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数控机床诊断维修方法经验浅述X 摘 要:本文就近几年来在对进口数控设备的维护中，逐渐学习并掌握了CNC 系统的一些故障规 律和快速诊断方法进行了整理。意在使其更好地为数控设备的使用与维修服务提供借鉴。 关键词:数控机床;诊断维修;方法 随着发达国家先进技术和装备的不断引进，使 我们设备维护人员的维修难度越来越大，这是不可 否认的事实。但怎样尽快适应和掌握它，是我们应 该认真探讨并急需解决的课题，下面就自己多年的 维修经验谈一点个人体会。 笔者近年引进的日立精机VA 一65 和HC 一 800 两台加工中心，不但具有交流伺服拖动、四轴联 动功能，而且还配有磁栅全闭环位置反馈及自动测 量、自动切削监视系统，其CNC 是当时国际上最先 进的FANUC 一11M 系统。运行11 年来，虽然随 着使用年限的增长，一些元器件的老化、故障期的到 来，特别是加工任务的增多，设备每天24h 不停机的 运转，出现了几乎每周都有故障报警的现象。但为 保证任务的按期完成，我们在没有经过国内外培训 且图纸资料不全的条件下，在无数次的维修测试中， 认真分析故障规律，不断积累有关数据，逐渐掌握维 修要领，尽量在最短的时间内查出故障点，用最快的 速度修复调整完成。以下从几方面论述快速诊断和 维修数控设备的方法: 1 先观察问询再动手处置 首先看报警信息，因为现在大多数CNC 系统都 有较完善的自诊断功能，通过提示信息可以马上知 道故障区域，缩小检测范围。像一次HC 一800 卧 式加工中心在运行中出现5010 # spindle drive unit alarm 报警。我们根据提示信息马上按顺序检查了 主轴电机及其执行元件、主轴控制板，查明过流断路 点后恢复正常，仅用20min 完成。但从我们的经验 中也有受报警信息误导的例子，因此说可依据它但 不能依赖它。 故障发生后如无报警信息，则需要进一步用感 官来了解设备状态，最重要的就是向操作人员问询 故障发生的前因后果。同样是该设备，有一次其 APC 系统在防护罩没有打开情况下B 轴突然旋转 起来刮坏护罩，这一现象以前从未出现过。经我们 现场仔细询问操作过程，清楚了故障经过:原来操作 人员先输入了M60 指令，使_bPm_�APC 系统程序运行(更 换旋转工作台) ，当执行元件失控中途停机后，又进 行了手动状态下的单步指令操作。当时M60 并没 有删除，使其执行元件恢复正常后继续了原程序动 作。经认真了解并仔细分析后，我们立刻清除所有 原设定的指令，检测并更换了失控元件，避免了更大 故障的发生。根据报警信息和故障前的设备状态， 来判断故障区域，争取维修时间。 2 遵循由外到里，由浅入深的检修原则 笔者对加工中心多年的维修经历来看，大多数 故障根源都是来自于外部元器件，因其受外界因素 影响较大，象机械碰撞磨损、冷却液腐蚀、积尘过多、 润滑不良等，使这些年久失修的元器件处于不完好、 不可靠状态，成为设备故障的最大隐患。像各轴经 常出现的超程报警、零点复归误差、位置信号不反馈 等，都是一些磁性或机械式开关失灵造成。还有的 故障也是出现在电磁阀、电机和经常伸缩的电缆上。 像HC 一800 的一次B 轴旋转不到位或有时根本不 旋转故障，报警提示为: feed axis fault (APC com2 mand) ，看起来与命令有关。但我们根据故障现象 还是果断地检查B 轴各行程限位，果然有一撞块与 开关接触不好，经调整后正常。这就避免无目标地 消耗很大精力去查整个CNC 系统，先把重点放在外 部环节上。 这实际上是一种经验上的诊断，如果我们手里 有原理接线图，那就应该正规地按图纸去相应对照， 顺序查找并针对性的去测试电位和波形，还能从中 悟出一些理论上的东西。正是因为没有这个条件， 所以我们在维修中就是遵循从外部到内部、从人为 到系统、由浅入深的原则去进行，这就大大缩短了设 备的停修时间。 3 充分利用PC 图查找故障点 根据报警信息调出与其相关的PC 图进行分析 核对，也是一种诊断的方便途径。一次VA 一65 自 动换刀机械手到位后不执行抓刀指令，我们马上调 出PC 图从各指令开关信号到各进、退、松、紧动作 信号逐一进行对应校验，最后查出机械手旋转到信 号没有发出，原因是由于一磁性接近开关松动移后 不起作用，使下一步抓刀动作无法进行，调整后恢复 正常。 由PC 图查故障点看来比较方便直观，但如果 不了解其内部动作原理和工作程序，那可以说也是 大海捞针，无从下手。特别是无电气原理图就更难 以判断，每个输出动作多达几十个开关条件才能满 足，确实要下很大工夫才能逐步认识并掌握。我们 就是靠平时维修时的日积月累，在不断的了解和运 用它。 4 疑难故障的检测分析和快捷处理 此两台加工中心的一些元器件年久老化，使其参数随温度 或电流的变化而极不稳定，造成故障后能自动恢复 即时好时坏现象，这是我们最为之挠头的故障。因 为搞维修的都知道，元件坏了容易检测，而不正常的 通断情况则很难判断是元件坏了还是线路接触不良 造成，因为无法进行正常的信号检测。如B 轴工作 台换位;刀库进刀口自动打开;B 轴台板夹紧、松开 失灵等故障，其执行元件均是固态继电器接受指令 信号接通后带动电磁阀动作。当检测时可能未见异 常，启动后又可能一切正常，待连续动作几次后又停 机报警。我们根据故障现象及反复周期判定应该是 执行元件性能下降造成，因图纸不详、标识不清，只 能将关联的一组执行元件在正常和异常的情况下分 别进行检测，经反复测试后，最后从30 多只继电元 件中分别查出并更换了其性能下降的元件。 一次HC 一800 B 轴原点复归失控，指令发出 后旋转不停，没有报警信息。经现场了解分析，首先 认定应该是B 轴零点检测系统故障，而该系统是由 一只磁性接近开关发出到位信号后控制执行元件减 速停车。我们马上对这一信号进行线路测试，结果 无信号发出，人为设定一个到位信号则准确复归停 车，确认检测开关到设定信号点这一段有故障。但 如果想直接检测接近开关则必须将B 轴和与其关 联的调轴解体，因为此开关装在B 轴工作台体内。 这样的大结构拆修以前从未干过，测算一下工作量 需半个月时间，而且还要特别精心地对十多根控制 电缆和几十根油管拆除和恢复，这就很难保证拆装 后各部分的精度，但要想解决问题还必须露出这一 开关进行检测和维修。能否用一个简便的方法既能 节省拆装工作量又能拿出这一检测开关，经反复论 证后终于想出一个只拆B 轴端盖和调轴磁尺支架 拿出此开关的方法。虽然电气维修人员拆装、检测 难度很大，但保证了台面不大解体，把后患影响减小 到了最低限度。经实际测试开关、处理断路点原位 安装后恢复了B 轴复归功能，又对拆装后影响到的 调轴位置误差和B 轴定位故障进行了补偿和调整， 一切正常后仅用三天时间即交付使用，保证了试制 加工任务的完成。 5 结语 总之，在处理故障过程中怎样尽快打开思路、进 入状态，缩小检测范围，直触故障根源是维修技术人 员水平高低的关键所在。看似简单的道理却饱含着 方方面面，也是维修人员多年辛勤劳动的结晶。我 们就是在这种高频率故障的压力下，克服了重重困 难，尽力在短时间内解决问题，减少设备停歇台时， 为车型试制做出了我们应有的贡献。 [参考文献] [1 ] 李亚芹，龙泽明，韩阳阳 数控机床爬行问题的 分析与研究[J ] 组合机床与自动化加工技术， 2006 ， (10) :76～ [2 ] 卓迪仕 数控技术及应用[M] 北京:国防工出 版社， 
2 无速度传感器的矢量变频器 无速度传感器的矢量变频器目前包括西门子、艾默生、东芝、日立、LG、森兰等厂家都有成熟的产品推出，总结各自产品的特点，它们都具有以下特点:(1)电机参数自动辩识和手动输入相结合;(2)过载能力强，如50%额定输出电流2min、180%额定输出电流10s;(3)低频高输出转矩，如150%额定转矩/1HZ;(4)各种保护齐全(通俗地讲，就是不容易炸模块)。 无速度传感器的矢量控制变频器不仅改善了转矩控制的特性，而且改善了针对各种负载变化产生的不特定环境下的速度可控性。图3-1所示，为某品牌无速度传感器变频器产品在低频和正常频段时的转矩测试数据(电机为5kW/4极)。从图中可知，其在低速范围时同样可以产生强大的转矩。在实验中，我们同样将2Hz的矢量变频控制和V/F控制变频进行比较发现，前者具有更强的输出力矩，切削力几乎与正常频段(如30Hz或50Hz)相同。 图3-1 无传感器矢量变频器的转矩特性 3 矢量控制中的电机参数辨识 由于矢量控制是着眼于转子磁通来控制电机的定子电流，因此在其内部的算法中大量涉及到电机参数。从图3-2的异步电动机的T型等效电路表示中可以看出，电机除了常规的参数如电机极数、额定功率、额定电流外，还有R1(定子电阻)、X11(定子漏感抗)、R2(转子电阻)、X21(转子漏感抗)、Xm(互感抗)和I0(空载电流)。 根据目前国内外设计学者进行机械产品设计时的主要思维特点，将产品方案的设计方法概括为系统化、结构模块化、基于产品特征知识和智能四种类型。指出四种方法的特点及其相互间的有机联系，提出产品方案设计计算机实现的努力方向。 关键词：机械产品；方案设计方法；发展趋势 引言 科学技术的飞速发展，产品功能要求的日益增多，复杂性增加，寿命期缩短，更新换代速度加快。然而，产品的设计，尤其是机械产品方案的设计手段，则显得力不从心，跟不上时代发展的需要。目前，计算机辅助产品的设计绘图、设计计算、加工制造、生产规划已得到了比较广泛和深入的研究，并初见成效，而产品开发初期方案的计算机辅助设计却远远不能满足设计的需要。为此，作者在阅读了大量文献的基础上，概括总结了国内外设计学者进行方案设计时采用的方法，并讨论了各种方法之间的有机联系和机械产品方案设计计算机实现的 发展趋势。 根据目前国内外设计学者进行机械产品方案设计所用方法的主要特征，可以将方案的现代设计方法概括为下述四大类型。 1、系统化设计方法 系统化设计方法的主要特点是：将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统，每个设计要素具有独立性，各个要素间存在着有机的联系，并具有层次性，所有的设计要素结合后，即可实现设计系统所需完成的任务。 系统化设计思想于70年代由德国学者Pahl和Beitz教授提出，他们以系统理论为基础，制订了设计的一般模式，倡导设计工作应具备条理性。德国工程师协会在这一设计思想的基础上，制订出标准VDI2221“技术系统和产品的开发设计方法。 制定的机械产品方案设计进程模式，基本上沿用了德国标准VDI2221的设计方式。除此之外，我国许多设计学者在进行产品方案设计时还借鉴和引用了其他发达国家的系统化设计思想，其中具有代表性的是： (1)将用户需求作为产品功能特征构思、结构设计和零件设计、工艺规划、作业控制等的基础，从产品开发的宏观过程出发，利用质量功能布置方法，系统地将用户需求信息合理而有效地转换为产品开发各阶段的技术目标和作业控制规程的方法。 (2)将产品看作有机体层次上的生命系统，并借助于生命系统理论，把产品的设计过程划分成功能需求层次、实现功能要求的概念层次和产品的具体设计层次。同时采用了生命系统图符抽象地表达产品的功能要求，形成产品功能系统结构。 (3)将机械设计中系统科学的应用归纳为两个基本问题：一是把要设计的产品作为一个系统处理，最佳地确定其组成部分(单元)及其相互关系；二是将产品设计过程看成一个系统，根据设计目标，正确、合理地确定设计中各个方面的工作和各个不同的设计阶段 。 由于每个设计者研究问题的角度以及考虑问题的侧重点不同，进行方案设计时采用的具体研究方法亦存在差异。下面介绍一些具有代表性的系统化设计方法。 1 设计元素法 用五个设计元素(功能、效应、效应载体、形状元素和表面参数)描述“产品解”，认为一个产品的五个设计元素值确定之后，产品的所有特征和特征值即已确定。我国亦有设计学者采用了类似方法描述产品的原理解。 2 图形建模法 研制的“设计分析和引导系统”KALEIT，用层次清楚的图形描述出产品的功能结构及其相关的抽象信息，实现了系统结构、功能关系的图形化建模，以及功能层之间的联接 。 将设计划分成辅助方法和信息交换两个方面，利用Nijssen信息分析方法可以采用图形符号、具有内容丰富的语义模型结构、可以描述集成条件、可以划分约束类型、可以实现关系间的任意结合等特点，将设计方法解与信息技术进行集成，实现了设计过程中不同抽象层间信息关系的图形化建模。 文献［11］将语义设计网作为设计工具，在其开发的活性语义设计网ASK中，采用结点和线条组成的网络描述设计，结点表示元件化的单元(如设计任务、功能、构件或加工设备等)，线条用以调整和定义结点间不同的语义关系，由此为设计过程中的所有活动和结果预先建立模型，使早期设计要求的定义到每一个结构的具体描述均可由关系间的定义表达，实现了计算机辅助设计过程由抽象到具体的飞跃。 3 “构思”—“设计”法 将产品的方案设计分成“构思”和“设计”两个阶段。“构思”阶段的任务是寻求、选择和组合满足设计任务要求的原理解。“设计”阶段的工作则是具体实现构思阶段的原理解。 将方案的“构思”具体描述为：根据合适的功能结构，寻求满足设计任务要求的原理解。即功能结构中的分功能由“结构元素”实现，并将“结构元素”间的物理联接定义为“功能载体”，“功能载体”和“结构元素”间的相互作用又形成了功能示意图(机械运动简图)。方案的“设计”是根据功能示意图，先定性地描述所有的“功能载体”和“结构元素”，再定量地描述所有“结构元素”和联接件(“功能载体”)的形状及位置，得到结构示意图。Roper，H利用图论理论，借助于由他定义的“总设计单元(GE)”、“结构元素(KE)”、“功能结构元素(FKE)”、“联接结构元素(VKE)”、“结构零件(KT)”、“结构元素零件(KET)”等概念，以及描述结构元素尺寸、位置和传动参数间相互关系的若干种简图，把设计专家凭直觉设计的方法做了形式化的描述，形成了有效地应用现有知识的方法，并将其应用于“构思”和“设计”阶段。 从设计方法学的观点出发，将明确了设计任务后的设计工作分为三步：1) 获取功能和功能结构(简称为“功能”)；2) 寻找效应(简称为“效应”)；3) 寻找结构(简称为“构形规则”)。并用下述四种策略描述机械产品构思阶段的工作流程：策略1：分别考虑“功能”、“效应”和“构形规则”。因此，可以在各个工作步骤中分别创建变型方案，由此产生广泛的原理解谱。策略2：“效应”与“构形规则”(包括设计者创建的规则)关联，单独考虑功能(通常与设计任务相关)。此时，辨别典型的构形规则及其所属效应需要有丰富的经验，产生的方案谱远远少于策略1的方案谱。策略3：“功能”、“效应”、“构形规则”三者密切相关。适用于功能、效应和构形规则间没有选择余地、具有特殊要求的领域，如超小型机械、特大型机械、价值高的功能零件，以及有特殊功能要求的零部件等等。策略4：针对设计要求进行结构化求解。该策略从已有的零件出发，通过零件间不同的排序和连接，获得预期功能 。 4 矩阵设计法 在方案设计过程中采用“要求—功能”逻辑树(“与或”树)描述要求、功能之间的相互关系，得到满足要求的功能设计解集，形成不同的设计方案。再根据“要求—功能”逻辑树建立“要求—功能”关联矩阵，以描述满足要求所需功能之间的复杂关系，表示出要求与功能间一一对应的关系。 Kotaetal将矩阵作为机械系统方案设计的基础，把机械系统的设计空间分解为功能子空间，每个子空间只表示方案设计的一个模块，在抽象阶段的高层，每个设计模块用运动转换矩阵和一个可进行操作的约束矢量表示；在抽象阶段的低层，每个设计模块被表示为参数矩阵和一个运动方程。 5 键合图法 将组成系统元件的功能分成产生能量、消耗能量、转变能量形式、传递能量等各种类型，并借用键合图表达元件的功能解，希望将基于功能的模型与键合图结合，实现功能结构的自动生成和功能结构与键合图之间的自动转换，寻求由键合图产生多个设计方案的方 法。 2、结构模块化设计方法 从规划产品的角度提出：定义设计任务时以功能化的产品结构为基础，引用已有的产品解(如通用零件部件等)描述设计任务，即分解任务时就考虑每个分任务是否 参数辨识中分电机静止辨识和旋转辨识2种，其中在静止辨识中，变频器能自动测量并计算顶子和转子电阻以及相对于基本频率的漏感抗，并同时将测量的参数写入;在旋转辨识中，变频器自动测量电机的互感抗和空载电流。 图3-2 异步电动机稳定态等效电路 在参数辨识中，必须注意:(1)若旋转辨识中出现过流或过压故障，可适当增减加减速时间;(2)旋转辨识只能在空载中进行;(3)如辨识前必须首先正确输入电机铭牌的参数。 4 数控车床主轴变频矢量控制的功能设置 从图1-1中可以看出，使用在主轴中变频器的功能设置分以下几部分: 1 矢量控制方式的设定和电机参数; 2 开关量数字输入和输出; 3 模拟量输入特性曲线; 4 SR速度闭环参数设定。 第4章结束语 对于数控车床的主轴电机，使用了无速度传感器的变频调速器的矢量控制后，具有以下显著优点:大幅度降低维护费用，甚至是免维护的;可实现高效率的切割和较高的加工精度;实现低速和高速情况下强劲的力矩输出。
