第5章 伺服系统的故障诊断与维修1

第五章数控系统故障诊断一、数控系统简介二、数控系统的自诊断三、数控系统诊断方法和数控机床回参考点故障四、数控机床主轴驱动系统故障诊断五、数控机床进给驱动系统故障诊断六、数控机床位置检测系统的故障诊断•目前数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和工程设计的思路。•对于不同的生产厂家来说，在设计思想上也可能各有千秋。有的系统采用小板结构，便于板子更换和灵活结合，而有的系统则趋向大板结构，使之有利于系统工作的可靠性，促使系统的平均无故障率不断提高。•无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。•数控系统是由硬件控制系统和软件控制系统两大部分组成：•硬件控制系统是以微处理器为核心，采用大规模集成电路芯片、可编程控制器、伺服驱动单元、伺服电机、各种输入输出设备（包括显示器、控制面板、输入输出接口等）等可见部件组成。•软件控制系统即数控软件，包括数据输入输出、插补控制、刀具补偿控制、加减速控制、位置控制、伺服控制、键盘控制、显示控制、接口控制等控制软件及各种参数、报警文本等组成。•数控系统出现故障后，就要分别对软硬件进行分析、判断，定位故障并维修。作为一个好的数控设备维修人员，就必须具备电子线路、元器件、计算机软硬件、接口技术、测量技术等方面的知识。数控系统简介•数控系统中具有代表性的主要有FANUC公司系统、SIEMENS公司系统、MITSUBISHI公司系统、A-B公司系统、FAGOR公司系统等•主要介绍：FANUC系统、SIEMENS系统、MITSUBISHI系统FANUC系统•FANUC数控装置F0，F10，F11，F12，F15，F16等系列，每一个系列的数控装置可提供多种可选择功能，适应于多种机床使用。•结构：由大板结构转向模块化结构常用数控系统简介（一）FANUC数控系统简介FANUC公司创建于1956年，1959年首先推出电液步进电机。70年代，一方面从Gettes公司引进直流伺服电机制造技术，一方面与西门子合作，学习其先进的硬件技术，1976年成功开发出5系统，后与西门子联合开发出7系统。从这时，FANUC成为世界上最大的专业数控生产厂家。FANUC公司目前生产的CNC装置有：F0、F10／F11／F12、F15、F16、F18。F00／F100／110／120／150系列是在F0／10／11／12／15的基础上加了MMC(MultiMediaCard多媒体存储卡)功能，即CNC(Computernumericalcontrol))、PMC、MMC三位一体的CNC。产品特点：结构上长期采用大板结构，但在新的产品中已采用模块化结构采用专用LSI(Large-scaleintegration大规模集成电路)，以提高集成度、可靠性，减少体积和降低成本产品应用范围广。每一CNC装置上可配多种控制软件，适用于多种机床不断采用新工艺、新技术。如表面安装技术SMT(SurfaceMountedTechnology表面贴装技术)、多层印刷电路板、光导纤维电缆等CNC装置体积减少，采用面板装配式，内装式PMC（可编程机床控制器）FANUC6系统（1979年）FS6是FANUC早期代表性产品之一。在70年代末与80年代初期的数控机床得到了广泛应用。①FS6与西门子6系统结构基本相同（合作产品），除伺服电动机、PLC采用西门子公司产品外，其余部分完全相同②硬件采用大板结构，上面插有电源模块、存储器板等小板，CPU采用8086，该CNC系列为多微处理器控制系统，其主CPU、PMC及图形显示的CPU均为8086③伺服驱动系统采用FANUC直流驱动系统，通过脉冲编码器进行位置检测，构成半闭环位置控制系统④系统一般带有独立安装的电气柜，电气柜内安装了系统的主要部件（如CNC装置、伺服驱动、输入单元、电源单元）⑤主轴驱动系统采用FANUC交流主轴驱动装置，该单元为分开安装式，一般安装在强电柜内⑥系统软件为固定式专用软件我国80年代进口的数控机床，均大量配套采用FS6系统，直到目前仍然有较多配套FS6的机床在使用中，这些设备大多进入故障多发期，因此，它是数控机床维修中的常见系统之一。F3简化版（经济型）另注：Fs6→F9强化版（1980年）F11系列（1984年）F11系列是FANUC公司20世纪80年代初期开发并得到广泛应用的FANUC代表性产品之一，在80年代进口的高档数控机床上广为采用，因此，它亦是维修中的常见系统之一。同系列的产品有F10／11／12三种基本规格，其基本结构相似，性能与使用场合有所区别。①F11的硬件仍然采用大板结构（主板），主CPU为68000，它也是一种多微处理器控制系统②硬件尽量采用专用大规模集成电路及厚膜电路（22块），元件减少30％③CNC系统和操作面板、I/O单元之间采用光缆连接，减少了信号线，抗干扰能力提高④F11系统既可以带独立安装的电柜，也可进行分离式安装⑤伺服驱动与主轴驱动一般采用FANUC模拟式交流伺服驱动系统⑥系统软件可固定式专用软件，最大可以控制5轴，并实现全部控制轴的联动F0系统（1985年）F0系列是FANUC公司20世纪80年代中后期开发的产品，是FANUC代表性产品之一。是中国市场上销售量最大的一种系统（F0C系列，F0D系列），产品目标是体积小、价格低，其中F0－MC/TC是其代表性产品，F0－MD和F0－TD为F0－MA和F0－TA的简化版（经济型）。①硬件结构采用了传统的结构方式，即在主板上插有存储器板、I/O板、轴控制模块以及电源单元。其主板较其他系列主板要小得多，因此，在结构上显得较紧凑，体积小②F0系列为多微处理器CNC系统，F0A系列主CPU为80186，F0B系列的主CPU为80286，F0C系列的主CPU为80386.内置可编程控制器（PLC）的CPU为8086③F0可以配套使用FANUCS系列、α系列、αC系列、β系列等数字式交流伺服驱动系统，无漂移影响，可以实现高速、高精控制④采用了高性能的固定软件与菜单操作的软功能面板，可以进行简单的人机对话式编程⑤具有多种自诊断功能，以便于维修⑥F0i系统采用总线技术，增加了网络功能，并采用了“闪存”（FLASHROM）。系统可以通过Remotebuffer接口与PC相连，由PC机控制加工，实现信息传递，系统间也可以通过I/OLink总线进行相连⑦F0Mate是F0系列的派生产品，与F0相比是结构更为紧凑的经济型CNC装置FANUC15／16／18系统F15／16／18／16i／18i系列系统有F－15／16／18、F－15i／16i／18i及FS－150／160／180、F160i／180i等型号，该系列系统是专门为工厂自动化设计的数控系统，是目前国际上工艺与性能最先进的数控系统之一，在美国、日本、欧洲的制造业中已普遍使用。①系统的硬件与微电子技术发展同步，采用了超大规模集成芯片，CPU可以是80486或PENTIUM系列处理器，带64位RISC芯片等②系统元器件采用了立体化、高密度的安装方式（FANUC公司的专利技术），除主板外，印刷电路板均按物理功能分成小模块，根据用户的要求和系统的规模，分别插在主板上，系统扩展容易，维修方便，体积小③F15采用了模块式多主总线（FANUCBUS）结构，多CPU控制系统，、主CPU采用了68020，还采用了一个子CPU，在PMC、轴控制、图形控制、通信及自动编程中也都有各自的CPU④系统采用8.4in或9.5inTFT（ThinFilmTransistor薄膜晶体管）彩色液晶显示器⑤系统可配套α／αi系列数字式交流伺服系统，主轴控制可采用α／αi系列主轴驱动系统⑥F15／16／18系列系统既可单机运行，也可通过Remotebuffer接口与个人计算机相连，由计算机控制加工，实现信息传递。通过I/Olink（串行口）接口还可以连接多种外围设备。另外经DNC1或DNC2接口，可与CellController或以太网连接，由上位机进行控制，实现车间的自动化F16／18系统的总体结构图CNCI/O单元强电回路传感器/线圈电源变压器电源主计算机伺服驱动主轴驱动主轴电动机伺服电动机操作面板接口机床操作面板MDI/CRT单元I/O接口I/O设备手轮FANUC30i---MODELA日本FANUC最新的高档控制器，是当前配置最高的数控系统。特点：1.最大控制系统为10个系统（通道）；2.最多轴数和最大主轴配置为40轴，其中进给轴32轴，主轴为8轴；最大同时控制轴数为24轴/系统；3.最大PMC系统数为3个系统；最大I/O点数为4096点/4096点，PMC基本指令速度为25ns。4.最大可预读程序段为1000段。FANUC系统•F0系列数控装置是多微处理器系统•F0A系列主CPU：80186；•F0B系列主CPU：80286；•F0C系列主CPU：80386；•内置可编程控制器(PMC)CPU：8086。•F0系列数控装置适用中、小型数控机床。FANUC系统•F10,F11,F12系列有M，T，TT等型号•M型：用于加工中心、铣床、镗床；•T型：用于车床；•TT型：用于双刀架车床。•F10,F11系列的主板采用大板结构，其他板和模块采用了小板，均插在主板上。•F12系列所有电路板分别安装在两个底板上。•F10,F11，F12系列为多处理器系统，主板GPU和PMG的CPU是6800。FANUC系统•F15系列是32位人工智能型(AI)数控装置•结构：模块化多主控(FANUCBUS)总线；•主CPU为68020，在PMC,轴控制、图形控制、通信、自动编程功能中都有各自的CPU•F15系列可构成2~15轴系统，适用于大型机床、多系统和多轴控制FANUC系统•F16系列的功能位于F15系列和F0系列之间•结构：多主控总线，它在采用的32位CISC(ComplexInstructionSetComputer)处理器上增加了32位RISC(ReducedInstructionSetcomputer)高速处理器，用于高速运算处理。FANUC系统•F18系列是在F16系列之后推出的32位数控装置，功能位于F15系列和F0系列之间，但低于F16系列。•特点：可进行四轴伺服和两轴主轴控制。SIEMENS系统•SIEMENS数控装置有SINUMERIK3,8,810，820，550，880，805，840等系列数控装置，每个系列都有适用于不同加工类型的机床数控装置。•结构：SIEMENS数控装置采用模块化结构，具有接口诊断功能和数据通信功能（二）SIEMENS数控系统简介SIEMENS公司是生产数控系统的著名厂家，SINUMERIK的CNC数控装置主要有：SINUMERIK3／8／810／820／850／805／840系列等。SIEMENS810／820系统SIEMENS810／820是西门子公司20世纪80年代中期开发的CNC、PLC一体型控制系统，它适合于普通车、铣、磨床的控制，系统结构简单、体积小、可靠性高，在80年代末、90年代初的数控机床厂上使用较广。①810与820的区别仅在于显示器，810为9in单色显示，系统电源为24V；820为12in单色或彩色显示，系统电源为交流220V，其余硬件、软件部分完全一致②810／820最大可控制6轴（其中允许有2个作为主轴控制），3轴联动③系统由电源、显示器、CPU板、存储器（MEM／EPROM／RAM）板、I/O板、接口板、显示控制板、位控板、机箱等硬件组成。硬件采用了较多LSI和专用集成电路④主CPU采用80186⑤PLC最大128点输入／64点输出，用户程序容量12KB，PLC采用STEP5语言编程SIEMENS3系统SIEMENS3系统是西门子公司80年代初期开发出来的中档全功能数控系统，是西门子公司销售量最大的系统，是20世纪80年代欧洲的典型系统。①采用模块化结构，由CPU模块，NC存储器模块，操作面板接口，NC－PC连接模块，伺服测量回路Ⅰ、Ⅱ，PLC编程接口，逻辑模块，扩展设备接口，P