教案01数控机床故障诊断及维护模板.docx

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教案01数控机床故障诊断及维护模板

常州轻工职业技术学院

数控机床故障诊断及维护课程授课教案NO:

01

授课日期

8.16

8.15

授课班级

03机电331

03机电332

课题

绪论（数控机床的发展与故障诊断）

授课类型

讲授

课时数

4

教学

目的

了解数控机床的发展;

了解数控机床故障诊断与维护的基本概念.

重点

难点

有效度概念；故障率曲线

教具

挂图

教学过程

及

时间分配

主要教学内容

教学方法

的运用

推荐的课程学习参考书

1王侃夫数控机床故障诊断及维护北京机械工业出版社2005

2任建平白恩远现代数控机床故障诊断及维修北京国防工业出版社2005

3《机械设备维修问答丛书》编委会数控机床故障检测与维修问答北京机械工业出版社2002

4《机械设备维修问答丛书》编委会数控机床数控系统维修技术与实例北京机械工业出版社2001

5白恩远王俊元现代数控机床伺服及检测技术北京国防工业出版社2005

一、数控系统与数控机床技术发展趋势

1数控系统发展趋势

从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了46年历程。

数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：

分立式晶体管式——小规模集成电路式——大规模集成电路式——小型计算机式——超大规模集成电路——微机式的数控系统。

到上世纪80年代，总体发展趋势是：

数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。

总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。

到1990年，全世界数控系统专业生产厂家年产数控系统约13万台套。

国外数控系统技术发展的总体发展趋势是：

　　●新一代数控系统采用开放式体系结构

　　进入上世纪90年代以来，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。

世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。

开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。

近几年许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站/机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OSACA，日本的OSEC计划等。

开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。

开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等。

数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统体积更小，更加小型化、微型化。

可靠性大大提高。

利用多CPU的优势，实现故障自动排除；增强通信功能，提高进线、联网能力。

开放式体系结构的新一代数控系统，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用，既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统，开发生产周期大大缩短。

这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。

　　●新一代数控系统控制性能大大提高

　　数控系统在控制性能上向智能化发展。

随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。

伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。

直线电机驱动系统已实用化。

　　总之，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。

　　2数控机床发展趋势

　　为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

　　⑴高速、高效、高精度、高可靠性

　　要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。

为此，必须要有高性能的数控装置作保证。

　　●高速、高效

　　机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

　　新一代数控机床（含加工中心）只有通过高速化大幅度缩短切削工时才可能进一步提高其生产率。

超高速加工特别是超高速铣削与新一代高速数控机床特别是高速加工中心的开发应用紧密相关。

上世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，应不失时机地开发应用新一代高速数控机床。

　　依靠快速、准确的数字量传递技术对高性能的机床执行部件进行高精密度、高响应速度的实时处理，由于采用了新型刀具，车削和铣削的切削速度已达到5000米~8000米/分以上；主轴转数在30000转/分（有的高达10万转/分）以上；工作台的移动速度：

（进给速度），在分辨率为1微米时，在100米/分（有的到200米/分）以上，在分辨率为0.1微米时，在24米/分以上；自动换刀速度在1秒以内；小线段插补进给速度达到12米/分。

根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。

还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、军事等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。

●高精度

　　从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。

其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（<10nm），其应用范围日趋广泛。

超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。

随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。

新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。

当前，机械加工高精度的要求如下：

普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

　　精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。

随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。

为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。

　　●高可靠性

　　是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

　　当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。

　　⑵模块化、智能化、柔性化和集成化

　　●模块化、专门化与个性化

　　机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。

为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。

个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

　　●智能化

　　智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：

　　——为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；

　　——为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；

　　——简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；

　　——智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。

　　●柔性化和集成化

　　数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

　　⑶开放性

　　为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

　　⑷出现新一代数控加工工艺与装备

　　——为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统；

　　——FMC，FMSWeb-based制造及无图纸制造技术；

　　——围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。

并联杆系结构的新型数控机床实用化。

这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；

　　——以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统。

对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。

应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。

　　——由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。

二、数控机床故随诊断及维护

1、目的

数控机床是机电一体化在机械加工领域中的典型产品，它是将电子电力、自动化控制、电机、检测、计算机、机床、液压、气动和加工工艺等技术集中于一体的自动化设备，具有高精度、高效率和高适应件的特点。

要发挥数控机床的高效益，就要保证它的开动率，这就对数控机床提出了稳定性和可靠性的要求，衡量该要求的指标是平均无故障时间MTBF（MeanTimeBetweenFailures），即为两次故障问隔的时间：

同时，当设备出厂故障后，要求排除故障的修理时间MTTR（MeanTimeToRestore）越短越好，所以衡量上述要求的另—个指标是平均有效度A（）：

为了提高MTBF，降低MTTR，一方面要加强日常维护，延长无故障的时间；另一方面当出现故障后，要尽快诊断出故障的原因并加以修复；如果用人来比喻的话，就是平时要注意保养，避免生病；生病后，要及时就医，诊断出病因，对症下药，尽快康复。

现代化的设备需要现代化和科学化的管理，数控机床的综合性和复杂性决定了数控机床的故障诊断及维护有自身的方法和特点，掌握好这些方法，可以保证数控机床稳定可靠地运行.特别是对柔性制造系统（FMS），任何一台数控机床出故障都会影响到整条生产线的运行．其经济损失是相当大的，因此快速诊断出故障原因和加强日常维护就显得很重要了。

2、内容

数控机床由机床本体（包括液压、气动和润滑装置等）和电气控制系统两大部分组成。

（1）就机床本体而占，由于机械部件处于运动摩擦过程中，因此，对它的维护就显得特别重要，如主轴箱的冷却和润滑，导轨副和丝杠螺母副的间隙调整、润滑及支承的预紧，液压和气动装置的压力和流量调整等。

（2）电气控制系统由数控系统、伺服系统、机床电器柜（也称强电柜）及操作面板等组成。

●可编程控制器替代了普通机床强电柜中大部分的机床电器，从而实现对主轴、进给、换刀、润滑、冷却、液压和气动等系统的逻辑控制。

特别要注意的是机床上各部位上的按钮、行程开关、接近开关及继电器、电磁阀等机床电器开关，因为这些开关信号作为可编程控制器的输入和输出控制，开关的可靠性将直接影响到机床能否正确执行动作，这类故障是数控机床最常见的故障。

●数控机床最终是以位置控制为目的的，所以，位置检测装置维护的好坏将直接影响到机床的运动精度和定位精度。

●电气系统的故障诊断及维护，内容多，涉及面广。

是维护和故障诊断的重点部分。

3、特点

按照数控机床故障频率的高低，整个使用寿命期大致可分为：

初始使用期，相对稳定运行期以及寿命终了期。

●初始使用期从整机安装调试后，开始运行半年至一年期间，故障频率较高，一般无规律可寻。

从机械角度看，在这段时期里，主机虽然经过了试生产磨合，但由于零件的加工表面还存在着微观和宏观的几何形状偏差，在完全磨合前，表面还较粗糙；部件在装配中还存在着形位误差，在机床使用初期可能引起较大的磨合磨损．使机床相对运动部件之间产生过大问隙。

另外，新的混凝土地基的内应力还未平衡和稳定，使机床产生某些精度偏差。

从电气角度看，数控机床控制系统及执行部件使用大量的电子电力器件，这些元件和装置在制造厂虽然经过严格筛选和整机考机等处理，但在实际运行时，由于交变负荷及电路开、关的瞬时“浪涌”电流和反电动势等的冲击，使某些元器件经受不起初期考验．因电流或电压击穿而失效，致使整个设备出现故障。

总之．在这个时期，电气、液压和气动系统故障频率约占整个韧始使用期故障的90％，为此，要加强对机床的监测，勤记录，定期对机床进行机电调整,以保证设备各种运行参数处于技术规范之内。

●相对稳定运行期设备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，此时各类元器件器质性的故障较为少见．但不排除偶发性故障的产生，所以，在这个时期内要坚持做好设备运行记录，以备排除故障时参考。

另外，要坚持每隔6个月对设备作一次机电综合检测和复校，这个时期内，机电故障发生的概率近乎相等，且大多数可以排除.相对稳定运行期较长，一般定为7—10年。

●寿命终了期机床进入寿命终了期后，各类元器件开始加速磨损和老化，故障频率开始逐年递增，故障性质属于渐发性和器质性的。

例如橡胶件的老化，轴衬和液压缸的磨损，限位开关接触灵敏度以及某些电子元器件品质因素开始下降等，大多数渐发性故障具有规律性，在这个时期内，同样要坚持做好设备运行记录，所发生的故障大多数是可以排除的。

数控机床属于技术密集型和知识密集型的设备，冈此，对它的维护和故障诊断，既有常规的方法和手段，又有专门的技术和检测手段。

故障诊断时往往不能单纯地从机械方面或电气方面来考虑，而必须加以综合，全方位地加以考虑。

4、数控诊断技术的最新发展

在科学技术飞速发展的今天，任何一项新技术的产生和发展都不是孤立的，而是互相渗透的结果。

随着集成电路和计算机性能／价格比的提高，近年来，国外已将一些新的概念和方法引入到诊断领域，使诊断技术上升到一个新的更高的阶段，这些新的诊断技术主要有：

通讯诊断、具有入工智能功能的专家故障诊断系统等。

4.1通讯诊断

通讯诊断也称远距离诊断或“海外”诊断。

德国西门子公司在CNC系统中采用了这种诊断功能。

用户只要把CNC系统中专用的“通讯接口”连接到普通电话线上，而专用通讯诊断计算机的“数据电话”也接到电话线上，然后由计算机向CNC系统发送诊断程序，并将测试数据输回到计算机进行分析得出结论。

随后将诊断结论和处理方法通知用户。

通讯诊断系统除用于故障发生后的诊断外，还可作为用户定期预防性诊断，维修人员不必亲临现场，只需技预定时间对机床做一系列试运行检查，在远地的维修中心分析诊断数据，以发现可能存在的故障隐患。

这类CNC系统必须具有远距离诊断接口及联网的功能。

4.2自修复系统

自修复系统就是在系统内安装了备用模块，并在CNC系统的软件今装有自修复相序。

当该软件在运行时一旦发现某个模块有故障时，系统一方面将故障信息显示在CRT上，另一方面自动寻找是否有备用模块。

如果存在备用模块，系统将使故障模块脱机而接通备用模块，从而使系统较快地恢复到正常工作状态。

美国的CincinnatiMilacron公司生产的950CNC系统就已经采用了这种自修复技术。

在950CNC系统的机箱内安装有一块备用的CPU板，一旦系统中所用的4块CPU板中的任何一块出现故障时，均能立即启用备用板替代故障板。

但自修复技术需要将备用板插入到机箱中的备用槽中。

这无疑增加了成本，所以只适用于总线结构的CNC系统。

4.3具有人工智能功能的专家故障诊断系统

发展具有人工智能的专家系统故障诊断方法是从数据库出发，调用知识库中的相应知识、经过推理机构的推理获得所需的结论。

应用于数控系统故障诊断的人工智能技术有两方面内容，即诊断专家系统和人工智能数据库。

4.3.1诊断专家系统

是人工智能最活跃的一个分支，以其智能化程度高和实时性强而应用于很多领域。

80年代韧，专家系统才开始应用于故障诊断领域，故障诊断专家系统与传统诊断技术相比具有如下特点：

①通过对各种诊断的经验性专门知识形式化描述，不仅可以使这些知识突破专家个人的局限性而广为传播，而且也是对科学方法论的一个发展。

②克服人类诊断专家供不应求的矛盾。

③故障诊断专家系统可以结合其它诊断方法，综合利用各类专家的知识、经验，实现在线监测故障、离线诊断与分离故障。

④故障诊断专家系统具有人机联合诊断功能，可充分发挥人的主观能动性。

专家系统具有知识获取和自学习功能，它能在使用过程中日趋完善。

4.3.2人工智能数据库

人工智能数据库以提高系统可靠性、维修性和高效率性为目的。

这种数据库土要包括加工参数的自动设定和图形功能等。

加工参数的自动设定功能，实际是一个工艺参数库，系统能根据被加工工件的材料、加工余量等自动确定切削用量、加工刀具的选取及加工条件的设定等，这种数据库不但需要积累大量工艺数据，还必须具有某种学习功能及推理能力。

通常，将人工智能数据库与故障诊断专家系统联系在一起，建立一个综合专家系统，既提高系统的可靠性，又提高了系统的诊断维修性能。

在处理实际问题时，本来需要出某个领域的具有专门知识的专家来解决，通过专家分析和解释数据并做出决定。

而以计算机为基础的专家系统就是力求去收集足够的专家知识。

让计算机如同事家那样解决问题。

也就是说，专家系统是通过具有专家推理方法的计算机模型来解决实际问题，并且得到与专家相同结论。

一般诊断专家系统的结构框图，如图所示。

诊断专家系统框图

知识库（KnowledgeBase）是专家知识、经验、书本常识等各种知识的集合。

对于数控系统的专家诊断系统来说，故障知识库的建立是关键。

推理机（InferenceEngine）是用于控制、协调整个系统，根据当前输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推理策略解决当前的问题。

目前日本FANUC公司已将专家系统引入到自己的CNC系统中，用于故障的诊断。

它是由知识库、推理机和人机控制器（ManMachineControl）三部分组成。

其中，知识库存储着专家们掌握的有关与CNC领域的各种故障原因及其处理方法，而推理机则具有推理的能力，能够根据知识推导出结论，并不是简单地搜索现成的答案。

如GE—FANUC15中采用了诊断指导专家系统（Trouble—shootingGuidanceExpertSystem）查找故障的原因（如图所示）。

4.4基于因特网的远程故障诊断系统

因特网的普及和局域网建设，为故障诊断技术的发展带来了新的思路与前景，将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结合，可构造一种全新的故障诊断系统，即基于因特网的远程故障诊断系统（Internet—basedRemoteDiagnosisSystemIRDS）。

如，美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的下一代远程诊断示范系统。

美国的DM2000系统和PDS系统都是基于网络环境，能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种典型故障，具有远程通讯能力，能对企业的管理和控制系统联网通信，使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息，也能对不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。

在国内．西安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域的远程诊断研究工作．并取得了初步成果；华中理工大学也于1997年初开始了前期研究工作，并在因特网上设立了—个远程诊断宣传站点，介绍远程诊断技术，以实验室的方式向用户提供远程诊断服务。

它的主要功能为：

（1）诊断任务调度一方面是诊断任务分解，将某一诊断请求按—定策略分解或分送到不同的诊断子系统进行诊断，并对整个诊断过程进行调度管理；另一方面是管理多个诊断任务。

（2）远程数据获取诊断系统或研究人员异地远程获取设备状况及相关信息。

理想的情况是能以远程控制采集系统的方式获取需要的信息，并从网上获取该设备的设计、制造、维修等相关信息。

（3）远程信号分析包括诊断服务方和客户方所进行的信息分析两个方面。

服务方信号分析功能主要在于信号特征自动提取；客户方信号分析功能主要在于提供远程信号分析工具。

（4）远程故障诊断针对某一诊断对象，采用相应的某一诊断方法或某些诊断方法的融合。

对异地设备进行远程故障诊断，快速传送诊断结果。

（5）远程协作诊断提供多诊断系统和专家的异地诊断协作环境，还包括对诊断对象的诊断结果的综合。

4.5应用人工神经网络（ANN）进行诊断

由于ANN具有联想、容错、自适应、自学习和处理复杂多模式等特点，近年来开展了诸多研究和应用。

这种方法将被诊断的系统的症状作为网络的