常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:14 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 数控机床故障诊断及维修实例 授课类型 讲授 课时数4 教学用具体的故障诊断案例来让学生熟悉故障诊断的基本过程 目的 重点故障的分析过程 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 通过对数控机床典型故障案例的介绍,说明了数控系统、进 给传动链、主轴变速挂档、工作台交换、润滑系统和接口信号的 故障诊断的方法,有助于读者对数控机床的故障诊断有整体和综 合性的考虑。 1数控系统故障诊断 11故障现象 一配置 SINUMERIK820T数控系统的车床在通电后,数控 系统起动失败,所有功能操作键都失效,CRT上只显示系统页面 并锁定,同时,CPU模块上的硬件出错红色指示灯点亮,如图8 1所示 12故障诊断 12.1故障了解 经过对现场操作人员的询问,了解到故障发生之前,有维护人 员在机床通电的情况下,曾经按过系统位控模块上伺服轴位置反 馈的插头,并用螺钉旋具紧固了插头的紧固螺钉,之后就造成了 上述故障。 12.2故障分析 无论在断电或通电的情况下,如果用带电的螺钉旋具或人的肢 体去触模数控系统的联接接口,都容易使静电窜人数控系统而造 成电子元器件的损坏。在通电的情况下紧固或插拔数控系统的连 接插头,很容易引起接插件短路从而造成数控系统的中断保护或 电子元器件的损坏,故判断故障是由上述原因引起的
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 14 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 数控机床故障诊断及维修实例 授课类型 讲 授 课时数 4 教 学 目 的 用具体的故障诊断案例来让学生熟悉故障诊断的基本过程。 重 点 难 点 故障的分析过程 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 通过对数控机床典型故障案例的介绍，说明了数控系统、进 给传动链、主轴变速挂档、工作台交换、润滑系统和接口信号的 故障诊断的方法，有助于读者对数控机床的故障诊断有整体和综 合性的考虑。 1 数控系统故障诊断 1.1 故障现象 一配置 SINUMERIK 820T 数控系统的车床在通电后，数控 系统起动失败，所有功能操作键都失效，CRT 上只显示系统页面 并锁定，同时，CPU 模块上的硬件出错红色指示灯点亮，如图 8 —1 所示。 1.2 故障诊断 1.2.1 故障了解 经过对现场操作人员的询问，了解到故障发生之前，有维护人 员在机床通电的情况下，曾经按过系统位控模块上伺服轴位置反 馈的插头，并用螺钉旋具紧固了插头的紧固螺钉，之后就造成了 上述故障。 1.2.2 故障分析 无论在断电或通电的情况下，如果用带电的螺钉旋具或人的肢 体去触模数控系统的联接接口，都容易使静电窜人数控系统而造 成电子元器件的损坏。在通电的情况下紧固或插拔数控系统的连 接插头，很容易引起接插件短路从而造成数控系统的中断保护或 电子元器件的损坏，故判断故障是由上述原因引起的
13解决方法 1)在机床通电的状态下,一手按住电源模块上的复位按钮 ( RESET),另一手按数控系统起动按钮,系统即恢复正常,页面 可翻转。另一种方法是,在按下系统起动按钮的同时,按住系统 面板上的“眼睛键”,直到CRT上出现页面,该方法同样适用于 810系统。 2)通过 INITIAL CLEAR(初始化)及 SET UP END PW(设定 结束)软键操作,进行系统的初始化,系统即进入正常运行状态。 如果上述解决方法无效,则说明系统已损坏,必须更换相应 的模块甚至系统 14故障总结 安装、调试和维修人员必须熟悉相关数控系统及技术资料。 2)安装、调试和维修人员必须严格按规范操作。 3)记录故障发生的经过,以便能从时查找故障原因 2进给传动链故障诊断 21故障现象 由某龙门数控铣削中心加工的零件,在检验中发现工件Y轴 方向的实际尺寸与程序编制的理论数据存在不规则的偏差,该机 床布局如图8-2所示 W 图8-2龙门数控铣削中心 22故障分析 从数控机床控制角度来判断,Y轴尺寸偏差是由Y轴位置环 偏差造成的。该机床数控系统为 SINUMERIK81OM,伺服系统为 SIMUMERIK611A驱动装置,Y轴进给电动机为FT5交流伺服 电动机带内装式的ROD302 1)检査y铀有关位置参数,如反向间隙、夹紧允差等均在要 2
2 1.3 解决方法 1)在机床通电的状态下，一手按住电源模块上的复位按钮 (RESET)，另一手按数控系统起动按钮，系统即恢复正常，页面 可翻转。另一种方法是，在按下系统起动按钮的同时，按住系统 面板上的 “眼睛键”，直到 CRT 上出现页面，该方法同样适用于 810 系统。 2)通过INITIAL CLEAR(初始化)及SET UP END PW(设定 结束)软键操作，进行系统的初始化，系统即进入正常运行状态。 如果上述解决方法无效，则说明系统已损坏，必须更换相应 的模块甚至系统。 1.4 故障总结 1)安装、调试和维修人员必须熟悉相关数控系统及技术资料。 2)安装、调试和维修人员必须严格按规范操作。 3)记录故障发生的经过，以便能从时查找故障原因。 2 进给传动链故障诊断 2.1 故障现象 由某龙门数控铣削中心加工的零件，在检验中发现工件 Y 轴 方向的实际尺寸与程序编制的理论数据存在不规则的偏差，该机 床布局如图 8—2 所示。 2.2 故障分析 从数控机床控制角度来判断，Y 轴尺寸偏差是由 Y 轴位置环 偏差造成的。该机床数控系统为 SINUMERIK 810M，伺服系统为 SIMUMERIK 611A 驱动装置，Y 轴进给电动机为 1FT5 交流伺服 电动机带内装式的 ROD302。 1)检查 y 铀有关位置参数，如反向间隙、夹紧允差等均在要
求范围内,故可排除由于参数设置不当引起故障的因素。 2)检查Y轴进给传动链。图8-3所示为该机床Y轴进结传 动链简图 从图8-3中可以看出,传动链中任何连接部分存在间隙 或松动,均可引起位置偏差,从而造成加工零件尺寸超差 图83Y轴进给传动链 l一同步齿形节2—带轮 3-Y轴何服电动机 23故障诊断 1)如图8-4a所示,将一个千分表座吸在横梁上,表头找正 主铀y运动的负方向.并使表头压缩到50um左右,然后把表头 复位到零。 2)将机床操作面板上的工作方式,开关置于增量方式(INC的 x10档,轴选择开关置于Y轴档,按负方向进给键,观察干分表 读数的变化。理论上应该每按一下,千分表读数增加10um。在补 偿掉反向间隙的情况下.每按一下正方向进给键,干分表的读数 应减掉10um。经测量,Y铀正、负两个方向的增量运动都存在 不规则的偏差 3)戕找一粒滚珠置于滚珠丝杠的端部中心,用干分表的表头顶 住滚珠,如图8-4b所示。将机床操作面板卜的工作方式开 m 图84安装千分表方式 a)表头找正主轴b)表头找正丝杠端面 轴2—滚珠丝杠 一滚珠4一千分表
3 求范围内，故可排除由于参数设置不当引起故障的因素。 2)检查 Y 轴进给传动链。图 8—3 所示为该机床 Y 轴进结传 动链简图。 从图 8—3 中可以看出，传动链中任何连接部分存在间隙 或松动，均可引起位置偏差，从而造成加工零件尺寸超差。 2.3 故障诊断 1)如图 8—4a 所示，将一个千分表座吸在横梁上，表头找正 主铀 y 运动的负方向．并使表头压缩到 50um 左右，然后把表头 复位到零。 2)将机床操作面板上的工作方式，开关置于增量方式(INC)的 x10 档，轴选择开关置于 Y 轴档，按负方向进给键，观察干分表 读数的变化。理论上应该每按一下，千分表读数增加 10um。在补 偿掉反向间隙的情况下．每按一下正方向进给键，干分表的读数 应减掉 10um。经测量， Y 铀正、负两个方向的增量运动都存在 不规则的偏差。 3)找一粒滚珠置于滚珠丝杠的端部中心，用干分表的表头顶 住滚珠，如图 8—4b 所示。将机床操作面板卜的工作方式开
关置于手动方式(JOG),校正、负方向的进给键,主轴箱沿y轴正 负方向连续运动,观察干分表读数元明显变化,故排除滚珠丝杠 轴向窜动的可能。 4)检查与Y轴伺服电机和滚珠丝杠连接的同步齿形带轮,发 现与伺服电动机转子轴联接的带轮锥套有松动,使得进给传动与 伺服电动机驱动不同步。由于在运行中松动是不规则的,从而造 成位置偏差的不规则,最终使零件的加工尺寸出现不规则的偏差 24故障总结 由于Y轴通过ROG320编码器组成半闭环的位置控制系统 因此编码器检测的位置值不能真正反映y轴的实际位置值,位置 控制精度在很大积度上由进给传动链的传动精度决定: 1)在日常维护小要注意对进给传动链的检查,特别是有关连 接元件,如联轴器、锥套等有无松动现象 2)根据传动链的结构形式,采用分步检查的方式,排除可能 引起故障的因素,最终确定故障的部位。 3)通过对加工零件的检测,随时监测数控机床的动态精度 以决定是否对数控机床的机械装置进行调整。 3加工中心主轴变速齿轮挂档故障诊断 31故障现象 加工中心通过齿轮换档变速而获得宽的调速范围,以适应不 同加工要求的需要。某加工中心主轴齿轮换档是通过液压缸活塞 带动拔叉来完成的,仟执行M38或M39指令换刀时,出现滑移 齿轮不能正确地与相应的齿轮啮合,以致挂档失败的故障 32故障分析 33挂档原因 因此,技档故障的原因:①主轴换档定向控制电路故障,造 成挂档信号发出后,主轴尚在蠕动时就发出厂挂档定向完成信号 由于主轴蠕动时的位置是任意的,因此很容易产生错误挂档:② 齿轮错位,挂档位置与正确位置出现角度偏差,致使原挂的齿轮 档脱不开,却又与需挂的齿轮发生“顶齿”,因而造成挂不上档的 故障 4柔性加工单元APC的故障诊断 5数控机床润滑系统的故障诊断
4 关置于手动方式(JOG)，校正、负方向的进给键，主轴箱沿 y 轴正、 负方向连续运动，观察干分表读数元明显变化，故排除滚珠丝杠 轴向窜动的可能。 4)检查与 Y 轴伺服电机和滚珠丝杠连接的同步齿形带轮，发 现与伺服电动机转子轴联接的带轮锥套有松动，使得进给传动与 伺服电动机驱动不同步。由于在运行中松动是不规则的，从而造 成位置偏差的不规则，最终使零件的加工尺寸出现不规则的偏差。 2.4 故障总结 由于 Y 轴通过 ROG320 编码器组成半闭环的位置控制系统， 因此编码器检测的位置值不能真正反映 y 轴的实际位置值，位置 控制精度在很大积度上由进给传动链的传动精度决定： 1)在日常维护小要注意对进给传动链的检查，特别是有关连 接元件，如联轴器、锥套等有无松动现象。 2)根据传动链的结构形式，采用分步检查的方式，排除可能 引起故障的因素，最终确定故障的部位。 3)通过对加工零件的检测，随时监测数控机床的动态精度， 以决定是否对数控机床的机械装置进行调整。 3 加工中心主轴变速齿轮挂档故障诊断 3.1 故障现象 加工中心通过齿轮换档变速而获得宽的调速范围，以适应不 同加工要求的需要。某加工中心主轴齿轮换档是通过液压缸活塞 带动拔叉来完成的，仟执行 M38 或 M39 指令换刀时，出现滑移 齿轮不能正确地与相应的齿轮啮合，以致挂档失败的故障。 3.2 故障分析 。。。。。。 3.3 挂档原因 因此，技档故障的原因：①主轴换档定向控制电路故障，造 成挂档信号发出后，主轴尚在蠕动时就发出厂挂档定向完成信号。 由于主轴蠕动时的位置是任意的，因此很容易产生错误挂档：② 齿轮错位，挂档位置与正确位置出现角度偏差，致使原挂的齿轮 档脱不开，却又与需挂的齿轮发生“顶齿”，因而造成挂不上档的 故障。 4 柔性加工单元 APC 的故障诊断 。。。。。。 5 数控机床润滑系统的故障诊断
0。.00 6 SINUMERIK850接口信号故障诊断 7加工中心的故障诊断及维修 71故障现象 某配备 SINUMERIK8数控系统的卧式加工中心,CRT频繁 出现113号报警,间或出现111号、112号和114号等报警而使机 床停机。该加工中心外观如图8-15所示 图8-15卧式加工中心外观图 1一刀库2—平衡液压街 3-Y轴伺服电动机4—卜护板 5-电控柜6交换工 作台7一下护板 7.2故障分析 SINUMERIK8系统是一种多微处理器数控系统,适用于大 型数控机床、加工中心和柔性制造单元。根据 SINUMERIK8报 警号特征断定,故障发生在Y铀。113号报警为轮廓误差监视, 提示正在运动铀的实际位置超出TE346机床参数规定的公差带 111号报警为静态误差监视,提示坐标轴定位时的实际位置与给 定位置之差超过了TE01机床参数规定的允差范围Ⅲ2号报警为
5 。。。。。。 6 SINUMERIK 850 接口信号故障诊断 。。。。。。 7 加工中心的故障诊断及维修 7.1 故障现象 某配备 SINUMERIK 8 数控系统的卧式加工中心，CRT 频繁 出现 113 号报警，间或出现 111 号、l12 号和 114 号等报警而使机 床停机。该加工中心外观如图 8—15 所示。 7. 2 故障分析 SINUMERIK 8 系统是一种多微处理器数控系统，适用于大 型数控机床、加工中心和柔性制造单元。根据 SINUMERIK 8 报 警号特征断定，故障发生在 Y 铀。113 号报警为轮廓误差监视， 提示正在运动铀的实际位置超出 TE346 机床参数规定的公差带； 111 号报警为静态误差监视，提示坐标轴定位时的实际位置与给 定位置之差超过了 TEl01 机床参数规定的允差范围 lll2 号报警为
结定速度太高:114号报警为洲星系统硬件监视。Y坐标轴是 个位置闭环控制系统,与其他坐标轴不同之处是:为抵消主轴箱 重量,y坐标轴增加了一套液压平衡系统,且Y轴伺服电动机具 有电磁断电制动装置,固8-16为Y铀伺服控制简图。 图816y轴伺服控制简图 (N(系统2一驱动装置 一滚珠丝螺母副4—立柱导轨 5—光栅6一光栅动尺(扫描头) 7一主轴箱8—平衡液压缸 Y轴位置控制系统由数控系统、光栅、伺服驱动装置、机械 和液压系统等组成。由插补运算得到的位置给定值X与光栅检测 得到的实际位置位Xf比较后,其差值Xe经位置调节和D/A转 换,得到速度给定电压以至Y轴驱动装置以控制y轴驱动伺服电 动机旋转。与Y铀伺服电动机同轴联接的测速发电机输出转速反 馈电压吟至Y轴驱动装置,进行速度比较以保持伺服电动机驱动 的机械特性。伺服电动机经联轴器带动滚珠丝杠转动,使Y坐标 轴上的主铀箱上下运动,Y坐标轴上的光栅扫描头固定在主铀箱 的侧面,光栅尺固定在立柱上,扫描头随主轴箱上下运动主轴箱 上下运动的平衡由平衡液压缸来保证。位置控制系统中的任何部 分出现故障,都会影响到机床运动误差,从而导致机床报警 般情况下,CNC系统故障可能性很小,即使有故障,CRT 将会有明确的指示。根据113号和11号报警信息,查阅机床有 关数据,如TE346和TEl01的设定数据是否在合适的范围内,必 要时可重新调整。很多情况下,113号和111号报警都是由机械 传动链间隙过大和预紧松动引起的:112号报警是由于位置环不 稳定,造成速度给定电压波动;114导报警很明确指明广位置检
6 结定速度太高；114 号报警为洲星系统硬件监视。Y 坐标轴是一 个位置闭环控制系统，与其他坐标轴不同之处是：为抵消主轴箱 重量，y 坐标轴增加了一套液压平衡系统，且 Y 轴伺服电动机具 有电磁断电制动装置，固 8—16 为 Y 铀伺服控制简图。 Y 轴位置控制系统由数控系统、光栅、伺服驱动装置、机械 和液压系统等组成。由插补运算得到的位置给定值 X 与光栅检测 得到的实际位置位 Xf 比较后，其差值 Xe 经位置调节和 D/A 转 换，得到速度给定电压以至 Y 轴驱动装置以控制 y 轴驱动伺服电 动机旋转。与 Y 铀伺服电动机同轴联接的测速发电机输出转速反 馈电压吟至 Y 轴驱动装置，进行速度比较以保持伺服电动机驱动 的机械特性。伺服电动机经联轴器带动滚珠丝杠转动，使 Y 坐标 轴上的主铀箱上下运动，Y 坐标轴上的光栅扫描头固定在主铀箱 的侧面，光栅尺固定在立柱上，扫描头随主轴箱上下运动.主轴箱 上下运动的平衡由平衡液压缸来保证。位置控制系统中的任何部 分出现故障，都会影响到机床运动误差，从而导致机床报警。 一般情况下，CNC 系统故障可能性很小，即使有故障，CRT 将会有明确的指示。根据 113 号和 11l 号报警信息，查阅机床有 关数据，如 TE346 和 TEl01 的设定数据是否在合适的范围内，必 要时可重新调整。很多情况下，113 号和 111 号报警都是由机械 传动链间隙过大和预紧松动引起的；112 号报警是由于位置环不 稳定，造成速度给定电压波动；114 导报警很明确指明广位置检
测装置有故障。因此,故障的诊断和维修将落实到Y轴位置检测 装置和Y轴机械传动链上。 73故障诊断 73.1位置检测装置 如前所述,如果光栅出现故障,会导致信号漏续,即光栅反 映的实际位置与真正的实际位置不符,其结果造成速度给定电压 不稳,位伺服电动机出现瞬时速度变化,导致报警。为此,先检 査连接光栅的电缆和中间接插件,检査结果均完好。然后拆掉光 栅尺的下端密封盖,用手电筒或医用内窥镜检查光栅尺,发现尺 面污染。光栅尺两端接有压缩空气管,空气不洁净会污染尺面, 若不接压缩字气,当扫描头运动时会形成负压,也会把灰尘或油 雾吸人光栅尺内,形成污染。 1.清洗光栅尺的准备工作 拆卸光栅前,为位机床能恢复到原有的桔度,须妥善做好下 列准备工作:①在光栅尺下端、机床床身上固定一块干分表,以 记录光栅尺的原始安装位置o②在主轴箱上固定一块干分表,表 头搭在光榔尺的外壳上,上下移动主轴箱,记录下光栅尺对立校 导轨的平行度 2.光栅尺拆洗 把机床主轴箱移到最下端接近y坐标轴的基准点处,所停位 置以不妨碍拆卸扫描头的紧固螺钉和引线圊定卡头为准,沿导向 槽小心地将扫描头抽出。拆下光栅尺时,先把所有固定螺钉旋松 少许后,再逐个打下,拆卸时要扶持尺身,使其贴紧安装面,以 防下滑打坏光栅尺和下面的千分表。拆下的尺身安放到清洁的平 台上,抽出尺上密封条后进行清洗。 3.光栅尺安装调试 光栅消洗完毕后更新装上机床时,安装位置与导轨的平行度 应与拆前保持一致,然后再装入扫描头并紧固。开机试车,通过 微量移动扫报头来校正机床零点。通过对光栅的枪修,114号报 警消除了.112号报警也基本消除,但113号和111号报警依然存 732机械传动链及液压装置 这部分涉及的零部件较多,能直接影响运动误差的有:液压 平衡系统、丝杠螺母间隙丝杠预拉伸力及主轴箱与导执的纵、横 向间隙等。 1.拆卸平衡液压缸,清洗调整液压阀 2.y轴滚珠丝杠螺母副的饲整 3.调整主轴箱与y轴立柱导轨间的楔铁和央紧滚轮 经过上述的检查、调整和试车,故障消除了。这说明报警主 要是由于机械部分间隙造成的。由于间隙使坐标轴在运动时的速 度不再是恒速,当误差超过一定范围时.就会导致上述各种报警
7 测装置有故障。因此，故障的诊断和维修将落实到 Y 轴位置检测 装置和 Y 轴机械传动链上。 7.3 故障诊断 7.3.1 位置检测装置 如前所述，如果光栅出现故障，会导致信号漏续，即光栅反 映的实际位置与真正的实际位置不符，其结果造成速度给定电压 不稳，位伺服电动机出现瞬时速度变化，导致报警。为此，先检 查连接光栅的电缆和中间接插件，检查结果均完好。然后拆掉光 栅尺的下端密封盖，用手电筒或医用内窥镜检查光栅尺，发现尺 面污染。光栅尺两端接有压缩空气管，空气不洁净会污染尺面， 若不接压缩字气，当扫描头运动时会形成负压，也会把灰尘或油 雾吸人光栅尺内，形成污染。 1．清洗光栅尺的准备工作 拆卸光栅前，为位机床能恢复到原有的桔度，须妥善做好下 列准备工作：①在光栅尺下端、机床床身上固定一块干分表，以 记录光栅尺的原始安装位置 o②在主轴箱上固定一块干分表，表 头搭在光榔尺的外壳上，上下移动主轴箱，记录下光栅尺对立校 导轨的平行度。 2．光栅尺拆洗 把机床主轴箱移到最下端接近 y 坐标轴的基准点处，所停位 置以不妨碍拆卸扫描头的紧固螺钉和引线固定卡头为准，沿导向 槽小心地将扫描头抽出。拆下光栅尺时，先把所有固定螺钉旋松 少许后，再逐个打下，拆卸时要扶持尺身，使其贴紧安装面，以 防下滑打坏光栅尺和下面的千分表。拆下的尺身安放到清洁的平 台上，抽出尺上密封条后进行清洗。 3．光栅尺安装调试 光栅消洗完毕后更新装上机床时，安装位置与导轨的平行度 应与拆前保持一致，然后再装入扫描头并紧固。开机试车，通过 微量移动扫报头来校正机床零点。通过对光栅的枪修， 114 号报 警消除了．112 号报警也基本消除，但 113 号和 111 号报警依然存 在。 7.3.2 机械传动链及液压装置 这部分涉及的零部件较多，能直接影响运动误差的有：液压 平衡系统、丝杠螺母间隙丝杠预拉伸力及主轴箱与导执的纵、横 向间隙等。 1．拆卸平衡液压缸，清洗调整液压阀 2．y 轴滚珠丝杠螺母副的饲整 3．调整主轴箱与 y 轴立柱导轨间的楔铁和央紧滚轮 经过上述的检查、调整和试车，故障消除了。这说明报警主 要是由于机械部分间隙造成的。由于间隙使坐标轴在运动时的速 度不再是恒速，当误差超过一定范围时．就会导致上述各种报警
由此可见,在诊断、修理加工中心这类较复杂的设备时,望 做到 1)要事先搜集、消化有关资料,做好充分的准备。在此基础 上,制定好拆卸、检修步骤及注意事项 2)严格按照有关资料(图纸、说明书等)的规定要求去做,注意 资料中的数据。用数据说话往往是指导设备维修的重要依据,如 旋紧螺钉所用的扭炬是以技术数据为依据的,因此资料的保管和 整理是很重要的。 3)数控机床是机电一体化产品,因此,考虑问题不能单一.要 充分了解机床机电方面的配合,各报警号指示的故障内容,这样 诊断故障就有计时性。 课后小记
8 由此可见，在诊断、修理加工中心这类较复杂的设备时，望 做到 1)要事先搜集、消化有关资料，做好充分的准备。在此基础 上，制定好拆卸、检修步骤及注意事项。 2)严格按照有关资料(图纸、说明书等)的规定要求去做，注意 资料中的数据。用数据说话往往是指导设备维修的重要依据，如 旋紧螺钉所用的扭炬是以技术数据为依据的，因此资料的保管和 整理是很重要的。 3)数控机床是机电一体化产品，因此，考虑问题不能单一．要 充分了解机床机电方面的配合，各报警号指示的故障内容，这样 诊断故障就有计时性。 课 后 小 记