毕业论文设计加工中心典型故障分析及其解决方案.docx
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毕业论文设计加工中心典型故障分析及其解决方案
诚信声明
本人郑重声明：
本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。
本人签名：
年月日
毕业设计任务书
设计题目：
加工中心的典型故障及解决方案设计
系部：
机械工程系专业：
机械电子工程学号：
112012324
学生：
指导教师（含职称）：
1．设计的主要任务及目标
通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对加工中心的学习，了解加工中心的工作原理及故障分析，结合某加工中心，针对其常见故障，提出故障解决的方案。
2．设计的基本要求和内容
1、本设计要求学生在对加工中心的整体结构熟悉的基础上，能够完成典型故障的分析。
2、通过对典型故障的分析，综合故障类型，提出一般故障的解决方案，
3、本设计要求在实验台上进行验证。
3．主要参考文献
[1]蒋洪平，数控设备故障诊断与维修，北京：
北京理工大学出版社，
[2]严峻，数控机床常见故障快速处理86问，北京：
机械工业出版社，
[3]郑小年，杨克冲，数控机床故障诊断与维修，武汉：
华中科技大学出版社，
[4]王润孝，秦现生，机床数控原理与系统，第2版，西安：
西北工业大学出版社，
4．进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
查阅文献资料完成开题报告
—
2
熟悉加工中心结构，完成典型故障的分析
4—
3
熟悉加工中心故障诊断试验台
2015.4.14—2015.5.4
4
设计故障并提出解决方案且在实验台上验证
2015.5.5—2015.6.1
5
整理毕业设计相关资料,准备毕业答辩
2015.6.2—015.6.15
审核人：
年月日
加工中心典型故障分析及其解决方案
摘要：
通过本次毕业设计了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对加工中心的学习，了解加工中心的工作原理及故障分析，结合加工中心，针对其常见故障，提出故障解决的方案,并在试验台上验证。
本课题是基于加工中心故障实验台进行结构分析、加工中心试验台组成部分、加工中心故障实验台故障分析、加工中心故障实验台故障分析简介、分析控制电路中继电器代码，本课题重点分析了主轴的进给原理、电路连接、控制原理及其常见故障。
在全面掌握加工中心故障实验台的连接、接线、工作原理、控制原理的基础上进行机床的故障分析和提出诊断方案，为学习和使用加工中心提供一个参考。
关键字：
数控加工中心，故障诊断，故障分析，解决方案。
TypicalFailureAnalysisanditsSolutionforMachiningCenter
摘要：
通过本次毕业设计了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对加工中心的学习，了解加工中心的工作原理及故障分析，结合某加工中心，针对其常见故障，提出故障解决的方案。
本课题从分析机床结构入手，在技术层面上讨论它的特点。
Abstract:
Thegraduationdesignoffersagoodwaytounderstandandgraspthestepsandproceduresofgraduationdesign.Thelearningofthemachiningcentercanbetterunderstandtheworkingprincipleandfaultanalysisofmachiningcenter.Andbycombiningwithitscommonfaults,thedesignaimstocomeupwithsolutionstothoseproblems,andafterwardsverifythemonthetestbench.
Basedonthestructureanalysis,componentpart,faultanalysisandtheintroductionofthesefaultsofmachiningcenterexperimentplatform,andanalysisoftherelayinthecontrolcircuitcode,thethesisemphasizesonthefeedprinciple,circuitconnection,controlprincipleandthecommonfaultsofprincipalaxis.Thefullygraspoftheconnection,wiring,workingprincipleandcontrolprincipleofmachiningcenterfaultexperimentplatformanditsfaultanalysisanddiagnosisprovideareferenceforthelearningandusingofprocessingcenter.
Keywords:
CNCmachiningcenter,faultdiagnosis,faultanalysis,solution
1绪论
1.1数控机床的产生与发展
随着社会科技的进步，机械工件的结构越来越合理，精度越来高。
加工中心工作性能、表面精度和工作效率日趋升高，因此对数控设备—数控设备机床也相应地要求高性能高精度与高自动化的需求在这样的情况下，出现了数控机床，数控机床的核心就是CNC数控系统。
1952年，关国队RSONS公司麻省理工学院（MIT）协作研制了人类第一台三坐标标加工中心。
它全面运用了计算机、自动控制系统、伺服驭动系统、精密检测装置等新型机械结构等多方面的科技成果，可用于制造复杂曲面零件。
该机床的研制成功标志着机械制造行业的一次新的技术革命，使机械制造行业的发展进入一个新的时期。
1.2加工中心的发展
随着超高速切削、超精密等制造技术的应用和柔性制造系统的飞速发展和计算机集成系统的不断进步。
也对数控制造技术提出了更高的需求。
当今数控机床正向者如下方向发展。
（1）朝高切削速度、高精度化及其高自动化发展。
（2）智能化。
（3）数控编程自动化。
随着计算机科学技术的进步，目前CAD/cAM辅助制造工具的运用，自动生成编程已得到较多的发展，是数控技术发展的新进展。
（4）可靠性最优化。
（5）控制系统小型化。
1.3加工中心故障诊断的重要性
（1）课题研究背景及意义
加工中心的故障诊断是以机械科学为基础,随着电子技术、计算机的产生和发展而飞速成熟的一颗综合技术。
在机械控制系统偏离稳定功能状态时,我们就称该系统产生了故障,此时系统将有可能完全或者也有可能部分丧失其功能。
故障诊断就是为了寻找故障原因的过程,其包括系统状态检测、故障原因分析和劣化趋势的预测等内容。
目前传统加工中心故障诊断技术在分析结构复杂的深层次故障时存在明显缺陷,且对操作工人的操作能力要求很高;而且随着人工智能技术的发展,使自动诊断技术向智能化发展。
目前,随着知识的发现、人工智能的发展、多传感器信息融合技术的发展以及软计算等新理论的提升与发展,数控故障诊断也获得了新的发展机遇和挑战。
（2）加工中心故障诊断技术研究现状
加工中心的基本运行故障包含电气伺服系统故障和性能部件故障。
其中,电气控制伺服系统故障可通过数控系统自动诊断的方式实现,如对驱动器电流、电动机转角、扭矩等运行信号的自动监测诊断,目前已经诞生出相应的商用监测故障系统,如西门子EPS和法兰克18i系列监测系统等。
1.4本课题的研究内容
（1）了解数控加工中心的组成结构和工作原理的基础上分析一些简单的典型故障。
（2）对数控加工中心故障诊断实验台进行学习，了解其构造、工作原理，及使用方法。
（3）验证各故障点的故障形式，对其进行分析，学习诊断方法，根据故障成因逆向完成故障排除。
（4）研究实验台故障点，故障的设计原理，以及使用一些检测工具来测试相关数据。
2加工中心组成部分
图2.1立式加工中心ET-175V
加工中心的组成和工作原理
加工中心的控制部分由两方面组成：
1.软件部分；2.硬件部分。
软件部分：
控制程序和系统程序。
硬件部分：
1.可编程序控制器（简写为PLC）；2.数字控制装置（简写为CNC）；3.主轴驱动装置；4.输出输入设备；5.显示装置。
数控车床由数控装置、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加工中心装置介绍
（1）辅助装置：
指加工中心的一些必要的配套部件，用以保证加工中心的运行，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。
（2）机床本体：
加工中心的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。
它是用于完成各种切削加工的机械部件。
（3）自动换刀系统：
机械手、刀库等部件组成了换刀系统。
更换刀具的时候，由加工中心数控系统根据所需要的命令发出指令，机械手起到了交换刀具的作用，从刀库中选择合适的刀插入主轴孔，其次将主轴上的刀具取下，重新放回刀库，最后整个换刀过程结束。
（4）主轴部件：
主轴电动机、主轴箱、主轴轴承和主轴等几大部件组成了加工中心的主轴部件。
主轴的作用是加工中心在切削加工过程中的功率输出，主轴的起动、变速、变向、停止等动作都是由加工中心数控系统来进行控制的；它的定位准确性和旋转精度，很大程度上可以影响在加工中的加工精度。
3故障诊断
3.1常见故障现象及原因
故障可以按出现的部位分类，也可以按出现的类型分类，为了让机床设计人员方便，这里仅从故障出现的部位描述故障现象，并分析故障原因。
（1）换刀装置故障
加工中心换刀装置的故障主要表现为机械手掉刀、卡刀、不能换刀或松刀不到位等。
其原因有刀库电机无反转致使机械手无法换刀；由于漏水问题，导致刀套下坠；因换刀臂顶刀弹力不足，致使换刀时掉刀；因刀库平移信号开关坏导致刀库动作错误；机械手电机过载报警，出现掉刀现象以及刀套抬起的电磁阀损坏等。
多次循环换刀，加上导套根部存在先天裂纹，可能会导致导套断裂，故应加强对外购件产品探伤检验力度；此外，主轴热伸长，拉钉端部与主轴端部的间隙变小，刀柄振动引起干涉，也会导致掉刀。
（2）工作台故障
工作台的故障主要表现在工作台无动作、工作台不能回零、分度不准确以及工作台底部漏油等。
原因有：
由于信号开关损坏使得工作台起落信号异常；蜗杆传动间隙过大致使分度不准确；液压缸密封接触面上的接触压力小于被密封介质的内压，从而发生泄漏，导致工作台底部漏油等。
（3）主轴系统故障
主轴系统的故障主要体现在松拉刀机构上，表现在主轴不松刀、不能换刀或换刀时卡刀等。
其原因有主轴松拉刀油缸螺钉断裂、松拉刀碟簧损坏、漏气以及信号异常等。
除此之外，还有主轴有间隙、异响以及抱死等现象。
主轴抱死的主要原因是轴承质量问题，装配不合适，轴承进水或锈蚀以及冷却和润滑不合理等。
（4）机床防护系统故障
机床防护系统的故障主要表现为机床护罩损坏或缝隙大、机床防护门脱落，防护罩漏水以及机床冷却液泄漏等。
针对这些故障表象，可以采取相应的措施避免此类故障的发生。
（5）进给系统故障
进给系统出现的故障主要表现为：
由于限位行程开关损坏，导致Ｘ、Ｙ轴运行异常；Ｘ、Ｙ轴的垂直度误差过大以及进给系统进水引起过载故障等。
（6）电气系统故障
电气系统故障主要表现在元器件质量不过关，装配时绝缘损伤、爬电距离不足放电等方面。
如主轴电缆线发生了短路故障、电缆线磨损短路、继电器损坏等。
此外，还有电机损坏、系统保险断路、电气箱空调无制冷等现象。
（7）自动交换托盘（托盘交换装置）
加工中心中主要表现在：
由于切屑进入工作台，导致交换台无法交换；接近开关故障，使得２个工作台交换异常；交换台油缸磁环开关损坏、交换台油缸平移信号错误致使无法交换；交换台抬起落下电磁阀不灵活，交换台交换时不顺畅等。
（8）冷却系统故障
冷却系统故障主要变现为冷却电机过载，齿轮泵损坏（水泵故障）；风机损坏；恒温油箱有损坏以及油冷机损坏等。
（9）液压系统故障
液压系统故障主要表现有液压站故障、液压元件损坏、液压电机故障以及液压油的渗漏等现象。
（10）排屑系统
排屑系统的故障突出表现为电机过载。
此外，还有螺排卡裂、排屑器损坏等。
（11）气动系统故障
气动系统的故障主要有气动元件漏气、气液转换器漏油、增压缸漏油等。
（12）润滑系统故障
润滑系统故障原因有润滑系统损坏、润滑油路不循环以及润滑站不上油等。
3.2加工中心故障试验台
加工中心故障试验台综合维修实训设备采用模块化机构，可以完成数控机床的电气装调、数控机床机械装调、数控机床整机调试、数控机床的维护维修四类岗位的人才培养要求。
本实验台由数控控制台、数控系统、PMC单元、伺服进给单元、机床控制电路、伺服变压器、PMC练习模块等组成。
各进给轴由伺服电机控制，主轴由变频器控制，刀架采用四工位电动刀架；根据岗位技能要求，学生可以进行数控机床的安装调试、参数设备、伺服性能优化、数据备份、PMC编程、故障诊断与维修、数控编程操作等多种技能的实训。
实训设备采用模块化的结构，配置数控机床来满足机电联调的技能训练要求。
配置的智能化故障维修系统通过产生故障、故障分析、故障诊断、线路检查、故障点确定等过程训练学生数控机床维修能力，配合计算机软件可以进行学生登录、自动评分、成绩统计等方便的实训结果评价功能，还可以通过网络连接进行数控技术的应知考核，大大减轻教师的故障设定、评分、统计等工作量，是一套综合的数控技术设备。
电源部分设置漏电开关和缺相保护电路，在发生漏电、短路、缺相、设备保护电路自动动作。
技术参数：
实验台型号：
FANUCOimateTD数控车床综合维修考核实训系统
1、电源：
三相五线AC380V±10%50HZ
2、实验台尺寸：
长×宽×高1870×600×1700mm
3、整机功率：
≤4KW
4、漏电保护：
漏电动作电流≤30Ma
5、缺相自动保护、过载保护
6、伺服电机扭矩：
表3.1实验台功能
序号
要求
实现方案
实现元件
1
控制轴运动功能
采用伺服电机进行驱动
发那科伺服放大器与伺服电机
2
刀具位置补偿
CNC软件实现
CNC系统
3
车削固定循环功能
CNC软件实现
CNC系统
4
准备功能
CNC软件实现
CNC系统
5
辅助功能
CNC软件和PMC单元
CNC软件和PMC单元
6
主轴功能
采用变频器进行无极调速
变频器、CNC系统
7
进给功能
CNC软件实现
CNC系统
8
刀具功能
电动刀架配合PMC程序
电动刀架
实验台电气控制单元
（1）控制主回路如图3.1：
控制主回路图
控制主回路由总输入空气开关、系统及接口开关电源、控制变压器、变频器、驱动变压器、冷却泵、刀架电机构成。
如图所示。
①系统及接口开关电源：
由控制变压器通过继电器KM1给数控系统提供DC24V电源，同时直接给低压控制回路提供AC24V电源。
②变频器：
通过继电器KM2控制变频器的启停。
③驱动变压器：
通过驱动变压器直接给伺服驱动器供电。
④冷却泵：
通过继电器KM5控制冷却泵的启停。
⑤刀库电机：
通过继电器KM3和KM4分别控制刀架电机的正反转。
低压控制回路由照明灯、系统、伺服、刀架正转、刀架反转、冷却构成。
并在除照明回路和数控系统回路除外的其他回路的干路中接有急停开关SB1。
刀架正、反转间由继电器互锁机制。
①数控系统：
由启动钥匙开关SA1控制，通过继电器KM1实现。
②伺服：
由伺服启动开关SB3通过继电器KM2启动，由伺服停止开关SB2停。
③刀库正转：
由控制开关KA7通过继电器KM3实现，并在回路中串入了KM4的动断触点。
④刀库反转：
由控制开关KA6通过继电器KM4实现，并在回路中串入了KM3的动断触点。
⑤冷却：
由控制开关KA5通过继电器KM5实现。
3.4故障试验台介绍
主轴控制单元
主轴控制单元主要由主轴变频器构成。
主轴变频器用来实现主轴的调速与正反转，此外配合主轴编码器使用可以进行螺纹加工。
（1）机床对变频器的控制原理
发那科数控系统对模拟主轴的控制通过伺服驱动单元来完成如图3.3，主要包含速度和方向控制，速度控制的来源由系统根据速度指令转化为0—+10V的电压给变频器进行控制。
如在MDI方式下输入“M03S1000”，该程序段中的S1000回通过系统转化为0—+10V的模拟电压，输出给变频器的模拟量控制口；而主轴的旋转方向，是由PMC根据指令进行输出正反转继电器吸合来完成的。
上例中的“M03”就是由PMC进行译码，输出一个信号给继电器，继电器吸合后，闭合变频器上的正转端子，完成正转的控制。
图3.3伺服驱动单元
（2）变频器的连接原理图
变频器的连接原理图
驱动控制单元
驱动模块采用发那科βiSV20伺服放大器。
它的外围连接电路大致分为光缆连接（FSSB总线）、控制电源连接、主电源连接、急停信号连接、MCC连接、伺服电机主电源连接、伺服电机编码器连接和制动电阻连接等。
（1）光缆连接（FSSB总线）
发那科FSSB总线采用光纤通信，硬件连接方面遵循从A到B的规律，即
COP10A为总线输出，COP10B为总线输入。
（2）控制电源连接
控制电源采用DC24V电源，主要用于伺服控制电路的电源供电，在上电顺序上推荐优先给伺服放大器供电。
接线口为CXA19B和CXA19A。
（3）主电源连接
主电源是用于伺服电动机动力电源的变化。
接线口为L2/L1、AGND/L3。
（4）伺服电机动力电源连接
伺服放大器给电机的动力电源采用接插件连接，在连接时一定要注意相许的正确性。
接线口为V/U、AGND/W。
（5）伺服电机编码器反馈连接伺服电机编码器的反馈接口接JF等接口。
（6）制动电阻连接制动电阻连接口为CXA20。
图3.7X轴和Z轴伺服驱动接线图
3.4.3加工中心故障试验台的连接
发那科系统的PMC是通过专用的I/OLink与系统进行通讯的，PMC在进行着I/O
发那科的PMC地址分配大致如下：
X---MT输入到PMC的信号，如接近开关、急停信号等
Y---PMC输出到MT的信号
F---CNC输入到PMC的信号，是固定的地址
G---PMC输出到CNC的信号，也是固定的地址
R、T、C、K、D、A为PMC程序使用的内部地址
0i用I/O模块是配置FANUC系统的数控机床使用最为广泛的I/O模块，如图采
用4个50芯插座连接的方式，分别是CB104\CB105\CB106\CB107。
输入点有96位，每个50芯插座中包含24为的输入点，这些输入点被分为3个字节；输出点有64位，每个50芯插座中包含16为的输出点，这些输出点被分为2个字节。
图3.8I/O模块
对于地址Xm+4，既可以选源极型，也可以选漏极型，通过连接24V或0V来选择。
COM4必须被连接到24V或0V，而不能悬空，从安全标准观点来看，推荐使用漏极型信号，如图3.9为使用漏极型信号的范例。
输入输出控制单元
输入输出控制单元主要由输出控制、系统输出、系统输入、开关量输入信号和机床输入信号构成。
（1）系统输出控制小型继电器，然后通过小型继电器的触点控制具体的设备。
（2）数控系统的开关量输出信号有主轴正转控制、主轴反转控制、冷却控制、报警控制。
（3）数控系统输出信号还有换刀用的刀具信号。
（4）数控系统的输入信号有确定X、Z轴原位的粗定位信号和精定位信号；控制机床加工范围的+X限位、—X限位、+Z限位、—Z限位。
（5）机床输入信号有选刀用的刀具信号T1、T2、T3、T4；机床行程限位和定位用的霍尔开关信号。
输入、输出控制单元图
系统测试单元
系统测试单元由X轴系统控制信号、Y轴系统控制信号、Z轴系统控制信号、主轴编码器信号、主轴模拟电压信号、系统输出信号和系统输入信号构成。
系统测试单元用于系统信号调试、故障查找、故障修复等。
系统测试单元图
（1）主回路和控制回路
主回路通过控制变压器把380V的交流电变换为24V交流电，通过端口3和4（AC24V）给控制回路供电。
（2）主回路和输入输出控制单元
主回路通过控制变压器把380V的交流电变换为24V交流电，并转变为DC24V，通过端口1L+和1M（DC24V）给输入输出控制单元中的机床输入信号侧供电。
（3）控制回路和输入输出控制单元
控制回路中KA7、KA6、KA5分别和输入输出控制单元中输出控制侧的KA7、KA6、KA5连接
（4）输入输出控制单元
输入输出单元的线路连接参照下表3.2进行：
加工中心实验台输入口定义
序号
输入口
定义
序号
输入口
定义
01
X＋限位
13
未接
02
Z＋限位
14
未接
03
X定位
15
未接
04
Z定位
16
未接
05
X－限位
17
备用
06
Z—限位
18
备用
07
未接
19
备用
08
未接
20
备用
09
T1
21
急停
10
T2
22
备用
11
T3
23
备用
12
T4
24
备用
表3.3输出定义
加工中心实验台输出口定义
序号
输出口
定义
序号
输出口
定义
01
主轴正转
08
备用
02
主轴反转
09
备用
03
冷却
10
备用
04
未接
11
备用
05
刀库反转
12
备用
06
刀库正转
13
备用
07
未接
14
备用
系统输出端子和L4连接、和L3连接、和L5连接、和L6相连、和L7相连。
（5）输入输出控制单元和主轴控制单元
主轴控制单元的0—10V和AGND分别与输入输出控制单元的系统输出侧的0—10V和AGND相连接
主轴控制单元的FWD和REV分别与输入输出控制单元的输出控制侧的KA4和KA3上端口连接，主轴控制单元的COM和输入输出控制单元的输出控制侧的KA4和KA3下端口连接。
4加工中心故障分析
4.1加工中心的故障检测
（1）常用的故障诊断方法
①直观法
主要采用目测、手摸、通电等实用方法。
②仪器测量比较法
故障发生后，根据系统电路图及机床电路图，用常规电工检测仪器，对故障部分的电压、电源、脉冲信号等进行实测，将正常值与故障时的值相比较，分析出故障的原因及故障的所在位置。
③用可编程序控制器进行PLC中断状态分析
可编程序控制器发生故障时，其中断原因以中断堆栈的方式记忆。
使用编程器可以在系统停止状态下，调出中断堆栈和块堆栈，按其所指示的原因查明故障所在。
④诊断备板置换法
现代数控系统大都采用模块化设计，按功能不同划分不同模块，可以根据模块的功能与故障现象，初步判断出可能的故障模块，用诊断备件将其替换，这样可迅速判
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