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1、哈尔滨职业技术学院教案 第 页课程题目数控系统的故障诊断及维护课 时6教学目的：1.了解硬件维修的基本方法和注意事项2.了解数控系统软件的组成和诊断的方法 教学重点与难点：重点：.数控系统软件、硬件的认识难点：诊断思维的建立教学方法与手段：讲授法教学内容与课时分配：2.1数控系统的特点 1课时2.2数控系统的自诊断 1课时2.3数控系统的主要故障 1课时2.4利用机床参数来诊断数控系统 1课时2.5数控机床的启、停运动故障 1课时2.6回参考点故障 1课时 教具： 多媒体作业与思考：P18习题教学后记：哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注第2章 数控系统的故障诊断及维护2.1 数
2、控系统的特点随着电子技术的飞速发展，各种类型的数控产品都得到了多次的技术补充和改进，使其系统已逐渐走向功能完善、性能稳定、高速、高精度和高效率。从数控机床或者数控原理这门课程中知道CNC装置是数控系统的核心。数控机床是由软件（存储的程序）来实现数字控制的。数控系统的特殊性主要由它的核心装置CNC装置来实现的。而CNC装置结构包括了软件与硬件结构。在数控系统的数字电路中传递的信号：无论是工作指令信号、反馈信号，还是控制指令信号，大多是数字信号，也是脉冲信号。从图2-1上CNC装置输入与输出可以看出这一特点。实际上，在具有大规模数字电路的CNC装置中，信号输入与输出接口装置上，及其信号连接与传递途
3、径中，传送的多是电脉冲信号，这种信号极易受电网或电磁场感应脉冲的干扰。图2-1CNC装置的输入与输出信号综上所述，CNC装置具有如下几个重要特点。（1）数控装置具有丰富的系统控制功能。如：刀具寿命管理、极坐标插补、圆弧插补、多边形加工、简易同步控制、C轴控制、串行和模拟主轴控制、主轴刚性攻丝、多主轴控制功能、主轴同步控制功能、PLC图形显示、PLC梯形图编辑功能（需要编程卡）等。（2）具有软件结构与硬件结构（3）工作与传递的信号为脉冲。（4）具有自诊断功能。2.2 数控系统的自诊断现代数控机床由于采用了计算机技术，软件功能较强，配合相应的硬件，具有较强的自诊断能力。自诊断功能按诊断的时间因素一
4、般分为启动诊断、在线诊断和离线诊断。1.启动诊断 指数控系统从通电开始，到进入正常运行状态阶段所进行的诊断。诊断的目的为确认数控系统各硬件模块是否可以正常工作。哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注2.在线诊断 指数控系统在正常工作情况下，通过系统内部的诊断程序和相应的硬件环境，对系统运行的正确性检查。3.离线诊断 是由经过专门训练的人员进行的诊断，目的在于查明原因，精确确定故障部位，力求把故障定位在尽可能小的范围内，如缩小到某个模块，某个印刷线路板或板上的某部分电路，甚至某个芯片或器件。2.3 数控系统的主要故障前面已经说过数控系统由软件和硬件组成，那么它的主要故障就也分为软件故
5、障和硬件故障。一、 数控系统的软件故障诊断1.软件配置以西门子系统为例说明系统软件的配置，总的来说系统软件包括三部分。（1）部分 数控系统的生产厂家研制的启动芯片、基本系统程序、加工循环、测量循环等。（存储或固化到EPROM中，制造者是系统生产厂）（2）部分 由机床厂家编制的针对具体机床所用的NC机床数据、PLC机床程序、PLC机床数据、PLC报警文本。（存储或固化到EPROM中或RAM中，制造者是机床生产厂）（3）部分 由机床用户编制的加工主程序、加工子程序、刀具补偿参数、零点偏置参数、R参数等组成。（存储在RAM中，制造者是机床用户）以上几部分软件均可通过多种存储介质（如软盘、硬盘、磁带等
6、）进行备份，以便出现故障进行核查和恢复。2.数控系统的软件故障现象及其成因见课本P25数控系统的常见软件故障现象及其成因表2-3.由表可以看出：一种故障现象可以有不同的成因（例如键盘故障，参数设置与开关都存在问题可能）；同种成因可以导致不同的故障现象；有些故障现象表明是软件故障，而究其成因时，却有可能是硬件故障或干扰、人为因素所造成。所以，查阅维修档案与现场调查对于诊断分析是十分重要的。3.数控系统的软件故障的排除4.零件加工程序带来的故障哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注零件加工程序也属于数控软件的范畴，无论对数控机床的维修人员还是编程人员来说都要能熟练掌握和运用手工编程指令
7、进行零件加工程序的编制。零件加工程序在运行中可能带来的故障主要有：程序的语法错误报警和逻辑错误报警。二、 数控系统的硬件故障诊断1. 数控系统的硬件故障现象及其成因通常为了方便起见，将电气器件故障与硬件故障混合在一起，通常称为硬件故障。其器件故障包括：低压电器故障、传感器步骤、总线装置故障、接口装置故障、直流电源故障、控制器故障、调节器故障、伺服放大器故障等。起见故障的成因，可以归为两类。一类是，器件功能丧失引起的功能故障（或称“硬性故障”）。一般采用静态检查容易查出。这类故障又可分成可恢复性的和不可恢复性的。器件本身硬性损坏，就是一种不可恢复性的故障，必须换件。而接触性、移位性、污染性、干扰
8、性（例如散热不良或电磁干扰）以及接线错误等造成的故障是可以修复的。另一类是，器件的性能故障（或称“软性故障”），即器件的性能参数变化以致部分功能丧失。一般需要动态检查，比较难查。例如传感器的松动、振动与噪声、温升、动态误差大、加工质量差等。2. 数控系统的硬件故障的检查与分析数控系统的硬件故障泛指所有的电子器件故障，接插件故障，线路板（模块）故障与线路故障等。其故障检查过程因故障类型而异，以下所述方法无先后次序之分，可穿插进行，综合分析，逐个排除。（1） 常规检查（2） I/O信号状态检查（3） 故障现象分析法 故障分析是寻找估值的特征。（4） 系统分析法（5） 面板显示与指示灯显示分析法（6
9、） 信号追踪法（7） 静态测量法（8） 动态测量法 （有电压测量法、电流测量法及信号注入和波形观察法）哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注2.4 利用机床参数来诊断数控系统一、数控机床参数概述数控系统的参数是经过一系列试验、调整而获得的重要数据。不同的系统其参数是不同的，但有一个共同性就是参数的类别和个数非常多，如西门子810系统，主要有NC机床数据参数、设定数据参数、PLC数据参数、刀补参数、零点偏置参数、R参数。其中NC机床数据参数、设定数据参数、PLC数据参数是机床制造厂家设定的；刀补参数、零点偏置参数、R参数是机床厂家和最终用户都可以设定的。二、 数控机床参数的分类以FA
10、NUC 0i-MA数控系统的参数为例来加以说明。按参数的性质来分类，可分为普通型参数和秘密级参数两类。（1） 普通型参数 这类参数就是FANUC公司在各种资料中公开提供的参数，这类参数都有较明确的说明，有些参数说明不太明确，经过实际联机操作才能有较明确的了解。（2） 秘密级参数 这类参数在FANUC公司公开发表的各类资料中均无介绍。这类参数每个参数既无名称和符号，又无任何说明，只是在随机所带的参数表中有初始的设定值，用户是搞不清其含义的，而且一旦出现变化，用户是无从下手解决的。必须要专门的维修人员才能解决。 三、数控机床参数的故障及其诊断 数控机床的参数是数控系统所用软件的外在装置，它决定了数
11、控机床的功能、控制精度等。主要包括数控系统参数、机床可编程控制参数。数控机床在使用过程中，在一些情况下会出现使数控机床参数全部丢失或个人参数改变的现象，主要原因如下。（1）数控系统后被电池失效。后背电池失效将导致全部参数丢失。因此，在机床正常工作时应注意CRT上是否显示有电压低的报警。如发现该报警，应在一周内更换符合系统生产厂要求的电池。更换电池的操作步骤严格按系统生产厂的要求操作。哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注（2）操作者的误操作。误操作在初次接触数控机床的操作者中是经常出现的问题。由于误操作，有的将全部参数清除，有的将个别参数改变。为避免出现这类情况，应对操作者加强上岗
12、前的业务培训及经常性的业务培训，制定可行的操作章程并严格执行。（3）机床在DNC状态下加工工件或进行数据通讯过程中电网瞬间停电。 由上述原因可以看出，数控机床参数改变或丢失的原因，有的是可以通过采取措施减少或杜绝，有些则是无法避免的。当参数改变或机床异常时，首先要进行的工作就是数控机床参数的检查和恢复。由于数控机床所配置的数控系统种类繁多，参数重装的操作步骤也因系统而异，就是同一厂家的产品，也因系列不同而有所差别。以目前国内使用较多的FANUC0系统为例，FANUC0系统参数主要有着参数栏目下的数控参数及在诊断栏目下的基础可编程控制器参数。当产生出现问题时，可以采用以下三种之一来恢复系统。a对
13、照随机资料逐个检查机床的参数。当发现有不一致的参数，就硬拷贝该参数来护肤机床参数。这种方式不需要外部设备。但检查并恢复一万多个参数，费时费神，效率太低，容易出错。b.利用FANUC公司提供的备用的FANUC存储卡、磁盘等进行参数输入恢复。c.利用计算机和数控机床的DNC功能通过DNC软件进行参数输入。这种方式效率高，操作简单，输入参数的出错率极低从而受到所有用户的欢迎。一般来讲，当在如下情况时可考虑先查参数。（1）多种报警同时并存：可能是电磁干扰或操作失误所致干扰性参数混乱。（2）长期闲置机床的停机故障：电池失电造成参数丢失/混乱/变化失电性参数混乱。（3）突然停电后基础的停机故障：电池失电失
14、电性参数混乱。（4）调试后使用的机床出现的报警停机，可报警却不报警故障参数失匹。（5）新工序工件材料或加工条件改变后出现故障：可能需要修整有关参哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注数参数失匹。（6）长期运行的老机床的各种超差故障（可修整参数方法来补偿器件或传动件误差）伺服电机温升、高频振动与噪声。（7）“无缘无故”出现不正常现象，可能是参数被人为修改过了人为性参数混乱。2.5数控机床的启、停运动故障数控基础在启动和停止过程中常会出现主轴启动不了，启动后出现失控现象，机床不能动作，出现“死机”等故障。1.主轴不能启动主轴启动运转的必备条件是：PLC和CNC系统正常，机床准备信号MR
15、DY1与MRDY2必须接通。2.机床启动后出现失控现象数控系统接通后进入准备状态，无任何报警产生，屏幕显示也正常，各种操作开关、按钮也起作用，但是各种功能均处于不正常状态。如可以点动快移，但快移修调开关不起作用；循环启动按钮有效，但进给率都不正常等等。机床启动后，运行速度及方向失去控制，直至出现超程报警，这种情况常称为失控现象。失控现象常出现在机床安装调试或大修后，也可能在系统运行中突然出现。实际操作中，应针对不同情况查找原因。在安装调试后或大修后出现机床失控现象的可能原因有：从位置或速度检测出来的信号不正常，其中，最大可能是机床数据设定错误，造成位置控制环路将负反馈接成正反馈，或电机和位置检
16、测器之间的连杰异常，此时可以通过观察位置偏差的诊断号（如DNG3000）的值来确认。若在运行中突然出现失控而停止运行，一般是信号反馈线因机床移动而拉断，或数控系统的主控板及进给伺服单元的故障所致，如伺服电机内检测元件的反馈信号接反，或元件本身有故障。还有可能是这样一些原因：数控系统的故障，CNC装置输至驱动单元的指令或极性有错误，相关参数设定的不匹配，或参数设置错误等。排除这类故障的方法是进行全机清零，然后重新输入正常的参数，系统就会进入正常状态。哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注3.机床不能动作，出现“死机”CRT屏幕无显示而且机床不能动作，这类故障的最大可能原因是主控制线路
17、板或存储器系统控制软件的ROM板不良。另外，从数控系统方面分析机床不能动作的原因，一般有两种情况，一是系统处于不正常状态，如系统处于报警状态，或处于紧急停止状态，或是数控系统的复位按钮处于接通的状态；二是设定错误，如将进给速度设定为零值，或将机床设定为所住状态。此时如果运行程序，虽然在CRT会有位置显示变化，但机床却不能运动。2.6回参考点故障在机床通电后，要在机床上建立一个唯一的坐标系，而大多数数控机床的位置反馈系统都使用增量式的脉冲编码器或者增量式光栅尺作为反馈元件，因而机床在通电开机之后，无法确定当前在机床坐标系中的真实位置，所以都必须首先返回参考点，从而确定机床的坐标系原点。一、回参考
18、点的方式回参考点是数控机床的重要功能之一，能否正确地返回参考点将会影响到零件的加工质量。数控机床返回参考点的方式，因数控系统类型和机床生产厂家而异，要排除回参考点的故障先要搞清楚机床回参考点的方式，然后再对照故障现象来进行分析。值得一提的是，数控机床的位置检测装置无论是采用脉冲编码器、感应同步器、磁栅或光栅，一定都是增量式的才会有开机会参考点问题。如果采用的是绝对式的，只需在机床调试时第一次开机后，通过参数设置配合机床回零点操作调整到合适的参数点即可。此后每次开机，不必再进行会参考点操作。会参考点的方式因数控系统类型和机床生产厂家而异，目前采用脉冲编码器或光栅尺作为位置检测的数控机床多采用栅格
19、法来确定机床的参考点。脉冲编码器或光栅尺均会产生零标志信号，脉冲编码器的零标志信号又称一转信号。没产生一个零标志信号相对于坐标轴移动一个距离，将该距离按一定等分数分割得到的数据即为栅格间距，其大小由参数确定。当伺服电动机（带脉冲编码器）与滚珠丝杠采用1：1直连时，一般设定栅格间距为丝杠螺距，光栅尺的栅哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注格间距为光栅尺上两个零标志之间的距离。采用这种增量式检测装置的数控机床一般有以下四种参考点方式。 1.方式一回参考点前，先用手动方式以速度V1快速将轴移到参考点附近，然后启动回参考点操作，轴便以速度V2慢速向参考点移动。碰到参考点开关后，数控系统即
20、开始寻找位置检测装置上的零标志。当到达零标志时，发出与零标志脉冲相对应的栅格信号，轴即在此信号作用下速度制动到零，然后再前移参考点偏移量而停止，所停位置即为参考点。偏移量的大小通过测量由参数设定。2.方式二回参考点时，轴先以速度V1向参考点快速移动，碰到参考点开关后，在减速信号的控制下，减速到速度V2并继续前移，脱开挡板后，再找零标志。当轴到达测量系统零标志发出 栅格信号时，轴即制动到速度为零，然后再以V2速度前移参考点偏移量而停止于参考点。3.方式三会参考点时，轴先以速度V1快速向参考点移动，碰到参考点开关后速度制动到零，然后反向以速度V2慢速移动，到达测量系统零标志产生栅格信号时，轴即制动
21、到速度为零，再前移参考点偏移量而停止于参考点。4.方式四回参考点时，轴先以速度V1向参考点快速移动，碰到参考点开关后制动到速度为零，再反向微动直至脱离参考点开关，然后又沿原方向微动撞上参考点开关，并且以速度V2慢速前移，到达测量系统零标志产生栅格信号时，轴即制动到速度为零，再移参考点偏移量而停止于参考点。二、回参考点的故障类型及排除回参考点的故障一般来说主要有三类情况。1.第一类情况第一类是饭后参考点时机床停止位置与参考点位置不一致。在这类情况中又有三种情况。（1）停止位置偏离参考点一个栅格间距 一般情况下，光栅尺的栅格间哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注距为光栅尺上两个零标志
22、之间的距离。出现停止位置偏离参考点一个栅格间距的故障，多数情况是减速挡块安装位置不正确或减速挡块太短所致。检验是否是这一原因的一个简单的方法是：先减小由参数设置的接近原点的速度，重试回参考点操作，若重试结果正常了，则可确定是此原因造成的。这时，只需通过重新调整挡块位置或减速开口位置，或适当增加挡块长度即可将此故障解决。也可通过设置栅格点偏移量改变电气原点的方法解决。这是由于当一个减速信号由硬件输出后，数字伺服软件识别这个信号需要一定时间。因此当减速挡块离原点太近时，软件有时捕捉不到原点信号，导致原点偏离。如果减小接近原点速度参数，重试结构仍旧偏离，可减小快速进给速度或快速进给时间常数的参数设置
23、，重回参考点。这是由于时间常数设置太大或减速挡块太短，在减速挡块范围内，进给速度不能达到接近原点速度。当开关被释放时，即使栅格信号出现，软件检测出进给速度未达到接近原点速度，回参考点操作也不会停止，因而发生参考点偏离。如上述办法用过后仍有偏离，则应检查参考计数器设置的值是否有效，修正参数设置。（2）随机偏差，没有规律性 造成此故障的原因有多种，较为主要的是：外界干扰，如屏蔽地连接不良，检测反馈元件的通信电缆与电源电缆考得太近；脉冲编码器的电源电压过低；脉冲编码器损坏；数控系统的主印刷电路板不良；伺服电机与工作台联轴器连接松动。伺服轴电路板或伺服放大器板不良等。在排除此类故障时，应有开阔的思路和
24、足够的耐心，逐个原因进行检查、排除，直到消除故障。（3）微小误差 产生此类故障的原因多数为电缆或连接器接触不良，或因主印刷电路板及速度控制单元工作性能不良，造成位置偏置过大。此时，需有针对性的检查。2.第二类情况这一类故障的产生原因主要是回参考点减速开关产生的信号或零标志位脉冲信号失效（包括信号未产生或在传输处理中丢失）。如采用脉冲编码器作位置检测装置，则表现为脉冲编码器的每转的基准信号（零标志位信号）没有输入哈尔滨职业技术学院教案 第 页教 学 内 容备 注到主印刷电路板，其原因常常是因为脉冲编码器短线或脉冲编码器的连接电缆、抽头断线。另外，返回参考点时，机床开始移动点距参考点太近也会产生此
25、类报警故障。排除这一类故障的方法可采用先“外”后“内”和信号跟踪法查找故障部位。所谓的“外”，是指安装在机床上的挡块和参考点开关，可以用CNC系统PLC接口的I/O状态指示直接观察信号的有无；所谓的“内”，是指脉冲编码器中的零标志位或光栅尺上的零标志位，可采用示波器检测零标志位脉冲信号。根据测得的信号，判断故障部位，最后排除。3.第三类情况这一类故障的产生原因较简单，多数为返回参考点用的减速开关失灵，触头压下后不能复位造成的。因此排除也较简单，只需检查减速开关复位弹簧是否损坏或直接更换减速开关即可。综上所述，当数控机床出现回参考点故障时，维修人员通常应重点检查的项目归纳如下。首先可对减速挡块和减速开关的状态进行检查。这包括：减速挡块有无松动现象，减速开关固定是否牢固，有无损坏；若无问题，应进一步用百分表或激光测量仪器检查机械相对位置的漂移量；减速挡块的长度是否合适；移动部件回原点的起始位置、减速开关位置与原点位置的相对关系是否适当。然后可检查回原点的模式，是否是开机的第一次回原点，是否采用绝对式的位置检测装置；继而检查伺服电机每转的运动量，指令倍乘以及检测倍乘比的设置；检查回原点快速进给速度的参数设置、接近原点速度的参数设置、快速进给时间常数的参数设置以及参数计数器的设置是否合适等。沿着这样一条思路，再结合具体的故障现象，仔细分析，将能较快地诊断及排除回参考点故障。