的供电制式为交流200V、三相，交流100V、单相，频率均为60Hz。
（2）交流电源电压波动的检查与确认
输入数控系统的单相电源电压波动范围超过规定时，电气干扰大大增加，故障率随之上升。
数控系统通常规定其允许电源电压在额定值的-15%～+10%之间波动。
实践证明，对于电源电压波动太大的工作环境，采取配备交流稳压电源等措施后，将会明显地减少发生故障的几率，提高数控设备的稳定性和可靠性。
（3）三相交流电源相序的检查与确认
对主轴和进给伺服系统中的交流伺服电机，如果相序不符合要求，则可能在接通电源时烧断速度控制单元的熔丝（放炮），导致电机不能启动。
故在通电前，一定要认真检查输入电源的相序。
检查方法很简单，可用相序表检查（表针顺时针方向旋转即为相序正确），也可采用双踪示波器观察两相之间的波形（两相间相位上相差120°为正确）进行确认。
当检查相序不符合要求时，只要将和T,S,R中任两个接线端子相连的接线对调位置即可。
（4）直流电源输出端是否短路的检查与确认
数控系统内部使用的+5V,±15V及±24V等直流输出端电压，均系其直流稳压电源提供，如果发生对地短路，则会烧坏该电源。
因此，在通电前应使用万用表测量各输出端对地的阻值，发现短路必须查清原因并予以排除。
（5）直流电源输出电压的检查与确认
先通过数控柜中的轴流风机是否旋转来判断直流电源是否接通。
将直流电源接通后，即可从各电路板的检测端子上检查各直流电压值是否符合下述规定：
±15V电压允许波动±5%左右；±24V电压允许波动±10%左右；对+5V电压，因其是提供给逻辑电路用的，故允许波动应小于±5%。
如不符合要求，必须先行调整。
（6）熔断器的检查与确认
机床通电前，还必须仔细检查所有熔断器的质量和规格是否符合要求。
熔断器是机床电路的“卫士”，除供电主线路外，几乎每一块电路板或电路单元都装有它。
当电路超过额定负荷，电压过高或负载端发生意外短路时，熔断器能立即“熔断”并切断电源，起到保护电路安全的作用。
故检查熔断器的工作不可忽视，也不允许用细铜丝等做熔断器的替代品，以免酿成大错。
1.3数控设备的调试
数控设备的调试是机床正式使用前极其重要的工作，也是过程较直观的最后一项准备工作。
调试工作的内容较多，调整和试验还常常交叉进行，技术性很强。
调试工作的质量如何，不仅影响到机床能否正常启用，还关系到机床能否长期正常运转及减少故障几率，延长机床寿命等环节。
数控设备的调试工作除按照机床所附有关技术资料的要求进行外，还应参照机床检测通则等标准中有关条文的规定进行。
1.3.1参数设定或确认
参数设定或确认工作是针对机床数控系统而言的，其目的是使机床具有最佳的工作性能。
对于购置的数控设备整机，其数控系统在出厂前已经按标准设定好，此时，只需按参数表对照检查并确认即可。
如果是单独购置的数控系统，则应根据所配套的机床（主体）并按实际要求自行设定参数。
1．参数设定的内容
参数设定工作要按照有关使用、维修说明书的规定进行，其主要内容有以下三部分。
①控制部分的主机板、ROM电路板、旋转变压器或同步感应器的控制板及附加轴控制板等的参数设定。
这些设定与机床返回参考点的方法、速度反馈用检测元件及分度精度调整等参数有关。
②速度控制单元电路板的参数设定。
这些设定主要用于选择检测反馈元件的种类及是否产生各种报警（信号及类型）等。
③主轴控制单元电路板的参数设定。
这些设定主要用于交流或直流主轴伺服单元，用以选择主轴电机的电流极限值和主轴转速等参数。
2．参数设定的方法
（1）短接棒设定
在数控系统的部分电路板上，有许多待连接的短路点，需要用短路接棒以短路方式设定某些参数，以满足不同型号数控设备的不同要求。
（2）数字设定
对于数字式进给和主轴控制单元，将根据随机说明书或维修手册中的参数表，直接以数字设定或确定其设定的数字（参数）。
其中，参数表是一份非常重要的技术资料，当机床需进行维修，特别是当数控系统中的某些参数因故丢失或发生错乱而需要重新恢复机床性能时，参数表就是必不可少的原始依据。
1.3.2确认数控系统与机床间各接口信号的状态
图1.6显示器显示各种信号
现代数控系统一般都具有较强的自诊断功能，通过CRT（ICD）显示屏即可一览数控系统与机床接口以及数控系统内部的状态是否正确。
对数控系统内置可编程序控制器的，仍能通过CRT（ICD）反映出数控装置、可编程序控制器与机床间各种信号的状态，如图1.6所示。
1.3.3通电试车
1．准备工作
①对机床进行全面润滑；
②接通液压源、气压源；
③调整机床至水平，粗调机床的主要几何精度；
④对组装机床，需重新调整机床的主要部件与其主轴间的相对位置，如机械手、刀库与主轴换刀位置的校正，自动托盘交换装置与工作台交换位置的找正等。
2．通电
①进行局部供电试验，待无异常后，再进行全面（总）供电试验。
②全面通电后，如无故障报警，应接着检查数控系统的散热风机是否旋转，各润滑油标是否到位，安全保护装置是否起作用，以及各电机的旋转方向是否与设定的方向一致等。
③机床通电时，为防万一，应做好随时按下“紧急停止”按钮的准备。
这样，当意外情况发生时，就能立即切断机床（或数控系统）的输入电源，保护设备的安全。
通电正常后，一般应先进行返回（寻找）参考点的操作，以建立机床坐标系，确定各坐标轴位移的基准。
再采用数控系统的手动方式，分别操纵机床各轴及部件连续或反复运行。
在运行过程中，通过CRT或ICD显示屏上的显示，判断其运行参数（如方向、速度及位移量）是否正确。
然后将进给运动部件移至行程开关或软限位设置的极限位置，通过数控系统是否发出报警信号，来验证其超程保护装置是否灵敏、可靠。
1.3.4机床几何精度和数控功能的调试
1．精调床身水平面精度
通过微调楔铁找正床身水平后，用手动方式反复移动各运动部件（工作台、滑板、立柱等），同时检测有关坐标轴在全行程内运行时，机床水平面的细微变化，直至调整到稳定在允差范围（机床出厂的精度标准）内。
然后用快干水泥浇注凝固床身，以保持床身水平面的精度。
这样，在机床投入使用后，就不会发生因其水平面精度的变化而产生受力不均，从而导致其扭曲变形的现象。
2．调整刀具交换装置与刀库间的相对位置
当机床自动运行到换刀位置后，用手动方式分步进行刀具交换动作，观察机械手从刀库中抓刀、转刀、装刀以及从主轴上卸（拔）刀等一系列动作是否准确到位，如有误差，可调整机械手的行程或刀库的位置等。
必要时，也可通过数控系统改变换刀基准点坐标值的参数设定进行调整。
调整完毕后，一定要拧紧全部调整螺钉，再分别用几把接近刀具换刀装置所允许的最大重量、长度和直径的刀柄（刀具），反复进行换刀试验，以确保换刀动作准确无误、平稳、不撞击、不掉刀。
对于其他无刀库的数控机床，因其调整工作比较简单（如数控车床将调整指令刀具号与自动转位刀架实现的刀位号一致，数控线切割机床将调整丝架以使线电极丝垂直于工作台面等），故不再赘述。
3．调整交换工作台
对带有交换工作台的数控设备，把工作台移到交换所需位置，调整托盘机构与交换工作台台面的相对位置，使工作台在自动交换时动作平稳、可靠、准确。
然后在工作台面上，加上70%～80%的允许负载，进行多次自动交换动作，待符合要求后，拧紧全部调整螺钉。
4．检查、试验数控功能
仔细检查机床数控系统及可编程序控制器中有关参数的设定值是否符合其使用维修说明书中所规定的数据，然后试验数控系统的主要操作功能、常用指令执行情况及安全报警措施等。
例如，各种运动方式（手动、点动、自动、硬件暂停与紧急停止等）如主轴S、辅助M、刀具T指令的执行是否正确无误。
5．检查附件或附属装置的功能
检查照明、冷却、防护罩及排屑等附件或附属装置的功能是否有效、可靠。
1.3.5试运行
为了全面检查机床的各项功能及工作的可靠性，在对安装后的机床进行了初步调试后，还应在一定负载或空载条件下，按国家标准（GB9061－1988）所规定的自动运行检验时间（如数控车床为16h，加工中心为32h），连续自动运行，并要求其在自动运行期间，不发生除操作失误之外的任何故障。
如在该期间发生故障或排除故障的时间超过了有关规定，则应对机床重新进
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