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数控机床各部件的故障分析与维修
3.1数控机床主轴伺服系统故障检查与维修
随着电子工业的快速发展，各种集成度高、性能先进的调速驱动器层出不穷，为数控机床的升级换代提供了有利条件。但是，对于大中型企业目前还不能完全改造旧数控机床的现实来说，修复旧的驱动系统在维修战线上仍然是一项艰巨的任务。主电路采用交错接触选择无环流可逆调速驱动系统的数控车床维修中遇到的一些故障及处理方法。
1.故障现象:1.8m轨枕微动时，面板来回摆动。
检查:驱动控制系统20V DC稳压电源纹波测量为4V峰峰值，大大超过规定范围。
分析:在控制系统的放大电路中，高通和低通滤波器可以滤除转速反馈、电流反馈、电压反馈等各种谐波干扰信号，但不能滤除系统本身DC供电电路中的谐波成分。因为它存在于整个系统中，这些谐波会阻塞放大器，引起系统中的各种异常现象。在点动状态下，由于电机转速较低，这些谐波已经超过了点动时的电压值，引起系统的振荡，使主轴盘来回摆动，一旦去掉谐波信号，故障立即消失。
处理方法:更换电压板中的100MF和1000MF滤波电容，并焊接新电容。测到只有几毫伏的纹波后，安装电源板，开始试运行，排除故障。
2.故障现象:5m立式车床在操作加工过程中发生碰撞，烧毁保险。
检查:发现5FC5FG、5RG5RQ正负组无脉冲输出(见图2)。测量结果是IC7逆变器损坏，发现1FG1FC的输出波形远低于其他波形。
分析:5m垂直起重机主驱动DC电机的驱动电压由晶闸管全控桥反并联整流电路提供。在12个触发脉冲中，有两个消失了，另一个触发脉冲的幅度比其他正常触发脉冲的幅度短三分之一。齿轮发出咔嗒声的时候，误以为是液压马达的联轴器出了问题，但过了一会儿，又有两根保险丝烧断了。其实这次故障之前保险丝已经烧过两次了，当时只是认为是意外电网不稳定造成的。由于5m立式车床的转速较低，虽然可控硅整流电路是桥式整流，但是当线路中的触发脉冲丢失，同时幅值较小时，电流会不连续，输出电压不稳定，会使电机转速不稳定。开头的匡声其实是速度不稳的表现。由间歇电流引起的保险丝故障可能在停机和正常运行后的任何时候发生。
处理:更换放大器T1(另一个触发电路中的放大器，功能如图2中的T7)和逆变器IC7，排除故障。
3.2机床PLC初始故障的诊断
机床PLC初始故障的诊断为了保护机床和方便维修，PLC具有显示和检测机床故障的能力。一旦出现故障，维修人员可以根据机床的故障显示号确定故障类别，并排除故障。但在实际加工过程中，我们发现有时PLC同时显示几个故障，是某个故障引起的连锁故障。初始故障消除后，其他故障报警消失。但从机床PLC显示的所有报警故障来看，维修人员不知道哪个故障是初始故障，只能一个一个检查，增加了维修难度。机床PLC初始故障诊断功能，通过PLC程序，准确判断初始故障的报警号。维修时，先排除初始故障，其他故障自动消失，极大地方便了机床的维修，提高了机床维修的快速性和准确性。2根据初始故障诊断原理设计的PLC程序，不仅能检测和显示每一个故障，还能自动判断最关键的初始故障。
初始故障诊断原理:以三个故障为例，其中设置了三个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；三个初始故障检测位是R500.2、R510.2和R520.2；F149.1是系统复位信号。初始状态下，没有报警，故障检测位全为“0”，初始故障检测位全为“0”，复位信号F149.1为“0”。假设第二个故障在三个故障中首先出现。在程序扫描的第一个周期，其对应的故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1的初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“65448”。在程序扫描的第二个周期，R510.2保持“1”，从而阻塞R500.1和R520.1。即使此时另一个故障检测位为“1”，其初始故障检测位也不能更改为“65448”。通过这个PLC程序的控制，可以从同时发生的多个故障中准确判断出初始故障。在JCS018数控机床中，有许多问题同时发生，如换刀报警和液压报警。维修时，先检查液压控制部分，再确认故障在换刀过程中。检查后才知道换刀的动力是液压驱动提供的。在PLC控制程序的设计中，为了防止更多的事故发生，在发生换刀故障时同时断开液压控制，所以在发生换刀故障时会出现两条报警信息。为了遵循原机床的设计思想，准确发出报警信息，JCS018数控机床增加了检查初始故障的功能。根据前面的程序分析，换刀和液压故障检测位分别为R500.0和R510.0，可以从初始故障检测位R500.2和R510.2读取初始故障。当机床再次出现类似故障时，可以快速判断出最初的故障。
3.3数控设备检测元件故障及维修
检测元件是数控机床伺服系统的重要组成部分。它的作用是检测各控制轴的位移和速度，并反馈检测到的信号，形成闭环系统。测量方法可分为直接测量和间接测量:直接测量是指用直线检测元件测量机床的直线位移，直接测量常用的检测元件一般有直线感应同步器、测量光栅和磁尺激光干涉仪。间接测量是用旋转检测元件测量机床的直线位移。间接测量常用的检测元件一般有:脉冲编码器、旋转变压器、圆感应同步器、圆光栅、圆磁栅。
当机床出现以下故障现象时，应考虑是否由检测元件故障引起:
1.机械振动(加速/减速时):
(1)如果脉冲编码器出现故障，检查速度单元上反馈线的端电压是否在某一点下降。如果下降，说明脉冲编码器不良，更换编码器。
(2)脉冲编码器的交叉耦合可能损坏，导致轴速度与检测速度不同步。更换联轴器。
(3)如果测速发电机出现故障，修理并更换转速表。
2.机械失控(飞车):
如果检查位置控制单元和速度控制单元，请检查:
(1)脉冲编码器接线是否错误，检查编码器接线是否正反馈，A相和B相是否接反。
(2)脉冲编码器联轴器是否损坏，更换联轴器。
(3)检查测速发电机端子是否接反，励磁信号线是否接错。
3.主轴无法定向或定向不到位:
在检查方向控制电路、方向板和主轴控制印刷电路板的设置和调整时，检查位置检测器(编码器)是否有故障，并测量此时编码器的输出波形。
4.轴振动进给:
检查电机线圈是否短路，机械进给丝杠与电机连接是否良好，整个伺服系统是否稳定，检查脉冲编码是否良好，联轴器连接是否稳定可靠，转速表是否可靠。
检测元件是一种极其精密且容易损坏的设备，因此我们必须注意以下几个方面以便正确使用和维护。
1.不得受到强烈的振动和摩擦，以免损坏码盘，不得被灰尘和油污污染，以免影响正常信号的输出。
2.工作环境周围温度不能超标，必须满足额定电源电压，以利于集成电路芯片的正常工作。
3.保证反馈线的正常电阻和电容，保证信号的正常传输。
4.防止外部电源和噪声干扰，保证屏蔽良好，不影响反馈信号。
5.安装方法要正确，如编码器联接轴同心找正，防止轴超过允许载荷，以保证其正常性能。
总之，在数控设备的故障中，检测元件的故障率比较高。只要正确使用故障，加强维护，深入分析问题，就会降低故障率，迅速解决故障，保证设备正常运行。
3.4数控机床加工精度异常故障及维修
在生产中，我们经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。这种故障隐蔽性强，难以诊断。这种故障主要有五种原因:(1)机床进给单元发生了变化或改变。(2)机床各轴的零位偏移异常。(3)异常的轴向间隙。(4)电机运转不正常，即电气和控制部分失灵。(5)机械故障，如螺杆、轴承、联轴器等零件。此外，加工程序的编制、刀具的选择以及人为因素也可能导致加工精度异常。
1.系统参数改变或变化。
系统参数主要包括机床进给单元、零点偏置、反向间隙等。例如，西门子和FANUC数控系统有两个进给单元:公制和英制。机床修理过程中的一些处理往往影响零点偏置和间隙的变化，故障处理后应及时调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或连接松动，参数的测量值可能发生变化，需要对参数进行相应的修改，以满足机床加工精度的要求。
2.机械故障引起的加工精度异常
THM6350卧式加工中心采用FANUC 0i-MA数控系统。汽轮机叶片铣削过程中，突然发现Z轴进给异常，导致切削误差至少1mm (Z向过切)。从调查中得知，故障是突然发生的。点动和MDI运行模式下机床各轴运行正常，参考点正常；没有任何报警提示，排除了电气控制部分硬故障的可能性。分析认为，应该从以下几个方面逐一检查。
(1)检查机床精度异常时正在运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿和加工坐标系(G54~G59)的校对计算。
(2)点动模式下，Z轴反复移动，通过视觉、触觉、听觉对其运动状态的诊断，发现Z方向运动声音异常，尤其是快速点动时，噪音更明显。由此判断，机械可能存在隐患。
(3)检查机床的z轴精度。用手动脉冲发生器移动Z轴(设置手动脉冲比为1×100，即电机每变化一步进给0.1mm)，用百分表观察Z轴的移动。对于单向运动精度保持正常后作为起点的正向运动，实际距离D = D1 = D2 = D3...= 0.1 mm对于手动脉冲每变化一步机床Z轴运动，说明电机运行良好，定位精度好。回到机床实际运动位移的变化，可分为四个阶段:①机床D1 > D = 0.1 mm(斜率大于1)；②表现为d = 0.1mm > D2 > D3(斜率小于1)；③机床机构没有实际移动，显示最标准的反向间隙；④机床移动距离等于手脉冲给定值(斜率等于1)，机床恢复正常运动。
无论如何补偿反向间隙(参数1851)，其特点是:除第三阶段外，其他变化依然存在，尤其是第一阶段严重影响机床的加工精度。发现间隙补偿越大，第一段的移动距离越大。
分析以上检查可知，可能有以下几种原因:一是电机异常；第二，有机械故障；第三，有一定差距。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全断开，分别对电机和机械部分进行检查。电机运行正常；在机械零件的诊断中，发现用手驱动螺杆时，在回程运动开始时有非常明显的空感。正常情况下，你应该能感受到轴承的有序平稳运动。经拆卸检查，发现其轴承确实损坏，有一个球脱落。更换后机床恢复正常。
3.机床电气参数未优化，电机运行异常。
一台数控立式铣床，配备FANUC 0-MJ数控系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。发现X轴有一定间隙，启动时电机不稳定。用手触摸X轴电机时，感觉电机抖动严重，但启停时不明显，点动模式下更明显。
据分析，失败的原因有两个。一是机械反向间隙大；二是X轴电机工作异常。利用FANUC系统的参数功能，对电机进行了调试。首先，弥补现有的差距；通过调整伺服增益参数和N脉冲抑制功能参数，消除了X轴电机的抖动，机床加工精度恢复正常。
4.机床位置环异常或控制逻辑不正确。
一台TH61140镗铣床加工中心，数控系统为FANUC 18i，全闭环控制方式。加工过程中发现机床Y轴精度异常，最小精度误差约为0.006mm，最大误差可达1.400 mm，检查时机床已按要求设定了G54工件坐标系。在MDI模式下，在G54坐标系下运行一个程序，即“g90g 54y 80 f 100；M30”机器运行后，显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，并记录该值。然后在手动模式下将机床的Y轴移动到任意其他位置，在MDI模式下再次执行上述语句。机床停止后，发现机床机械坐标的数值显示值为“-1046.992”，与第一次执行后的数值显示值相差0.387mm。按照同样的方法，将Y轴移动到不同的位置，反复执行语句，数显指示值不确定。用百分表检测Y轴，发现机械位置的实际误差与数显显示的误差基本一致，因此认为故障是由于Y轴重复定位误差过大引起的。Y轴反向间隙和定位精度仔细检查了一遍，补偿了一遍，都没有效果。所以怀疑光栅尺和系统参数有问题，但是为什么会有这么大的误差，却没有相应的报警信息？进一步检查发现轴是垂直的，Y轴一松，主轴箱就掉下来了，导致超差。
修改了机床的PLC逻辑控制程序，即松开Y轴时，先使能Y轴并加载，再松开Y轴；夹紧时，先夹紧轴，然后拆下Y轴。经过调整，机床故障得以解决。
四数控机床维修
数控系统是数控机床的核心部件，因此，数控机床的维护主要是数控系统的维护。经过长时间的使用，电子元器件的性能会老化甚至损坏，尤其是一些机械零件。为了尽可能延长部件的寿命和零件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，有必要对数控系统进行日常维护。综上所述，要注意以下几个方面。
(1)制定数控系统日常维护的规章制度。
根据各部件的特点，确定各自的维护规定。比如明确规定每天需要清洗哪些部件(比如数控系统的输入/输出单元光电阅读器要清洗，机械结构是否润滑良好等等。)，以及哪些零件应该定期检查或更换(例如DC伺服电机的电刷和换向器应该每月检查一次)。
(2)尽量少开数控柜和高压柜的门。
因为机加工车间的空气中一般含有油雾、灰尘甚至金属粉末。一旦落在数控系统中的印刷电路或电气元件上，很容易造成元件间的绝缘电阻下降，甚至导致元件和印刷电路的损坏。在夏季，有些用户为了让数控系统长时间超负荷工作，打开数控机柜的门散热，这是一种不可接受的方法，最终会导致数控系统加速损坏。正确的做法是降低数控系统的外部环境温度。所以应该有一个严格的规定，除非进行必要的调整和维护，否则不允许随便打开柜门，更不要说使用时打开柜门。
(3)定期清洁数控柜的冷却和通风系统。
每天检查数控系统机柜上的散热风扇是否工作正常，根据工作环境每半年或每季度检查风道过滤器是否堵塞。如果滤网上的灰尘堆积过多，需要及时清理，否则数控系统的机柜内温度会很高(一般不允许超过55℃)，导致过热报警或数控系统工作不可靠。
(4)经常监控数控系统使用的电网电压。
FANUC生产的数控系统允许电网电压在额定值的85% ~ 110%范围内波动。如果超过这个范围，系统就不能正常工作，甚至会损坏数控系统内部的电子元件。
(5)定期更换蓄电池。
FANUC生产的数控系统中有两种存储器:
(a)无需电池维护的磁泡存储器。
(b)需要电池支持的CMOS随机存取存储器设备。为了在数控系统不通电时保存存储的内容，内部有一个充电电池保持电路。数控系统上电时，CMOS RAM由+5V电源通过二极管供电，充电电池充电；当数控系统切断电源时，它将由电池供电，以维持CMOS RAM中的信息。一般情况下，即使电池没有出现故障，也要一年更换一次，以保证系统能够正常工作。另外，必须注意的是，更换电池必须在数控系统的供电状态下进行。
6.数控系统长期不用时的维护
为了提高数控系统的利用率，减少数控系统的故障，数控机床应该满负荷使用，而不是长期闲置。由于某种原因，当数控系统长时间闲置时，为了避免损坏数控系统，应注意以下两点:
(1)经常接通数控系统电源，尤其是在环境湿度大的雨季。机床锁死时(即伺服电机不转时)，让数控系统空转。利用电气元件的热量来驱散数控系统中的湿气，以保证电子元件性能的稳定可靠，实践证明，在空气湿度大的地区，频繁通电是降低故障率的有效措施。
(2)如果数控机床采用DC进给伺服驱动和DC主轴伺服驱动，应将电刷从DC电机中取出，以免化学腐蚀换向器表面，造成换向性能恶化，甚至损坏整个电机。
参加考试，贡献力量
1张，谢富春编辑。数控编程技术。北京:化学工业出版社，2004。
2张，罗训导主编。数控加工技术综合训练。北京机械工业出版社2003
3数控技术培训系列教程。世纪星数控系统编程\操作说明。华中数控. 2001
4 .国家数控培训网天津分公司。数控编程。北京:机械工业出版社，1997。
表示感谢/感激
四年的学习生活在这个季节即将结束，但我的人生只是一个逗号，我将面临另一段旅程的开始。第四，在亲戚朋友的大力支持下，我努力了，但也收获了很多。当论文即将去付梓的时候，我思绪万千，久久不能平静。伟人名人我都很敬佩，但我更渴望把我的敬意和赞美献给一个普通人，我的导师。我不是你最好的学生，但你是我最尊敬的老师。你们严谨的治学态度，渊博的学识，深邃的思想，开阔的视野，为我营造了良好的精神氛围。授人以鱼不如授人以渔。身处其中，深受其影响，让我不仅接受了全新的理念，树立了宏大的学术目标，还懂得了基本的思维方式。从论文选题到论文写作指导，通过您的悉心指导和思考后的理解，我常常有“山河无道疑，又有一村明”的感觉。
感谢我的爸爸妈妈，我什么都得不到，也退不了。我最大的愿望就是你永远健康快乐。在论文即将完成的时候，我的心情是无法平静的。从论文开始到顺利完成，有多少可敬的老师、同学、朋友给了我无言的帮助？请接受我诚挚的谢意！
同时也感谢学院给我提供了一个良好的毕业设计环境。
最后，再次感谢所有在毕业设计中帮助过我的导师、朋友和同学，以及我在设计中引用或参考的作品的作者。