1、数控机床故障诊断与维护 主编 徐衡33295-01第三章数控机床硬件故障的诊断33295-03第三章数控机床硬件故障的诊断学 习 目 标本章介绍了数控系统硬件的配置,数控装置硬件的结构,数控系统硬件故障的常规检查方法,利用数控系统自诊断功能查找硬件故障的方法,以及其他现场工作中常用的检查硬件的方法。数控系统中各控制单元的更换方法为:更换印制电路板、更换模块、更换LCD用保险、更换电池、更换控制单元风扇的电动机等。数控系统工作过程中常见干扰源的种类,数控系统抗干扰的措施,确保数控系统正常工作的方法。33295-03第一节数控系统硬件配置一、数控装置硬件的组成数控系统中的控制单元是数控装置。数控装
2、置以基本控制单元(CPU、存储器等)为核心,由决定位置的机构(伺服机构)、人机对话装置(按钮、键盘、显示装置等)、可编程序控制器(PLC),以及动力控制装置等构成。FANUC 0i-C系列数控系统(CNC)中的各组成单元(硬件),如图3-1所示。33295-03图3-1FANUC 0i-C数控系统硬件的组成33295-031.电源系统2.数控系统控制单元3.伺服模块及其控制方式(1)开环伺服系统开环伺服系统是没有反馈环节的控制系统。多用于经济型数控机床,其控制流程如图3-2所示。图3-2开环伺服系统33295-03(2)闭环伺服系统 闭环伺服系统是具有反馈环节的伺服系统。该系统以工作台的直线运
3、动位移量为反馈环节的反馈量。闭环系统装备有位置测量控制模块,其控制流程如图3-3所示。图3-3闭环伺服系统33295-03图3-4闭环伺服系统的直线光栅尺a)闭环伺服系统光栅尺在机床上的安装位置b)直线光栅尺33295-03(3)半闭环伺服系统机床工作台的直线位移通常是由丝杠螺母机构完成的,丝杠转角与工作台直线位移成比例关系,所以通过转角也可得出工作台的位移量。在闭环控制系统中,如果不是直接测量工作台的直线位移量,而是测量执行元件(如丝杠)的转角,把转角作为反馈量,则此闭环系统称为半闭环系统,其控制流程如图3-5所示。常用测量元件为旋转编码器(图3-6b)等。旋转编码器一般安装在工作台丝杠的端
4、部(或采用进给伺服电动机的内装编码器),安装位置如图3-6a所示。图3-5半闭环伺服系统33295-03图3-6半闭环伺服系统中的编码器a)半闭环伺服系统编码器在机床上的安装位置b)旋转编码器33295-03为了使数控装置具有很好的通用性,其输入/输出(I/O)信号一般不直接与机械系统控制的强电信号进行交换,而是采用PLC交换信号,并由PLC实现用户联锁等功能,最终实现对各种机械系统的控制。PLC的控制量根据机械动作的规律可以换算成“继电器”约为100到200个,用PLC程序(如梯形图程序)控制这些“继电器”,使其完成规定的动作。此外,将PLC系统程序做成NC内的程序控制器称为内置型PLC。4
5、.可编程序控制器(PLC)33295-03FANUC 0i系统CNC单元的外部形状分为水平安装型(图3-1)和垂直安装型(图3-7)。CNC单元硬件的配置有主印制电路板、存储器板、I/O板、伺服轴控制板和数控电源板等,如图3-8所示。图3-7CNC单元的外部形状(垂直安装型)二、FANUC数控系统控制单元的组成33295-03(1)主板 主CPU在该板上。主CPU用于系统的主控,显示的CRT控制也在该板上。(2)存储器板该板上装有:1)系统的控制软件ROM(共5片),系统可控制车床(0-T系统)、铣床(镗床、钻床)及加工中心(0-M系统)、磨床(0-G系统)、冲床(0-P系统)。2)伺服控制软
6、件ROM。3)PMC-L的ROM芯片,用于存储机床的强电控制逻辑程序。4)RAM芯片,用于寄存CPU的中间运算数据,应根据需要安装。5)CMOS RAM,用于存储系统和机床的参数、零件加工程序。33295-03(3)I/O板(4)进给伺服控制板(5)电源(6)RS232C串行口及数据通信。33295-03图3-8控制单元的硬件配置33295-03图3-9CNC控制单元主板33295-03三、FAUNC 0i/0i mate控制单元的连接FANUC 0i系统从外形上分为内装式和分离式两种,两种方式的硬件组成相同。图3-7所示为内装式数控系统,在其显示屏LCD的后面安装有系统控制单元(CNC)主板
7、,主板上装有CPU、存储器(F-ROM和RAM)、轴卡等,如图3-9所示。FAUNC 0i mate/0i控制单元接口如图3-10所示33295-03图3-10FANUC 0i mate/0i控制单元接口a)控制单元接口连接图b)控制单元实体图33295-03表3-1主板插座号及其用途33295-03图3-11FANUC 0i/0i mate-C系统控制单元总连接图33295-03控制单元总连接图如图3-11、图3-12所示。图3-11为FANUC 0i/0i mate-C系统控制单元的总连接图,图3-12为0i系统选择插槽上串行通信板(即DNC2板)的连接图,图3-13为0i系统中I/O L
8、ink部分的接线示例,图3-14为FANUC 0i Mate系统中I/O Link部分的接线示例。图3-12串行通信板(仅0i系统可以选用这个功能)连接图33295-03图3-13FANUC 0i系统的I/O Link接线33295-03图3-14FANUC 0i Mate系统的I/O Link接线33295-03图3-15I/O Link连接线路33295-03图3-16I/O Link连接方法33295-03图3-17FANUC 0i系统控制单元I/O板综合连接图33295-031.数控系统故障LED报警显示四、印制电路板和模块的LED显示2.DNC运行时高速接口板(型号HSSB)故障的L
9、ED报警显示FANUC 0i系统与计算机的通信,可以通过HSSB高速接口板进行。高速接口板HSSB插装在CNC装置上,如图3-18所示。同时在计算机一侧也需要配置相应的高速接口板,如图3-19所示。33295-03表3-2电源接通时绿色LED显示的变化过程(:灯灭;:灯亮)33295-03表3-3CNC系统发生报警时,红色LED点亮33295-03图3-18HSSB接口在CNC一侧的接口板33295-03图3-19HSSB接口在PC计算机一侧的接口板(PCI总线用)33295-03五、在屏幕上显示数控系统的印制电路板及软件的构成数控系统正常启动后,可以显示系统构成的屏面,由此便可以知道系统安装
10、的印制电路板及软件的种类。FANUC 0i数控系统显示系统使用的操作步骤是:1)按功能键,显示参数等屏面。2)按系统软键,显示系统的构成屏面。3)按或键,分别调出系统构成显示的三种屏面:印制电路板构成屏面,如图3-20所示;软件构成屏面,如图3-21所示;模块构成屏面,如图3-22所示。33295-0333295-0333295-03图3-22模块构成屏面33295-03表3-5模块ID表3-6软件ID33295-03一、更换单元模块时的注意事项当从CNC中更换控制单元内的印制电路板及模块时,如主印制电路板、PMC(PLC)控制模块、存储器和主轴模块、FROM&SRAM模块、伺服模块,需要注意
11、以下两点:1)更换PMC控制模块、存储器、主轴模块和伺服模块之前,必须备份SRAM区域中的参数和有关程序。2)如果用分离型绝对脉冲编码器或金属直尺保存电动机的绝对位置,在第二节数控系统硬件的更换方法更换主印制电路板及印制电路板上安装的模块时,电动机的绝对位置就不能保存了。33295-03二、更换电路板、模块的方法1.FANUC 0i系统印制电路板及模块的规格当更换控制单元内的印制电路板及模块时,应使用规定规格的电路板。FANUC 0i-C数控系统部分电路板的规格见表3-7。在更换印制电路板及模块之前,必须备份SRAM区域中的数据。33295-03表3-7FANUC 0i-C数控系统电路板的部分
12、规格33295-03表3-7FANUC 0i-C数控系统电路板的部分规格33295-032.更换主板的方法1)松开控制单元固定框架的四个螺钉,拆下框架,风扇和电池的电缆不要拔下。2)从主板上拔下插座CNM1A(PCMCIA接口用插座)、CN8(视频信号接口用插座)、CN2(软键电缆用插座)的所有电缆。3)安装主板时,按照与上述顺序相反的步骤操作,即由2)1),将主板安装到框架上。33295-0333295-0333295-033.更换模块的方法在CNC上更换DIMM模块或模块板时,不要用手触摸模块或模块板上的部件。以免因放电等因素造成元件的损坏。操作方法如下;(1)从CNC主机上取出模块的方法
13、1)向外打开模块插座的卡爪,如图3-25a所示。2)向上拔模块,如图3-25b所示。(2)往CNC主机上安装模块的方法1)将模块倾斜地插入插座,如图3-25b所示。2)竖起模块直到模块被锁住为止,如图3-25c所示。33295-03图3-25更换模块的方法33295-03三、更换电池的方法一般数控系统常用的电池为CNC存储器备份用电池、分离性脉冲编码器用电池及绝对脉冲编码器用电池。1.更换CNC存储器备份用电池33295-03图3-26内装式数控系统锂电池的安装位置33295-03对于FANUC 0i-C或18 i等内装式数控系统电池的安装位置如图3-26所示。对于0i-A/B或其他分离式数控
14、系统,电池的安装位置如图3-27所示。(1)使用锂电池时,更换电池的操作步骤如下:1)准备锂电池(电池规格号A02B-0200-K102)2)接通机床CNC电源,等待大约30s。3)关掉CNC电源。4)从控制单元的正面拆掉电池。5)安装上新电池,然后重新接上插头。33295-03图3-270i-A/B分离式数控系统锂电池安装位置33295-03电池作为存储器的电池。采用上述标题(1)中所述更换电池步骤,用插头连接外挂电池盒,如图3-28a所示。干电池装入电池盒如图3-28b所示,操作步骤:1)手持干电池盒。2)接通电源。3)卸掉电池盒的盖子。4)装上新的干电池,注意电池极性要正确。5)重新装上
15、电池盒的盖子。(2)使用干电池时,更换电池的操作步骤如果采用外挂电池盒,可使用干33295-03图3-28采用连接外挂电池盒33295-03按以下的顺序更换电池。1)准备四节碱性干电池。2)接通CNC电源。3)松开电池盒盖上的螺钉,将其移出,参照机床厂家发行的说明书确定电池盒的安装位置。4)更换盒中的电池,注意更换电池的方向,插入电池,如图3-29所示,有两个2.更换分离性脉冲编码器用电池(DC6V)正极向前,两个正极向后。5)更换完电池后,盖上电池盒盖,操作过程完成。33295-033.更换绝对脉冲编码器用电池(系列伺服放大器模块)绝对脉冲编码器用电池的更换步骤为:1)接通机床的电源。2)取
16、下系列伺服放大器前面板上的电池盒。3)取下电池插头。4)更换电池,接好插头。5)装上电池盒。6)关上机床(CNC)电源。33295-0333295-0333295-03风扇单元装配在框架上部的风扇盒中,如图3-31所示。在打开电柜门,更换风扇单元时,小心不要触摸高压电路部分(有标记并盖有防止电击的罩),罩子脱落,若触摸了高压电路有可能会受到电击。图3-31更换控制单元的冷却风扇33295-03更换风扇单元步骤:1)在更换风扇之前,关掉CNC电源。2)拔出风扇单元的插头。3)拔出风扇单元,使之与风扇盒分离。4)更换新风扇单元,尽可能快地把新的风扇单元装上,当听到“咔”的一声时,风扇单元就装好了。
17、5)插上风扇单元的插头。五、更换控制单元的熔体33295-03更换电源单元的熔体时,先要排除引起熔体熔断的原因,然后才可以更换。一定要确认熔断熔体的规格,更换时要图3-32控制单元熔体的位置33295-03FANUC 0i-C系统电源单元熔体在数控装置上的安装位置如图3-32所示。熔体的更换步骤如下:1)熔体熔断后,要先查明并排除其熔断的原因,再进行更换。2)将旧的熔体向上拔出。四、更换控制单元的冷却风扇3)将新的熔体装入原来的位置。33295-03六、更换LCD的灯管应使用规定规格的灯管。FANUC 0i数控系统LCD灯管的规格见表3-8。由于换灯管工作会将SRAM存储器的内容丢失,所以在更
18、换灯管之前必须备份SRAM区域中的数据。表3-8LCD灯管的规格33295-031.7.2LCD灯管的更换步骤1)拔掉电源电缆插头和视频信号电缆插头,拆掉LCD控制单元,如图3-33所示2)从LCD的正面拆掉灯管的盖子,然后更换灯管,如图3-34所示。图3-33拆下LCD控制单元3)更换灯管后,按相反顺序安装好显示单元。33295-032.8.4LCD灯管的更换步骤1)拔掉电源电缆插头和视频信号电缆插头,拆掉LCD控制单元,如图3-33所示。2)从LCD的后面,拧松电源盖子的螺钉,然后更换灯管,如图3-35所示。3)更换灯管后,按相反顺序安装好显示单元。33295-0333295-033329
19、5-03一、常见的干扰源第三节数控系统的抗干扰1.电磁波干扰2.供电线路干扰3.信号传输干扰33295-03共模干扰的等效电路如图3-36所示。图3-36共模干扰的等效电路33295-03二、抗干扰的措施1.信号线的分组机床使用的电缆的分组见表3-9,每组电缆应按表中所述方法处理,并按分组走线。分组电缆走线方法如图3-37所示。33295-03表3-9信号线的分组33295-032.数控机床各种地线的连接数控机床的接地方法有三种,即信号地、框架地和系统地。(1)信号地Signal Ground(SG)供给电信号用的(0V)基准电压。(2)框架地Frame Ground(FG)框架地用来提高系统
20、可靠性,屏蔽内部和外来的噪声,具体而言,在设备的框架、单元外壳、面板与设备相连接口电缆的屏蔽。(3)系统地System ground系统地把各设备或单元之间设置的框架地作为系统与大地相连接。33295-033.接地的注意事项1)在控制单元中,信号地与框架地仅在一处相连。2)系统地的接地电阻小于100。3)接地电缆要有足够的横截面积,以便安全应对短路时的故障电流(一般大于AC电源线的截面积)。4)在供电时,系统地线要与AC电源线构成一体使用,地线分开连接时,不要供电。数控机床应采用一点接地法,不可图方便,到处就近接地,结果造成多点接地,形成地环流。接地系统如图3-38所示。33295-03332
21、95-0333295-035.防止强电干扰4.抑制、缩小供电线路的干扰6.电缆的装夹与屏蔽处理33295-03图3-39CR型灭弧器 图3-40二极管型灭弧器33295-03图3-41电缆的装夹与屏蔽处理33295-03第四节数控系统硬件故障的诊断方法一、硬件故障的诊断原则1.先外部后内部2.先机械后电气3.先静后动4.先公用后专用5.先简单后复杂6.先一般后特殊33295-03二、数控系统硬件的常规检查1.外观的检查2.连接电缆、连接线的检查3.连接端及接插件的检查4.在恶劣环境下工作的元、器件的检查5.易损部位元、器件的检查6.定期保养部件及元、器件的检查7.电源电压的检查33295-03
22、三、数控系统自诊断查找故障CNC系统自诊断技术的应用主要有三种方式,即启动诊断、在线诊断和离线诊断。1.启动诊断下面是FANUC 0i系统的启动诊断过程。(1)打开CNC电源的步骤1)检查数控机床的外观是否正常,比如检查前门和后门是否关好。2)按照机床制造厂说明书中所述的步骤通电。3)通电后如果系统正常,则会显示位置屏幕屏面,如图3-42所示。4)检查风扇电动机是否旋转。33295-03图3-42电源接通时位置显示屏面 图3-43插槽状态(硬件)显示屏33295-03图3-44所示为各模块设置结束等待屏面,也称为模块构成屏面。用于监视模块设置情况。图3-45所示为软件配置的屏面,列出了系统软件
23、构成情况。33295-03图3-44各模块设置结束等待屏面 33295-03图3-45数控系统软件配置屏面33295-031)检查操作面板上表示循环启动的指示灯LED是否关闭。2)检查CNC机床的移动部件是否都已经停止。3)如果有外部的输入/输出设备连接到机床上,应先关掉外部输入/输出设备的电源。4)持续按下POWER OFF按钮大约5s。5)参考制造厂提供的说明书,按照其中所述步骤切断机床的电源。(3)关闭电源关闭CNC系统电源应按下述步骤进行:33295-03(1)在屏面打开诊断号显示的操作步骤操作顺序:按功能键软键诊断软键(操作)图3-46诊断屏面2.根据诊断号信息在线诊断33295-0
24、3在屏面上键入诊断号软键No.检索。详述如下:1)按下功能键,打开系统屏面。2)在系统屏面上按下章节显示选择软键诊断。3)诊断屏幕有多页,检索所需页面的操作方法有两种。通过翻页键逐一打开诊断页面,找出所需页面。诊断屏面如图3-46所示。通过软键查询,步骤是:首先通过键盘键入需要显示的诊断号,然后按下No.检索软键。33295-03表3-10给定进给命令后,该命令没被执行的诊断显示33295-03表3-11自动运行停止和暂停时的报警显示33295-03(3)报警号组合图3-47中的横向数据表示在诊断号020025中,每一诊断号被设置为“1”时所反映的信号和图3-47自动运行停止或暂停时的报警数据
25、组合状态33295-03四、敲击法查找故障五、局部升温法查找故障六、交换硬件法查找故障七、面板与模块指示灯LED显示分析法查找故障八、系统原理分析法查找故障九、测量比较法查找故障33295-03图3-48系统启、停电路示意图33295-03图3-49系统电源的原理图33295-031.信号追踪法(1)接线系统(继电器-接触器系统)信号追踪法(2)NC、PMC系统状态显示法(3)硬接线系统的强制法2.静态测量法3.动态测量法33295-03十、根据报警查找故障1.RAM奇偶校验报警(ALM 910、911)故障的原因及处理方法:1)由于外界的干扰引起的数据报警。2)存储器用的后备电池电压偏低。3
26、)系统RAM内软件不良故障。4)印制电路板存储卡不良或系统主板故障。33295-032.伺服公共RAM奇偶检验报警(ALM 912、913)故障产生的原因及处理方法:1)由于外界的干扰引起的数据报警。2)系统伺服软件不良。3)系统伺服轴板的故障。4)伺服放大器的故障(对伺服为型接口而言)。5)系统主板不良或存储板不良。33295-03故障的原因:1)系统主板不良(系统主CPU及主板)。2)系统轴控制板不良。3)CNC的控制软件ROM不良(系统存储板)。4.主CPU异常报警(ALM 930)3.系统监控报警(ALM 920)33295-031)系统的外界干扰。2)主CPU及外围电路故障。3)电源
27、单元电压异常。4)更换系统主板。故障的原因及处理方法:33295-03实训三FANUC 0i-C/0i mate-C数控系统的基本连接一、实训目的1)了解数控系统的各基本单元。2)了解数控系统的硬件连接。二、实训设备1.实训系统控制板实训系统控制板如图3-51所示。(1)转换开关(机床侧/面板侧)(2)按钮(3)数控系统硬件连接图33295-03图3-51实训系统控制板33295-03(4)JA40SP/HDI接口展开HD10、0V信号为主轴高速跳转接口,可用万用表进行测量,注意不能短接。(5)JA7A SP/POS接口展开PA、*PA为主轴编码器A相;PB、*PB为主轴编码器B相;SC、*S
28、C为主轴编码器Z相;5V、0V为主轴编码器的电源。编码器信号可用示波器测量波形,也可用万用表测量电压,信号间不能短接,配合下端的拨码开关可设置主轴编码器的硬件故障。(6)拨码开关33295-032.伺服驱动控制单元在FANUC伺服驱动板上,配有驱动接口连接示意图,驱动器上的电缆严禁带电插拔,以防触电和驱动烧毁。伺服驱动控制单元如图3-52所示,伺服驱动板上驱动接口的说明如下:1)L1、L2、L3、PE:驱动主电源,三相AC220V。2)DCC/DCP:再生型放电电阻。3)CXA20:再生型放电电阻。4)U、V、W、PE:电动机电源。5)CX29:驱动就绪信号。33295-036)CX30:接外
29、部急停。7)CXA19A/CXA19B:控制单元DC24V。8)COP10B/COP10A:光缆连接口。9)JF1:电动机编码器反馈接口。3.变频主轴控制板变频主轴控制板如图3-53所示。1)安装有主轴变频器,配有主轴变频器工作原理图和控制原理图。2)变频器操作说明详见变频器使用说明书。33295-03图5-52伺服驱动控制单元33295-033)变频器右侧为变频器工作原理图,交流电源输入后转换成直流电源,再根据模拟电压的大小,转换成不同频率的交流电源给主轴电动机供电,以达到无级变速的功能。4)变频器左侧为变频器控制原理展开图,变频器上所有控制端子均展开在面板上,10号端子为变频器自身的模拟电
30、压输出5V,2号、5号端子为外部模拟电压输入(电压型),5号端子为公共端0V。图5-53变频主轴控制板33295-034.输入/输出模块CE56、CE57接口单元I/O模块CE56、CE57接口单元板如图3-54所示。图3-54I/O模块CE56、CE57接口单元板33295-035.FANUC I/O Link输入/输出模块I/O Link输入/输出模块如图3-55所示。模块上所有插头严禁带电拔插,以防I/O模块和插头的烧坏。1)CE56、CE57:PLC输入/输出点,由50芯灰排线引到后面的I/O板上,再由彩排线引到所需的各输入/输出接口。2)I/O Link的两个插座JD1A、JD1B。
31、33295-03图3-55I/O Link输入/输出模块33295-03三、实训相关知识1.FANUC 0i-C及FANUC 0i mate-C系统硬件的构成(图3-1)2.FANUC 0i/0i mate-C系统间的部件连接(图3-11)3.FANUC I/O Link连接1)0i用I/O单元如图3-13所示。2)0i mate用I/O单元如图3-14所示。33295-031)机床的电源(AC200V)。2)伺服放大器的控制电源(AC200V)。3)I/O设备显示器的电源,CNC控制单元的电源(DC24V)。5.系统电源的关断顺序1)I/O设备、CNC控制单元的电源(DC24V)。2)伺服放
32、大器的控制电源(AC200V)。4.系统电源的接通顺序3)机床的电源(AC200V)。33295-03四、实训内容1)系统电源的连接。2)系统与外围设备的连接。3)系统与主轴变频器的连接。4)系统与伺服放大器的连接。5)实训台上线路的连接。6)系统的通电。33295-03五、实训步骤1.系统电源的连接1)在各个伺服模块的L1、L2、L3端子上同时接入交流200V的电压,CXA19A插头上接入DC24V的电压。2)在系统基本单元、I/O模块的CP1插头上接入DC24V的电源。2.系统与外围设备的连接1)将系统基本单元的JA7A插头通过电缆连接到主轴位置编码器接口。2)将系统基本单元的JD1A插头
33、通过I/O Link电缆连接到外置I/O模块。33295-033.系统与主轴变频器的连接1)将系统基本单元的JA40插头连接到变频器的指令输入口。2)在变频器R、S、T端子上接入220V/380V电压,端子上接入正、反转信号,U、V、W端子上接入电动机动力线。33295-034.系统与伺服放大器的连接1)将系统基本单元的COP10A插头通过光缆连接到伺服单元的COP10B2)在伺服单元的U、V、W端子上接入伺服电动机的动力线。3)在伺服单元的CX30插头上接入急停信号。4)在伺服单元的CX29插头上接入控制驱动主电源的接触器线圈。5)在伺服单元的CX19插头上接入驱动控制电源DC24V。5.实训台上线路的连接33295-036.系统的通电通电前应对线路进行检查。1)用万用表ACV档测量AC200V是否正常:断开各变压器次级,用万用表ACV档测量各次级电压是否正常,如正常,将电路恢复。2)用万用表DCV档测量开关电源输出电压是否正常(DC24V):断开DC24V输出端,给开关电源供电,用万用表DCV档测量其电压,如正常,即可进行下一步。3)断开电源,用万用表电阻档测量各电源输出端对地是否短路。
