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数控机床/铣床 |
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计算机辅助数控机床故障诊断与管理系统 |
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作者：北京航空航天大学 王峰 郭连水 |
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一、问题的提出
数控机床的广泛应用是工业企业提高设备技术水平和生产效率的有效手段，数控机床数控系统的可靠运行，直接关系到整个机床运行是否正常，也就是说，当数控系统故障发生后，如何迅速诊断故障的出处并解决问题使其恢复正常，是提高数控机床使用效率的迫切需要。
目前，数控系统品种繁多，FANUC 0系统和FANUC16/18/21系统在我国广泛应用。该系列的数控系统可以通过串口传送NC 参数和NC加工程序，却没有远程诊断功能，只能通过分析其故障代码，利用其硬件报警和软件报警功能，及时核对数控系统参数等方法诊断故障。
通常，进行这种数控系统的故障诊断和维修需要专业的维修人员。这样势必影响到数控机床的使用效率，增加数控机床的维护成本。本文主要对FANUC 0 系统和FANUC 16/18/21系统的故障诊断进行研究，通过分析数控系统常见的故障，总结出数控系统常 见故障的排除方法，构建一个数控系统故障诊断的平台。采用直观 形象的形式，演示故障产生的原因，结合数控机床诊断的实际情况， 采用交互式流程图，使得故障排除的方法直观、易于实施。该系统 作为一个开放的系统，可以对数控系统的故障诊断结果进行详细统 计，为以后数控系统故障诊断提供参考。
二、故障诊断措施
在数控机床故障诊断中，对于不同类型的故障，采取不同的诊断措施。在诊断FANUC 0系统和FANUC 16/18/21系统故障时，根据该系列数控系统的特点，主要采取以下诊断措施：现象观察；利用数控系统的硬件和软件报警功能；利用状态显示诊断功能；及时核对数控系统的参数。
现象观察就是在数控系统发生故障时，首先观察各种外部现象，进行初步的判断。
利用数控系统的硬件报警功能就是分析FANUC 0系统和FANUC 16/18/21 系统控制柜和控制面板上的报警指示灯所代表的故障类型，并进行详细分析，找出数控系统故障的原因。利用数控系统的软件报警功能，就是充分利用数控系统的自诊断功能，通过CRT上显示的报警代码来获知故障所在。利用状态显示诊断功能，就是利用CRT 画面的状态显示(通常用二进制字节的“0”和“1”指示) 来检查数控系统是否将 信号输入到机床，或是机床一侧各种主令开关、行程开关等通断触发的开关信号是否按要求正确输入到数控系统中。这样，就可以区分出故障是在机床一侧还是在数控系统一侧，将故障锁定在某一元件上、进而解决问题。
另外，外界的干扰或者误操作，有可能会引起数控系统参数的变化。系统参数变化会直接影响到机床的性能，甚至使机床发生故障，整机不能正常工作，因此在发生故障时，应及时核对数控系统的参数。
三、计算机辅助故障诊断与管理系统
1，系统结构
基于上述故障诊断措施，结合实际经验，开发了计算机辅助数控机床故障诊断与管理系统，见图1。
图1
2，各模块功能
1) 管理模块
主要包括用户登陆、用户名添加、用户密码修改、用户权限设定等功能。用户在登陆系统以后，根据用户的权限不同，可以进行不同的操作。
2) 配置文件管理模块
配置参数以文件方式进行管理，根据实际需要，通过串口将配置文件传给数控机床。系统支持对配置文件的添加、删除、修改和浏览。
3) 故障查询模块
为了提高系统的易用性，系统可以根据故障代码对故障的处理方法进行查询。故障查询模块可以提高故障诊断效率，很有实用价值。
4) 参数查询模抉
根据参数号，查询机床故障诊断中用到的参数。在参数查询模块中，用户可以得到机床参数的意义、参数的相关说明、参数在数控系统中的地址等项信息。
5) 故障诊断模块
故障诊断模块作为该系统的主要模块，提供FANUC 0系统和FANUC 16/18/21系统常见故障的诊断方法。首先，通过直观形象的方式，演示故障发生的原因。然后提供故障诊断的流程图。下面以90 号报警———返回参考位置异常为例说明故障诊断模块的实现思路。
a. 故障原因演示
90号报警是在返回参考点的过程中发生的报警。故障可能是由于返回参考点的速度设置不正确，返回参考点的位置太近，或者是硬件故障引起的。在系统中，以直观形象的方式，来演示故障发生的原因，用户可以设置不同的返回速度和位置，来查看它们满足什么条件时，会出现报警。使用户了解了故障发生的原因， 有利于对故障进行处理。这一功能对于不熟悉FANUC 0系统和FANUC 16/18/21系统的设备维护人员来说尤其有用。
b. 故障排除流程
90号报警的内容如下：做进给轴返回基准点操作时，进给速度产生的位置跟随误差必须大于128个位置检测单位， 否则位置编码器的“一转信号”不能有效地产生栅格点信号。
在故障处理流程图中，首先按照如图2所示流程进行判断。
图2
在图2 的流程中，首先判断位置跟随误差是否大于128个位置检测单位，位置跟随误差可以通过如下的公式计算。
位置跟随误差= ( F×5000/3)/(G×检测单位)
式中F ——快速进给速度，m/min
G ——伺服环增益，0. 01/s
检测单位= 移动量/指令脉冲，µm/脉冲
如果位置跟随误差小于128 ，说明返回基准点的速度设定不正确(返回速度小) ，提高返回速度，然后进行下一步的判断。
如果位置跟随误差大于128个位置检测单位，则按照如图3 所示的流程进行判断。如果位置跟随误差大于128个位置检测单位时，电机回转也大于一转，按照图4 所示的流程进行判断。
图3
图4
按照上述流程图进行判断，可以得到故障到底是由于返回参考点的速度设置不正确，返回参考点的位置太近，或者是硬件故障引起的。
6) 故障诊断统计模块
数控机床在多年使用过程中，会出现多种故障，对一台数控机床出现的故障进行统计，可以为数控机床的维修提供历史数据，有利维修。通过故障统计，分析统计结果，对于经常出现的故障，如果都是由于相同原因引起的，提示数控机床维护人员分析引起故障的原因，采取相应的措施，如改善数控机床的工作环境、规范操作等。
故障统计的内容包括如下一些方面：故障发生时间、在何种操作下出现的故障、具体的故障内容、处理措施和其他信息。故障发生时间主要记录故障发生的日期和时间；故障是否在操作中出现(操作时间有多长) ；故障出现时电源是否接通；是否出现雷击、电源故障或者其他的电源干扰；故障只出现一次还是多次出现等。
在何种操作下出现的故障需要记录出现故障时数控系统的操作方式，如果在程序操作中出现故障，需要记录在程序的什么地方出现故障，故障是否是该程序所特有的，另外还要记录同样的操作是否会引起同样的故障；故障是与进给轴伺服有关还是与主轴伺服有关。
具体的故障内容主要记录：CRT 报警显示画面上的报警代码；CRT显示是否正常；加工误差、偏移量等信息。
处理措施主要记录引起故障的原因，是硬件的原因，参数设置错误造成的，还是其他的原因造成的，对于具体的故障原因记录相关的信息。
其他信息包括机床附近是否有干扰源存在，周围的温度，控制单元上是否有较大的震动等。
在出现故障时，可以通过查询故障统计，看以前是否有相同的故障出现，故障现象是否相同，如果相同，很可能是相同的原因造成的。另外，通过故障统计，可以为数控机床的日常维护提供可靠的依据。例如，在一段时间内，若出现的故障都是由于参数的错误引起的，应该采取一定的措施，避免同样的情况发生；检查外界的干扰是否太强，操作是否规范等，避免同样的故障反复发生。
7) 数控机床部件管理模块
按照机床号，将每一台机床的部件进行详细管理，记录部件的名称、图号、规格。如果机床出现故障需要更换部件，生成部件订货单，存储在数据库中。同时，对部件更换情况进行统计，如果某一个部件经常出现问题，需要更换，提示设备维护人员检查引起部件损坏的原因，及时排除，避免不必要的损失。
四、总结
计算机辅助数控机床故障诊断和管理系统作为一个实用的系统，提供了常见故障诊断的方法。可对数控机床的部件和参数文件等要素进行有效的管理。同时，作为一个开放的系统，对故障处理的结果进行详细统计，保留了故障处理过程中积累的一些经验和信息，为以后的故障诊断提供了方便。该系统经试用，情况良好。 (end)
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(2/14/2006) |
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