数控车床的典型故障分析及解决方案设计

数控车床的典型故障分析及解决方案设计
任务书
1．课题意义及目标
通过本次毕业设计使学生了解和掌握到毕业设计应遵循的步骤和程序，通过对车床的学习，了解车床的工作原理及故障分析，结合某车床，针对其常见故障，提出故障解决的方案。

2．主要任务
（1）本设计要求学生在对车床的整体结构熟悉的基础上，能够完成典型故障的分析。

（2）通过对典型故障的分析，综合故障类型，提出一般故障的解决方案，（3）本设计要求在实验台上进行验证。

3．主要参考资料
[1] 赵太平.CAK6150数控车床故障诊断系统的研究[D].上海交通大学.2007.
[2] 李勇.影响数控凸轮轴磨削加工精度若干因素的研究[D].华中科技大学.2004.
[3] 朱仕学.数控机床调试与维护[M]．北京清华大学出版社．2010．
[4] 李虹.数控机床调试与维修[M]．沈阳高等职业教育书.2012.
[5] 龚仲华.数控机床故障诊断与维修500例[M]．北京机械工业出版社．2006．4．进度安排
审核人：年月日
数控车床的典型故障分析及解决方案设计
摘要：数控车床在现代化的机械制造企业中是一种必需的重要设备。

数控的维修技术水平的高低对数控车床的有效利用具有直接影响。

作为现代企业生产中不可或缺的关键设备，如果发生故障停机，就会产生巨大的影响和损失。

本课题对数控机床、数控车床以及数控车床故障实验台进行介绍，着重讨论了数控故障诊断基础，研究了数控车床常见故障产生的原因以及诊断与排除的方法，最后介绍了数控车床故障诊断与维修现场的应用实例，对了解数控车床的一些常见故障提供参考。

关键词：数控机床,数控车床,故障诊断,伺服
The Analysis of Typical Failure and Solution Design of Numerical
Control Lathe
Abstract :NC lathe is a kind of important equipment in modern mechanical manufactur- ing enterprises. The level of maintenance about CNC has a direct impact on the efficiency of NC lathe. As an indispensable equipment in modern enterprises, it will cause enormous influences or losses in the event of downtime.
This project introduces CNC machine tools, CNC lathe and the faulted experimental station of CNC lathe.And it emphatically discusses the basis of NC distributed fault diagnosis and studies the causes of common faults and the method of diagnosis and exclusion.Finally, the application example of the fault diagnosis and on-site repairs of numerical control lathe is introduced,which provides markers to understand some common faults of CNC lathes.
Keywords: CNC machine tools,CNC lathes,Fault diagnosis,Servo
目录
1 绪论 (1)
1.1数控车床简介 (1)
1.2数控加工概念 (3)
1.3课题研究背景及意义 (4)
1.4本课题研究内容 (4)
2 数控车床故障分类及故障分析 (5)
2.1数控车床故障分类 (5)
2.2数控车床的故障分析 (9)
3 故障的诊断原则及常用方法 (20)
3.1调查故障现场 (20)
3.2分析可能造成故障的因素 (20)
3.3确定产生故障的原因 (20)
3.4故障诊断的常用方法 (21)
4 数控车床诊断实验台简介及典型故障诊断与维修实例 (21)
4.1数控车床诊断实验台简介 (23)
4.2典型故障诊断与维修实例 (24)
5 结论 (30)
参考文献 (31)
致谢 (32)
1 绪论
1.1数控车床简介
数控技术是20世纪中期发展起来的机床控制技术，从字面上就可以理解它是一种自动控制技术，其工作原理是利用数字化的信号对机床的运动及其加工过程进行控制。

数控机床就是装备了数控系统的机床。

它是一种综合应用计算机技术、自动控制技术、精密测量技术、通信技术和精密机械技术等先进技术的典型的机电一体化产品。

数控机床包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。

本课题主要研究对象为数控车床，故其他机床不做介绍。

下图是为某一型号车床。

图1.1 ck6136数控车床
数控车床通常是具有垂直轴X和水平轴Z的两轴数控机床。

数控车床区别于数控铣床的主要特征是零件围绕着数控机床主轴中心线旋转。

另外刀具通常是固定不动
的，并安装在移动的可旋转刀架上。

加工时刀具由刀架带动沿着编制好的刀具路径进行切削运动。

现代车床设计成卧式或立式两种形式。

数控车床，是一种高精度、高效率的自动化机床。

配备多工位刀塔或动力刀塔，机床就具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹、槽、蜗杆等复杂工件，具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。

数控车床加工能够比较较好的解决许多零件加工问题，是一种非常高效率的自动化机床，对于单件以及小批量零件的加工，尤其显示出数控车床特有的灵活性，总而言之，数控车床加工有以下优点：
1.提高加工精度，结构上引入滚珠丝杆、采用软件精度补偿技术、加工全程由程序控制加工，减少了人为因素对加工精度的影响，尤其提高同批零件加工的一致性，使产品质量更稳定;
2.提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，节约时间与资金;
3.可加工形状复杂的零件，如螺旋浆;
4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件;
5.有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

但是数控车床加工也存在着以下缺点：
1.由于费用高昂，加工大批量零件不利;
2.操作人员要求素质高，工资成本高;
3.系统复杂,修理复杂,维护费用高,需要好的工作环境。

在使用数控车床之前，应该仔细阅读车床使用说明书和其他有关资料，以便正确操作使用，并且注意以下几点：
1.车床操作、维修人员必须是掌握相应车床专业知识的专业人员或经过技术培训的人员，而且必须按安全操作规程及规定操作车床；
2.不是专业人员是不允许打开电柜门的，打开电柜门之前需确认已经关掉车床电源开关。

只有专业维修人员才可以打开电柜门，进行检修；
3.除了一些供用户使用并可改动的参数外，其他系统参数，用户不能修改，否则将会带来各种意外伤害；修改参数后，在进行第一次加工时，车床要在不装刀具和工件的情况下用车床锁住、单程序段等方式进行试运行，确认车床正常后方可使用车床；
4.车床的PLC程序是车床制造商按车床需要设计的，不需要修改。

不正确的修改、操作车床可能造成车床的损坏，甚至伤害操作者；
5.建议车床连续运行不超过24小时，如果连续运行时间太长将会影响电气系统和部分机械器件的寿命，从而会影响车床的加工精度；
6.车床全部连接器、接头等，严禁带电拔、插操作，否则会引起严重后果。

1.2数控加工概念
首先，想要知道数控车床一般的故障出现在什么地方或者是如何去解决问题，就必须得熟练的了解数控车床的工作原理及特点等相关知识，这样当我们在遇到这些问题的时候就能得心应手。

数控车床的工作原理就是将加工过程所需要的各种操作（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，一级工件的形状尺寸用数字化代码表示，通过控制介质（如穿孔纸带或磁盘等）将数字信息送入到数控装置，数控装置对输入的信息进行处理和运算，发出各种控制信号，控制机床的伺服系统或其他驱动原件，使机床自动加工出所需的工件。

因此，数控加工的关键在于加工数据和工艺参数的获取，以及数控编程。

数控加工一般包括以下这几个内容：
1.分析图纸，明确哪一部分需要数控加工；
2.利用图形软件对需数控加工的部分造型；
3.根据加工条件，设计加工参数，利用数控系统生成加工轨迹；
4.轨迹的仿真检验；
5.生成G代码；
6.传给机床加工。

机械制造工业正朝着精密化、柔性化、集成化、自动化、智能化方面迅速发展,国内数控车床需求强劲,数控车床产业恰逢很好的发展机遇。

我国数控车床行业面临极为严峻的挑战和竞争,迫切要求缩短与日本、美国、瑞士等国之间的差距。

主要表现为:高速度、高精度方面;机床的可靠性方面;外观及制造精度方面;自我开发力、产品开发周期方面;整个社会的配套化、专业化方面。

随着科学技术和社会生产技术的不断发展，对数控车床的可信性要求越来越高。

机械造技术有了深刻的变化。

数控车床是机电一体化的典型产品，数控车床是机械制造的主要标志之一。

数控车床的自动控制系统表现在：数控系统根据数控加工程序，
生成各种信息和指令，控制车床的主轴运动、进给运动及辅助运动等。

数控车床出现故障且得不到及时维修，会给使用单位造成巨大的损失。

1.3课题研究背景及意义。

数控车床是技术含量很高的自动化机床。

加强对数控车床常见故障的研究，探讨和掌握现代化数控车床的常见故障诊断技术和维修技术，能够及时有效的处理各种数控车床的故障，提高数控车床的工作效率和质量，提高企业的经济效益和综合效益。

因而，加强数控车床常见故障和排除措施的研究是非常必要的。

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，发生故障也是难免的，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。

因此对维修人员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，及时搞好维修保养工作。

1.4本课题研究内容
1.了解数控加工概念，数控车床的构造，工作原理及使用方法，明确数控车床加工过程。

2.在了解数控车床的组成结构和工作原理的基础上分析一些简单的典型故障。

3.总结处理常见数控车床故障的一些方法。

4.对数控车床故障诊断实验台进行学习，研究实验台故障点，故障的设计原理，并举例进行验证。

2 数控车床故障分类及故障分析
数控车床是一种技术含量高且较复杂的机电一体化设备，其故障发生的原因一般都较复杂，给数控车床的故障诊断也排除带来了不少困难。

为了便于故障分析和处理，数控车床的故障大体上可以分为以下几类。

2.1数控车床故障分类
1.主机故障和电气故障。

一般来讲，数控车床的机械故障，相对而言可以直观的看出来，比较容易排除，电气故障就比较复杂。

电气故障按部位基本上可分为电气部分故障、伺服放大及位置检测部分故障、计算机部分故障和主轴控制部分故障。

至于编程而引起的故障，大多是由于考虑不周或输入失误造成的，只需按提示修改即可。

(1)主机故障。

数控车床的主机部分，主要包括机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等装置。

常见的主机故障主要表现为因机械组装、调试、工作人员操作不当等引起的机械传动故障与导轨运动摩擦过大故障等。

故障表现为传动噪声大，运行阻力大，加工精度差等。

（2）电气故障。

①机床本体上的电气故障。

此种故障首先可利用机床自诊断功能的报警号提示，查阅梯形图或检查i/o接口信号状态，根据机床维修说明书所提供的图纸、资料、排故流程图、调整方法并结合工作人员的经验检查。

②篷悯服放大及检测部分故障。

此种故障主要利用计算机自诊断功能的报警号，计算机各板上的信息状态指示灯，各关键测试点的波形、电压值，各有关电位器的调整，各断路销的设置，有关机床参数值的设定，专用诊断组件，并参考计算机控制系统维修手册、电气图等加以诊断及排除。

上述故障可总结到表2.1。

表2.1数控车床机械方面故障
表2.2 数控车床电气方面故障
2.显示故障和无显示故障。

以故障产生时有无自诊断显示来区分这两类故障。

(1)有报警显示故障。

现在的数控系统具有自诊断功能，可以显示出多种报警信号。

其中，大部分是CNC系统自身的故障报警，有的是数控车床制造厂利用操作者信息，把机床的故障也显示在显示器上，根据报警信号能容易地找到故障和排除故障。

但是，这里讲的是比较容易的情况。

有很多情况是虽然有报警显示，但并不是报警的真正原因。

(2)无报警显示故障。

数控机床产生的的故障还有一种情况，那就是无任何报警显示，但机床却是在不正常状态。

往往是机床停在某一位置上不能正常工作，甚至连手动操作都失灵。

维修人员只能根据故障产生前后的现象来分析判断，排除这类故障是比较困难的。

3.破坏性故障和非破坏性故障。

以故障产生时有无破坏性而将故障分为破坏性故障和非破坏性故障。

（1）破坏性故障。

此类故障的产生会对机床的操作者造成侵害，导致机床损坏或人身伤害，如飞车、超程运动、部件碰撞等。

这些破坏性故障往往是人为造成的。

破坏性故障产生之后，维修人员在进行故障诊断时，绝不允许重现故障。

（2）非破坏性故障。

此类故障比较好处理，往往通过系统“清零”即可消除。

4.交流主轴控制系统故障。

（1）系统故障。

此故障是指只要满足一定的条件，机床或控制系统就必然出现的故障。

如，网络电压过高或过低，系统就会产生电压过高报警或电压过低报警；切削用量安排得不合适，就会产生过载警报等。

（2）随机故障。

此类故障是指在同样条件下，只出现一次或两次故障。

要想人为地使其出现相同的故障则是不太容易的，有时很长时间也难再遇到一次。

这类故障的诊断和排除都是很困难的。

比如，一台数控机床本来正常工作，突然出现主轴停止时产生漂移，停电后再进电，漂移现象仍不能消除。

调整零漂电位器后现象消失，这显然是工作点漂移造成的。

因此，排除此类故障应经过反复实验，综合判断。

有些数控机床采用电磁离合器变档，离合器剩磁也会产生类似的现象。

2.2数控车床的故障分析
1. 数控车床步进电机常见故障及分析
数控车床步进电机在运行的过程中经常会很多故障，故障总结如下：
（1）电机不运转：
①驱动器无直流供电电压；
②驱动器保险丝熔断；
③驱动器报警（过电压，欠电压，过电流，过热）；
④驱动器与电机连线断线；
⑤驱动器使能信号被封锁；
⑥接口信号线接触不良；
⑦驱动器电路故障；
⑧电机卡死或者出现故障；
⑨电动机生锈；
⑩指令脉冲太窄，频率过高，脉冲电平太低。

（2）电机启动后堵转：
①指令频率太高；
②负载转矩太大；
③加速时间太短；
④负载惯量太大；
⑤直流电源电压降低。

（3）电机运转不均匀，有抖动：
①指令脉冲不均匀；
②指令脉冲太窄；
③指令脉冲电平不正确；
④指令脉冲与驱动器不匹配；
⑤脉冲信号存在噪声；
⑥脉冲频率与机械发生共振。

（4）电机定位不准：
①加减速时间太小；
②存在干扰噪声；
③系统屏蔽不良。

（5）电机过热：
①工作环境过于恶劣，环境温度过高；
②参数选择不当，如电流过大，超过相电流；
③电压过高。

（6）工作过程中停车：
①驱动电源故障；
②电动机线圈匝间短路或接地；
③绕组烧坏；
④脉冲发生电路故障；
⑤杂物卡住。

（7）噪声大：
①低频共振区；
②纯惯性负载，正反转频繁。

（8）失步或者多步：
①负载过大，超过电动机承载能力；
②负载忽大忽小；
③负载的转动惯量过大，启动是失步、停车时过冲；
④传动间隙大小不均；
⑤传动间隙产生的零件有弹性变形；
⑥电动机工作在震荡失步区；
⑦电路总清零使用不当；
⑧干扰。

（9）无力或者是出力降低：
①驱动电源故障；
②电动机绕组内部发生错误；
③电动机绕组碰到机壳，发生相间短路或者线头脱落；
④电动机轴断；
⑤电动机定子与转子之间的气隙过大；
⑥电源电压过低。

2. 数控车床刀具常见故障及分析
图2.1 CK50CNC换刀装置
CK50CNC换刀装置如图2.1所示，常见换刀装置故障包括以下几点：加工程序结束运行后，刀具没有回到零点。

出现这一故障的主要原因是有控制系统的故障导致的。

以为数控车床在运行中要采取低速运转的方式加工零件，所以步进电机的转速也会降低，在对零件加工完毕后，想要刀具回到零点就要提升步进电机的转速，所以步进电机由低速变为高速的过程中增加了输出转矩，驱动电压处于高压的状态，开关三极管控制着驱动电源，如果这一部件出现了问题，就无法实现高压的状态，所以就会出现刀具不能回到零点的状况。

数控车床加工完毕后，刀具返回出现越位现象，这种现象主要是由于机械传动系统遭受到过大的运行阻力造成的。

所以对于这种故障就要先对传动齿轮进行清查，查看是否有杂质堵塞齿轮，然后对溜班镶条的松紧进行检查。

3. 刀架换刀和定位故障及分析
最易发生故障的部位是转塔刀架，为提高数控车床的可靠性，减少故障的发生，必须首先解决刀架故障问题。

（1）刀架不到位或过位。

其原因可能有以下几种：因为这类数控车床刀架采用的是液压马达驱动，刀架同轴装有星轮，而且星轮上装有一个置零开关，当置零开关
压下时，PLC中的刀库计数值即回零。

当所选刀号和计数值一致时，刀架落下，压合复位开关。

经分析后得知，造成刀架不到位或过位的第一个原因就是液压马达流量的变化及液压不稳定，第二个原因则是正反转的时间常数没有调整好，第三个原因是星轮及计数开关没有调整好，再者就是电源工作不正常。

在列出了可能造成上述故障的原因之后，就应着手研究排除这些故障的方法。

对于上述的几个故障原因可分别采取相应的对策来解决。

对于第一种原因可采用调节液压流量的方法来控制刀架转位的幅度刀架转过头可将流量适当调小；如转不到位，可适当调大。

对于第二种原因，应通过键盘重点调整正反转的时间常数。

如果正转转过头，反转转不到位，可将正转时的延时时间调小，反转延时时间调大，并可再适当调整流量的大小。

对于第三种原因可从调节星轮及计数开关的位置着手，观察故障有无排除。

对于最后一种原因，即电源不正常造成的故障原因，通常是由于刀架在工作时，通过许多电磁阀的通断电来完成一系列抬起、旋转、落下的动作。

如果此时电源的容量不足，电磁铁不能充分吸合，那么流量不足，刀架动作较慢而不能到位。

事实上，在一次此类故障发生后的检查中，曾出现整流电源的一个二极管烧坏，使全波整流成为半波整流，从而导致电源容量大为下降。

一旦卡盘动作，电磁阀会被分走部分电流而不能充分动作。

更换整流二极管，故障即排除。

（2）刀架转动不停。

出现这种故障通常表明，机床没有选中所需的刀号。

有两类原因会引起此类故障。

①星轮或计数开关松动。

即星轮没有随刀架的转动而转动，因而没有压合计数开关；或者计数开关松动和安装位置不恰当，使星轮压合不到位。

重新紧固计数开关和星轮即可解除这种故障。

②两个计数开关的计数值不一致。

这是由于该车床为保证刀架的准确换刀，专门设计了两个计数开关，分别独立计数，当这两个计数开关的计数值都和所选刀号一致，刀架才会落下，从而选错刀号的可能性大大减少。

然而在实际工作中，这一目的却往往不能很好的达到。

常常会由于某个原因，使得两个计数开关的计数值不一致，从而造成刀架转动不停。

有效地解决这一故障的方法是，将这两个计数器并联起来，当一个来用。

（3）刀库与换刀机械手的故障诊断
表2.3刀库与换刀机械手的故障诊断
4. 飞车现象及分析
（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。

5. NC系统故障及分析
（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，使车床停车。

对于这类型故障的诊断，首先需了解该数控系统的各线路板的功能，再分析故障现象，并利用交换法定位故障点。

（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。

6. 元器件损坏及分析
主要指电气及电子元件的损坏。

一方面应选购质量好的元器件。

另一方面采取了如下措施：
（1）防止数控装置过热。

环境温度过高造成数控装置内温度超过400C时，数控系统无法正常工作。

此时应改善散热条件，可安装空调装置。

（2）除尘。

如果数控机床的主轴控制系统也设在强电柜中，还有可能引起主轴控制不灵。

在清洁接插件时可对插孔喷射专用电子清洁剂液雾后，可反复插拔插头或插脚，即可带出脏物；清洗电路板时，可用清洁剂喷洗，然后竖放，晾干后即可。

此外除了检修，应少开强电柜和电气柜门。

（3）定期检查和更换存储器电池。

存储器的存储数据在断电时靠电池供电保持。

电压低会造成参数丢失。

因此，要定期检查和更换电池。

更换电池要在数控系统通电状态下进行。

（4）对长期不用数控系统的维护。

首先，应经常给数控系统通电，让其空运行。

利用电器元件自身的发热驱散数控机床柜内的潮气，保证电子部件的性能稳定。

其次应取出直流伺服电机的电刷，以免由于化学腐蚀作用，使换向器、电动机损坏。

（5）冷却、润滑及液压系统经常发生油路堵塞故障，说明此系列机床过滤器设置不合理，采取如增加过滤次数，提高过滤精度等措施加以改进。

（6）本类数控车床采用的FANUCOTD数控系统，本身可靠性较好，但是人为因素导致多次故障发生。

所以，应着重提高操作者及维护人员的素质，把人为因素造成的故障减少到最低，从而有效地提高CNC系统使用的可靠性。

7. 数控车床伺服系统故障
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原件，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有以下几种。

（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和振幅，若不符合应调节相关电位器。