机电毕业论文

河南职业技术学院

毕业设计（论文）

题 目数控车床的典型故障分析与维护分析

系（分院）机械电子工程系 学生姓名 陈金磊 学 号 09119003

专业名称 数控设备应用与维护 指导教师 徐海

2011年 11月 1日

河南职业技术学院机械电子工程系（分院）

毕业设计（论文）任务书

姓 名 陈金磊 专 业 数控设备应用与维护 班 级 092

毕业设计（论文） 题 目 数控车床的典型故障分析与维护分析 毕业设计（论文）选题的目的与意义 数控车床具有高度柔性、加工精度高、加工质量稳定可靠、生产率高等特点，但是随着机床使用时间的延长,数控机床会出现这样或那样的故障,通过本文设计我分析了一些机床常见故障，并深入的了解故障发生的原因，从而更好地解决实际应用中出现的问题与故障。 毕业设计（论文）的资料收集情况（含指定参考资料） [1]FANUC-0i-mate使用说明书 [2]大连机床集团数控车床电器说明书 [3]广州数控GSK980T使用说明书 [4]沈阳机床集团数控车床电器说明书 [5]《数控机床故障诊断及维护》 机械工业出版社 王侃夫 编著 [6]《数控PMC编程与调试》 清华大学出版社 曹智军 肖龙 编著 毕业设计（论文）工作进度计划 2011.10.20 接受任务 2011.10.20-2011.10.28 查找资料，编写初稿 2011.10.28-2011.11.17 修稿 2009.11.17- 定稿 接受任务日期 2011 年 10月20日 要求完成日期 2011年元月 学生签名：陈金磊 系（分院） 主任（院长）签名： 年 月 日 年 月 日 指导教师签名： 年 月 日

毕业设计（论文）指导教师评阅意见表

姓 名 专 陈金磊 学 号 09119003 班 级 性 别 092 男 数控设备应用与维护 毕业设计（论文） 题 目 数控车床的典型故障分析与维护分析 评 阅 意 见 成绩 指导教师签字 年 月 日

毕业设计（论文）答辩意见表 姓 名 专 业 陈金磊 数控设备应用与维护 学 号 班 级 09119003 性别 092 男 毕业设计（论文） 题 目 答辩时间 姓 名 组 长 数控车床的典型故障分析与维护分析 职 称 地 点 学 历 从事专业 答辩 小组 成员 秘 书 成 员 答 辩 小 组 意 见 答 辩 成 绩： 答辩小组组长签名： 年 月 日 数控车床的典型故障分析与维护分析

陈金磊

摘要：数控机床正向着高精度、高复杂性、高柔性的方向发展，它是一种价格昂贵的精密设备，因此，其维护更是不容忽视。本文介绍了数控车床应用时出现的典型故障及其出现的原因，分析了机床故障的维修护养的方法，希望可以帮助广大读者更深刻地了解数控车床典型故障发生的原因，从而更好的解决实际应用中出现的问题与故障。故障诊断与维修是本设计的重点。

关键词：数控车床 典型故障 故障维修

数控车床的应用越来越广泛，其加工柔性好，精度高，生产效率高，具有很多的优点，但数控车床是复杂的大系统，它涉及光、机、电、液等很多技术，发生故障是难免的，机械锈蚀、机械磨损、机机械失效，电子元器件老化、插件接触不良、电流电压波动、温度变化、干扰、噪声，软件丢失或本身有隐患、灰尘等、但由于技术越来越先进、复杂，且我国从事数控车床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控车床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践 带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大变化。因此对维修人员的素质要求很高的维修经验，要求他们具有较深的专业知识和丰富的维修经验，在数控车床出现故障才能及时排除。所以要求数控车床维护人员不仅要有机械加工工艺以及液压气动方面的知识，还要具备电子计算机﹑自动控制﹑驱动及测量技术等方面的知识 ，这样才能全面的了解和掌握数控车床，及时搞好维护保养工作。

一、数控机床

（一）、数控加工的概念

首先，要知道数控机床一般的故障出现在什么地方或者是如何去解决问题，我们就必须得熟练的了解数控机床的工作原理及特点等相关的一些知识！这样我们才能在遇到这些问题的时候得心应手。数控机床的工作原理就是将加工过程所需的各种操作（如主轴变速、工件的松开与夹紧、进刀与退刀、开车与停车、自动关停冷却液）和步骤以及工件的形状尺寸用数字化的代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入数控装置，数控装置对输入的信息进行处理与运算，发出各种控制信

号，控制机床的伺服系统或其他驱动元件，使机床自动加工出所需要的工件。所以，数控加工的关键是加工数据和工艺参数的获取，即数控编程。数控加工一般包括以下几个内容：

1、 对图纸进行分析，确定需要数控加工的部分； 2、 利用图形软件对需要数控加工的部分造型；

3、根据加工条件，选择合适的加工参数，生成加工轨迹（包括粗加工、半精加工、精加工轨迹）；

4、 轨迹的仿真检验； 5、 生成G代码； 6、 传给机床加工。

（二）、数控机床使用中应注意的事项

使用数控机床之前，应仔细阅读机床使用说明书以及其他有关资料，以便正确操作使用机床，并注意以下几点：

1、 机床操作、维修人员必须是掌握相应机床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员，且必须按安全操作规程及安全操作规定操作机床；

2、 非专业人员不得打开电柜门，打开电柜门前必须确认已经关掉了机床总电源开关。只有专业维修人员才允许打开电柜门，进行通电检修；

3、 除一些供用户使用并可以改动的参数外，其它系统参数、主轴参数、伺服参数等，用户不能私自修改，否则将给操作者带来设备、工件、人身等伤害；

4、 修改参数后，进行第一次加工时，机床在不装刀具和工件的情况下用机床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认机床正常后再使用机床；

5、 机床的PLC程序是机床制造商按机床需要设计的，不需要修改。不正确的修改，操作机床可能造成机床的损坏，甚至伤害操作者；

6、 建议机床连续运行最多24小时，如果连续运行时间太长会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响机床的精度；

7、 机床全部连接器、接头等，不允许带电拔、插操作，否则将引起严重的后果。

二、数控机床故障诊断及处理的基本原则

数控机床的大部分故障都以综合故障形式出现，判断与处理原则如下。 1.调查故障现场

机床故障发生后，维修人员首先要向操作者了解机床在什么情况下出现故障，故障现象如何，操作者采取了什么措施。再仔细观察数控装置的工作寄存冲工作寄存器中尚存的工作内容，了解已执行的程序内容及自诊断显示的报警内容，然后按数控系统的复位键，观察系统经清除复位后故障报警是否消失，如果消失，多属于软件故障，否则是硬件故障。对于非破坏性故障，有条件时可再现故障，观察现象，以验证分析是否正确。

2.分析可能造成故障的因素

数控机床出现的同一故障现象，其原因是多种多样的，有可能是由于机械、电气及控制系统等造成的。要准确地判断故障出现的环节和造成故障的原因，必须罗列所有相关的因素。

例如，行程开关工作不正常时，其影响因素可能有以下几个方面：1)机械运动不到位，开关未压下；2)机械结构不合理，开关松动或挡块太短；3)开关

自身质量有问题；4)开关选型不当；5)防护措施不好，开关内进了杂物，使动作失常。

3.确定产生故障的原因

由于造成故障的因素很多，因此维修人员必须利用该机床的技术档案，凭借现场操作经验、判断能力和掌握的机、电、液等综合专业技术知识，通过必

要的测试手段，最后判别可能产生故障的原因，最后通过必要的试验，逐一寻找、确定故障源。

三、典型故障

（一）、换刀装置故障

数控车换刀一般的过程是：换刀电机接到换刀信号后，通过蜗轮蜗杆减速带动刀架旋转，由霍尔元件发出刀位信号，数控系统再利用这个信号与目标值进行比较以判断刀具是否到位。刀换到位后,电机反转缩紧刀架。在维修数控车的过程中可能遇到了以下几个故障现象。

故障一：一台四刀位数控车床，发生一号刀位找不到，其它刀位能正常换刀的故障现象。

故障分析：由于只有一号刀找不到刀位，可以排除机械传动方面的问题，确定就是电气方面的故障。可能是该刀位的霍尔元件及其周围线路出现问题，导致该刀位信号不能输送给PLC。对照电路图利用万用表检查后发现：1号刀位霍尔元件的24V供

电正常，GND线路为正常，T1信号线正常。因此可以断定是霍尔元件损坏导致该刀位信号不能发出。

解决办法：更换新的霍尔元件后故障排除，一号刀正常找到。 （二）、稳压电源故障

机床在运行时机床照明灯突然不亮，机床操作面板灯也不亮，系统电源正常，同时系统急停报警，和主轴无信号警。关机后重新上电故障依旧。

故障分析检查：经询问当时操作人员，没有违规操作，排除人为原因，也可以排除机械原因，应该是电气故障引起。该机床的电器原理图显示，这些失电区域都和24V有关，并且该机床拥有两个稳压电源，一个是I/O接口电源，另一个为系统电源。失电区域都与I/O接口有关，于是打开电气柜观察发现I/O接口稳压电源指示灯未能点亮，说明该电源未能正常工作或损坏。由稳压电源的工作原理知道，稳压电源有电流短路和过载保护的功能，当电源短路或过载时自动关断电源输出，以保护电源电路不被损坏。于是试着把电源的输出负载线路拆下来，结果发现重新上电后电源指示灯亮了。这说明电源本身没有损坏。通过分析得知该电源为I/O接口电源，负载不大，也不会出现过载现象，应该是输出回路中有短路故障。沿着输出线号进行检查发现有一根24V+输出线接头从绝缘胶布中露出并接触到机床床体。原因很明显：由于该线与机床发生对地短路，造成该稳压电源处于自我保护状态，使得操作面板和一些I/O接口继电器供电停止，导致发生以上故障。至于变频器报警可能24V信号不能到位发出报警。

解决办法：用绝缘胶布把接头处重新包好，重新上电开机所有故障解决，报警解除照明灯也亮了。

（三）、伺服系统故障

由于数控系统的控制核心是对车床的进给部分进行数字控制，而进给是由伺服单元控制伺服电机，带动滚珠丝杠来实现的，由旋转编码器做位置反馈元件，形成半闭环的位置控制系统。所以伺服系统在数控车床上起的作用相当重要。伺服系统的故障一般都是由伺服控制单元、伺服电机、测速电机、编码器等出现问题引起的。

1、机床停止时，有关进给轴振动：

（1）检查高频脉动信号并观察其波形及振幅，若不符合应调节有关电位器 （2）检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器 （3）检查位置检测用编码盘的轴、联轴节、齿轮系是否啮合良好

2、机床运行时声音不好，有摆动现象

（1）首先检查测速发电机换向器表面是否光滑、清洁，电刷与换向器间是否接触良好

（2）检查伺服放大器速度环的补偿功能，若不符合应调节补偿用电位器 （3）检查伺服放大器位置环增益是否符合要求，若不符合要求对有关的电位器应予以调整

（4）检查位置检测器与联轴节间的装配是否有松动

（5）检查由位置检测器来的反馈信号的波形及D/A转换后的波形幅度 3、飞车现象

（1）位置传感器或速度传感器的信号反相，或者是电枢线接反了，即整个系统不是负反馈而变成正反馈了

（2）速度指令给的不正确

（3）位置传感器或速度传感器的反馈信号没有接或者是有接线断开 （4）CNC控制系统或伺服控制板有故障电源板有故障而引起的逻辑混乱

（四）、NC系统故障

1、硬件故障

硬件故障是指已损坏的器件就能排除的故障，有时由于NC系统出现硬件的损坏，使车床停机。对于这类故障的诊断，首先必须了解该数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，在有条件的情况下利用交换法准确定位故障点。

2、软故障

软故障是指由于编程错误造成的软件故障，只要 改变程序内容，修改机床参数设定就能排除故障，数控车床有些故障是由于NC系统车床参数引起的，有时因为设置不当，有时因意外使参数发生变化或混乱，这类故障只要调整好参数，就会自然消失。还有些故障由于偶然原因使NC系统处于死循环状态，这类故障有时必须采取强行启动的方法恢复系统的使用。

3、因其它原因引起的NC系统故障有时因供电电源出现问题或缓冲电池失效也会引起系统故障。

四、数控车床故障排除的方法

（一）、直观法

这是一种最基本的方法。维修人员通过对故障发生时的各种光、声、味等异常现象的观察以及认真察看系统的每一处，往往可将故障范围缩小到一个模块或一块印刷线路板。这要求维修人员具有丰富的实际经验，要有多学科的较宽的知识和综合判断的能力。

（二）、自诊断功能法

现代的数控系统虽然尚未达到智能化很高的程度，但已经具备了较强的自诊断功能。能随时监视数控系统的硬件和软件的工作状况。一旦发现异常，立即在CRT上报警信息或用发光二极管批示出故障的大致起因。利用自诊断功能，也能显示出系统与主机之间接口信号的状态，从而判断出故障发生在机械部分还是数控系统部分，并批示出故障的大致部位。这个方法是当前维修时最有效的一种方法。

（三）、功能程序测试法

所谓功能程序测试法就是将数控系统的常用功能和特殊功能，如直线定位、圆弧插补、螺纹切削、固定循环、用户宏程序等用手工编程或自动编程方法，编制成一个功能程序测试纸带，通过纸带阅读机送入数控系统中，然后启动数控系统使之进行运行，藉以检查车床执行这些功能的准确性和可靠性，进而判断出故障发生的可能起因。本方法对于长期闲置的数控车床第一次开机时的检查以及车床加工造成废品但又无报警的情况下，一时难以确定是编程错误或是操作错误，还是车床故障时的判断是一较好的方法。

（四）、交换法

所谓交换法就是在分析出故障大致起因的情况下，维修人员可以利用备用的印刷线路板、模板，集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分，从而把故障范围缩小到印刷线路板或芯片一级。它实际上也是在验证分析的正确性。在备板交换之前，应仔细检查备板是否完好，并应检查备板的状态应与原板状态完全一致。这包括检查板上的选择开关，短路棒的设定位置以及电位器的位置。在置换CNC装置的存储器板时，往往还需要对系统作存储器的初始化操作（如日本FANUC公司的FS—6系统用的磁泡存储器就需要进行这项工作），重新设定各种数控数据，否则系统仍将不能正常地工作。又如更换FANUC公司的7系统的存储器板之后，需重新输入参数，并对存储器区进行分配操作。缺少了后一步，一旦零件程序输入，将产生60号报警（存储器容量不够）。总之，一定要严格地按照有关系统的操作、维修说明书的要求进行操作。

（五）、转移法

所谓转移法就是将CNC系统中具有相同功能的二块印刷线路板、模块、集成电路芯片或元器件互相交换，观察故障现象是否随之转移。藉此，可迅速确定系统的故障部位。这个方法实际上就是交换法的一种。因此，有关注意事项同交换法所述。

（六）、参数检查法

众所周知，数控参数能直接影响数控车床的功能。参数 通常是存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM中，一旦电池不足或由于外界的某种干扰等因素，会使个别参数丢失或变化，发生混乱，使车床无法正常工作。此时，通过核对、修正参数，就能将故障排除。当车床长期闲置工作时无缘无故地出现不正常现象或有故障而无报警时，就应根据故障特征，检查和校对有关参数。另外，经过长期运行的数控车床，由于其机械传动部件磨损，电气无件性能变化等原因，也需对其有关参数进行调整。有些车床的故障往往就是由于未及时修改某些不适应的参数所致。当然这些故障都是属于故障的范畴.

（七）、测量比较法

CNC系统生产厂在设计印刷线路板时，为了调整、维修的便利，在印刷线路板上设计了多个检测用端子。用户也可利用这些端子比较测量正常的印刷线路板和有故障的印刷线路板之间的差异。可以检测这些测量端子的电压或波形，分析故障的起因及故障的所在位置。甚至，有时还可对正常的印刷线路人为地制造\"故障\"，如断开连线或短路，拨去组件等，以判断真实故障的起因。为此，维修人员应在平时积累印刷线路板上关键部位或易出故障部位在正常时的正确波形和电压值,因为CNC系统生产厂往往不提供有关这方面的资料。

（八）、敲击法

当系统出现的故障表现为若有若无时，往往可用敲击法检查出故障的部位所在,这是由于CNC系统是由多块印刷线路板组成，每块板上又有许多焊点，板间或模块间又通过插接件及电缆相连。因此，任何虚焊或接触不良，都可能引起故障。当用绝缘物轻轻敲打有虚焊及接触不良的疑点处，故障肯定会重复再现。

（九）、局部升温

CNC系统经过长期运行后元器件均要老化，性能会变坏。当它们尚未完全损坏时，出现的故障变得时有时无。这时可用热吹风机或电烙铁等来局部升温被怀疑的元器

件，加速其老化，以便彻底暴露故障部件。当然，采用此法时，一定要注意元器件的温度参数等，不要将原来是好的器件烤坏。

（十）、原理分析法

根据CNC系统的组成原理，可从逻辑上分析各点的逻辑电平和特征参数（如电压值或波形），然后用万用表、逻辑笔、示波器或逻辑分析仪进行测量、分析和比较，从而对故障定位。运用这种方法，要求维修人员必须对整个系统或每个电路的原理有清楚的、较深的了解。

除了以上常用的故障检查测试方法外，还有拔板法，电压拉偏法，开环检测法以及诊断方法等多种。这些检查方法各有特点，按照不同的故障现象，可以同时选择几种方法灵活应用，对故障进行综合分析，才能逐步缩小故障范围，较快地排除故障。

结束语

通过这次毕业设计（论文），我更加深刻的体会到数控技术在机械工业的使用及它的维修思路和方法。巩固了对数控车床维修技术的掌握，在实例中加深了对理论知识的理解，数控车床自身所具有的明显优势（高速化、大功率、高效率、长寿命等）使得它在工业中的应用前景极为乐观，随着数控技术进一步的开发和利用，我们深信，它必将在机械工程领域发挥巨大的作用。

设计（论文写作）过程中虽然出现了这样或那样的错误，但经过老师的指点和同学的帮助不但解决了问题还学到了不少知识。经过这次毕业设计（论文写作）我系统的复习了三年来所学的知识，以前模糊不清楚的问题得到了很好的解决。

由于知识水平有限，错误和遗憾在所难免，请各位老师和同学批评指正。

参考文献：

[1]FANUC-0i-mate使用说明书 [2]大连机床集团数控车床电器说明书 [3]广州数控GSK980T使用说明书 [4]沈阳机床集团数控车床电器说明书

[5]《数控机床故障诊断及维护》 机械工业出版社 主编 王侃夫

[6]《数控机床床故障诊断与维修》 电子工业出版社出版 主编 吴国经 [7]《数控PMC编程与调试》 清华大学出版社 曹智军 肖龙 编著