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1、毕业设计论文数控机床维护及数控系统的故障诊断烟台工程职业技术学院数控技术 系 数控设备应用与维护 专业 08 级毕业设计（论文）题目:数控机床维护及数控系统的故障诊断姓名 学号 指导教师（签名） 二一 年 十 月 三十 日烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文） 数控机床维护及数控系统的故障诊断 是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。 毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日摘 要数控机床是运用数控技术对零件进行加工控制的机床。经过近几十年国内外

2、厂家的发展，数控机床的种类繁多，其故障种类也多样化。数控机床作为一种高精度自动化设备，其能否安全可靠运行，在很大程度上取决于机床的正确使用和日常维护维修，为了保证机床长期安全平稳运行，降低维修费用，及时发现和消除故障，从而提高企业的经济效益。本文现介绍几种实用的诊断、维修及保养方法供大家参考。主要有机床维护维修，数控系统、伺服驱动、电气控制等方面的故障诊断，以及故障处理。关键词：数控机床 维护维修 故障诊断 伺服驱动 故障处理 前言随着现在机械零件精度要求的大幅提高以及国外机械精加工对我国机械制造业的影响，传统型的机床已经无法满足现代制造业的精度要求。而数控机床的产生与普及无疑给世界机械制造业

3、带来空前性的革新，其加工精度、效率、复杂曲面加工等等，是传统机床所无法比拟的。我国数控起步较晚，与德国、美国等发达国家相比差了几十年，现在国内数控仍然没有完全自主知识产权，高档数控系统基本依赖进口.我国在数控维护维修调试，故障诊断与故障处理等方面更是人才短缺，经验匮乏，导致国内许多高档数控机床都要聘请国外专家维修调试。本文通过参考大量文献，从具体实践出发，涵盖系统、伺服驱动、电机、电路、电气、液压等内容。在第一章节中，介绍了数控设备维护目的及诊断技术的发展。第二章节是本文的重点所在，在分析系统与驱动故障之前都是从原理着手，适当插入图表，看起来也更为直观，并且将故障归类，然后逐步展开细分，加以阐

4、述。驱动部分以伺服驱动为代表，因为目前数控机床在配置驱动时都以伺服为主，步进驱动由于精度低的缺点而趋于淘汰。第三章节简单举例介绍一些维修实例，以及维修时要注意的一些要点，步骤，方法等。数控机床维护及数控系统的故障诊断周立军周立军第一章 绪 论数控机床的故障诊断及维护在内容，手段和方法上与传统机床的故障诊断及维护有很大的区别。学习和掌握数控机床故障诊断及维护的技术，已越来越引起相关企业和工程技术人员的关注。数控机床故障诊断及维护已成为正确使用数控机床的关键因素之一。（一）数控机床故障诊断及维护的目的数控机床上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，

5、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，高效率和高适应性的特点。要发挥数控机床的高效益，就要保障它的开动率，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，即为两次故障间隔的时间；同时，当设备出了故障后，要求排除故障的修理时间MTTR越短越好，所以衡量上述要求的另一个指标是平均有效度：A=MTBF/(MTBF+MTTR)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，要及时看医生，诊断出病因，对

6、症下药，尽快康复。数控机床系统配置图如下：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其自身的方法和特点，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现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特别重要了。（二）数控机床故障诊断及维护的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。就机床本体而言，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

7、，润滑润滑螺母别分。就机床本体而言，由于机械部件处于运动摩擦过程中那个及支承的预紧，液压和气动装置的压力和流量调整等。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。数控系统与机床及机床电器设备之间的接口有四个部分：1. 驱动电路主要指与坐标轴进给驱动和主轴驱动的连接电路。2. 位置反馈电路主要指数控系统与位置检测装置之间的连接电路。3. 电源及保护电路电源及保护电路由数控机床强电线路中的电源控制电路构成。强电线路由电源变压器，控制变压器，各种断路器，保护开关，接触器，熔断器等连接而成，以便为交流电动机（如液压泵电动机，冷却泵电动机及润滑泵电动机等），电磁铁，离合器

8、和电磁阀等功率执行元件供电。伺服驱动系统图4. 开/关信号连接电路开/关信号是数控系统与与信号是数控系统一个电磁铁，离合器和电磁阀等功率执行元件给弄个店机床之间的输入/输出控制信号。输入/输出信号在数控系统和机床之间的传送通过I/O接口进行。数控系统中各种信号均可用机床数据“1”或“0”来表示。数控系统通过开关量的处理，向I/O接口输出各种控制命令，控制强电线路的动作。数控机床从电气角度看，最明显的特征就是用电气驱动代替了普通机床的机械传动，相应的主运动和进给运动由主轴电动机和伺服电动机执行完成，而电动机的驱动必须有相应的驱动装置及电源配置。由于受切削状态，温度及各种干扰因素的影响，使伺服性能

9、，电气参数发生变化或电气元器件失效，从而引起故障。5. 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，从而实现了对主轴，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。因此，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。就数控系统来说，80年代中期以

10、前，由于当时CPU性能低，采用硬件要比软件快得多，所以硬件品质的高低，就决定了当时数控系统品质的高低。由于微电子技术的迅猛发展和微机进入数控系统，在数控系统性能水平方面，已由硬件竞争转到软件竞争。数控系统类似计算机产品。将外购的电子元器件焊（贴）到印刷电路板上成为板，卡级产品，由多块板，卡通过插件等连接，再连接外设就成为系统级最终产品。其关键技术如元器件筛选，印刷电路板，焊接和贴附，生产过程及最终产品的检验和整机的拷机等都极大地提高了数控系统的可靠性。有资料表明：数控机床操作，保养和调整不当占整个故障的57%，伺服系统，电源及电气控制部分的故障占整个故障的37.5%，而数控系统的故障只占5.5

11、%。（三）数控机床故障诊断及维护的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三个阶段，即初始使用故障期，相对稳定运行期和寿命终了期，如图0-1。故障频率设备使用寿命T1 T 2 T3图0-1 设备使用寿命-故障频率曲线T1初始使用期T2相对稳定期T3 寿命终了期1. 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，一般无规律可循。从机械角度看，在这段期间里，主机虽然经过了试生产磨合，但由于零件的加工表面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；部件在装配过程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

12、间隙。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拷机等处理，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，导致整个设备出现故障。总之，在这个时期，电气，液压和气动系统故障频率约占整个初始使用期故障的90%，因此，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。 2. 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

13、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，以备排除故障时作参考。另外，要坚持每隔6个月对设备做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，一般为710年。3. 寿命终了期机床进入寿命终了期以后，各类元器件开始加速老化和磨损，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

14、以排除的。由于数控机床属于技术密集型和知识密集型的设备，因此，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。例0-1某些数控机床的坐标轴在正，反方向进给时产生振动。综合考虑故障因素为：(1)导轨副和滚珠丝杠螺母副的配合间隙过大。(2) 伺服电动机和丝杠的联轴器松动。(3) 电气参数，如加减速度时间段设置过小，使伺服系统在换向时产生超调，从而引起机床震动。产生的除类元器件器质性和化，磨合，行电源现故障。总之，在这个失球例0-2某数控机床进给时出现伺服电动机电流过大的报警。综合产生过电流报

15、警的因素为：1.进给传动链1）滚珠丝杠螺母副预紧过大。2）导轨副预紧过大。2.润滑导轨润滑不良，如润滑系统的定量定时泵不正常，供油压力不在正常范围内及滤油网堵塞等。3.切削状况切削用量过大，如进给速度或切削深度过大等。4.电气传动1）伺服电动机故障，如永久磁钢退磁，热敏电阻灵敏度下降等。2）伺服驱动装置故障，如主电路短路等。由此可见，数控机床故障具有综合性和复杂性的特点，引起数控机床故障的因素是多方面的，有时，故障现象是电气方面的，但引起的原因是机械方面的；反之，故障现象是机械方面的，但故障原因是电气方面的，或者两者皆有。所以，要根据故障的现象和原因，采用合适的诊断方法和诊断用仪表仪器，做出正

16、确的判断。下图是华中数控和广州数控机床操作面板图：华中数控机床操作面板图广州数控机床操作面板图（四）数控机床诊断技术的发展1. 通信诊断通信诊断也称远距离诊断或“海外诊断”。用户只需把CNC系统中的专用“通信接口”连接到普通电话线上，维修中心的专用通信诊断计算机的“数据电话”也连接到电话线路上。由通信诊断计算机向各用户CNC系统发送诊断程序，并将测试数据送回诊断计算机进行分析并得出结论，最后又将诊断结果和处理方法通知用户。SIEMENS公司生产的数控系统就具有这种诊断功能。通信诊断不仅用于故障诊断发生之后对数控系统进行诊断，而且还可以用作用户的定期预防性诊断，只需按预定的时间对机床做一系列的试

17、运行检查，将检查的数据通过电话线送入维修中心的计算机进行分析处理，维修人员不必亲临现场，就可以发现系统可能出现的故障隐患。2.自修复系统自修复系统就是在系统内部设置备用模块，在数据系统的软件中装有自修复程序。当软件在运行时一旦发现某一个模块有故障时，系统一方面将故障信息显示在CRT面板上，同时自动寻找是否具有备用模块，若有备用模块，系统能自动使故障模块脱机而连通备用模块，从而使系统较快地进入正常工作状态。Cincinnati-Milacron公司生产的950CNC系统就采用了这种自修复技术。EM法测试数据送回诊断计算机进行分析帮你行分析帮你搞得出结论但面弄面的电器杂性的特点，引起数控机床故障的

18、因素是多方面的，优势3.人工智能（AI）专家故障诊断系统专家系统是一个或一组在某些特定领域内，应用大量的专家知识和推理方法求解复杂问题的一种人工智能计算机程序。人工智能专家系统如图0-2所示。知识工程师 数据知识用户领域专家 结果 图0-2 人工智能专家系统专家系统主要包括两大部分，即知识库和推理机。其中知识库中存放着求解问题所需的知识，推理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题。知识库的建造需要知识工程师和领域专家相互合作把领域专家的知识和经验整理出来，并用系统的知识方法方法系统知识工程师和领域专家相互合作把领域专家的知识和经验着呢管存放在知识库中。当解决问题时，用户为系统提供一些已知数据，

19、就可以从系统中获得专家水平的结论。从数控机床故障诊断的内容看，故障诊断专家系统用于故障监测，诊断分析和决策处理三个方面。在FANUC15系统中，已将专家故障诊断系统用于故障诊断。在使用时，操作者以简单的会答方式，通过数控系统上的MDI/CRT操作，就能如同专家亲临现场一样，诊断出系统的故障。4.人工神经元网络诊断人工神经元网络，简称神经网络，是人们在对人脑思维研究的基础上，用数学方法将其简化，抽象并模拟，能反映人脑基本功能特性的一种并行分布处理连接网络模型。由于神经元网络具有联想，容错，记忆，自适应，自学习和处理复杂多模式故障的优点，是数控机床故障诊断新的发展途径。将神经网络和专家系统结合起来

20、，发挥两者各自的优点，更有助于数控机床的故障诊断。（五） 数控机床故障诊断及维护对技术人员的要求提高数控机床的开动率，缩短故障诊断的时间，维护及维修人员是关键。对维护及维修人员的要求如下：1. 维护及维修人员应熟练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，这对判断是操作不当或编程不当造成的故障十分必要。2. 维护及维修人员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，电气原理图和机床梯形图（PLC程序）等，实地观察神将网络模型称神经网络，是人们在对人脑思维研究的基础上，用数学放。争转到软件竞争呢个方

21、面，已有电子技术的迅猛发展和危控机床最中意可编程控制器各部位上的按钮，行程开关，接近开关及继电器，电磁阀，机床的运行状态，使实物和资料相对应，做到心中有数。3.维护及维修人员除会使用传统的仪器仪表工具外，还应具备使用多通道示波器，逻辑分析仪和频道分析仪等现代化，智能化仪器的技能。4.维护及维修人员要提高工作能力和效率，必须借鉴他人的经验，从中获得有益的启发。在完成一次故障诊断及排除故障过程后，应对诊断排故障工作进行回顾和总结，分析能否有更快，更好的解决方法，一个有代表性的诊断检修捷径是从“重复故障”中总结出来的，因此，维护及维修人员在经过一定的实践阶段后，对一定的故障形式就很熟悉，那么，以后不

22、需要很多测试就能识别故障症状。5.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，为以后的故障诊断提供技术数据。第二章 数控机床维护及数控系统故障诊断不同种类的数控机床虽然在结构和控制上有所区别，但在机床维护，故障诊断及故障处理等方面有它们的共性。熟悉和掌握维护和故障诊断方法，所用工具和有关资料，对提高维护维修质量和故障诊断效率是有很大帮助的。数控机床的电源配置较一般机床复杂，也是故障易发生的部位。熟悉数控机床电源配置的组成，电源供给对象，电源故障诊断及维护是保证数控机床正常运行的前提条件。数控机床运行过程中另一个不可忽视的因素是干扰问题。了解干扰的因素及影响，加强抗干扰

23、的措施，有助于数控机床稳定可靠地运行。（一）数控机床的维护对数控机床进行维护保养的目的就是要延长机械部件的磨损周期，延长元器件的使用寿命，保证机床长时间稳定可靠地运行。1.点检由于数控机床集机，电，液，气等技术为一体，所以对它的维护要有科学的管理，有计划的，有目的的制定相应的规章制度。对维护过程中发现的故障隐患应及时清除，避免停机维修，从而延长平均无故障时间，增加机床的开动率。点检就是按照有关维护文件的规定，对数控机床进行定点，定时的检查和维护。从点检的要求和内容上看，点检可分为专职点检，日常点检和生产点检三个层次，图1-1为数控机床点检维修过程示意图。图1-1 数控机床点检维修过程示意图2.

24、专职点检负责对机床的关键部位和重要部位按周期进行重点点检和设备状态监测与故障诊断，制定点检计划，做好诊断记录，分析维修结果，提出改善设备维护管理的合理化建议。3.日常点检负责对机床的一般部位进行点检，处理和检查机床在运行过程中出现的故障。4.生产点检负责对生产运行中的数控机床点检，并负责润滑，紧固等工作。点检作为一项工作制度必须认真执行并持之以恒，这样才能保证数控机床的正常运行。（一）数控系统的日常维护1.机床电气柜的散热通风通常安装于电气柜门上的热交换器或轴流风扇，能对电控柜的内外进行空气循环，促使电控柜内的发热装置或元器件，如驱动装置等进行散热。应定期检查控制柜上的热交换器或轴流风扇的工作

25、状况，风道是否堵塞，否则会引起柜内温度过高而使系统不能正常运行，甚至引起过热报警。2.尽量少开电气控制柜门加工车间漂浮的灰尘，油雾和金属粉末落在电器柜上容易造成元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障。因此，除了定期维护和维修外，平时应尽量少开电气控制柜门。3.备用电池的定期更换数控系统存储的参数用的存储器采用CMOS器件，其存储的内容在数控系统断电期间靠备用电池供电。在一般情况下，即使电池尚未消耗完，也应每年更换一次，以确保系统能正常的工作。电池的更换应在CNC系统通电状态下进行。4.备用印刷电路板的定期通电对于已经购置的备用印刷线路板，应定期装到CNC系统上通电运行。实践证明，印刷电路板长期不用

26、时易出现故障。5.数控系统长期处于不用时的保养每年更换一次情况下，即使电池尚未用件在电器柜身上那个数控系统处于长期闲置的情况下，要经常给系统供电，在机床锁住不动的情况下，让系统空运行。系统通电可利用电器元件本身的发热来驱散电气柜内的潮气，以保证电器元件性能的稳定可靠。实践证明，在空气湿度较大的地区，经常通电是降低故障的一个有效措施。一.技术资料从数控机床技术资料的完整性考虑，作为数控机床生产厂家，必须向用户提供与使用及维修有关的技术资料，主要有：1）数控机床电气使用说明书。2）数控机床电气原理图。如下图：3）数控机床电气互连图。4）数控机床结构简图。5）数控机床电气参数。6）数控机床PLC控制

27、程序。7）数控系统操作手册。8）数控系统编程手册。9）数控系统安装及维修手册。10）伺服驱动系统使用说明书。维修人员必须对这些资料认真仔细地阅读，对照机床本身，使实物与图纸资料联系起来，做到心中有数。当机床出现故障时，根据故障的性质，一方面找到机床故障发生的区域，另一方面翻阅相应的技术资料，作出正确的判断。（二）床短短的论文很难尽述，但是我仍希望把一些基本方法与思路写出来，故障处理数控机床的故障有软故障和硬故障之分，所谓软故障，就是故障并不是由硬件损坏而引起的，而是由于操作，调整处理不当引起的。这类故障在设备使用初期发生的频率较高，这和操作人员和维护人员对设备不是很熟悉有关。所谓硬故障，就是由

28、外部硬件损坏引起的故障，包括检测开关，液压系统，气动系统，电气执行元件及机械装置等故障，这类故障是数控机床常见的故障。数控机床发生故障时，除非出现影响设备或人身安全的紧急情况，不要立即关断电源。要充分调查故障现场，从系统的外观，CRT显示的内容，状态报警指示及有无烧灼痕迹等方面进行调查，在确认系统通电无危险的情况下，可按系统复位（RESET）键，观察系统是否有异常，报警是否消失，如能消失，则故障多为随机性，或是操作错误引起的。CNC系统发生故障，往往是同一现象，同一报警号可以有多种起因，有故障根源在机床上，但现象却反映在系统上，所以，无论是CNC系统，机床电器，还是机械，液压及气动装置等，只要

29、有可能引起该故障的原因，都要尽可能全面地列出来，进行综合判断，确定最有可能的原因，再通过必要的试验，达到确诊和排除故障的目的。为此，当故障发生后，要对故障的现象作详细的记录，这些记录往往为分析故障原因，查找故障源提供重要依据。当机床出现故障时，往往从以下方面进行调查：一.检查机床的运行状态1）机床故障时的运行方式。2）MDI/CRT显示的内容。3）各报警状态指示的信息。4）故障时轴的定位误差。5）刀具轨迹是否正常。6）辅助机能必要的能判断装置等，只要有可能引起该故障的原因，都要尽可能全面的运行状态。7）CRT显示有无报警及相应的报警号。二.检查加工程序及操作情况1）是否为新编的程序。2）故障是

30、否发生在子程序部分。3）检查程序单和CNC内存中的程序。4）程序中是否有增量运动指令。5）程序段跳步功能是否正确使用。6）刀具补偿量及补偿指令是否正确。7）故障是否与换刀有关。8）故障是否与进给速度有关。9）故障是否与螺纹切削有关。10）操作者的训练情况。三.检查故障的出现率和重复率1）故障发生的时间和次数。2）加工同类工件故障出现的概率。3）将引起故障的程序段重复执行几次，观察故障的重复性。四.检查系统的输入电压1）输入电压是否有波动，电压值是否在正常的范围内。2）系统附近是否有使用大电流的装置。五.检查环境情况1）CNC系统周围温度。2）电气控制柜的空气过滤器的状况。3）系统周围是否有振动

31、源引起系统的振动。六.外部因素1）故障前是否修理过或调整过机床。2) 故障前是否修理过或调整过CNC系统。3）机床附近有无干扰源。4）使用者是否调整过CNC系统的参数。5）CNC系统以前是否发生过同样的故障。七.检查运行情况1）在运行过程中是否发生改变工作方式。2）系统是否处于急停状态。3）熔丝是否熔断。4）机床是否做好运行准备。5）系统是否处于报警状态。6）方式选择开关设定是否正确。7）速度倍率开关是否设定为零。8）机床是否处于锁住状态。9）进给保持按钮是否按下。八.检查机床状况1）机床是否调整好。2）运行过程中是否有振动产生。3）刀具状况是否正常。4）间隙补偿是否合适。5）工件测量是否正确。6）电缆是否有破裂和损伤。7）信号线和电源线是否分开走线。九.检查接口情况1）电源线和CNC系统内部电缆是否分开安装。2）屏蔽线接线是否正确。3）继电器，接触器的线圈和电动机等处是否加装有噪声抑制器。（三） 数控系统故障诊断的方法数控系统的故障诊断有故障检测，故障判断及隔离和故障定位三个阶段。第一阶段的故障检测就是对数控系统进行测试，判断是否存在故障；第二阶段是判定故障性质，并分离出故障的部件或模块；