數控機床故障診斷與維修

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數控機床故障診斷與維修簡介
系統可靠性是指數控系統在規定的條件和規定的時間內完成規定功能的能力,故障是指系統在規定的條件和規定的時間內失去了規定的功能。   數控機床是複雜的大系統……
數控機床故障診斷與維修正文

系統可靠性是指數控系統在規定的條件和規定的時間內完成規定功能的能力,故障是指系統在規定的條件和規定的時間內失去了規定的功能。


數控機床是複雜的大系統,它涉及光、機、電、液等很多技術,發生故障是難免的。機械鏽蝕、機械磨損、機械失效,電子元器件老化、插件接觸不良、電流電壓波動、溫度變化、干擾、雜訊,軟體丟失或本身有隱患、灰塵,操作失誤等都可導致數控機床出故障。

數控機床故障診斷

一.故障診斷內容

1)動作診斷:監視機床各動作部分,判定動作不良的部位。診斷部位是ATC、APC和機床主軸。

2)狀態診斷:當機床電機帶動負載時,觀察運行狀態。

3)點檢診斷:定期點檢液壓元件、氣動元件和強電櫃。

4)操作診斷:監視操作錯誤和程序錯誤。

5)數控系統故障自診斷:

二.CNC系統診斷技術

當前使用的各種CNC系統的診斷方法歸納起來大致可分為三大類。

(1)啟動診斷(Star up Diagnostics)


把CNC系統每次從通電開始到進入正常的運行準備狀態為止,系統內部診斷程序自動執行的診斷。診斷的內容為系統中最關鍵的硬體和系統控制軟體,如CPU、存儲器、I/O單元等模塊以及CRT/MDI單元、紙帶閱讀機、軟盤單元等裝置或外部設備。

(2)在線診斷(On— Line Diagnostics)


指通過CNC系統的內裝程序,在系統處於正常運行狀態時,對CNC系統本身以及與CNC裝置相連的各個伺服單元,伺服電機,主軸伺服單元和主軸電機以及外部設備等進行自動診斷、檢查。一般來說,包括自診斷功能的狀態顯示和故障信息顯示兩部分。

.介面顯示:為了區分出故障發生在數控內部,還是發生在PLC或機床側,有必要了解CNC和PLC或CNC和機床之間的接狀態以及CNC內部狀態。

.內部狀態顯示:
(a)由於外因造成不執行指令的狀態顯示。
(b)複位狀態顯示。
(c)TH報警狀態顯示,即紙帶水平和垂直校驗,顯示出報警時的紙帶錯誤孔的位置。
(d)磁泡存儲器異常狀態顯示。
(e)位置偏差量的顯示。
(f)旋轉變壓器或感應同步器的頻率檢測結果顯示。
(g)伺服控制信息顯示。
(h)存儲器內容顯示等。

故障信息顯示的內容一般有上百條,最多可達600條。這許多信息大都以報警號和適當註釋的形式出現。一般可分成下述幾大類:
(a)過熱報警類;
(b)系統報警類;
(c)存儲器報警類;
(d)編程/設定類,這類故障均為操作、編程錯誤引起的軟故障;
(e)伺服類:即與伺服單元和伺服電機有關的故障報警;
(f)行程開關報警類;
(g)印刷線路板間的連接故障類。

(3)離線診斷(Off—Line Diagnostics)


離線診斷的主要目的是故障導通知故障定位,力求把故障定位在儘可能小的範圍內。現代CNC系統的離線診斷用軟體,一般多已與CNC系統控制軟體一起存在CNC系統中,這樣維修診斷時更為方便。

(a)通訊診斷:用戶只需反CNC系統中專用「通信介面」連接到普通電話線上,而在西門子公司維修中心的專用通信診斷計算機的「數據電話」也連接到電話線路上,然後由計算機向CNC系統發送診斷程序,並將測試數據輸回到計算機進行分析關得出結論。
(b)自修復系統:備用模塊則系統能自動使故障模塊離線而接通備用模塊,從而使系統較快地進入正常工作狀態。
(c)具有AI(人工智慧)功能的專家故障診斷系統:

①在處理實際問題時,通過具有某個領域的專門知識的專家分析和解釋數據並作出決定。

②專家系統利用專家推理方法的計算機模型來解決問題,並且得到的結論和專家相同。

三.伺服系統的診斷方法


採用發光二級管來批示故障可能產生的原因,例如過熱報警,過流報警,過壓報警,欠壓報警,I2t值監控(用於電源電路)等。

數控機床維修

一.概述


數控機床的維修概念,不能單純局限於數控系統發生故障時,如何排除故障和及時修復,使數控系統儘早投入使用,還應包括正確使用和日常保養等。

二.正確操作和使用數控系統的步驟

(1)數控系統通電前的檢查
1)檢查CNC裝置內的各個印刷線路板是否緊固,各個插頭有無鬆動。
2)認真檢查CNC裝置與外界之間的全部連接電纜是否按隨機提供的連接手冊的規定,正確而可靠地連接。
3)交流輸入電源的連接是否符合CNC裝置規定的要求。
4)確認CNC裝置內的各種硬體設定是否符合CNC裝置的要求。

只有經過上述檢查,CNC裝置才能投入通電運行。

(2)數控系統通電后的檢查
1)首先要檢查數控裝置中各個風扇是否正常運轉。
2)確認各個印刷線路或模塊上的直流電源是否正常,是否在允許的波動範圍之內。
3)進一步確認CNC裝置的各種參數。
4)當數控裝置與機床聯機通電時,應在接通電源的同時,作為按壓緊急停止按鈕的準備,以備出現緊急情況時隨時切斷電源。
5)用手動以低速給移動各個軸,觀察機床移動方向的顯示是否正確。
6)進行幾次返回機床基準點的動作,用來檢查數控機床是否有返回基準點功能,以及每次返回基準點的位置是否完全一致。
7)CNC裝置的功能測試。

三.CNC系統的日常維護

1)制訂CNC系統的日常維護的規章制度。
2)應盡量少開數控櫃和強電櫃的門。
3)定時清理數控裝置的散熱通風系統。
4)CNC系統的輸入/輸出裝置的定期維護。
5)定期檢查和更換直流電機電刷。
6)經常監視CNC裝置用的電網電壓。
7)存儲器用電池的定期更換。
8)CNC系統長期不用時的維護。
9)備用印刷線路板的維護。對於已購置的備用印刷線路板應定期裝到CNC裝置上通電運行一段時間,以防損壞。
10)做好維修前期的準備工作:
①技術準備:維修人員應在平時充分了解系統的性能。
②工具準備:作為最終用戶,維修工具只需準備一些常規的儀器設備,如交流電壓表,直流電壓表,可能用指針式的也可以是數字式的,測量誤差在±2%範圍內即可。萬用表也是一種常用的儀錶。
③備件準備:一旦由於CNC系統的部件或元器件損壞,使系統發生故障。為能及時排除故障,用戶應準備一些常用的備件。

四.故障處置


一旦CNC系統發生故障,系統操作人員應採取急停措施,停止系統運行,保護好現場。

(1)故障的表現
①系統發生故障的工作方式

工作方式有:Tape(紙帶方式)、MDI(手動數據輸入方式)、MEMORY(存儲器方式)、EDIT(編輯)、HANDLE(手輪)、JOG(點動)方式。
②MDI/DPL(手動數據輸入/顯示)。
③系統狀態顯示有時系統發生故障時卻沒有報警,此時需要通過診斷畫面觀察系統所處的狀態。
④定位誤差超差情況。
⑤在CRT上的報警及報警號。
⑥刀具軌跡出現誤差時的速度。

(2)故障的頻繁程度
①故障發生的時間及頻率。
②加工同類工件時,發生故障的概率。
③故障發生的方式,判別是否與進給速度、換刀方式或是與螺紋切削有關。
④出現故障的程序段。

(3)故障的重複性
①將引起故障的程序段重複執行多次進行觀察,來考察故障的重複性。
②將該程序段的編程值與系統內的實際數值進行比較,確認兩者是否有差異。
③本系統以前是否發生過同樣故障?

(4)外界狀況
①環境溫度。
②周圍的振動源。
③系統的安裝位置檢查,出故障時是否受到陽光的直射等。
④切削液、潤滑油是否飛濺到了系統櫃、系統櫃里是否進水,受到水的浸漬(如暖氣漏水)等。
⑤輸入電壓調查,輸入電源是否有波動、電壓值等。
⑥工廠內是否有使用大電流的裝置。
⑦近處是否存在干擾源。
⑧附近是否正在修理或調試機床、安裝了新機床等。
⑨重複出現的故障是否與外界因素有關?

(5)有關操作情況
①經過什麼操作之後才發生的故障?
②機床的操作方式對嗎?
③程序內是否包含有增量指令?

(6)機床情況
①機床調整狀況。
②機床在運輸過程中是否發生振動?
③所用刀具的刀尖是否正常?
④換刀時是否設置了偏移量?
⑤間隙補償給的是否恰當?
⑥機械另件是否隨溫度變化而變形?
⑦工件測量是否正確?

(7)運轉情況
①在運轉過程中是否改變過或調整過運轉方式?
②機床側是否處於報警狀態?是否已作好運轉準備?
③機床操作面板上的售率開關是否設定為「0」?
④機床是否處於鎖住狀態?
⑤系統是否處於急停狀態?
⑥系統的保險絲是否燒斷?
⑦機床操作面板上的方式選擇開關設定是否正確?

(8)機床和系統之間接線情況
①電纜是否完整無損?
②交流電源線和系統內部電線是否分開安裝?
③電源線和信號線是否分開走線?
④信號屏蔽線接地是否正確?
⑤繼電器、電磁鐵以及電動機等電磁部件是否裝有雜訊抑制器?

(9)CNC裝置的外觀檢查
①機櫃。檢查破損情況和是否是在打開櫃門的狀態下操作。
②機櫃內部。風扇電機工作是否正常?控制部分污染程序。
③紙帶閱讀機。紙帶閱讀機是否有污物?
④電源單元。保險絲是否正常?
⑤電纜。電纜連接器插頭是否完全插入、擰緊?
⑥印刷線路板。印刷線路板數量有無缺損?
⑦MDI/CRT單元。

(10)有關穿孔紙帶的檢查
①紙帶閱讀機天關是否正常?
②有關紙帶操作的設定是否正確?
③紙帶是否折、皺和存有污物?
④紙帶的連接處正常否?
⑤紙帶上的孔有無破損?
⑥這條紙帶是否用過?
⑦使用的是黑色紙帶還是其它顏色的紙帶?

五.故障檢查方法

1.直觀法

這是一種最基本的方法。維修人員通過對故障發生時的各種光、聲、味等異常現象的觀察以及認真察看系統的每一處,往往可將故障範圍縮小到一個模塊或一塊印刷線路板。這要求維修人員具有豐富的實際經驗,要有多學科的較寬的知識和綜合判斷的能力。

2.自診斷功能法

現代的數控系統雖然尚未達到智能化很高的程度,但已經具備了較強的自診斷功能。能隨時監視數控系統的硬體和軟體的工作狀況。一旦發現異常,立即在CRT上報警信息或用發光二極體批示出故障的大致起因。利用自診斷功能,也能顯示出系統與主機之間介面信號的狀態,從而判斷出故障發生在機械部分還是數控系統部分,並批示出故障的大致部位。這個方法是當前維修時最有效的一種方法。

3.功能程序測試法

所謂功能程序測試法就是將數控系統的常用功能和特殊功能,如直線定位、圓弧插補、螺紋切削、固定循環、用戶宏程序等用手工編程或自動編程方法,編製成一個功能程序測試紙帶,通過紙帶閱讀機送入數控系統中,然後啟動數控系統使之進行運行,藉以檢查機床執行這些功能的準確性和可靠性,進而判斷出故障發生的可能起因。本方法對於長期閑置的數控機床第一次開機時的檢查以及機床加工造成廢品但又無報警的情況下,一時難以確定是編程錯誤或是操作錯誤,還是機床故障時的判斷是一較好的方法。

4.交換法

這是一種簡單易行的方法,也是現場判斷時最常用的方法之一。所謂交換法就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線路板、模板,集成電路晶元或元器件替換有疑點的部分,從而把故障範圍縮小到印刷線路板或晶元一級。它實際上也是在驗證分析的正確性。

在備板交換之前,應仔細檢查備板是否完好,並應檢查備板的狀態應與原板狀態完全一致。這包括檢查板上的選擇開關,短路棒的設定位置以及電位器的位置。在置換CNC裝置的存儲器板時,往往還需要對系統作存儲器的初始化操作(如日本FANUC公司的FS—6系統用的磁泡存儲器就需要進行這項工作),重新設定各種數控數據,否則系統仍將不能正常地工作。又如更換FANUC公司的7系統的存儲器板之後,需重新輸入參數,並對存儲器區進行分配操作。缺少了后一步,一旦零件程序輸入,將產生60號報警(存儲器容量不夠)。有的CNC系統在更換了主板之後,帶需進行一些特定的操作。如FNUC公司在FS—10系統,必須按一定的操作步驟,先輸入9000~9031號選擇參數,然後才能輸入0000號至8010號的系統參數和PC參數。總之,一定要嚴格地按照有關係統的操作、維修說明書的要求進行操作。

5.轉移法

所謂轉移法就是將CNC系統中具有相同功能的二塊印刷線路板、模塊、集成電路晶元或元器件互相交換,觀察故障現象是否隨之轉移。藉此,可迅速確定系統的故障部位。這個方法實際上就是交換法的一種。因此,有關注意事項同交換法所述。

6.參數檢查法

眾所周知,數控參數能直接影響數控機床的功能。參數 通常是存放在磁泡存儲器或存放在需由電池保持的CMOS RAM中,一旦電池不足或由於外界的某種干擾等因素,會使個別參數丟失或變化,發生混亂,使機床無法正常工作。此時,通過核對、修正參數,就能將故障排除。當機床長期閑置工作時無緣無故地出現不正常現象或有故障而無報警時,就應根據故障特徵,檢查和校對有關參數。

另外,經過長期運行的數控機床,由於其機械傳動部件磨損,電氣無件性能變化等原因,也需對其有關參數進行調整。有些機床的故障往往就是由於未及時修改某些不適應的參數所致。當然這些故障都是屬於故障的範疇。

7.測量比較法

CNC系統生產廠在設計印刷線路板時,為了調整、維修的便利,在印刷線路板上設計了多個檢測用端子。用戶也可利用這些端子比較測量正常的印刷線路板和有故障的印刷線路板之間的差異。可以檢測這些測量端子的電壓或波形,分析故障的起因及故障的所在位置。甚至,有時還可對正常的印刷線路人為地製造「故障」,如斷開連線或短路,撥去組件等,以判斷真實故障的起因。為此,維修人員應在平時積累印刷線路板上關鍵部位或易出故障部位在正常時的正確波形和電壓值。因為CNC系統生產廠往往不提供有關這方面的資料。

8.敲擊法

當系統出現的故障表現為若有若無時,往往可用敲擊法檢查出故障的部位所在。這是由於CNC系統是由多塊印刷線路板組成,每塊板上又有許多焊點,板間或模塊間又通過插接件及電纜相連。因此,任何虛焊或接觸不良,都可能引起故障。當用絕緣物輕輕敲打有虛焊及接觸不良的疑點處,故障肯定會重複再現。

9.局部升溫

CNC系統經過長期運行后元器件均要老化,性能會變壞。當它們尚未完全損壞時,出現的故障變得時有時無。這時可用熱吹風機或電烙鐵等來局部升溫被懷疑的元器件,加速其老化,以便徹底暴露故障部件。當然,採用此法時,一定要注意元器件的溫度參數等,不要將原來是好的器件烤壞。

10.原理分析法

根據CNC系統的組成原理,可從邏輯上分析各點的邏輯電平和特徵參數(如電壓值或波形),然後用萬用表、邏輯筆、示波器或邏輯分析儀進行測量、分析和比較,從而對故障定位。運用這種方法,要求維修人員必須對整個系統或每個電路的原理有清楚的、較深的了解。

除了以上常用的故障檢查測試方法外,還有拔板法,電壓拉偏法,開環檢測法以及在上章中曾提出的診斷方法等多種。這些檢查方法各有特點,按照不同的故障現象,可以同時選擇幾種方法靈活應用,對故障進行綜合分析,才能逐步縮小故障範圍,較快地排除故障。

六.故障排除的一般方法


當數控系統出現報警發生故障時,維修人員不要急於動手處理,而應多進行觀察和試驗。

1.充分調查故障現場


這是維修人員取得第一手材料的一個重要手段。一方面要向操作者調查,詳細詢問出現故障的全過程,查看故障記錄單,了解發生過什麼現象,曾採取過什麼措施等;另一方面,要對現場要做細緻的勘查。從系統的外觀到系統內部各印刷線路板都應細心地察看是否有異常之處。在確認系統通電無危險有情況下,方可通電,觀察系統有何異常,CRT顯示的內容等。

2.認真分析產生故障的起因


當前的CNC系統智能化程度都比較低,系統尚不能自動診斷出發生故障的確切原因。往往是同一報警號可以有多種起因,不可能將故障縮小到具體的某一部件。因此,在分析故障的起因時,一定要思路開闊。往往有這種情況,自診斷出系統的某一部分有故障,但究其起源,卻不在數控系統,而是在機械部分。所以,無論是CNC系統,機床強電,還是機械、液壓、氣路等,只要有可能引起該故障的原因,都要儘可能全面地列出來,進行綜合判斷和篩選,然後通過必要的試驗,達到確診和最終排除故障的目的。

造成數控系統故障而又不易發現的另一個重要原因是干擾。根據經驗,大致有下面幾種原因。
(1)機床生產廠的裝配工藝問題

裝配工藝不好反映在干擾方面的表現大致有如下幾點。①沒有採用一點接地法。有些機床生產為了圖省事,到處就近接地,結果造成多點接地,形成地環流。②由於接地點選擇不當或接觸不良,甚至虛焊造成接地電阻變大而引起雜訊干擾。③CNC系統與主機的信號通訊,有許多是採用屏蔽線連接的,若對屏蔽地處理不當,沒有按照規定連接(如有的屏蔽地按規定只許接在系統側,而不能接在機床側,如圖4.3—1所示)也是造成干擾的一種因素。
(2)強電干擾

數控機床的強電櫃中的接觸器、繼電器等電磁部件均是CNC系統的干擾源 。交流接觸器,交流電機的頻繁起動、停止時,其電磁感應現象會使CNC系統控制電路中產生尖峰或波涌等雜訊,干擾系統的正常工作。因此,一定要對這些電磁干擾採取措施,予以消除。

通常是採用在交流接觸器線圈的兩端或交流電機的三相輸入端並聯RC網路,而在直流接觸器或在直流電磁閥的線圈兩端反相併入一個續流二極體等的辦法來抑制這些電器產生的干擾雜訊(如圖4.3—2所示)。但要注意一點,這些併入的吸收網路的連線不應大於20cm,否則,其效果就不理想。

同時,查CNC系統的控制電路的輸入電源部分,也要採取措施。一般多用浪涌吸收器並聯在電源線間,如圖4.3—3所示,從而可有效地吸收電網中的尖峰電壓,起到一定的保護作用。
(3)供電線路的干擾

由於我國局部地區電力不足和供電頻率不穩和用戶廠電網分配不合理等因素造成供電線路的干擾。現象可歸納為超壓、欠壓、頻率和相位漂移、諧波失真、共模雜訊及常模雜訊等原因。為養活供電電線路干擾可採取下列措施。
①在電網電壓變化較大的地區,應在CNC系統的輸入電源前增加電子穩壓器,以養活電網電壓波動。如果能加入電源調節器,則效果更好,但切不可串入自耦變壓器。
②用戶廠的供電線路的容量應能滿足數控機床電器容量的要求。
③數控機床避免與電火花設備以及大功率的起、停頻繁的設備共用一幹線,以免這些設備的干擾通過供電線串入到CNC系統中。
④數控機床設備安置時應遠離中頻爐、高頻感應爐等變頻設備。

3.動手修復


一旦故障部位已找到,但手頭卻無可更換的備件時,可用移植借用辦法,作為應急措施來解決。例如某一組件壞了(如與非門或觸發器等),但損壞的往往只是組件中的某一路,其它幾部分還是好的。而在印刷線路板的設計中,又往往只是用了組件中的一部分,沒有全部用滿。此時,可將沒有使用的富餘部分取來作為應急用。具體的作法是,切斷已損壞部分的插腳(包括輸入和輸出腳),然後由區線將信號輸入、輸出線引至富餘的組件插腳 上即可。

典型數控機床維修方法

一.西門子3系統的維修

1)電源接通后無基本畫面顯示
(a)電路板03840號板上無監控燈顯示
(b)03840號電路板上監控燈亮
①監控燈閃爍。如果監控燈閃爍頻率為1Hz,則EPROM有故障;如果閃爍頻率為2Hz,則PLC有故障;如以4Hz頻率閃爍,則保持電池報警,表示電壓已不足。
②監控燈左滅右亮。表示操作面板的介面板03731板有故障或CRT有故障。
③監控燈常亮。這種故障,通常的原因有:CPU有故障;EPROM有故障;系統匯流排(即背板)有故障、電路板上設定有誤、機床數據錯誤、以及電路板(如存儲器板、耦合板、測量板)的硬體有故障。

2)CRT上顯示混亂
(a)保持電池(鋰電池)電壓太低,這時一般能顯示出711號報警。
(b)由於電源板或存儲曾被拔出,從而造成存儲區混亂。這是一種軟故障,只要將CNC內部程序清除並重新輸入即可排除故障。
(c)電源板或存儲器板上的硬體故障造成程序顯示混亂。
(d)如CRT上顯示513號報警,表示存儲器的容量不夠。

3)在自動方式下程序不能啟動
(a)如此時產生351號報警,表示CNC系統啟動之後,未進行機床回基準點的操作。
(b)系統處於自動保持狀態。
(c)禁止循環啟動。 檢查PLC與NC間的介面信號Q64.3。

4)進給軸運動故障
(a)進給軸不能運動。造成此故障的原因有:
①操作方式不對;
②從PLC傳至NC的信號不正常;
③位控板有故障(如03350,03325,03315板有故障)。
④發生22號報警,它表示位置環未準備好。
⑤測量系統有故障。如產生108,118,128,138號報警,這是測量感測器太臟引起的。如產生104,114,124,134報警,則位置環有硬體故障。
⑥運動軸處於軟體限位狀態。只要將機床軸往相反方向運動即可解除。
⑦當發生101,111,121,131號報警時,表示機床處於機械夾緊狀態。
(b)進給軸運動不連續。
(c)進給軸顫動。
①進給驅動單元的速度環和電流環參數沒有進行最佳化或交流電機缺相或測速元件損壞,均可引起進給軸顫動。
②CNC系統的位控板有故障。
③機構磨擦力太大。
④數控機床數據有誤,有關機床數據的正確設定如下。
(d)進給軸失控。
①如有101,111,121,131號報警請對夾緊進行檢查。
②如有102,112,122,132號報警,則說明指令值太高。
③進給驅動單元有故障。
④數控機床數據設定錯誤,造成位置控制環路為正反饋。
⑤CNC裝置輸至驅動單元的指令線極性錯誤。
(e)103~133號報警。這是輪廓監控報警。速度環參數沒有最佳化或者KV係數太大。
(f)105~135號報警。位置漂移太大引起的。移量超過500mv,檢查漂移補償參數N230~N233。

5)主軸故障

如果實際主軸轉速超過所選齒輪的最高轉速,則產生225號報警;如主軸位置環監控發生故障,則發生224號報警。

6)V·24串列介面報警
(a)20秒內仍未發送或接收到數據時:
①外部設備故障;
②電纜有誤;
③03840板有故障。
(b)穿孔紙帶信息不能輸入,其原因有:
①操作面板上鑰匙開關在關的位置,從而造成紙帶程序不能輸入;
②如果0384號板上的數據保護開關不在釋放位置時,不能輸入數據紙帶;
③如果不能輸入L80~L99和L900~L999號子程序,則多是由於PLC與NC介面信號Q64·3為「1」(循環禁止)引起的。
(c)停止位錯誤。
①波特率設定錯誤;
②閱讀機有故障;
③機床數據錯誤。

二.FANUC公司的Ⅲ系統維修

可參考《數控機床使用與維修》一書。

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