畢畢 業業 論論 文文 專專 業：業：機械維修及檢測技術教育機械維修及檢測技術教育 班級學號：班級學號： 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 二二八年八年 六六 月月 某型號數控系統疑難故障分析某型號數控系統疑難故障分析 trouble analysis of certain model computer numerical control system 專業班級：機檢專業班級：機檢 0301 學生姓名：學生姓名： 指導教師：指導教師： 系系 別：機械工程系別：機械工程系 20082008 年年 6 6 月月 摘摘 要要 數控機床是一種采用計算機技術新型的自動化機床，是機電一體化的產品。數 控機床加工精度高、柔性好、效率高、可以加工形狀非常復雜的工件，得到了廣泛 應用。由于數控機床技術先進構成復雜，設備容易出現問題，并且很多問題診斷、 排除的難度都比較大。因此數控系統故障分析對提高數控機床的利用率和延長設備 壽命有很大幫助。 論文針對目前應用較為廣泛的幾種數控系統的故障進行分析，在論文的前期翻 閱了大量的資料，根據任務書的要求確定了論文總體思路。 在論文中對回參考點原理、回零方式及電源單元工作原理進行說明，介紹了數 控機床故障診斷原則和診斷方法，重點介紹了回參考點故障、電源單元故障和無報 警故障等三類故障。著重分析了故障產生原因和解決方法，列舉了典型故障的分析 過程和處理方法。 關鍵詞關鍵詞：數控系統，故障分析，故障診斷，無報警故障 abstract cnc machine tool is a mechatronics kind automatic product which adopts the computer with new technology. the numerical control lathe has been used widely, because it can manufacat complicatedshap and it has higher accuracy,good flexibility and higher efficiency. as cnc mathine tool has advantage techniques and complicated composition, it go wrong easily and many trouble diagnosis and removing difficultly. so cnc system analysis is good for improving mechine tool utilization and equipment life-span. tthesis has analysed the troubles of several kinds of cnc system application widely. a large number of materials were browsed in early stage and overal design plan are confirmed according to the request of tast book. in the thesis, it detailed back to reference point priciple and method and power unit work principle, recommended the numerical control lathe principle and method of trouble diagnosis. it introducts three kinds of troubles such as back to reference troubles, power unit troubles and no alarm troubles. it analyzed emphatically the trouble reason and solution, has enumerated the typical trouble analyis process and treatment method. key wards: cnc system, trouble analyis ,trouble diagnosis, no alarm troubles 目 錄 1 緒 論1 1.1 概述.1 1.2 數控機床故障診斷原則.1 1.3 數控機床故障診斷方法.2 2 參考點報警類故障分析4 2.1 數控機床返回參考點的必要性.4 2.2 數控機床返回參考點的方式.4 2.2.1 柵格法.4 2.2.2 磁開關法.5 2.3 數控機床回參考點故障診斷與分析.5 2.4 回參考點故障實例分析.8 2.4.1 回零動作過程異常，無法找到零點.8 2.4.2 回零動作過程正常，所回零點不準確.8 3.系統電源單元故障分析10 3.1 電源單元輸入電路工作原理.10 3.1.1 輸入的主電路11 3.1.2 輸入的控制電路11 3.1.3 電壓監控和調整電路11 3.2 電源單元輸出工作原理12 3.3 電源單元故障分析13 3.3.1 電源單元無法接通的故障分析13 3.3.2 電源單元熔斷器熔斷故障的分析13 4 數控機床無報警故障分析15 4.1 無報警故障發生原因.15 4.2 無報警故障實例分析.16 5 總 結18 參考文獻19 附錄:英文資料及中文翻譯20 致 謝39 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 1 - 1 緒 論 1.1 概述 數控機床是一種高效的自動化機床自動化技術，及伺服驅動、精密測量和精密 機械等各個領域的新技術成果， 是將現代技術和高科技知識集于一體的機、電、液、 控技術設備，具有技術密集和知識密集的特點，有較高自動化水平和生產效率。數 控機床技術是一門新興的工業控制技術。 數控機床適應性強；加工精度高，質量穩定；生產效益高：能實現復雜的運動； 經濟性能好；有利于生產管理的現代化。因此，其在現代生產過程中處于越來越重 要的地位。 我國現有數控機床的數控系統品種極其繁多，既有國產的各檔數控系統，也有 來自世界各國的系統。如fanuc otc，0td系統，西門子810、820、880系統，三 菱系統，華中系統，廣州數控，等等。各型系統復雜程度參差不齊，功能各異，結 構樣式也不一樣。 數控機床的廣泛運用是制造業提高設備技術水平的有效手段，也是制造業發展 的必由之路。數控機床的數控系統是數控機床的核心所在，它的可靠運行，直接關 系到整個設備的正常運行。也就是說，當數控系統故障發生后，如何迅速診斷故障 出處并解決問題使其恢復正常，是提高數控機床設備使用率的迫切要求。在維修數 控系統過程中，故障的診斷是否遵循一定的規律和方法? 如何在諸多故障現象當中， 捕捉到故障病因的癥結所在?這對提高機床的使用率，提高系統的有效度，提高數控 機床的維修技術，是很重要的。 下面以接觸較多、使用較廣泛的系統為背景，淺談數控系統故障分析的一般方 法。 1.2 數控機床故障診斷原則 1.先外部后內部。數控機床是集機械、液壓、電氣為一體的機床，故其故障的 發生也由三者綜合反映出來。維修人員應先由外向內逐一進行排查。盡量避免隨意 地啟封、拆卸,否則會擴大故障,使機床喪失精度，降低性能。 2.先機械后電氣。一般來說，機械故障較易發覺，而數控系統故障的診斷難度 較大。在故障檢修之前，首先排除機械性的故障,往往可以達到事半功倍的效果。 3.先靜后動。先在機床斷電的靜止狀態下,通過了解、觀察測試、分析確認為非 破壞性故障后，方可給機床通電。在運行狀態下，進行動態的觀察、檢驗和測試， 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 2 - 查找故障。而對破壞性故障,必須先排除危險后，方可通電。 4.先簡單后復雜。當出現多種故障互相交織掩蓋，一時無從下手時,應先解決容 易的問題，后解決難度較大的問題。往往簡單問題解決后，難度較大的問題也可能 變得容易了。 1.3 數控機床故障診斷方法 1.直觀法。這是一種最基本、最簡單的方法。維修人員通過對故障發生的各種 光、聲、味等異常現象的認真觀察，可將故障范圍縮小到一個模塊上。這往往要求 維修人員具有豐富的實踐經驗以及綜合判斷能力。 2.參數診斷。數控系統的參數是經過一系列試驗、調整而獲得的重要數據，這 些直接影響著數控機床的性能。參數通常是存放在存儲器中。一旦電池電量不足或 由于外界的某種干擾等因素，會使個別參數丟失或變化，使系統發生混亂機床無法 正常工作。通過核對、修正參數，就能將故障排除。因此，當機床長期閑置之后啟 動系統時，無緣無故地出現不正常現象或有故障而無報警時，就應根據故障特征， 檢查和校對有關參數。 3.交換法。這是現場判斷故障簡單易行的常用方法之一。交換法是在分析出故 障大致起因的情況下，維修人員可以利用備用的印刷電路板、模板、集成電路芯片 或元器件換有疑點的部分，從而把故障范圍縮小到印刷電路板或芯片一級。 4.自診斷功能法。故障自診斷功能是數控系統一項十分重要的技術，它的強弱 是評價系統性能的一項重要指標。當數控系統一旦發生故障，借助系統的自診斷功 能，往往可以迅速、準確查明原因并確定故障部位。這個方法是當前維修中最常用、 最有 效的方法。 自診斷方法有3種。 （1）開機自診斷。每當數控系統通電開始，系統內部自診斷軟件對系統中最關 鍵的硬件和控制軟件，如數控裝置中的cpu、pam、rom等芯片，mdi、crt、io等模 塊及監控軟件、系統軟件等逐個進行檢測，并將檢測結果顯示在crt上。開機自診斷 通常需一分鐘左右的時間。一旦檢測通不過，即在crt上顯示報警信息或報警號，指 出哪個部分發生故障。 （2）在線診斷。系統處于正常運轉狀態時，運行內部診斷程序，對系統本身、 plc、位置伺服單元以及與數控裝置相連的其他外部設備進行自動測試和檢查，并及 時顯示有關故障信息。只要系統不停電，在線診斷就不會停止。 （3）離線診斷。也稱脫線診斷。當cnc系統故障或要判定系統是否真有故障時， 將數控系統與機床脫離作檢查，以便對故障作進一步定位，力求把故障定位在盡可 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 3 - 能小的范圍內。 5.對比法。是以正確的電壓、電平或波形與異常的相比較來尋找故障部位。有 時還可以將正常部分試驗性地造成“故障”或報警(如斷開連線、拔去組件)，看其 是否和相同部分產生的故障現象相似，以判斷故障原因。 6.敲擊法。如果數控系統的故障若有若無，這時可用敲擊法檢查出故障所在部 位。這種若有若無的故障多是由于虛焊或接觸不良引起的，當用絕緣物輕輕敲擊有 虛焊或接觸不良的疑點處，故障肯定會重復再現。 7.局部升溫法。數控系統經過長期運行后元器件均要老化，性能變壞。當它們 尚未完全損壞時，出現的故障會變得時隱時現。這時可用熱吹風機或電烙鐵等對被 懷疑的元器件進行局部升溫，加速其老化，以便徹底暴露故障部件。 8原理分析法。根據數控系統的組成原理，可從邏輯上分析出各點的邏輯電平和 特征參數(如電壓值或波形等)，然后用萬用表、邏輯筆、示波器或邏輯分析儀對其 進行測量、分析和比較，從而對故障進行定位。 9.隔離法。有些故障，如運動爬行、抖動等，當一時難以區分是數控部分還是 伺服部分或是機械部分故障造成時，常采用隔離法。將電機分離，數控與伺服分離， 位置閉環分離作開環處理。這樣能將復雜的問題化為簡單，較快地找到故障的原因。 1o.更新建立法。當cnc或plc裝置由于電網干擾，或其他偶然原因發生異常情況 或死機時，應清除有關內存區，重新進行冷啟動或熱啟動。并對cnc參數進行重新設 置，便可排除故障。 除上述方法外，還有電壓拉偏法、軟件檢測法等多種方法。這些檢查方法各有 特點，在處理故障時，可按不同情況靈活應用或數種方法結合使用，逐漸縮小故障 可疑范圍，找出故障所在。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 4 - 2 2 參考點報警類故障分析參考點報警類故障分析 2.1 數控機床返回參考點的必要性 數控機床位置檢測裝置如果采用絕對編碼器時,由于系統斷電后位置檢測裝置靠 電池來維持坐標值的記憶，所以機床開機時,不需要進行返回參考點的操作。目前， 大多數數控機床采用增量編碼器作為位置檢測裝置，系統斷電后，工件坐標系的坐 標值盡管靠電池維持坐標值的記憶，但只是記憶機床斷電前的坐標值而不是機床的 實際位置，所以機床首次開機后要進行返回參考點操作。 返回參考點的好處如下。 1.系統通過參考點來確定機床的原點位置，以正確建立機床坐標系。 2.可以消除絲杠間隙的累計誤差及絲杠螺距誤差補償對加工的影響。 2.2 數控機床返回參考點的方式 數控機床返回參考點的方式常用的有以下兩種,既柵格法和磁開關法. 2.2.1 柵格法 這是數控機床回零的主要方式，使用脈沖編碼器或光柵尺回零。根據檢測元件 計量方式的不同分為絕對柵格法回零和增量柵格法回零。 1.絕對柵格法。機床只在首次開機調試時進行回零操作調整，同時系統后備存 儲器記錄零點位置信息，此后開機不必再回零操作。 2.增量柵格法。機床開機均必須進行回零操作，動作過程一般有4種形式： 手動方式下坐標軸高速(v1)靠近零點，接近零點便啟動回零操作，系統控制坐標軸 以低速(v2)繼續向零點移動，觸發零點開關后，系統開始查詢檢測元件發出的零標 志脈沖，系統收到零標志脈沖后發出柵格脈沖控制信號控制回零軸制動，同時位移 計數器清零，此時回零軸所處位置就是數控機床的坐標系零點，回零結束；坐標 軸先高速(v1)靠近零點，觸發零點開關后，系統控制坐標軸以低速(v2)繼續向零點 移動，越過零點開關后，系統開始查詢零標志脈沖，后續動作同 ； 坐標軸先 高速(v1)靠近零點，觸發零點開關后，系統控制坐標軸制動，然后以速度(v2)反向 移動，系統開始查詢零標志脈沖，后續動作同 ；坐標軸先高速(v1)靠近零點， 觸發零點開關后，坐標軸制動停止，然后以微速(v3)反向移過零點開關，又以速度 (v2)向零點移動，當零點開關再次被觸發后，系統開始查詢零標志脈沖，后續動作 同 。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 5 - 2.2.2 磁開關法 磁開關法回參考點的原理是在機械本體上安裝磁鐵及磁感應原點開關或者接近 開關，當磁感應開關或者接近開關檢測到原點信號后，伺服電動機立即停止運行， 該停止點被定義為原點。 磁開關法回原點的特點是軟件幾硬件簡單，但原點位置隨著伺服電動機速度的 變化而成比例地漂移，即原點不穩定，因此，目前大多數機床采用柵點法回原點。 2.3 數控機床回參考點故障診斷與分析 當數控機床回參考點出現故障時，首先應由簡單到復雜，進行全面檢查。先檢 查原點減速擋塊是否松動、減速開關固定是否牢固、開關是否損壞，若無問題，應 進一 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 6 - 圖 1 數控機床回參考點故障診斷流程 步用千分表或激光測量儀檢查機械相對位置的漂移量、檢查減速開關位置與原點之 間的位置關系，然后檢查伺服電機每轉的運動量、指令倍率比(cmr)及檢測倍乘比 (dmr)，再檢查回原點快速進給速度的參數設置及接近原點的減速速度的參數設置。 數控機床回參考點不穩定，不但會直接影響零件加工精度，對于加工中心機床，還 會影響到自動換刀。數控機床回參考點出現的故障大多出現在機床側，以硬件故障 居多，但隨著機床元器件的老化，軟故障也時而發生，下面介紹幾種數控機床回參 考點故障及其對策。圖 1 所示，為數控機床會參考點故障診斷流程框圖。 1.機床能夠執行返回參考點操作，回參考點綠燈亮。但返回參考點時出現停止 位置漂移，且沒有報警產生 該故障一般有兩種情況： (1)機床開機后首次手動回參考點時，偏離參考點一個或幾個柵格距離，以后每 次進行回參考點操作所偏離的距離是一定的。一般造成這種故障的原因是減速塊位 置不正確；減速塊的長度太短或參考點用的接近開關的位置不當。該故障一般在機 床首次安裝調試后或大修后發生，可通過調整減速塊的位置或接近開關的位置來解 決，或者通過調整回參考點快速進給速度、快速進給的時間常數來解決。 (2)偏離參考點任意位置，即偏離一個隨機值或出現微小偏移，且每次進行回參 考點操作所偏離的距離不等。這種故障可考慮下列因素并實施相應對策：外界干擾， 如電纜屏蔽層接地不良，脈沖編碼器的信號線與強電電纜靠得太近；脈沖編碼器或 光柵尺的電源電壓太低(低于4.75v)或有故障；速度控制單元控制板不良；進給軸與 伺服電機之間的聯軸器松動；電纜連接器接觸不良或電纜損壞。可想而知，數控機 床發生這類故障對用戶來說是最可怕的，因為對于進行批量加工生產的數控機床， 若機床每天所進行的回參考點操作所定位的位置不穩定，機床加工時的工件坐標系 會隨每次進行回參考點操作參考點的漂移而產生漂移，機床所加工的批量零部件尺 寸精度會出現不一致現象，而且極易造成批量廢品。 2.機床在返回參考點時發出超程報警(over troverl+或+y或+z)，回參考點綠 燈不亮，數控系統出現“notready”狀態，機床回參考點失敗 該故障由于存在報警，機床不會執行任何程序，不會出現上述加工件批量廢品 現象。這種故障一般有四種情況： (1)機床回參考點時無減速動作，一直運動到觸及限位開關超程而停機。這種情 況是因為返回參考點減速開關失效，開關接觸壓下后不能復位，或減速擋塊松動而 位移，機床回參考點時零點脈沖不起作用，致使減速信號沒有輸入到數控系統。解 除機床的坐標超程應使用“超程解除”功能按鈕，并將機床移回行程范圍以內，然 后應檢查回參考點減速開關是否松動及相應的行程開關減速信號線是否有短路或斷 路現象。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 7 - (2)返回參考點過程中有減速，但以低速移動到觸及限位開關而停機，返回參考 點失敗。可能原因有：減速后，返回參考點標記指定的基準脈沖不出現。其中一種 可能是編碼器或光柵在返回基準點操作中沒有發出返回基準點脈沖信號，或返回基 準點標記失效，或檢測系統硬件故障，對返回基準點脈沖信號無識別和處理能力； 另一種可能是減速開關與返回參考點標記位置錯位，減速開關復位后，未出現基準 點標記，如表1所示。這種情況應拆開編碼器或光柵進行檢查(最好請傳感器專業人 員檢查，嚴禁隨便拆卸)，可能是編碼器或光柵內出現油污，導致零標志信號脈沖丟 失所致。 表1 返回參考點示意圖 方法圖示措施 (3)返回參考點過程中有減速，且有返回參考點標記指定的回基準脈沖出現后的 制動到零速時的過程，但未到參考點就觸及限位開關而停機，返回參考點失敗。該 故障是由于返回參考點的返回基準點脈沖被超越后，坐標軸未移動夠指定距離就觸 及限位開關。這種情況應仔細檢查減速開關與零位信號開關的位置關系，或者檢查 編碼器與光柵的基準點脈沖出現的時序。 (4)機床在返回基準點時，發出“未返回參考點”報警，機床不執行返回參考點 動作，其原因可能是因改變了設定參數所致。出現這種情，況應考慮檢查數控機床 機械位移標 尺柵指示標 尺柵 更改基準點 坐標值法 更改柵格位 移值法 保持 md18 和 md21 不變, 既歸基準中指示柵機械上 移動距離與原來相同,既出 現歸基準點標記。 不變動光柵位置，不更改 零件程序尺寸及基準點柵 格值，適當后移限位開關。 更改柵格位移值，在原柵 格位移中減去一個偏一值， 在歸基一次，使基準點位 置與原來位置相同。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 8 - 的如下參數：指令倍率比(cmr)是否設為零；檢測倍乘比(dmr)是否設為零； 回參考點快速進給速度是否設為零；接近原點的減速速度是否設為零等；機床 操作面板快速倍率開關及進給倍率開關是否設置了0檔。 2.4 回參考點故障實例分析 2.4.1 回零動作過程異常，無法找到零點 例1 一臺fanuc-0m立式加工中心，y軸有回零動作，但找不到零點，系統報警顯 示回零錯誤。 分析處理：機床y軸能進行回零操作，說明控制、伺服系統基本無問題，檢查和 回零操作有關的元器件，安裝位置、狀態均正常，觀察io接口狀態，發現零點脈 沖輸入口無信號，最終確認測量元件 脈沖編碼器損壞，無法發出零點脈沖信號， 更換后，故障消失。 這類回零故障產生的原因有：零點開關損壞(未給出系統減速信號)，致使回 零軸高速通過零點；檢測元件損壞(未給出零標志脈沖信號)，致使系統零點查詢 失敗；接口電路損壞(系統接收不到零點開關、零點脈沖信號)。可重點檢查零點 開關、檢測元件以及接口電路的工作狀態。 2.4.2 回零動作過程正常，所回零點不準確 例2 一臺使用西門子sinumerik 840c系統的數控車削單元，z軸方向加工尺寸不 穩定，系統無報警顯示。 分析處理：檢查機床回零動作、機械傳動系統的傳動間隙、系統的控制脈沖及 伺服系統的穩定性均正常。再檢查其回零機械控制結構，發現零點開關軸部壓塊緊 固螺釘松動，壓塊移動，導致回零無規律漂移，z軸位移尺寸超差，工件報廢。調整 緊固 壓塊后，故障消失。 例3 某配套funuc 0md系統的立式加工中心，回參考點過程中出現alm520和y軸 過行程報警。 分析處理:經檢查,機床回參考點減速開關以及cnc的信號輸入均正常，因此初步 分析原因是由于參數設定不當引起的鼓掌。 仔細觀察y軸回參考點動作過程，發現回參考點減速開關未壓到，cnc就出現了 alm520報警，alm520報警的意義是:機床到達軟件限位位置，既機床移動距離值超過 了系統參數設定的軟件行程極限值。此類故障可以通過重新設定參數進行解決，處 理方法如下: (1)將機床運行到正常位置，進行手動回參考點，并利用手動方式壓上回參考點 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 9 - 尖速開關，進行回參考點，驗證回參考點動作的正確性。 (2)在回參考點動作確認正確后，通過mdi/crt面板,修改軟件限位參數(為了方 便可以直接將其改為最大值99999999)。 (3)再次執行正常的手動回參考點操作，機床到達參考點定位停止。 (4)恢復軟件限位參數(由99999999改回原參數值)。 (5)再次執行正常的手動回參考點操作，機床動作正常，報警消除。 這類回零故障產生的原因有：零點開關位置不當，使真正零點脈沖出現在回 零減速過程中，系統查詢速度坐標軸運動速度，丟失當前零點脈沖信號，當下一個 零點脈沖出現才減速停下，所停位置超過零點；機械結構運動間隙產生漂移現象， 所 停位置小距離偏離零點；參數設置不當(諸如位移計數器、回零操作速度、柵 格屏蔽量及零點偏移量等)，所停位置偏離零點。可重點檢查零點開關、回零軸壓塊 位置、機械結構間隙狀態和回零參數。 處理機床回零故障應先搞清其回零方式，根據故障現象本著由簡到難，由外到 內，由機械部分到電氣部分的原則進行。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 10 - 3.系統電源單元故障分析 在維修過程中，如能完整地掌握系統電源單元的電路工作原理與性能，對數控 機床的維修，特別是解決系統、伺服驅動故障有很大的幫助。下面以 fanuc-oc/od 系統為例,分析電源單元的工作原理、故障產生的原因及診斷方法。 fanucoc/od 系統中，比較多地采用輸入單元與電源集成一體的電源控制模塊 ai,其輸入單元的控制線路與電源電路均安裝在同一模塊中。主要由電源單元的輸入 電路和輸出電路組成。 3.1 電源單元輸入電路工作原理 電源單元 ai 輸入電路包括輸入的主電路、輸入的控制電路及電壓監控和調整電 路等,如圖 2 所示。 圖 2 電源單元(ai)輸入電路 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 11 - 3.1.1 輸入的主電路 熔斷器 f11、f12 實現電源單元的輸入側短路保護，壓敏電阻 vs11 用來防止輸 入的浪涌電壓，繼電器觸點 ry3、ry4 控制交流 200v 輸入，電阻 rf11（水泥電阻） 用來限制電源起動時電容的充電電流，電源單元起動后，通過雙向晶閘管 ta11 短接 掉電阻 rf11。ds11 為輸入的整流塊，c12、c13 為濾波電容，q14、q15 為開關調整 管（場效應管） ，二極管 d33、d34 用來保護兩個場效應管 q14、q15。 外部電源（ac200v/50hz）由輸入端子 cp1 輸入，經過電源單元內部的整流和濾 波電路后輸入直流電壓（約 300v） ，再經過開關調整管變成脈寬可調整的方波 （+v/-v）輸入到開關變壓器 t14d 的輸入側。 當電源單元起動后（即繼電器觸點 ry3、ry4 閉合后） ，電源單元輸出端子 cp2 輸出 ac200v。 3.1.2 輸入的控制電路 控制電路的電源電壓是有電源單元內部輔助開關電源 mi 經半波整流電路(二極 管 vd1)、濾波電路（電容 c2） 、穩壓電路（調整管 v2、穩壓管 zd1）輸出的直流電 壓 dc24v。當電源單元輔助控制電路正常時，電源單元指示燈（綠色發光二極管 pil）亮。 如果電源單元的控制端子 cp3 的 off-com 端子接電源的停止按鈕（常閉點） ， on-com 端子接電源的其動按鈕（常開點） ，當按下電源的起動按鈕（機床面板為 nc 準備開關）后，繼電器 ry2、ry3 和 ry4 的控制電路，電源的主電路停止工作。 當電源內部檢測出故障時，通過電壓監控電路是故障輸出繼電器 ry12 獲電動 作，ry12 的常開點閉合，單向晶閘管觸發 cr1 導通，繼電器 ry1 獲電動作，ry1 的 常開點斷開，切斷繼電器 ry2、ry3、ry4 的控制電路，電源的主電路停止工作，同 時電源單元的故障指示燈（紅色發光二極管 alm）亮。 電源單元的控制端子 fa-fb 為電源內部報警輸出信號端子，一般用于控制電源 單元的輸入接觸器線圈（ai 電源單元可以 ） 。控制端子 al-com 為電源單元的外部 故障輸入信號端子，當 al-com 接通后，電源單元內部繼電器 ry5 獲電動作，ry5 的 常開點閉合，通過內部控制電路是繼電器 ry12 動作，切斷繼電器 ry2、ry3、ry4 控 制電路，電源主電路停止工作。 3.1.3 電壓監控和調整電路 電壓監控和調整電路的控制電源電壓是由電源單元內部輔助開關電源輸出的 24v 直流電壓經熔斷器 f1、穩壓電路（v3、zd2） 、濾波電容（c4）輸出的直流電壓 15v。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 12 - 電壓監控電路用來監控電源單元輸出電壓+24 v、+5v、+15v 和-15v，當電源 單元輸出電壓波動時，通過電壓監控電路控制調整電路，從而控制調整管 q14、q15 的脈寬調制信號（pwm）來穩定電源單元的輸出電壓。如果電源單元的輸出側出現短 路故障時，電壓監控電路發出故障控制信號是繼電器 ry12 動作，切斷繼電器 ry2、ry3、ry4 控制電路，電源停止工作并發出報警信息。 3.2 電源單元輸出工作原理 電源單元的輸出電路包括+24v、+24e、+15v、-15v 和+5v 直流電壓輸出電路， +24v 是提供系統顯示裝置（單色顯示器 crt）的直流電源，+24e 是提供系統 pmc 輸 入信號控制的電源及系統內部的控制電源。+15v、-15v 是提供系統伺服控制的電源。 +5v 是提供系統 cpu 和檢測裝置（如電動機編碼器）的控制電源。輸出電路如圖 3 所示。圖 2 中，ds12、ds13 和 ds14 為電力二極管，完成高頻整流輸出。單向晶閘 管 cr13、cr14、cr12 和 cr11 實現電源單元輸出的高電壓、短路電流的保護控制。 熔斷器 f13 實現+24v 輸出側短路保護（如 crt 電路短路） ，f14 實現+24v 輸出側短 路保護（如機床側控制電路短路） 圖 3 電源單元（ai）的輸出電路 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 13 - 3.3 電源單元故障分析 3.3.1 電源單元無法接通的故障分析 圖 3 為 ssck-20 數控車床的電源單元連接圖。當按下 nc 準備按鈕 sb2 時，crt 無任何顯示且 crt 的燈絲不亮。測量 crt 的 cp15 無 24v 輸出，則說明電源單元沒工 作，既系統電源無法接通。 當電源狀態指示燈 led（綠色 pil）不亮時，則故障原因可能是外部 ac 輸入電 路（cp1 輸入）端故障、熔斷器 f11、f12 故障或輔助電路熔斷器 f1 故障。 當電源單元狀態指示燈 led 亮時（此時 alm 故障狀態指示燈不亮） ，故障原因 可能是 cp3 外部連接開關 sb2、sb3、sq20 及接線故障，也可能是內部電路 ry2、ry3、ry4 繼電器控制電路故障。 3.3.2 電源單元熔斷器熔斷故障的分析 當電源單元指示燈和故障狀態指示燈都亮時，如果機床斷電再送電故障解除， 則為電源單元受到外界的干擾所致。如果不能解除故障，則可能是電源單元輸出電 壓+5v、15v、+24v 直流電壓異常或內部電路故障。 1.熔斷器 f11、f12 熔斷故障分析。熔斷器 f11、f12 用來實現電源單元輸入側 電路短路保護。當 f11、f12 熔斷時，crt 不亮，電源單元狀態指示燈 pil 和故障狀 圖 4 ssck-20 數控車床電源單元的連接 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 14 - 態指示燈 alm 不亮。產生故障原因可能是： (1)浪涌吸收器 vs11 故障。 (2)整流塊 ds11 擊穿短路或電容 c12、c13 嚴重漏電。 (3)開關管 q14、q15 擊穿短路或保護二極管 d33、d34 開路。 (4)輔助電路短路（如開關管 q1 擊穿短路） 。 f11、f12 的規格為 a60-0001-0194（7.5） 。 2.熔斷器 f13 熔斷故障分析。熔斷器 f13 用來實現電源單元+24v 的輸出冊短路 保護。當 f13 熔斷時，crt 不亮（crt 燈絲也不亮） ，電源單元狀態指示燈 pil 和鼓 掌狀態指示燈 alm 都亮。產生故障原因可能是： (1)crt 單元中可能發生短路或與之相連的+24v 電源電纜發生短路。從電源單元 上拔下 cp15 的插頭，系統重新上電，如果電源單元的報警燈（紅色指示燈 alm）不 亮，且 cp15 端子有+24v 輸出，則故障在系統顯示裝置 crt 側。 (2)電源單元內部電路發生短路。從電源單元上拔下 cp15 的插頭，系統重新上 電，如果電源單元的報警燈（紅色指示燈 alm）還亮，說明故障在電源單元的內部， 如二極管 ds17 擊穿短路或電容 c74、c75 嚴重漏電等。 f13 的規格為 a60l-0001-0075（3.2a） 。 3.熔斷器 f14 熔斷故障分析。熔斷器 f14 用來實現系統內部（各印制電路板單 元） 、電源單元內部+24e 電路及機床側信號控制輸入電路短路保護。當 f14 熔斷時， crt 上將顯示系統“950”報警號，電源單元狀態指示燈 pil 亮（故障狀態指示燈 alm 不亮） ，系統主板故障指示燈 l2 亮。產生原因可能是： (1)系統內部+24e 電路短路（包括電源單元內部電路） 。 (2)機床側+24e 接線對地故障。 可以通過拔開系統 i/o 板的所有電纜接頭后，測量系統+24e 對地電阻，當測量 的電阻為 0 時，則故障在系統內部+24e 短路（需要更換相應的印制電路板） 。如果 測量的電阻為 100 左右時，則故障在機床側接線短路（詳細檢查機床側所有的 +24e 接線） 。 f14 的規格為 a60-0001-0046（5a） 。 4.熔斷器 f1 熔斷故障分析。熔斷器 f1 實現電源單元內部控制模塊及輔助調整 電源電路短路保護。當 f1 熔斷時，crt 不亮，電源單元狀態指示燈 pil 和故障狀態 指示燈 alm 均不亮。產生原因可能是： (1)電源單元調整電源電路短路，如 q3 擊穿、zd2 擊穿、c4 漏電或浪涌吸收器 故障。 (2)電源單元內部控制模塊短路。 f1 的規格為 a600-0001-172（0.3） 。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 15 - 4 數控機床無報警故障分析 4.1 無報警故障發生原因 數控機床的控制系統中都有故障自診斷功能，一般在發生故障時都有報警信息 出現，按說明書中的故障處理方法檢查，大多數故障都能找到解決方法。但也有些 故障既無報警，現象也不是很明顯，而且缺乏有關維修所需的資料。出現故障后如 果稍不注意，會造成工件批量報廢。由于故障發生時無任何硬件或軟件的報警顯示， 分析診斷難度較大。例如：機床通電后，在手動或自動方式運行x軸時出現爬行現象， 無任何報警顯示；機床在自動方式運行時突然停止，而crt顯示器上無任何報警顯示； 在運行機床某軸時發生異常聲響，一般也無故障報警顯示等。 對于無報警顯示故障，需根據故障發生的前后變化狀態進行分析判斷。例如:x 軸在運行時出現爬行現象，可首先判斷是數控部分故障還是伺服部分故障。具體做 法是：在手搖脈沖進給方式中。可均勻地旋轉手搖脈沖發生器。同時分別觀察比較 crt顯示器上x、y與z三軸進給數字的變化速率。通常，如數控部分正常，三個軸的 變化速率應基本相同。從而可確定爬行故障是軸的伺服部分還是機械傳動所造成。 誤差故障的現象較多，在各種設備上出現時的表現不一。造成數控機床中誤差 故障但又無報警的情況，主要有幾種情況： 1.機床的數控系統較簡單，在系統中對誤差沒有設置檢測，因此在機床出現故 障時不能有報警顯示。 2.機床中出現的誤差情況不在設計時預測的范圍內，因此當出現誤差時檢測不 到，由于大多數的數控機床使用的是半閉環系統，因此不能檢測到機床的實際位置。 3.絲杠與電動機的聯軸器結構對故障發生的頻率和可能性不同，出現故障后現 象也不同，有些尺寸只會向負方向增加，但有些正負方向變化的可能性都會發生， 根據修理中的各種情況，我們得出這樣的結論：聯軸器中間采用彈性聯接的基本上 是負向增加的多，而中間使用鍵聯接的兩種故障均會發生。 4.機床的電氣系統中回零方式設置不當，回零點不能保證一致，該種故障出現 的誤差一般較小。除了一般的因減速開關不良造成故障外，回零時的減速距離太短 也會使零點偏離。在有些系統中的監控頁面中有“刪格量”一項，記錄并經常核對 可及時發現問題。 5.伺服單元或主板問題以及其他問題也會引起機床誤差或尺寸不準。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 16 - 4.2 無報警故障實例分析 查清這類故障的原因首先必須從各種表面現象中找出故障的真實情況，再從確 認的故障現象中找出發生的原因。全面地分析一個故障現象是決定判斷是否正確的 重要因素。在查找故障原因前，首先必須了解以下情況。 1.故障是在正常工作中出現還是剛開機就出現的； 2.出現的次數，是第一次還是已多次發生； 3.確認機床的加工程序不會有錯； 4.其他人員有否對該機床進行了修理或調整； 5.請修時的故障現象與現場的情況是否有差別。 例1 中捷thy5640立式加工中心，在工作中發現主軸轉速在500 rmin以下時主 軸及變速箱等處有異常聲音。觀察電動機的功率表發現電動機的輸出功率不穩定， 指針擺動很大。但使用1 201 rmin以上時異常聲音又消失。開機后，在無旋轉指 令情況下，電動機的功率表會自行擺動，同時電動機漂移自行轉動，正常運轉后制 動時間過長，機床無報警。 故障檢查與分析 根據查看到的現象，引起該故障的原因可能有主軸控制器失控， 機械變速器或電動機上的原因也不能排除。由于拆卸機械部分檢查的工作量較大， 因此先對電氣部分的主軸控制器進行檢查。控制器為西門子6sc-6502。首先檢查控 制器中預設的參數，再檢查控制板，都無異常，經查看電路板較臟，按要求對電路 板進行清洗，但裝上后開機故障照舊。因此控制器內的故障原因暫時可排除。為確 定故障在電動機還是在機械傳動部分，必須將電動機和機械脫離。脫離后開機試車 發現給電動機轉速指令接近450rmin時開始出現不間斷的異常聲音，但給1201 rmin指令時異常聲音又消失。為此我們對主軸部分進行了分析，原來低速時給定 的450 rmin指令和高速時的4500 rmin指令對電動機是一樣的都在最高轉速，只 是低速時通過齒輪進行了減速，所以故障在電動機部分基本上可以確定。經分析， 異常聲音可能是軸承不良引起。將電動機拆卸進行檢查，發現軸承確已壞，在高速 時軸承被卡造成負載增大使功率表擺動不定，出現偏轉。而在停止后電動機漂移和 制動過慢，經檢查是編碼器的光盤劃破。 故障處理 更換軸承和編碼器后所有故障全部排除。 該故障主要是主軸旋轉時有異常聲音，因此在排除時應查清聲源，再進行檢查。 有異常聲音常見為機械上相擦、卡阻和軸承損壞。 例2 某配套ge2000系統的數控車床，在開機時由于車間突然斷電，引起停機， 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 17 - 重新開機后，系統無法起動，也無報警。 故障檢查與分析 對于這類突然斷電引起的故障很有可能是電源問題，所以我們 首先要去檢查、測量電源模塊，經檢查發現該機床ge2000系統的電源模塊上的+5 v 電壓空轉時為5v(正常)，但在開機后僅為2.3v，表明電源模塊不良。 通過現場測繪系統電源模塊的電氣原理圖，并根據原理圖用示波器逐級測量、 分析開關電源的信號波形，最終確認故障原因是由于開關電源的驅動管不良引起的。 故障處理 更換同規格大功率管后，故障排除，機床恢復正常。 例3 南京jn系列數控系統x軸發生定位不準的無報警故障。 故障檢查與分析 該故障發生后，重點檢查x軸的復位定位精度。驅動x軸正、負 方向進行重復定位，每次的誤差均在10 m以上，且連續重復幾次后，誤差便積累到 了1 mm左右。由此我們可以判斷是x軸驅動單元故障或是數控系統主板故障。為判斷 是x軸驅動單元故障，還是數控系統主板故障，可采用替換法，將x軸驅動板與z軸驅 動板互換。結果，故障便轉移到了 軸，而 軸定位恢復正常。說明故障源在x軸驅動 板上，而不在數控系統主板上。 故障處理 更換一塊新的驅動板后，故障排除。 數控機床中的無報警故障大都是一些較難處理的故障。在這些故障中，以機械 原因引起的較多，其次是一些綜合因素引起的故障，對這些故障的修理一般具有一 定的難度，特別是對故障的現象判斷尤其重要。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 18 - 5 總 結 本論文針對幾種典型的數控系統的故障進行分析，通過這次論文工作使我不僅 從知識方面充實了自己，而且在精神方面也受益非淺。 論文介紹了數控系統故障分析的必要性以及故障診斷的原則與方法，結合實例 說明了各種方法的實用性。例如直觀法、參數診斷法、交換法和隔離法在故障診斷 中可以快捷有效地查處故障的原因，都有較強的實用性。 在進行故障分析過程中，首先介紹了回參考點的原理與方式和電源單元的工作 原理，了解其工作原理對分析這類故障的發生原因有很大的幫助，回參考點故障和 電源單元故障都必須根據其工作原理進行故障分析。然后對無報警故障做了單一分 析，這類故障因為不產生報警，所以不容易發覺，經常導致加工工件報廢，對產生 此類故障的情況作了概括總結。 在本次畢業設計的過程中我遇到了很多困難,比如在論文開始階段,不知從哪方 面入手,最后通過自己獨立學習、細心研究,終于找到突破口克服了困難;在設計進行 中遇到了很多新的困難,如:遇到不懂的知識點,通過自學相關知識來進行后續工作等。 總而言之,通過這一階段的研究學習,培養了我不怕苦,不馬虎的學習精神,也在一定 程度上加強了我獨立自學的能力。 在四個月左右的畢業論文期間學到了從事研究工作的基本工作思路和方法,尤其 是謹慎,同時在鞏固專業知識的基礎上拓寬了知識面。由于本人水平有限,而且數控 系統故障分析是一項較為復雜的研究課題，所以在故障分析的過程中難免存在一些 不合理之處, 存在著一些可能需要改進的地方，今后我會更加努力的學習和工作,不 斷在實踐中探索，使自己取得更大進步。 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 19 - 參考文獻 1 王愛鈴. 數控機床診斷與維修.機械工業出版社，2006 2 鄭小年.楊克沖. 數控機床故障診斷與維修.華中科技大學出版社,2005 3 婁斌超. 數控機床故障診斷與維修.中國林業出版社,2006 4 劉永久. 數控機床故障診斷與維修技術.機械工業出版社,2006 5 易 紅. 數控技術.機械工業出版社,2005 6 余仲裕. 數控機床維修.機械工業出版社,2004 7 黃誠駒. 數控設備故障診斷與維修實用教程.電子工業出版社,2005 8 吳國經. 數控機床故障診斷與維修.電子工業出版社,2004 9 徐 衡. 數控機床維修.遼寧科學技術出版社,2005 10 黃 衛. 數控機床與故障診斷技術.機械工業出版社,2004 11 李善術. 數控機床及其應用. 北京：機械工業出版社，2001 12 楊克沖，陳吉紅，鄭小年.數控機床電氣控制. 武漢：華中科技大學出版社， 2005 13 張柱銀. 數控原理與數控機床. 北京：化學工業出版社，2003 14 李宏勝. 機床數控技術及應用. 北京：高等教育出版社，2001 15 王功勝. 數控機床故障排除15例（上）.機床電器,2007.4 16 李巧潔 譚國斌. fanuc數控系統典型故障分析.設備管理與維修,2007.5 17 王功勝. 數控機床故障排除15例（下）.機床電器,2007.5 18 王平. 數控機床回零及故障診斷. 設備管理與維修,2007.4 19 蔣洪平. 數控機床故障診斷與維修.設備管理與維修,2007.4 20 文林 胡立平. 數控系統故障分析及排除實例. 設備管理與維修,2007.2 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 20 - 附錄:英文資料及中文翻譯 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 21 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 22 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 23 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 24 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 25 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 26 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 27 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 28 - 天津工程師范學院 2008 屆本科生畢業設計 - 29 - 計算機集成制造系統設計的應用標準計算機集成制造系統設計的應用標準 nourredine boubekri, mehmet dedeoglu and hesham eldeeb 使用設備不需高水平的通訊標準來實現集成制造單元是可行的。使用設備不需高水平的通訊標準來實現集成制造單元是可行的。 導言導言 制造