全国高职高专数控模具规划教材

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数控机床故障诊断与维修主编：朱文艺陆全龙

科学出版社

本书主要内容第一章：绪论第二章：数控机床故障诊断与维修基础第三章：数控机床的故障预防第四章：数控机床机械部分的故障诊断与维修第五章：数控机床的故障诊断与维修技术第六章：伺服系统故障诊断与维修第七章： PLC 模块故障的特点与诊断方法第八章：典型数控装置故障的诊断与维修


第一章：绪论本章要点： 1 掌握设备故障诊断与维修的基本概念 2 了解数控机床故障诊断与维修的目的与意义 3 了解数控机床故障诊断与维修的最新发展方向


第二章：数控机床故障诊断与维修基础本章要点： 1 了解数控机床的基本组成及其分类 2 了解数控机床故障诊断的基本方法 3 了掌握数控机床故障诊断的常用工具与仪器 4 掌握数控机床故障诊断与维修的基本原则


第三章：数控机床的故障预防本章要点： 1 掌握数控机床的选用 2 熟悉数控机床的安装、调试和验收 3 了解数控机床的杭千扰技术


第四章：数控机床机械部分的故障诊断与维修本章要点 1 了解数控机床机械部分故障诊断的任务 2 掌握主轴部件的故障诊断与维修 3 掌握滚珠丝杠螺母副的故障诊断与维修 4 掌握导轨副的故障诊断与维修 5 掌握刀库及换刀装置的故障诊断与维修 6 了解液压与气动系统的故障诊断与维修


第五章：数控机床的故障诊断与维修技术本章要点： 1 了解数控系统的软硬件结构 2 掌握数控系统常见故障形式及其诊断维修方法 3 掌握用机床参数来修复故障


第六章：伺服系统故障诊断与维修本章要点： 1 了解常用的主轴伺服系统 2 掌握主轴伺服系统的常见故障形式及其诊断维修方法 3 了解常用的进给伺服系统 4 掌握进给伺服系统的故障诊断维修的特点和方法 5 了解伺服系统的参数意义


第七章： PLC 模块故障的特点与诊断方法本章要点： 1 了解 PLC 在数控机床上的功能 2 掌握 PLC 的工作原理和过程 3 掌握 PLC 模块故障诊断的特点和方法


第八章：典型数控装置故障的诊断与维修本章要点： 1 了解 FANUC、 SIEMENS、华中数控系统的发展历史和结构特点 2 掌握 FANUC数控系统的故障诊断与维修的基本方法和规律 3 掌握 SIEMENS数控系统的故障诊断与维修的规律和方法 4 掌握华中数控系统常见故障的排除方法


第一章绪论 1.1 设备故障诊断与维修的基本概念 1.2 数控机床故障诊断与维修的目的与意义 1.3 数控机床故障诊断与维修技术的新发展


1.1 设备故障诊断与维修的基本概念1.1.1 设备故障诊断技术及其规律所谓故障，一般的定义为设备或零部件丧失了规定功能的状态。从系统的观点来看，故障包含两层含义：一是机械设备偏离正常功能，二是功能失效，此时设备连续偏离正常功能，并且偏离程度不断加剧，使机械设备基本功能不能保证


故障含义一机械设备偏离正常功能，其形成的主要原因是机械设备（含零部件）的工作条件不正常，这类故障通过参数调节或零部件修复即可消除，设备随之恢复正常功能


故障含义二功能失效，此时设备连续偏离正常功能，并且偏离程度不断加剧，使机械设备基本功能不能保证，这种情况称为失效“一台设备（如机床）经过长时间的运行，总会出现这样或那样的故障。


磨合期 ,故障率较高

浴盆曲线

正常使用期 , 故障率最低且处于一个比较稳定的状态

损耗期 , 此时故障率又开始升高


红区（ R）― 包括浴盆曲线Ⅲ区的故障率己经开始大幅度上升的阶段，它表示设备己经处于极严重的或者危险的状态，此时应该停机

黄区（ Y) ― 包括浴盆曲线Ⅲ区的初始阶段 ,即故障率己经出现升高的趋势 ,它表示设备应处于密切监视状态

绿区（ G) ― 包括浴盆曲线的正常使用阶段即故障卒最低的阶段 ,它表示设备处于良好状态

设备的劣化曲线


2 设备故障诊断的基本内容和方法主要内容 ① 设备运行状态的监测。② 设备运行状态的趋势预报③ 故障性质’故障原因的确定


主要内容 1

设备运行状态的监测。主要任务是监测设备运行过程中的各种信息，通过这些信息来判断设备当前的运行状态，这种诊断是为了及时地发现故障苗头，从而采取必要的措施避免故障的发生。


主要内容 2

设备运行状态的趋势预报。主要任务是根据监测的设备运行的历史状态信息和当前的运行状态信息，对设备将来一段时间的运行状态进行预测预报，为预维护或者预维修提供参考依据。


主要内容 3

故障性质、故障原因的确定。主要任务是当设备己经发生故障后，采取一定的诊断方法对设备进行诊断’从而找出故障部位。故障类型、故障原因等’为后续的维修打基础。


基本方法 ( 与医学方法的对比 )

医学诊断方法设备诊断方法原理及特征信息中医：望闻问切西医：望触扣听嗅

听嗅看闻通过形貌、声音、温度、颜色的变化来诊断听心率做心电图振动与噪声监测通过振动大小与变化规律来诊断

量体温温度检测观察温度变化验血验尿油波分析观察物理化学成分及细胞形态的变化量血压应力应变测量观察压力或应力变化问病史查阅技术档案资料找规律查原因做判别

X射线超声波检查费破坏性检测 (裂纹 ) 观察内部肌体缺陷


1.1.2 设备维修设备维修

预防维修改善维修事后维修

定期维修状态维修


预防维修预防维修是防止设备性能。精度劣化或降低故障事，按预先规定的计划和相应的技术要求所进行的维修。主要包括 : 定期维修状态 ( 监视 )维修


定期维修定期维修是一种以时间为基础的预防维修方式 . 它具有对设备进行周期性修理的特点 , 根据机床的磨损规律 , 事先确定修理类别、修理间隔期及修理工作量；所用的备件、材料可以预计 ,因此可作较长时间的安排。


定期维修对某类具体机床’除了吸收其他企业同类 .同种机床定期维修的经验外 ,还应重视探素本企业具体机床的磨损规律 , 据以制定出适合本企业机床实际清况的修理周期结构 ,并在实践中不断修改与完善 ,切不可按国内外其他企业确定的某种模式生搬硬套 .


状态 ( 监视 ) 维修状态维修是一种以机床技术状态为基础的预防与维修方式 .它是根据机床的日常点检、定期检查、状态监测和诊断提供的信息，经过统计分析、处理，来判断机床的劣化程度，并在故障发生前有计划地进行适当的维修。由于这种维修方式对机床适时、有针对性地进行维修，不仅能保证机床经常处于完好状态，而且能充分利用零件的寿命，因此比定期维修更为合理。但是进行状态监测通常需要停机和使用价格昂责的监测仪器。状态维修主要适用于连续运转的机床。利用率高的重点机床和精密、重型、稀有机床。


改善维修

改善维修是为了消除机床的先天性缺陷或频发故障，对机床的局部结构或零件的设计加以改进，结合修理进行改装以提高其可靠性和维修性的措施。


改善维修

机床的改善维修与技术改造的区别是：改善维修的目的在于改善和提高局部零部件的可靠性和维修性，以便降低机床的故障事，从而减少维修时间及费用，技术改造的目的在于局部补偿机床的无形磨损，从而提高机床的性能和精度。


事后维修事后维修是机床发生故障或性能 . 精度降低到合格水平以下时所采取的非计划性修理 . 对于一些对生产影晌不大的机床 ,故障发生后也容易处理 ,能及时提供备件 ,为节约维修费用 ,可采用事后维修 .


事后维修

对于规定采用预防维修的机床 . 应采取措施减少事后维修的发生 .此外 ,在机械制造企业中 , 对于流程和流水线生产的关键机床以及故障停机和工件报废损失很大的精密机床中的某些部件己采用无维修设计 ,以达到使用中无维修的要求 .


数控机床是现代制造业的基础设备。目前，我国从国外引进了大量的数控系统及数控机床，同时，我国在数控系统的研究和开发上也做了也多年的研究，开发出了具有自主知识产权的数控系统，并与多家机床生产厂进行了配套，形成了一定的数控机床产销规模。随着工业化进程的加快，数控机床在制造领域的作用越来越重要。但是，数控机床是很复杂的设备，即使只是一般的操作使用人员也必须具备一定的专业知识 ,而对于那些数控机床维护维修人员，则有相当高的专业技术水平的要求。

1.2 数控机床故障诊断与维修的目的与意义全国高职高专数控模具规划教材

1.2 数控机床故障诊断与维修的目的与意义基本概念可靠性平均修复时间（ MTTR）平均有效度 A


可靠性衡量可靠性的标准为平均无故障工作时间（ MTBF ） . MTBF 是指可修复产品的相邻两次故障间系统能正常工作的时间的平均值 .

MTBF= 总工作时间 / 总故障次数


平均修复时间（ MTTR ）是指数控系统从出现故障到能正常工作所用的平均修复时间 .

MTTR= 总故障停机时间 / 总故障次数


平均有效度 A

A= MTTR/ MTTR+ MTBF 用来衡量排除故障的修理时间


总结我国“机床数字控制系统通用技术条件”中规定，用 C衡量数控产品的可靠性，要求数控系统 MTBF 不低于 3000h. 现在国外很多 CNC 系统己经远远超过了这个指标 ,国内的数控系统的可靠性则相对较差 ,即使采用国外数控系统的机床 ,整机的故障事还是处在一个比较高的水平 .因此 ,摆在我们面前的任务是很繁重的“面对如此多的数控机床 ,我们故障诊断和维修的目的就是在于提高数控机床的 MTBF ，从而提高机床的加工效率，进而提高制造业的效益。


1.3 数控机床故障诊断与维修技术的新发展

1.3 .1 数控机床故障远程诊断系统 1.3.2 数控机床的自诊断能力不断增强 1.3.3 专家系统的应用 1.3.4 神经网络与故障诊断技术相结合 1.3.5 虚拟现实技术的应用


数控机床诊断系统特例

这种诊断方式可以以最快的速度对数控机床的故障进行定位，找到排除故障的方法，从而减少故障停机时间，还可以减少设备维修费用。


SEMENS 远程诊断技术方案特点：能使用户在个人计算机面前轻松地操作员在车间里的机床设备


1 ． 3 ． 2 数控机床的自诊断能力不断增强所谓自修复，就是指在数控系统中安装的自诊断软件程序，在软件运行过程中一旦发现某一模块发生故障，该系统就会将故障信息及时显示在 CRT上，同时自动寻找是否拥有备用模块，若有备用模块，该系统就能自动切断故障模块而接通备用模块，使系统迅速恢复到正常运行状态、美国的 Cincinati-Milacron 公司生产的 950系统就采用了这种技术，因而具有自诊断、自修复功能。


专家系统是一种、基于知识（的人工智能诊断系统，它的实质是在某些特定领域内应用大量专家的知识和推理方法求解复杂的实际问题的一种人工智能计算机程序。通常，专家系统由知识库、推理机、动态数据库、诊断结果解释机制、知识获取机制等 5 个部分组成。

1 .3 .3 专家系统的应用全国高职高专数控模具规划教材

专家系统的核心部分为知识库和推理机，其中知识库存放着求解问题所需的专业知识，推理机负责使用知识库中的知识去解决实际问题、知识库的建造需要知识工程师和领域专家相互合作，把领域专家的知识和经验整理出来，并用系统的知识组织方法存放在知识库中、当解决问题时，用户向系统提供一些己知数据，就可从系统中获得专家水平的结论、对于数控机床，专家系统主要用于故障监测、故障分析、故障处理等 3 个方面、在 FANUC15 系统中，己将专家系统用于故障诊断、使用时，操作人员以简单的会话问答方式，通过数控系统上的 MDI/CRT 操作装置就能如同专家亲临现场一样，快速进行 CNC 系统的故障诊断。



1 ． 3 ． 4 神经网络与故障诊断技术相结合人工神经元网络简称神经网络，它是在对人脑思维研究的基础上，模仿人的大脑神经元结构特征，应用数学方法将其简化、抽象并模拟，而建立的一种非线性动力学网络系统、由于神经网络系统具有处理复杂多模式及进行联系、推测、容错、记忆、自适应，自学习等功能，作为一种新的模式识别技术和知识处理方法，人工神经网络在故障诊断领域中显示出极大的应用潜力，这是数控机床故障诊断技术新的发展途径。


人工神经网络在故障诊断领域的应用

从模式识别角度应用神经网络作为分类器进行故障诊断从预测角度应用神经网络作为动态预测模型进行故障诊断

从知识处理角度建立基于神经网络的故障诊断专家系统

1 ． 3 ． 4 神经网络与故障诊断技术相结合全国高职高专数控模具规划教材

1.3.5 虚拟现实技术的应用虚拟现实（ virtual reality, VR）是在综合计算机图形技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多种科学技术的基础上发展起来的它利用计算机及其外设和软件而产生另一种境界的仿真，为用户创造一个实时反映实体对象变化与相互作用的三维图形世界，并通过头盔显示器、数据手套等辅助传感器设备，向用户提供一个观察并与该虚拟世界交互的多维用户界面，使用户可以直接参与和探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，具有较强的“身临其境”之感。


由于机械设备的有些故障不能在实验台进行模拟，而虚拟现实则可以发挥其特点，进行仿真研究，弥补了某些故障难以现实模拟的不足、利用现代通信技术的互联网络、局域网络（包括有线或无线网络）、调制解调器等，可以研制虚拟故障诊断环境，实现设备的远程诊断、在虚拟故障诊断环境中，在某一固定地点的专家或多个不同地点的专家可以投入到在另一个地方（异地）发生的事件或过程中去，通过计算机网络及调制解调器传输数据，从而实现在专家面前的计算机中再现现场设备的运行情况或发生故障的过程，经专家诊断系统进行分析和诊断，做出决策，并通过网络及调制解调器反馈到现场，进行指导，并解决问题、对于数控机床故障诊断来说，这是一种很有发展前途的诊断技术。

1.3.5 虚拟现实技术的应用全国高职高专数控模具规划教材

思考题1 请结合一台具体的设备谈一谈设备故障发生的规律。 2 设备故障诊断包括哪些内容？ 3 数控机床故障诊断与维修的目的、意义何在？ 4 设备维修的方式包括哪些？各有何特点？ 5 数控机床故障诊断与维修有何发展趋势？


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