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高級技工學校理論課教案1 教學課題：數控機床故障診斷與維修緒論 教學時間： 周一、周四、周五 教學班級：高級數控—10高數一＼10高數二 教學地點：綜合樓二樓3教室、5教室 教學目的與要求：掌握數控機床基本組成，了解機床診斷的必要性及故障診斷的分類，判斷。 教學重點與難點：數控機床組成、各機構的特點、原理 教學方式與手段： 理論教學 參考資料：《數控機床》、《數控技術》 教學過程： 一、 回顧數控機床的概況 1. 隨著我國機械制造技術的迅速發(fā)展，機械產品的更新換代也越來越頻繁，這就對制造裝備在性能，精度、自動化及柔性方面提出更高的要求。通過機床設備自動化程度不高，難以加工輪廓及形狀復雜的零件；自動化專用機床和生產線，雖然效率不高，自動化程度高，但產品改型困難，而且開發(fā)周期長。數控技術及采用該技術的數控機床正好滿足了這些要求。----52年美國帕森斯公司與MIT為解決加工直升機葉片輪廓而研制的三坐標數控銑床 數控機床配置的數控系統(tǒng)品牌繁多，性能和結構也不盡相同。日本ＦＡＮＵＣ和德國ＳＩＥＭＥＮＳ公司是世界上主要的數控系統(tǒng)生產廠商，此外，還有西班牙ＦＡＧＯＲ公司，德國ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ公司、法國ＮＵＭ公司等。近年來數控機床在我國迅速發(fā)展，一些國內公司的數控產品也占有了一定的市場份額，如華中數控公司、廣州數控公司、北京航天機床數控集團公司等。 2. 提問學生在平時實訓時所遇到的故障？怎么解決的？ 二、 講授新課 一）數控機床的組成（見教材2頁圖1-1-1） 數控機床由數控裝置、伺服驅動裝置、檢測反饋裝置和機床本體四大部分組成，再加上程序的輸入/輸出設備、可編程控制器、電源等輔助部分。 1. 數控裝置(數控系統(tǒng)的核心)由硬件和軟件部分組成，接受輸入代碼經緩存、譯碼、運算插補）等轉變成控制指令，實現直接或通過PLC對伺服驅動裝置的控制。 數控裝置：也稱ＣＮＣ系統(tǒng)，是數控系統(tǒng)的核心。它由硬件和軟件共同完成數控任務，與數控系統(tǒng)的其他部分通過接口相連。數控裝置硬件結構類型的分類方式很多，按數控裝置中各印刷電路板的插接方式可分為大板式結構和功能模板式結構；按數控裝置中微處理器的個數可以分為單微處理器和多微處理器結構等，但總的來說，數控裝置與通用計算機一樣，是由中央處理器（ＣＰＵ）及存儲數據與程序的存儲器組成的。存儲器分為系統(tǒng)控制軟件存儲器（ＲＯＭ），加工程序存儲器（ＲＡＭ）及工作區(qū)存儲器（ＲＡＭ）。ＲＯＭ中的系統(tǒng)控制軟件是由數控系統(tǒng)生產廠家寫入的，用來完成ＣＮＣ系統(tǒng)的各項功能，數控機床操作者將各自的加工程序存儲在ＲＡＭ中，供數控系統(tǒng)用于控制機床加工零件。工作區(qū)存儲器是系統(tǒng)程序執(zhí)行過程的活動場所，用于堆棧、參數保存、中間運算結果保存等。中央處理器（ＣＰＵ）執(zhí)行系統(tǒng)程序、讀取加工程序，經過加工程序段譯碼、預處理計算，然后根據加工程序段指令進行實時插補，并通過與各坐標伺服系統(tǒng)的位置、速度反饋信號比較，從而控制機床的各坐標軸的位移。同時將輔助動作指令通過ＰＬＣ發(fā)往機床，并接收通過ＰＬＣ返回的機床各部分信息，以決定下一步操作。 2. 伺服驅動裝置是數控裝置和機床主機之間的聯接環(huán)節(jié)，接受數控裝置的生成的進給信號，經放大驅動主機的執(zhí)行機構，實現機床運動。 伺服器概念？ 驅動控制裝置：用以控制各個軸的運動，其中進給軸的位置控制部分常在數控裝置中以硬件位置控制模塊或軟件位置調節(jié)器實現，即數控裝置接收實際位置反饋信號，將其與插補計算出的命令位置相比較，通過位置調節(jié)器確定軸位置控制給定量，再輸出給伺服驅動系統(tǒng)。 3. 檢測反饋裝置是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機、刀架）或工作臺的速度和位移檢測出來，反饋給數控裝置構成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。 4. 機床本體是數控機床的機械結構件。（床身箱體、立柱、導軌、工作臺、主軸和進給機構等） 1. 主傳動裝置多采用無級變速或分段無級變速方式。 2.進給傳動裝置中廣泛采用無間隙滾珠絲杠傳動和無間隙齒輪傳動。 3.床身、立柱、橫梁等主要支撐件---提高剛度 4. 加工中心備有刀庫和自動換刀裝置-----多工序、多面加工。 （數控裝置是數控機床的核心(相當于人的大腦),它所想要完成的工作通過伺服系統(tǒng)(相當于人的神經系統(tǒng))帶動機床運動，測量及反饋系統(tǒng)（相當于人的 眼睛等感覺器官），把機床的工作狀態(tài)急時告訴數控裝置。數據傳輸系統(tǒng)的作用是：由于數控裝置的容量有限，各種控制信息要靠數控裝置以外的其它計算機等攜帶和傳輸，就像人的記憶有限，工作時常常要做些記錄。翻翻筆記本似的。）-------------數控機床是用數字信號控制機床運動及其加工過程，和普通機床（一臺電機帶動主軸和各進給軸）不同，采用多電機帶動，具有復雜的控制系統(tǒng)。包括主軸驅動、進給驅動（步進、直流伺服和交流伺服）；脈沖編碼器、旋轉變壓器、同步感應器、光柵、磁柵等檢測元件，經電路處理后反饋給數控裝置，構成閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng),補償執(zhí)行機構的運動誤差，提高運動精度。為保證數控機床功能的充分發(fā)揮還有一些輔助裝置，如冷卻、潤滑、液壓和氣動、排屑、防護等裝置。 與普車相比的特點： 1. 適應性強、具有高度柔性。 2. 精度高 3. 效率高，加工質量穩(wěn)定、可靠。 4. 減輕勞動強度，改善條件。 5. 有利于生產管理自動化。 現在數控設備使用越來越廣泛，隨之而來的是如何保證設備的有效利用率，設備出現故障時，要盡快將設備恢復正常使用。為了解決這個問題，首先要求維修人員應該有很高的素質，不但要求具有豐富的專業(yè)知識，如機電一體化技術、計算機原理、數控技術、PLC 技術、自控技術、拖動原理、液壓技術等，還要掌握機械加工常識和數控裝置的簡單編程，另外還要具有一定的英語水平，能夠閱讀英文技術資料。要有足夠的資料，包括機、電、液圖紙，機床參數備份，系統(tǒng)使用維修手冊，PLC 梯形圖等。還要有一定量的備件。另外需要維修人員具有一定的經驗，掌握一定的維修方法。 【 】數控機床故障診斷與維修的必要性 1.數控機床故障診斷與維修是數控機床正常運轉的保障，也是數控技術發(fā)展和完善的巨大的推動力量。 2.一些數控設備處于關鍵的工作或關鍵的工序崗位，若在出現故障后不及時的維修并排除故障，就會造成巨大的經濟損失，影響產量和質量。 3.從我國維修狀況和水平及現階段人才需求來看： （1）維修狀況和水平：差距大，人員素質差，缺乏數字測試分析手段，故障診斷與維修的綜合判斷能力較差。 （2）制造業(yè)需要大量數控人才。人才現狀如下：初、中、高級數控技術人才在企業(yè)數控技術崗位中分別占70.13%(藍領）、25.04%（灰領）和4.83%（金領）。 二）數控機床故障診斷 1.故障的基本概念 故障—數控機床全部或部分喪失原有的功能。 故障診斷—在數控機床運行中，根據設備的故障現象，在掌握數控系統(tǒng)各部分工作原理的前提下，對現行的狀態(tài)進行分析，并輔以必要檢測手段，查明故障的部位和原因。提出有效的維修對策。 數控機床是高度機電一體化的技術裝備，和普通機床相比也包括機械、電氣、液壓氣動方面的故障，但電氣系統(tǒng)遠為復雜，故障側重于電氣、機械、液壓等的交叉點。而且數控系統(tǒng)種類繁多，給檢測和診斷帶來很大的困難。 2.故障的分類 1）從故障的起因分類 關聯性故障—和系統(tǒng)的設計、結構或性能等缺陷有關而造成（分固有性和隨機性）。 非關聯性故障—和系統(tǒng)本身結構與制造無關的故障。 a. 條件（溫度、振動、干擾等）滿足發(fā)生，偶爾發(fā)生。 b. 因運輸、安裝、撞擊等外部人為因素造成。 c. 超載、參數設置錯誤、操作錯誤等引起。 d. 與材料的磨損、疲勞、電子元件的性能下降有關。 2）從故障發(fā)生的狀態(tài)分類 突然故障—發(fā)生前無故障征兆，使用不當。 漸變故障—發(fā)生前有故障征兆，逐漸嚴重。 3）按故障發(fā)生的性質分類 軟件故障—程序編制錯誤、參數設置不正確、機床操作失誤等引起。 硬件故障—電子元器件、潤滑系統(tǒng)、限位機構、換刀系統(tǒng)、機床本體等硬件損壞造成。 干擾故障—由于系統(tǒng)工藝、線路設計、電源地線配置不當等以及工作環(huán)境的惡劣變化而產生。 4）按故障的嚴重程度分類 危險性故障—數控系統(tǒng)發(fā)生故障時，機床安全保護系統(tǒng)在需要動作時，因故障失去保護動作，造成人身或設備事故。 安全性故障—機床安全保護系統(tǒng)在不需要動作時發(fā)生動作，引起機床不能起動。 3. 數控系統(tǒng)的可靠性 數控機床除了具有高精度、高效率和高技術的要求外，還應該具有高可靠性。 衡量的指標有： MTBF—平均無故障時間 MTTR—排除故障的修理時間 平均有效度A： A=MTBF/（MTBF+MTTR） 平均有效度是指可維修的設備在某一段時間內維持其性能的概率，是一個小于1的正數。數控機床故障的平均修復時間越短，則A就越接近1，那么數控機床的使用性能就越好。 T1使用初期（開始運行半年至一年間），故障頻率較高，而且無規(guī)律可尋。機械原因：磨合狀態(tài)，接合面有幾何形狀偏差；電子電力器件由于交便負荷和開、關瞬間大電流浪涌對器件的沖擊而擊穿元件；有些參數設置也非最佳狀態(tài)和外部環(huán)境影響。 T2穩(wěn)定運行期：經磨合；經沖擊考驗，器件性故障大幅度減少。此穩(wěn)定運行期較長，一般為7~10年。 T3壽命終了期：機械零件加速磨損、密封件老化、限位開關接觸不良、電子元器件品質下降等，故障率增加。 三）診斷方法。見數控維護24頁。 1. 直觀法（望聞問切） 問—機床的故障現象、加工狀況等 看—CRT報警信息、報警指示燈、熔絲斷否、元器件煙熏燒焦、電容器膨脹變形、開裂、保護器脫扣、觸點火花等 聽—異常聲響（鐵芯、欠壓、振動等） 聞—電氣元件焦糊味及其它異味 摸—發(fā)熱、振動、接觸不良等 2. 自診斷法 啟動過程診斷---系統(tǒng)內部自診斷程序通電后動執(zhí)行對CPU、存儲器、總線和I/O等模塊及功能板、CRT、軟盤等外圍設備進行功能測試，確定主要硬件能正常工作。 依靠CNC系統(tǒng)快速處理數據的能力，對出錯的部位進行多路、快速的信號（各種開關、傳感器把油位、油壓、溫度、電流和電壓、速度等狀態(tài)信息設置成熟百個報警指示，診斷故障的部位）采集和處理，然后由診斷程序進行邏輯分析和判斷，以確定故障的存在和部位。 例如：FANUC 10TE系統(tǒng)的數控機床，開機后CRT顯示： FS107E 1399B ROM TEST：END RAM TEST 未通過測試 故障可能：參數丟失、支持電池失效或接觸不良等 在線診斷 離線診斷 3.數據和狀態(tài)檢查 CNC系統(tǒng)的自診斷不但能在CRT上顯示故障報警信息，而且還能以多頁“診斷地址”和“診斷數據”的形式提供機床參數和狀態(tài)信息。 接口檢查 接口檢查—系統(tǒng)與機床、系統(tǒng)與PLC、機床與PLC的輸入/輸出信號，接口診斷功能可將所有開關量信號的狀態(tài)顯示在CRT上，“1”表示通，“0”表示斷。利用狀態(tài)顯示可以檢查數控系統(tǒng)是否將信號輸出到機床側，機床側的開關信號是否已輸入到系統(tǒng)，從而確定故障是在機床測還是在系統(tǒng)側。 接口檢查： 例：NCP400L數控車床接口狀態(tài) 38C0H 0 0 1 1 0 0 1 0 參數檢查 參數檢查-----數控機床的機床參數是經一系列的試驗和調整而獲得的重要參數，是機床正常運行的保證。包括有增益、加速度、輪廓監(jiān)控及各種補償值等。當機床長期閑置不用或受到外部干擾會使數據丟失或發(fā)生數據混亂，機床將不能正常工作?？烧{出機床參數進行檢查、修改或傳送。 4.報警指示燈顯示故障 除CRT軟報警外，還有許多“硬件”報警指示燈，分布在電源、主軸驅動、伺服驅動、I/O裝置上，由此可判斷故障的原因。 5.備板置換法（替代法） 用同功能的備用板替換被懷疑有故障的模板。（故障被排除或范圍縮?。? 注意：斷電狀態(tài)下/選擇開關/跨線一致 6、交叉換位 將功能相同的模板或單元相互交換，觀察故障的轉移情況，就能快速判斷故障的部位。 系統(tǒng) X驅動 Y驅動 X電機 Y電機 7、敲擊法 數控系統(tǒng)是由各種電路板組成，電路板上、接插件等處有虛焊或接口槽接觸不良都會引起故障?？捎媒^緣物輕輕敲打疑點處，若出現，則敲擊處很可能就是故障部位。 8、升溫法 設備運行較長時間或環(huán)境溫度較高時，機床就會出現故障，可用電吹風、紅外燈照射可疑的元件或組件。確定故障點。 9.功能程序測試法 當數控機床加工造成廢品而無法確定是編程、操作不當還是數控系統(tǒng)故障時，或是閑置時間較長的數控機床重新投入使用時。將G、M、S、T、F功能的全部指令編寫一個試驗程序并運行在這臺機床，可快速判斷哪個功能不良或喪失。 10、隔離法 隔離法是將某些控制回路斷開，從而達到縮小查找故障區(qū)域的目的。 例：某加工中心，在JOG方式下，進給平穩(wěn)，但自動則不正常。首先要確定是NC故障還是伺服系統(tǒng)故障，先斷開伺服速度給定信號，用電池電壓作信號，故障依舊。說明NC系統(tǒng)沒有問題。進一步檢查是Y軸夾緊裝置出故障。 11、測量比較法 為了檢測方便，在模板或單元上設有檢測端子，用萬用表、示波器等儀器對這些端子的電平或波形進行測試，將測試值與正常值進行比較，可以分析和判斷故障的原因和及故障的部位。各種故障診斷方法各有特點，要根據故障現象的特點靈活的組合應用。 四）數控機床故障診斷與維修原則（見數控維護第27頁） 先外部后內部 先機械后電氣 先靜后動 先公用后專用 先簡單后復雜 先一般后特殊-----在排除某一故障時，要先考慮最常見的可能原因，然后再分析很少發(fā)生的特殊原因 例：一臺FANUC 0T數控車床Z軸回零不準，常常是由于降速擋塊位置走動所造成。一旦出現這一故障，應先檢查擋塊，再檢查編碼器、位置控制等環(huán)節(jié)。 先軟件后硬件 四)數控診斷技術的發(fā)展 1.通訊診斷(遠程、海外診斷） 用戶機床的通訊口通過電話線和維修中心的專用通訊診斷計算機相連。計算機發(fā)診斷程序→用戶測試數據→計算機診斷結果和處理方法→用戶 特點：實用簡便； 有一定的局限性, 這類數控系統(tǒng)必須具有遠距離的診斷接口及連網絡的功能。德國西門子公司在CNC系統(tǒng)中采用了這種診斷功能。 2. 自修復系統(tǒng) 當診斷軟件發(fā)現數控機床在運行中某一模塊有故障時，系統(tǒng)在CRT上顯示的同時，自動尋找備用模塊并接上。 特點：實用但成本比較高，而且只適合總線結構的CNC系統(tǒng)。 3. 專家系統(tǒng)（人工智能專家故障診斷系統(tǒng)） 特點： 1）克服人類數控診斷專家不足的矛盾。 2）具有可視化的故障診斷與維修功能，通過一問一答解決問題?？沙浞职l(fā)揮人的主觀能動性。 3）故障診斷專家系統(tǒng)具有知識獲取、傳播和自學習功能，能在使用過程中不斷完善。目前，日本FANUC公司已經將專家系統(tǒng)引入到CNC系統(tǒng)中用于故障診斷。取得良好效果。 4、狀態(tài)監(jiān)測技術 具體過程分為狀態(tài)監(jiān)測、分析診斷和治理預防三個階段（圖５-８）。 課堂小結 熟悉數控機床各組成部分的工作原理與結構 確立數控機床故障診斷的基本思路與實施診斷的步驟及注意事項 掌握常用測試儀器的使用方法 通過理論和實訓環(huán)節(jié)的教學，能實施對數控機床的故障分析和診斷。 課程涉及內容廣，故障檢測、分析難度高 本節(jié)重點內容把握： 1）掌握常見故障分類； 2）掌握故障診斷與維修的評價指標； 3）了解現代化的數控故障診斷技術 作業(yè)布置