机电一体化数控机床故障分析与维修维护技术论文设计.docx

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机电一体化数控机床故障分析与维修维护技术论文设计

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江西工业工程职业技术学院

毕业论文

题目数控机床故障分析与维修维护技术

系部机电工程系

专业名称机电一体化

江西工业工程职业技术学院

数控机床故障分析与维修维护技术

【摘要】全文共分三章节，主要介绍了数控机床基本知识，数控机床故障与维修的基本知识，数控机床故障规律，故障诊断的一般步骤及方法，包括直观检查法，仪器检查法，信号和报警指示分析法，参数调整法，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等电气故机械零件的修理方法，机床电气设备维修与故障故障排除，数控机床故障诊断与维修内容。

并将传统设备维修技术与现代维修新技术，新工艺相结合，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，可以熟悉数控机床的各个部分和机械设备中机、液、电装置故障诊断与维修的基本思路方法和技术，以及必要的基本理论加加实践，提高工作效率。

关键词：

数控机床，维护，故障处理、诊断

前言

数控机床是一种高效的自动化机床，它综合了计算机技术、自动化技术、何服驱动技术、气动与液压传动技术、精密测量与检测技术、精密机械设计与制造技术等各个领域的新技术成果，是一门新兴的工业控制技术。

数控机床以其高精度、高效率、高柔性所带来的巨大效益引起了世界各国科技界和工业界的广泛重视。

但是，随着社会的进步和科技的发展，数控机床正朝着大型化、自动化、高精度化方向发展，生产系统的规模变得越来越大，设备的结构也变得越来越复杂。

数控机床是集高、精、尖技术于一体，集机、电、光、液于一身的高技术产物。

具有加工精度高、加工质量稳定可靠、生产效率高、适应性强、灵活性好等众多优点，在各个行业受到广泛欢迎，在使用方面，也是越来越受到重视。

但由于它是集强、弱电于一体，数字技术控制机械制造的一体化设备，一旦系统的某些部分出现故障，就势必使机床停机，影响生产，所以如何正确维护设备和出现故障时能及时抢修就是保障生产正常进行的关键系统可靠性是指数控系统在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力。

故障是指系统在规定的条件和规定的时间内失去了规定的功能。

数控机床是个很复杂的大系统，它涉及光、机、电、液、气等很多技术，发生故障是难免的。

数控机床的维修在工厂中越来越重要，数控系统种类繁多和故障复杂也给数控维修带来很大困难，根据对数控维修的一些经验，现总结一些数控机床故障处理的方法和步骤，供维修人员参考。

为了充分发挥数控机床的效益，减少故障的发生，重要的一环是做好预防性的维修。

数控机床故障的诊断是数控机床维修的关键。

一般来说，随着故障类型的不同，采取的故障诊断的方法也就不同。

论文将从数控机床简单介绍、故障诊断的内容、原则、方法等方面入手来简要阐述一下数控机床故障的诊断、排除方法以及数控机床日常的维护。

第一章数控简介.....................................................................1

1.1数控机床的基本概念...........................................................1

1.2数控机床的组成..............................................................1

1.3数控机床机械结构特点与结构组成...............................................3

1.3.1数控机床机械结构的特点......................................................3

1.3.2数控机床机械结构的组成....................................................3

第二章数控机床故障与维修的基本知识..................................................4

2.1故障的基本概念...............................................................4

2.2故障的分类...................................................................4

2.3数控机床产生的故障规律.......................................................5

2.4数控系统的可靠性.............................................................6

2.5数控机床维修的特点............................................................7

第三章数控机床常见故障诊断与维修..................................................7

3.1数控机床系统的故障诊断.........................................................7

3.1.1初步判别.................................................................7

3.1.2报警处理.................................................................7

3.2电气故障的常用诊断方法.........................................................8

3.2.1直观检查法...............................................................8

3.2.2仪器检查法...............................................................8

3.2.3信号和报警指示分析法......................................................8

3.2.4参数调整法..............................................................8

3.3常见电气故障维修和排除.........................................................9

3.3.1电源.....................................................................9

3.3.2数控系统位置环故障.......................................................9

3.3.3机床坐标找不到零点.......................................................9

3.3.4机床动态异常............................................................9

3.3.5偶发性停机故障...........................................................9

3.4常见伺服系统故障及诊断........................................................10

3.4.1伺服系统故障及诊断.......................................................10

3.5数控机床PLC故障诊断方法......................................................11

3.6数控机床常见故障诊断及维修实例................................................13

3.7数控机床日常维护..............................................................13

3.7.1电源的维护与保养.........................................................14

3.7.2电气部分的维护保养......................................................14

结论..............................................................................15

致谢..............................................................................16

参考文献..........................................................................17

第一章数控简介

数控（英文名字：

NumericalControl简称:

NC）技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。

数控一般是采用通用或专用计算机实现数字程序控制，因此数控也称为计算机数控（ComputerizedNumericalControl），简称CNC，国外一般都称为CNC数控实训室，很少再用NC这个概念了。

它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。

数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。

1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。

数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。

1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。

现在，数控技术也叫计算机数控技术（CNC，ComputerizedNumericalControl），目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。

这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。

由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。

1.1数控机床的基本概念

数控又称数字控制（NumericalControl），简称NC。

数控机床就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速,松夹工件,进刀与退刀,自动关停冷却液等）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示通过控制介质将数字信息进行处理与运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，从而使机床自动加工出所需的工件。

数控技术的基本概念:

数字控制机床（NumericalControlMachineTools）简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。

它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。

经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

1.2数控机床的组成

数控机床通常由以下几个部分组成：

控制介质

输入装置

数控装置

驱动装置

辅助控制装置

机床本体

检测装置

1.控制介质

控制介质以指令的形式记载各种加工信息，如零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具运动等，将这些信息输入到数控装置，控制数控机床对零件切削加工。

2.输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控系统内。

根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。

数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

3.数控装置

数控装置是数控机床的核心。

数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作

4.驱动装置和位置检测装置

驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。

目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

位置检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置之后，数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按照指令设定值运动。

5.辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运动，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。

这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用、编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6.机床主体

机床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：

主运动部件，进给运动部件（如工作台、刀架）和支撑部件（如床身、立柱等），还有冷却润滑、转位部件。

如夹紧、换刀机械手等辅助装置。

1.3.数控机床机械结构特点与结构组成

1.3.1数控机床机械结构的特点

数控机床是机电一体化产品的典型代表，尽管它的机械结构与普通机床的结构有许多相似之处，但并不是简单地在普通机床上配备数控系统即可，它与普通机床相比，结构上进行了改进，主要表现在以下几个方面：

1）．主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，可利用程序控制主轴的变向和变速，主传动具有较宽的调速范围。

有些数控机床的主传动系统已开始采用结构紧凑、性能优异的电主轴。

2）．进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动和无间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩擦力，提高传动精度。

有些数控机床的进给部件直接使用直线电机驱动，从而实现了高速、高灵敏度伺服驱动。

3）．床身、立柱、横梁等主要支承件采用合理的截面形状，且采取一些补偿变形的措施，使其具有较高的结构刚度。

4）．加工中心备有刀库和自动换刀装置，可进行多工序、多面加工，大大提高了生产率。

1.3.2数控机床机械结构的组成

数控机床的机械结构主要由以下几个部分组成：

1）．主传动系统

它包括动力源、传动件及主运动执行件主轴等，其功用是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。

2）．进给传动系统

它包括动力源、传动件及进给运动执行件工作台（刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给切削运动。

3）．基础支承件

它是指床身、立柱、导轨、滑座、工作台等，它支承机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置。

4）．辅助装置

指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。

它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

第二章数控机床故障与维修的基本知识

2.1故障的基本概念和诊断

故障———指整机或部件在规定的时间和使用条件下不能完成规定的功能，或各项技术经济指标偏离了它的正常状况，但在某种情况下尚能维持一时间工作，若不能得到妥善处理将导致事故，如电动机功率降低，传动系统失去平衡噪声增大，工作机构能力下降，润滑油的消耗增加等。

故障诊断———是在数控机床运行中，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

2.2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。

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。

5）按故障发生时间分类

（1）早发性故障：

这类故障是由于设备在设计、制造、装备、安装、调试、等方面存在问题而引起的。

（2）突发性故障：

主要是由各种不利因素和外界影响共同作用的结果，其发生特点是具有偶然性，一般与机床使用时间无关，因而是难以预测的。

但它一般容易排除，因此通常不影响机床的寿命。

（3）渐进性故障：

主要是由产品参数的劣化过程（磨损、腐蚀、疲劳、老化）逐渐发展而形成的。

其特点是发生的概率与使用时间有关，且只是在产品的有效寿命的后期才表现出来。

渐进性故障一经发生，就标志着产品寿命的终结。

因而它往往是机械进行大修的标志。

由于这种故障是逐渐发展的，因此，通常是可以进行预测的。

（4）复合性故障：

这类故障包括上述故障特征，其故障发生时间不定。

设备工作能力耗损过程的速度与其耗损的性能有关。

2.3数控机床产生的故障规律

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下图的浴盆曲线（也称失效率瞌线）表示。

整个使用寿命期，根据数控机床的故障频率大致分为三个阶段，即早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。

1．早期故障期

这个时期数控机床故障率高，但随着使用时间的增加迅速下降。

这段时间的长短，随产品、系统的设计与制造质量而异，约为10个月。

数控机床使用初期之所以故障频繁，原因大致如下：

（1）机械部分

机床虽然在出厂前进行过磨合，但时间较短，而且主要是对主轴和导轨进行磨合。

由于零件的加工表面存在着微观的和宏观的几何形状偏差，部件的装配可能存在误差，因而，在机床使用初期会产生较大的磨合磨损，使设备相对运动部件之间产生较大的问隙，导致故障的发生。

（2）电气部分

数控机床的控制系统使用了大量的电子元器件，这些元器件虽然在制造厂经过了严格的筛选和整机考机处理，但在实际运行时，由于电路的发热，交变负荷、浪涌电流及反电势的冲击，性能较差的某些元器件经不住考验，因电流冲击或电压击穿而失效，或特性曲线发生变化，从而导致整个系统不能正常工作。

（3）液压部分

由于出厂后运输及安装阶段的时问较长，使得液压系统中某些部位长时间无油，气缸中润滑油干涸，而油雾润滑又不可能立即起作用，造成油缸或气缸可能产生锈蚀。

此外，新安装的空气管道若清洗不于净，一些杂物和水分也可能进入系统，造成液压、气动部分的初期故障。

除此之外，还有元件、材料等原因会造成早期故障，这个时期一般在保修期以内。

因此，数控机床购回后，应尽快使用，使早期故障尽量地显示在保修期内。

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偶发故障期，即正常运行期。

正常运行期约为7～10年。

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，使用寿命已接近完结，从而处于频发故障状态。

数控机床故障率曲线变化的3个阶段，真实地反映了从磨合、调试、正常工作到大修或报废的故障率变化规律，加强数控机床的日常管理与维护保养，可以延长偶发故障期。

准确地找出拐点，可避免过剩修理或修理范围扩大，以获得最佳的投资效益。

2.4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。

系统可靠性是指数控系统在规定的条件和规定的时间内完成规定功能的能力，故障是指系统在规定的条件和规定的时间内失去了规定的功能。

数控机床是复杂的大系统，它涉及光、机、电、液等很多技术，发生故障是难免的。

机械锈蚀、机械磨损、机械失效，电子元器件老化、插件接触不良、电流电压波动、温度变化、干扰、噪声，软件丢失或本身有隐患、灰尘，操作失误等都可导致数控机床出故障。

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）

2.5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。

第三章数控机床常见故障诊断与维修

3.1数控机床系统的故障诊断

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。

3.1.1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。

3.1.2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

3.2电气故障的常用诊断方法

3.2.1直观检查法

直观检查法是故障分析之初必用的方法，就是