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。
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。
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。
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
。。。。。。
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。
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
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。
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。
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。
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
。。。。。。
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。
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
