数控机床典型故障分析与维修论文

题目：数控机床典型故障分析与维修论文

摘要

随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同时，由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。

不同的数控机床其数控系统虽然在结构和性能上有所区别，但在故障诊断分析上却有一定的共性，正是在此基础上对数控机床典型故障进行维修。

本设计共计五部分内容，包括数控机床简单介绍，数控机床出现机械结构故障、电气系统故障、伺服系统故障、可编程控制器模块故障时的现象描述，故障可能产生原因的理论分析。故障诊断与维修是本设计的重点。

关键词：数控装置、伺服单元、进给系统、液压传动、CNC系统、步进电动机

目录

1数控机床简介 (1)

1.1数控机床的定义 (1)

1.2数控机床的特点 (1)

2数控系统 (1)

2.1数控系统的构成 (1)

2.2数控系统的特点 (1)

3数控机床的工作原理 (4)

4数控机床的维护 (10)

4.1通电前的外观检查 (16)

4.2机床总电压的接通 (17)

4.3 CNC电箱通电 (17)

4.4 MDI试验 (17)

5数控机床机械结构故障分析与维修 (14)

5.1机械结构故障分析的方法 (16)

5.2主轴常见故障及其诊断分析 (17)

5.3滚珠丝杠螺母副的常见故障及其诊断维修 (16)

6.1接触器常见故障现象及诊断(分析) (19)

6.2热继电器常见故障现象及诊断(分析) (19)

7可编程控制器模块的故障诊断与维修 (19)

7.1 PLC概述 (16)

7.1.1 PLC的特点 (16)

7.1 .2 PLC的分类 (16)

7.2.3P L C的主要功能 (17)

7.2可编程控制器的结构组成 (17)

7.2.1 PLC的结构组成 (17)

7.2.2可编程控制器故障诊断 (17)

8直流伺服系统的故障诊断(分析)与维修 (19)

8.1主轴伺服系统故障诊断与维修 (16)

8.2进给伺服系统故障诊断与维修 (16)

8.3PLC的分类 (16)

结论 (28)

参考文献 (29)

附录 (30)

致谢………………………………………………………………………………………

1数控机床概述

1.1数控机床的定义

数控机床是一种典型的机电一体化产品，能实现机械加工的高速度，高精度和高自动化，代表了机床的发展方向。

数控机床是一个装有程序控制系统的机床，其主要组成部分有机床本体，数控装置和伺服系统三部分

1.2数控机床的特点

数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：

●加工精度高，具有稳定的加工质量；

●可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；

●加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；数控折弯机

●机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；

●机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；

●对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。

2数控系统

2.1 数控系统的构成

目前世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。例如对点位控制系统和连续轨迹控制系统就有截然不同的要求。对于T系统和M系统，同样也有很大的区别，前者适用于回转体零件加工，后者适合于异形非回转体的零件加工。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，美国Dynapath系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC 系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统将控制指令放大，由伺服电机驱动机械按要求运动；测量系统检测机械的运动位置或速度，并反馈到控制系统，来修正控制指令。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。

控制系统主要由总线、CPU、电源、存贮器、操作面板和显示屏、位控单元、可编程序控制器逻辑控制单元以及数据输入/输出接口等组成。最新一代的数控系统还包括一个通讯单元，它可完成CNC、PLC的内部数据通讯和外部高次网络的连接。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器

2 .2数控系统的特点

可靠性要求高：因为一旦数控系统发生故障，即造成巨大经济损失；有较高的环境适应能力，因为数控系统一般为工业控制机，其工作环境为车间环境，要求它具有在震动，高温，潮湿以及各种工业干扰源的环境条件下工作的能力；接口电路复杂，数控系统要与各种数控设备及外部设备相配套，要随时处理生产过程中的各种情况，适应设备的各种工艺要求，因而接口电路复杂，而且工作频繁。

4数控机床的维护

4.1使用数控机床的要求

使用数控机床时必须满足以下几点要求。

1)对使用人员的要求一名合格的数控机床操作人员必须具有相关的机、电、液专业知识，要有熟练的操作技巧，快速理解程序的能力；还应具有对

一般性故障的判断与处理技能。

2)数控机床对环境的要求数控机床的安装位置应远离振源，避免阳光直射和热辐射，要远离潮湿和气流的影响。

3)对电源的要求数控机床对电源电压有较高要求，电源电压波动必须在允许范围内(一般为电压额定值的85 ～110 o／6)，并保持相对稳定。

4)严格按机床说明书规定使用机床使用数控机床时，不允许随意改变制造厂设定的控制系统参数，不允许随意提高液压系统的压力及更换机床附件等。

4.2 对机床数控系统的维护，还应注意哪几个方面

1)严格遵守操作规程和日常维护制度。

2)确保数控柜电气柜的散热系统正常工作。

3)定期检查和更换伺服电机的电刷。

4)定期更换系统后备电池。

5)尽量少开数控柜和强电柜门。

6)长期闲置的系统应定时给系统通电，定时进行空运行。

5数控机床开机调试

4.1通电前的外观检查

（1）机床电器检查打开机床电控箱，检查继电器，接触器，熔断器，伺服电机速度，控制单元插座，主轴电机速度控制单元插座等有无松动，如有松动应恢复正常状态，有锁紧机构的接插件一定要锁紧，有转接盒的机床一定要检查转接盒上的插座，接线有无松动，有锁紧机构的一定要锁紧。

（2）CNC电箱检查打开CNC电箱门，检查各类接口插座，伺服电机反馈线插座，主轴脉冲发生器插座，手摇脉冲发生器插座，CRT插座等，如有松动要重新插好，有锁紧机构的一定要锁紧。按照说明书检查各个印刷线路板上的短路端子的设置情况，一定要符合机床生产厂设定的状态，确实有误的应重新设置，一般情况下无需重新设置，但用户一定要对短路端子的设置状态做好原始记录。

（3）接线质量检查检查所有的接线端子。包括强弱电部分在装配时机床生产厂自行接线的端子及各电机电源线的接线端子，每个端子都要用旋具紧固一次，直到用旋具拧不动为止，各电机插座一定要拧紧。

（4）电磁阀检查所有电磁阀都要用手推动数次，以防止长时间不通电造成的动作不良，如发现异常，应作好记录，以备通电后确认修理或更换。

（5）限位开关检查检查所有限位开关动作的灵活及固定性是否牢固，发现动作不良或固定不牢的应立即处理。

（6）操作面板上按钮及开关检查，检查操作面板上所有按钮，开关，指示灯的接线，发现有误应立即处理，检查CRT单元上的插座及接线。

（7）地线检查要求有良好的地线，测量机床地线，接地电阻不能大于1Ω。

（8）电源相序检查用相序表检查输入电源的相序，确认输入电源的相序与机床上各处标定的电源相序应绝对一致。

有二次接线的设备，如电源变压器等，必须确认二次接线的相序的一致性。要保证各处相序的绝对正确。此时应测量电源电压，做好记录。

5.2机床总电压的接通

（1）接通机床总电源，检查CNC电箱，主轴电机冷却风扇，机床电器箱冷却风扇的转向是否正确，润滑，液压等处的油标志指示以及机床照明灯是否正常，各熔断器有无损坏，如有异常应立即停电检修，无异常可以继续进行。

（2）测量强电各部分的电压特别是供CNC及伺服单元用的电源变压器的初次级电压，并作好记录。

（3）观察有无漏油，特别是供转塔转位、卡紧，主轴换档的以及卡盘卡紧等处的液压缸和电磁阀。如有漏油应立即停电修理或更换。

4.3CNC电箱通电

（1）按CNC电源通电按扭，接通CNC电源，观察CRT显示，直到出现正常画面为止。如果出现ALARM显示，应该寻找故障并排除，此时应重新送电检查。

（2）打开CNC电源，根据有关资料上给出的测试端子的位置测量各级电压，有偏差的应调整到给定值，并作好记录。

（3）将状态开关置于适当的位置，如日本FANUC系统应放置在MDI状态，选择到参数页面。逐条逐位地核对参数，这些参数应与随机所带参数表符合。如发现有不一致的参数，应搞清各个参数的意义后再决定是否修改，如齿隙补偿的数值可能与参数表不一致，这在进行实际加工后可随时进行修改。

（4）将状态选择开关放置在JOG位置，将点动速度放在最低档，分别进行各坐标正反方向的点动操作，同时用手按与点动方向相对应的超程保护开关，验证其保护作用的可靠性，然后，再进行慢速的超程试验，验证超程撞块安装的正确性。

（5）将状态开关置于回零位置，完成回零操作，参考点返回的动作不完成就不能进行其它操作。因此遇此情况应首先进行本项操作，然后再进行第（4）项操作。

（6）将状态开关置于JOG位置或MDI位置，进行手动变档试验，验证后将主轴调速开关放在最低位置，进行各档的主轴正反转试验，观察主轴运转的情况和速度显示的正确性，然后再逐渐升速到最高转速，观察主轴运转的稳定性。

（7）进行手动导轨润滑试验，使导轨有良好的润滑。

（8）逐渐变化快移超调开关和进给倍率开关，随意点动刀架，观察速度变化的正确性。

4.4MDI试验

（1）测量主轴实际转速将机床锁住开关放在接通位置，用手动数据输入指令，进行主轴任意变档，变速试验，测量主轴实际转速，并观察主轴速度显示值，调整其误差应限定在5％之内。

（2）进行转塔或刀座的选刀试验其目的是检查刀座或正、反转和定位精度的正确性。

（3）功能试验根据定货的情况不同，功能也不同，可根据具体情况对各个功能进行试验。为防止意外情况发生，最好先将机床锁住进行试验，然后再放开机床进行试验。

（4）EDIT功能试验将状态选择开关置于EDIT位置，自行编制一简单程序，尽可能多地包括各种功能指令和辅助功能指令，移动尺寸以机床最大行程为限，同时进行程序的增加，删除和修改。

（5）自动状态试验将机床锁住，用编制的程序进行空运转试验，验证程序的正确性，然后放开机床，分别将进给倍率开关，快速超调开关，主轴速度超调开关进行多种变化，使机床在上述各开关的多种变化的情况下进行充分地运行，后将各超调开关置于100％处，使机床充分运行，观察整机的工作情况是否正常。

5控机床机械结构故障分析与维修

5．1械结构故障分析的方法

数控机床机械故障诊断方法如下表

5．2的故障分析与维修

以下为主轴常见故障及其与维修方法

故障现象故障原因排除方法

切削震动大主轴箱和床身连接螺钉松动恢复精度后禁锢连接螺钉

轴承预紧力不够,游隙过大重新调整轴承游隙.但预紧力

不宜过大,以免损坏轴承.

轴承预紧螺母松动,使主轴窜动禁锢禁固螺母,确保主轴精度合格

轴承拉毛或损坏更换轴承

主轴与箱体超差修理主轴或箱体,使其配合精

度,位置精度达到要求

齿轮和轴承损坏主轴箱和床身连接螺钉松动恢复精度后

变挡机构损坏或固定挡销脱落修复或更换零件

诊断方

法

原理及特征应用

简易诊断法听、摸、

看、问、

嗅

借用简单工具、仪器,如百分表、水准

仪、光学仪等检测;通过人的感官,直接观察

形貌、声音、温度、颜色和气味的变化,根

据经验来诊断

需要有丰富的实践经验

精密诊断法温度检

测

接触型：采用温度计、热电偶、测量贴

片、热敏涂料直接接触轴承、电动机、齿轮

箱等装置的表面进类型行测量．

非接触型：采用先进的红外测温仪、红

外热像仪、红外扫描仪等遥测不宜接近的物

体．

具有快速、正确、方便的特点

用于机床运行中发热异常的

检测

震动测

试

通过安装在机床某些特征点上的传感

器，利用震动计巡回检测，检测机床上特定

测量处的总振级大小，如位移、速度、加速

度和幅频特性等，对故障进行预测和检测

振动和噪声是应用最多的

诊断信息．首先是强度测定，

确认有异常时，再作定量分

析

噪声检

测

用噪声测量计、声波计对机床齿轮、轴

承在运行中的噪声信号频谱的变化规律进

行深入分析，识别和判别齿轮、轴承磨损失

效故障状态

轴承预紧力过大或无润滑重新调整预紧力,并使之润滑

充足

主轴箱噪声大主动部件平衡不好重做动平衡

齿轮啮合间隙不均衡或严重

损伤

调整间隙或更换齿轮

轴承损坏或传动轴弯曲修复或更换轴承,校直传动轴

传动带长度不一或过松调整或更换传动带不能新旧

混用

齿轮精度差更换齿轮

润滑不良调整润滑油量,保持主轴箱的

清洁度

主轴无变速变挡信号是否输出维修人员检查处理

压力是否足够检测并调整工作压力

变挡液压缸研损或卡死修毛刺和研伤,清洁后重装

变挡液压缸拨叉脱落修复或更换

5．3的故障诊断(分析)与维修

滚珠丝杠螺母副的常见故障及其诊断维修见下表所示

故障现象故障原因排除方法

加工工件粗糙度值高行导轨的润滑油不足,致使溜

板滑

加润滑油,排除润滑故障

滚珠丝杠有局部拉毛或研磨更换或修理丝杠

丝杠轴承损坏,运动不平稳更换损坏的轴承

伺服电动机未调整好,增益过

大

伺服电动机未调整好,增益过大

滚珠丝杠在运转中转距过大二滑板配合压板过紧或研伤重新调整或修严板，用0.04mm塞尺塞

不进去为合格

丝杠研磨更换

伺服电动机与滚珠丝杠连接

不同轴

调整同轴度并禁锢连接座

无润滑油调整润滑油路

超程开关失灵造成机械故障检查故障并排除

超程开关失灵造成机械故障检查故障并排除

丝杠螺母润滑不良分油器不分油检查定量分油器

油管堵塞清除污物使油管畅通

滚珠丝杠副噪声滚珠丝杠轴承盖压合不良调整压盖,使其压紧轴承

滚珠丝杠润滑不良检查分油器和油路,使润滑油充足

滚珠产生破损更换滚珠

电动机与丝杠联轴器产生松

动

拧紧联轴器锁紧螺钉

6数控机床电气系统故障与分析6.1接触器常见故障现象及诊断(分析)

接触器常见故障及诊断如下:

象故障现故障原因

电源

电压

机械电磁铁主触头负

载

效

应

操作

使用弹簧机构励磁线

圈

铁心

主触点不闭合过低锈住粘

连、恢

复弹簧

变硬

铁心机械

锈住或卡

住

断线、线

圈额顶

电压高

与电源

电压

铁心极

面有油

污、尘埃

或气隙

太大

线圈断电而铁心不释放恢复弹

簧损坏

失效

机构松动、

脱落或位

移

工作气

隙减小

导致剩

磁增大

使用

寿命

过长

主触头不释放回路

电压

过低

触头弹

簧压力

小

熔焊、烧

结、金属

颗粒凸

起

负

载

侧

短

路

频率

过高

或长

期过

载

电磁铁噪声大过底触头弹

簧压力

过大

铁心机械

锈住或卡

住

接线点

接触不

良

铁心短

路环断

裂

电磨损、

接触不

良

主触头不释放过高，

过底

匝间短

路

操作

频率

过高

6.2热继电器常见故障现象及诊断(分析)

对于热继电器,产生不动作与误动作的原因可从控制输入、机构与参数、负载效应等几方面来分析.如电机已严重过载,则热继电器不动作的原因如下.

(1)电机的额定电流选择得太大,造成受载电流过大.

(2)整定电流调节太大,造成动作滞后.

(3)动作机构卡死,导板脱出.

7可编程控制器模块的故障诊断与维修

7.1 PLC概述

7.1.1PLC的特点

(1)可靠性高,适用于工业现场环境

(2)编程简单,易于掌握

(3)控制程序可变,具有很好的柔性

(4)直接带负载能力强

(5)接口简单,维护方便

7.1.2 PLC的分类

(1)按结构形式划分

按结构形式分为整体式和模块式两种.

(2)按控制规模分

根据PLC输入、输出口的个数PLC可分为超小型、小型、中型及大型机

类型.

○1超小型机,其I/O点数在64以内,内存容量在256-1000B之间;

○2小型机, 其I/O点数在64-256之间,内存容量在1-3.6KB之间;

○3中型机, 其I/O点数在256-2048之间,内存容量在3.6-13KB;

○4大型机, 其I/O点数在2048以上,内存容量在13KB以上.

7.1.3 PLC的主要功能

(1)顺序控制功能.

(2)运动控制功能.

(3)过程控制功能.

(4)数据控制功能.

(5)通信联网功能.

7.2可编程控制器的结构组成

7.2.1 PLC的结构组成

(1)硬件组成:是有中央处理器(CPU)、存储器、输入/输出单元(模块)、编程器、扩展接口、外设I/O借接口和电源组成.

(2)软件组成:PLC 软件是指PLC工作时所使用的各种程序的集合,包括系统软件和应用软件.

7.2.2可编程控制器故障诊断

常用的PLC故障诊断的方法有以下几种。

（1）根据报警信号诊断故障

（2）根据动作顺序诊断故障

（3）根据控制对象的工作原理诊断故障

（4）根据PLC的I/O状态诊断故障

（5）通过PLC梯形图诊断故障

动态跟踪梯形图诊断故障

8直流伺服系统的故障诊断(分析)与维修

8.1主轴伺服系统故障诊断与维修

直流电动机伺服系统故障诊断如下表所示:

直流主轴伺服系统的故障现象发生故障的可能原因

主轴不转印刷线路板太脏

触发电路脉冲电路故障,没有脉冲发生

主轴电动机动力先断线或与主轴控制

单元连接不良

高/低挡齿轮切换用的离合器切换不良

机床负载太大

机床未给出主轴旋转信号

电动机转速异常或转速不稳定测速发电机断线

速度指令错误

过负载

印刷电路板故障

电流极限设定错误

同步脉冲紊乱

过流报警主轴电动机电枢线圈内部短路

负荷太大

电流零信号没有输出

主轴被制动

速度偏差太大印刷电路板不良（LED1不亮)

电动机不良

测速发电机不良(LED2灯亮)

熔丝熔断输入电源反相(LED3灯亮)

LED4灯亮,表示过载

由于外加电压过高或干扰引起

励磁电流太大

励磁控制回路不动作

热继电器跳闸晶闸管整流部分太脏,造成绝缘能力降

低

电动机过热减速极限电路调整不良

过电压吸收器烧坏电流反馈回路不良

运转终止

8.2进给伺服系统故障诊断与维修

直流电动机的常见故障及其诊断如下.

（1）伺服电动机不转

当机床开机后,CNC工作正常,但伺服电动机不转.从电动机本身以及相关部分来说,可能有以下几方面的原因。

○1电枢线断线或接触不良。

○2电动机永磁体脱落。

○3制动器不良或制动器未接通电造成的制动器未松开。

（2）伺服电动机过热

伺服电动机过热的原因如下。

○1电动机负载过大。

○2由于切削液和电刷灰引起换向器绝缘不正常或内部短路。

○3由于电枢电流大于磁钢去磁最大允许电流，造成磁钢发生去磁。

（3）低速加工时工件表面有大的镇纹

造成低速加工时工件表面振纹的原因教多，包括刀具、切削参数、机床等方面的原因，应予以综合分析，从电动机方面看有以下原因。

○1电动机的永磁体被局部去磁。

○2测速发电机性能下降。

（4）伺服电动机机噪声大

造成直流伺服电动机噪声大的原因主要有以下原因。

○1换向器接触面粗糙或换向器损坏。

○2电动机轴向间隙太大。

○3切削液等进入电刷槽中，引起换向器的局部振动。

结论

以上对于数控系统维修技术的阐述，是我们几年中近百次数控系统的调试和维修的经验的总结。虽然，数控系统种类繁多，故障千变万化，维修方法也不尽相同，一篇短文很难尽述，但是我们仍希望把一些基本方法与思路写出来，与大家交流以期能引起人们对数控系统维修技术的重视，维修技术的直接目的和结果是使数控系统恢复正常运行，从而保证生产的顺利进行。目前在我们国家数控技术正迅速向各工业部门渗透，随着电子技术的发展，数控技术在国民经济中的地位也就随之提高，那么对于数控技术重要组成部分—数控系统维修技术也应迅速适应数控技术飞速发展的要求，作为一名数控系统维修技术人员，就应该不断地学习和掌握新的知识与技术，寻找新的维修诊断的方法和手段，为推动数控系统维修技术的发展做出应有的贡献。

参考文献：

[1] 蒋洪平主编. 数控设备故障诊断与维修. 北京理工大学出版社,2006.8.

[2] 王泓主编. 机械制造基础. 北京理工大学出版社,2006.

[3] 徐衡等编著.数控机床故障维修.化学工业出版社 2005.08月

[4] 黄翔，李迎光编著.数控编程理论、技术与应用.清华大学出版社 2006.01

[5] 王钢编著.数控机床调试、使用与维护.化学工业出版社 2006.03

[6]陈子银，陈为华主编.数控机床结构原理与应用.北京理工大学出版

社 2006.08

[7] 徐衡编著. 数控机床维修/FANUC系统实用技术丛书.辽宁科学技术出版社 2005.01

致谢

通过这次毕业设计，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心，只有发现问题面对问题才有可能解决问题，不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为祖国的四化服务。

在此更要感谢我的导师和专业老师，是你们的细心指导和关怀，使我能够顺利的完成毕业论文