数控设备维修的学位论文

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) :76～78. [2 ] 卓迪仕. 数控技术及应用[M] . 北京:国防工出 版社,1997.

数控机床可维修性设计及其关键技术研究摘要]故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,再对设计进行修改而带来的经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。本文重点从设计措施入手研究提高数控设备维修性的新途径,使数控产品的故障诊断和维修既方便又快捷,并在此基础分析冗余设计的维修性设计技术。[关键词]数控机床;可维修性设计;设计准则;技术分析;冗余设计设计质量对于产品而言至关重要,而以最少的成本获得高质量的产品已经成为当今产品设计的主要追求。可维修性设计就是其中一个非常重要的内容,可维修性设计就是把维修性纳入产品设计过程,通过设计与验证实现维修性要求,这不仅是提高产品质量水平的客观需要,也是用户的迫切需求。因为一件产品的维修工作越简单,那么它对顾客的吸引力也就越大。随着数控技术的发展,设计人员在产品设计中引入了大量的电子技术元件,这一方面改善了数控产品的性能,而另一方面给产品的可靠性设计也带来了新问题。因为故障作为随机事件是不可避免的,而可靠性设计从某种意义上讲又是靠大量的可靠性测量分析与储备。为此人们在设计中,在对关键的零部件进行适当的可靠性储备的同时,应更多地注重于产品的可维修性设计,使产品的故障诊断和维修既方便又快捷。1维修性方案人们现在所关心的已不仅仅是产品的初始性能,而是产品在整个生命周期中的性能变化。而产品的使用性能受到其使用方法的影响。因此一方面,我们需要知道产品是如何被使用的,这些信息可以从它的前代产品中得到。另一方面,设计者在设计时可以采取一定措施来改变产品将来被使用以及维修的方式。例如,设计者需要判断那种零件更加耐磨,以及零件的替换方式等等,这些都将直接关系到产品的拆卸性能、维修性能。因此我们需要做的不仅仅是预测产品或部件的故障发生率,则是要求以最少的操作和成本完成一件产品或一个系统的维修工作。现在,制造商们已经意识在产品设计和制造过程中考虑产品的可维修性。现代设计的数控设备不仅要功能佳,而且也要使用、维修方便,这样整台设备的综合效率才高。在产品论证、方案设计时,设计者要有现代设计意识,采用并行工程的原理,考虑到从产品概念到投入使用过程中的整个寿命周期中所有的因素,包括设计、制造、安装、调试、使用、维修等阶段。因此,设计者在产品设计建模时,就应当考虑到产品拆卸的可能性及修理的结构工艺性,整台设备不能有不可到达的死角,所有部件尽量采用快速解脱装置,以便拆装。2维修性设计与分析2. 1可达性设计可达性就是在进行设备维修、更换时,能够方便地接近维修部位和进行维修作业,是一种设计布局与装配特性。可达性又分为:安装场所可达性;设备外部可达性;内部可达性三类。良好的可达性,能减少维修牵连和差错,使维修作业方便舒适。在进行可达性设计过程中,可以重点从以下几个方面去把握:(1)所有的零部件都应在不拆卸其他零部件的情况下也能直接看到或碰到; (2)更换零部件时间:为了缩短更换零部件的时间,从布局观点应考虑,把故障出现频数多的零部件、更换时间长的零部件,放在可达性好的部位; (3)零部件的尺寸与质量:对于大的、重的零部件等,在布局时应考虑尽可能放置在开口部分近旁;并且在更换时不致损坏其他零部件的部位; (4)诊断的难易:机器内零部件配置应多考虑进行诊断的程序,即维修人员一边直接检查零部件,一边判定故障位置。一般来说,零部件的配置方法可分为下面四类:A标准配置:配置零部件时,要考虑其重量、热分布、工作性能等方面,也要考虑其强度、耐久性和制造工艺性,但对下述方法不作考虑; B零部件的分类配置:把同类的结构单元、零部件(例如继电器)等安装在一起,这种方法对定期的预防维修(定期检果、定期更换等)是方便的; C电路的分类配置:这是电子设备中常用的一种方法,它是把由多个零部件组成的结构单元(用途不同也可以)集中在一处。这样,有利于实现元部件的标准化,并可简化测试程序和缩短测试时间;D逻辑式配置:按照功能方框图的各方框来进行配置。维修人员在理解了工作原理之后,就能很容易地对照框图来寻求故障位置。(5)设整检查的难易:最现想的零部件配置是,不用打开机器就能检查或设整机器。即使机器内有调整处,也必须使其不停机就能进行调整; (6)零部件周围的空间:在更换零部件时,如无适当的空间,就会严重妨碍作业。(7)目视:在配置零部件时为了能用目视,应考虑以下几点:A、拆下盖板时,要能以正常的视角看到所有的零部件; B、取放零部件时,要能从开口部分看到零部件; C、配置零部件时,要使零部件上的金属件、螺丝等能看到清而不受其他零部件遮蔽,也不受工作人员的手和工具的遮蔽; D、为了能识别,要在机体上和零部件上作出标记; E、需要调整的零部件,既要看得见调整外,又要在机体上或对应的显示器上显示其调整范围。2. 2模快化设计在整体式结构中,失效的零部件或元器件是分立而离散分布的,判明故障点比较困难,在维修中往往需大拆大卸,并受工具、测试设备、操作空间等维修条件的限制,不仅修复和更换速度慢,而且易影响维修后的质量,并且对维修人员的技术和技能要求比较高。模块是将一个单元体、组件、部件或零部件,设计成一个可以单独处理的单元,使其便于供应和安装、使用、维修。由于整机中的模块便于拆装、测试,所以模块化对维修有特别重大的意义,它使维修工作产生了革命性的变化,或者说,模块化带来了维修工作的革命。(1)简化维修,缩短维修时间:从维修着眼,模块是以从整机上整个地拆下来的设计部件,维修是以模块为单位进行的。由于模块易于从整机中拆卸和组装,简化了维修工作,缩短了维修时间。(2)易于测试诊断:模块间有明确的功能分割,能单独调试,且常有故障指示,出现故障后易于判断,并迅速找到有故障模块,缩短了故障诊断、定位时间。(3)降低对维修人员水平的要求:由于维修方式和维修条件和改善,可大大降低对维修人员的技术水平和技能的要求,并易于保证维修质量。如有备用模块、甚至设备的操作者就可及时进行快速更换。(4)减少预防性维修工作量:由于模块易于与产品剥离,许多模块可以拆下来,拿回到维修室进行维修,维修环境良好,维修工具齐全,可减少或避免现场维修;有时由于机器已装上备用模块而正常运转,对损坏的模块可从容不迫地进行维修,有助于保证修复性维修的质量。(5)有助于实施改进性维修:由于模块是“黑箱”型部件,有确定的功能和输入、输出接口,新技术模块只要功能与接口能相兼容,就可方便地用于改造老产品。(6)有助于售后服务(维修):现代企业都有一支数量不小的售后服务队伍,以便让用户满意。模块化产品不仅易于测试、诊断,并且由于模块通用性大、寿命长、生产批量大,大多数备件都是新产品上还在使用的零部件,易于取得,甚至可在市场上购得。(7)模块化设计对维修除有上述的技术性好处外,还可大大简化维修管理。2. 3测试诊断设计最基本的要求就是,测试诊断应准确、迅速、简捷。(1)对测试点配置的要求:A、测试点的种类与数量应适应各维修级别的需求,并考虑到测试技术不断发展的要求。B、测试点的布局要便于检测,并尽可能集中或分区集中,且可达性良好。其排列应有利于进行顺序的检测与诊断。C、测试点的选配应尽量适应原位检测的需要。产品内部及需修复的可更换单元还应配备适应数量供修理使用的测试点。D、测试点和测试基准不应设置在易损坏的部位。(2)对测试方式和设备的要求:A、应尽量采取原位(在线,实时与非实时的)测试方式。重要部位应尽量采用性能监测(视)和故障报警装置。对危险的征兆应能自动显示,自动报警。B、对复杂的设备系统,应采用机内测试(BIT),外部自动测试设备,测试软件,人工测试等,形成高的综合诊断能力,保证能迅速,准确地判明故障部位。要注意被测单元与测试设备的接口匹配。C、在机内测试、外部自动测试与人工测试之间要进行费用、效能的综合权衡,使系统诊断能力与费用达到最优化。D、测试设备应与主装备同时进行选配或研制、试验、交付使用。研制时应优先选用现行系统中适用的或通用的测试设备;必要时考虑测试技术的发展,研制新的测试设备。E、测试设备要求体积和质量小、在各种环境条件下可靠性高、操作方便、维修简单和通用化、多功能化。(3)故障诊断的一般要求:对于一个系统来说,故障诊断应该满足以下要求:A、对系统在各种方式和状态下均能可靠地进行检测,并能指出系统在各种方式下处于正常工作、发生故障、抑或性能退化的状态。B、能检测显示95%的系统故障,并能把其中90%的故障定位到更换单元。C、避免或尽量少使用外部测试仪器。D、故障检测和定位电路的失效率,不超过系统总失效率的5%。E、错误告警概率应小于1%。错误告警包括: a虚警:监控电路指示有故障,而实际上并不存在功能性故障; b故障没有被发现:发生了故障,但未显示出来; c故障识别错误:故障部位或性质显示的错误。(4)测试性设计一般准则:测试性是指产品(系统、子系统、设备或模块)能及时准确地确定其状态(可工作、不可工作、性能下降)和隔离其内部故障的一种设计特性。也就是须在产品设计时就考虑测试要素,使产品方便测试和(或)产品本身就能完成某些测试功能。测试性设计的一般要求如下: A、合理划分功能单元:只要有可能,应根据结构表示物理和电气的划分。因为实际维修单元是结构分解所得的模块。B、应为诊断对象配置内部和外部测试装置,并应确保BITE(内部测试装置)性能的修复和校准。C、测试过程(程序)和外部激励源,对部件本身及有关设备或整个系统不产生有害效果。尤其需注意检查会否构成影响安全的潜在通路。D、所有的总线系统对各种测量应都是可访问的。E、对于通用功能,应设计和编写诊断应用软件,以便维修人员可以迅速进行检测。F、应考虑维修中所需使用的外部设备及其测量过程,应考虑与外部设备的兼容性和配备必要的测试点。G、诊断系统应能通过相应的测量,对产品的使用功能、设计单元的状态和输出特性作出评价。H、测试方式的转换:每个诊断系统都不可能是完美无缺的,有时会造成对被测件(UUT)的测试不准;此时,可应用常规的、功能定位的测试方法,在可替换模块级确定故障位置,这些维修接口(测试点)也可用来检测模块的运行数据。2. 4防差错的设计防差错设计的一般要求如下: (1)设计时,应避免或消除在使用操作和维修时造成人失误的可能,即使发生失误也应不危机人机安全,并能立即发觉和纠正。(2)外形相近而功能不同的零部件,重要连接部位和安装时容易发生差错的零部件,应从构造上采取防差错措施或有明显的防止差错识别标志。(3)产品上应有必要的为防止差错和提高维修效率的标志。(4)测试点和与其他有关设备的连接点处,均应标明名称或用途以及必要的数据等,也可标明编号或代号。(5)需要进行注油保养的部位应设置永久性标志,必要时应设置标牌。(6)对可能发生操作差错的装置应有操作顺序号码和方向的标志。(7)对间隙较小,周围产品较多且安装定位困难的组合件、零部件等应有定位销、槽或安装位置的标志。(8)标志应根据产品的特点、使用、维修的需要,按照有关标准的规定采用规范化的文字,数字,颜色或光,图案或符号等表示。标志的大小和位置要适当,鲜明醒目,容易看到和辨认。(9)标牌和标志在装备使用、存放和运输条件下都必须是经久耐用的。3冗余设计容错技术的关键是冗余技术,即采用备用的硬件或软件参与系统的运行或处于准备状态,一旦系统出现故障,能自动切换,保持系统不间断地正常工作。冗余控制的概念,严格来讲是采用一定或成倍量的设备或元器件的方式组成控制系统来参加控制。当某一设备或元器件发生故障而损坏时,它可以通过硬件、软件或人为方式,相互切换作为后备设备或元器件,替代因故障而损坏的设备或元器件,保持系统正常工作,使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低。提到冗余,这里还有一个概念———同步(synchroniza-tion)。它是指冗余系统的两个或多个处理器之间要经常比较各自的状态,根据一定的规则以决定系统是否工作在正常的状态。这种状态比较和系统可靠性的判定被称作同步。冗余控制的方式在工控领域根据不同的产品和客户不同的需求有多种多样,采用的方式也不尽相同。一般根据产品应用和客户需求的不同,冗余控制可分为: (1)处理器冗余(CPU冗余); (2)通信冗余(网络冗余); (3)I/O冗余; (4)电源冗余。按冗余的实现方式来分大致可分为: (1)硬冗余(hard-redundancy),即采用特殊的硬件模块或PLC中固化的程序来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。(2)软冗余(soft-redundancy),即采用编程的方式来实现PLC同步、故障切换的冗余方式。按冗余的切换方式来分大致可分为: (1)热冗余(热备hot-back),即硬冗余方式,当主设备故障时,通过特定硬件判别、备份方式无间隙地自动切换到备用设备上,保持系统正常运行。(2)暖冗余(暖备或温备warm-back),即软冗余方式,主要通过编程方式来实现冗余。由于软冗余的实现受多方因素制约,系统切换的时间较硬冗余稍长,因此部分软冗余可能会使主设备在发生切换时有间隙或需要人为简单干预或预置才得以完善。(3)冷冗余(冷备cold-back),即一套或部分冗余的设备(如: CPU)不通电、不工作,准备待命(人为预置好)。当主设备故障时需要人工恢复系统运行。按照现在的严格定义,这种方式,并不算是冗余,只作备件理解。这种冗余一般应用于实时性不强、工艺连续性要求不高的场合。I/O冗余、电源冗余大多数属于硬冗余范畴,而处理器冗余、通信冗余(网络冗余)既可采用硬冗余实现也可以采用软冗余实现。一般硬冗余与软冗余相比,硬冗余投入较大,冗余实现和系统维护相对简单,系统性能较可靠,系统的切换速度会较快。适合于生产工艺要求较高、反应速度较快的装置和生产线。软冗余投入的成本比硬冗余小,软冗余不需要特殊的冗余模块或软件支持,但在冗余实现和系统维护方面比较繁琐并且一般的软冗余切换的速度稍慢,系统性能主要取决于编程者的编程水平和所选硬件的品质,这类冗余方式比较适用于生产工艺流程要求不太高、反应速度较慢、开停要求不严的装置和生产线。为了提高设备的可靠性,降低故障率,在设计时,对关键的部件或分系统,可采取额外附加部件或采取其他手段。其优点在于设备的一部分发生故障时,整个系统仍能正常工作,改变传统的一坏就修的弊端。冗余性设计有以下3种形式: (1)工作储备设计:对某一关键部件,采用2个以上与其相同的单元,共同完成某一功能的设计,并联、并串联、串并联等就是其常见的形式(2)表决储备设计: n个相同的单元中,只要有k个以上的单元不发生故障,系统就能正常工作,又称“n中取k”储备设计。(3)非工作储备设计:当设备的一个单元(或分系统)发生故障时,另一个未工作的单元(或分系统)通过故障监测装置及转换进入工作状态的设计。这样设计的优点是系统的可靠性高,缺点是增加了转换装置,若采用手动转换,可能会造成暂短的停机损失;若采用自动转换,则会增加设备的制造成本,因此,采用这种设计时,要在设备的高性能与其生产成本之间求得平衡。4结束语在生产过程开始之后再对设计进行修改必将会带来成本的增加,因此设计者如果在设计的初始阶段就考虑到产品的可维修性,那么此时更改设计所带来的损失相对较小。可维修性设计所带来的收益包括:降低操作成本和生命周期费用。实行可维修性设计的着眼点在于用户产品使用中(上接第52页)的维修经济性,目的是获取潜在的、长期的经济和社会效益。可维修性设计虽然会使成本有所增加,但较之在产品开始产生之后,甚至在用户使用过程中发现维修性问题,再对设计进行修改而来经济损失和声誉损失,仍然是相当经济的。[参考文献][1]甘茂治.维修性设计与验证[M].北京:国防工业出版社, 1995.[2]童时中.模块化原理、设计方法及应用[M].北京:中国标准出版社, 2000.[3]陈璐,蔡建国.可维修性设计及其技术方法研究[J].机械设计与研究, 2002, (2).[4]范永海,齐铁力.液压系统可维修性设计研究[J].液压与气动, 2003, (8).[5]赵中敏.容错技术在数控机床中的应用研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2003, (10).[6]张会奇,陈春良,高连华.维修性对装备维修工作量的影响分析[J].装甲兵工程学院学报, 2005, (2).[7]赵中敏. PLC控制系统的可靠性分析及其关键技术研究[J].机床电器, 2006, (4).

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一，我国数控系统的发展史1.我国从1958年起，由一批科研院所，高等学校和少数机床厂起步进行数控系统的研制和开发。由于受到当时国产电子元器件水平低，部门经济等的制约，未能取得较大的发展。2.在改革开放后，我国数控技术才逐步取得实质性的发展。经过“六五"(81----85年)的引进国外技术，“七五”(86------90年)的消化吸收和“八五”(91~一-95年)国家组织的科技攻关，才使得我国的数控技术有了质的飞跃，当时通过国家攻关验收和鉴定的产品包括北京珠峰公司的中华I型，华中数控公司的华中I型和沈阳高档数控国家工程研究中心的蓝天I型，以及其他通过“国家机床质量监督测试中心”测试合格的国产数控系统如南京四开公司的产品。3.我国数控机床制造业在80年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在90年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到50%，库存超过4个月。从1 9 9 5年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在1 9 9 9年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。三，数控车的工艺与工装削阅读：133数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。1. 合理选择切削用量对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。切削条件的三要素：切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。2. 合理选择刀具1) 粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。2) 精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。3) 为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。3. 合理选择夹具1) 尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；2) 零件定位基准重合，以减少定位误差。4. 确定加工路线加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。1) 应能保证加工精度和表面粗糙要求；2) 应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。5. 加工路线与加工余量的联系目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。6. 夹具安装要点目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，如图1。液压卡盘夹紧要点如下：首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。四，进行有效合理的车削加工阅读：102有效节省加工时间Index公司的G200车削中心集成化加工单元具有模块化、大功率双主轴、四轴联动的功能，从而使加工时间进一步缩短。与其他借助于工作轴进行装夹的概念相反，该产品运用集成智能加工单元可以使工件自动装夹到位并进行加工。换言之，自动装夹时，不会影响另一主轴的加工，这一特点可以缩短大约10％的加工时间。此外，四轴加工非常迅速，可以同时有两把刀具进行加工。当机床是成对投入使用的时候，效率的提高更为明显。也就是说，常规车削和硬车可以并行设置两台机床。常规车削和硬车之间的不同点仅仅在于刀架和集中恒温冷却液系统。但与常规加工不同的是：常规加工可用两个刀架和一个尾架进行加工；而硬车时只能使用一个刀架。在两种类型的机床上都可进行干式硬加工，只是工艺方案的制造者需要精心设计平衡的节拍时间，而Index机床提供的模块结构使其具有更强的灵活性。以高精度提高生产率随着生产效率的不断提高，用户对于精度也提出了很高的要求。采用G200车削中心进行加工时，冷启动后最多需要加工4个工件，就可以达到±6mm的公差。加工过程中，精度通常保持在2mm。所以Index公司提供给客户的是高精度、高效率的完整方案，而提供这种高精度的方案，需要精心选择主轴、轴承等功能部件。G200车削中心在德国宝马Landshut公司汽车制造厂的应用中取得了良好的效果。该厂不仅生产发动机，而且还生产由轻金属铸造而成的零部件、车内塑料装饰件和转向轴。质量监督人员认为，其加工精度非常精确：连续公差带为±15mm，轴承座公差为±。此外，加工的万向节使用了Index公司全自动智能加工单元。首批的两台车削中心用来进行工件打号之前的预加工，加工后进行在线测量，然后通过传送带送出进行滚齿、清洗和淬火处理。最后一道工序中，采用了第二个Index加工系统。由两台G200车削中心对转向节的轴承座进行硬车。在机床内完成在线测量，然后送至卸料单元。集成的加工单元完全融合到车间的布局之中，符合人类工程学要求，占地面积大大减少，并且只需两名员工看管制造单元即可。五，数控车削加工中妙用G00及保证尺寸精度的技巧数控车削加工技术已广泛应用于机械制造行业，如何高效、合理、按质按量完成工件的加工，每个从事该行业的工程技术人员或多或少都有自己的经验。笔者从事数控教学、培训及加工工作多年，积累了一定的经验与技巧，现以广州数控设备厂生产的GSK980T系列机床为例，介绍几例数控车削加工技巧。一、程序首句妙用G00的技巧目前我们所接触到的教科书及数控车削方面的技术书籍，程序首句均为建立工件坐标系，即以G50 Xα Zβ作为程序首句。根据该指令，可设定一个坐标系，使刀具的某一点在此坐标系中的坐标值为(Xα Zβ)(本文工件坐标系原点均设定在工件右端面)。采用这种方法编写程序，对刀后，必须将刀移动到G50设定的既定位置方能进行加工，找准该位置的过程如下。1. 对刀后，装夹好工件毛坯；2. 主轴正转，手轮基准刀平工件右端面A；3. Z轴不动，沿X轴释放刀具至C点，输入G50 Z0，电脑记忆该点；4. 程序录入方式，输入G01 W-8 F50，将工件车削出一台阶；5. X轴不动，沿Z轴释放刀具至C点，停车测量车削出的工件台阶直径γ，输入G50 Xγ，电脑记忆该点；6. 程序录入方式下，输入G00 Xα Zβ，刀具运行至编程指定的程序原点，再输入G50 Xα Zβ，电脑记忆该程序原点。上述步骤中，步骤6即刀具定位在XαZβ处至关重要，否则，工件坐标系就会被修改，无法正常加工工件。有过加工经验的人都知道，上述将刀具定位到XαZβ处的过程繁琐，一旦出现意外，X或Z轴无伺服，跟踪出错，断电等情况发生，系统只能重启，重启后系统失去对G50设定的工件坐标值的记忆，“复位、回零运行”不再起作用，需重新将刀具运行至XαZβ位置并重设G50。如果是批量生产，加工完一件后，回G50起点继续加工下一件，在操作过程中稍有失误，就可能修改工件坐标系。鉴于上述程序首句使用G50建立工件坐标系的种种弊端，笔者想办法将工件坐标系固定在机床上，将程序首句G50 XαZβ改为G00 Xα Zβ后，问题迎刃而解。其操作过程只需采用上述找G50过程的前五步，即完成步骤1、2、3、4、5后，将刀具运行至安全位置，调出程序，按自动运行即可。即使发生断电等意外情况，重启系统后，在编辑方式下将光标移至能安全加工又不影响工件加工进程的程序段，按自动运行方式继续加工即可。上述程序首句用 G00代替G50的实质是将工件坐标系固定在机床上，不再囿于G50 Xα Zβ程序原点的限制，不改变工件坐标系，操作简单，可靠性强，收到了意想不到的效果。中国金属加工在线二、控制尺寸精度的技巧1. 修改刀补值保证尺寸精度由于第一次对刀误差或者其他原因造成工件误差超出工件公差，不能满足加工要求时，可通过修改刀补使工件达到要求尺寸，保证径向尺寸方法如下：a. 绝对坐标输入法根据“大减小，小加大”的原则，在刀补001～004处修改。如用2号切断刀切槽时工件尺寸大了，而002处刀补显示是，则可输入，减少2号刀补。b. 相对坐标法如上例，002刀补处输入，亦可收到同样的效果。同理，对于轴向尺寸的控制亦如此类推。如用1号外圆刀加工某处轴段，尺寸长了，可在001刀补处输入。2. 半精加工消除丝杆间隙影响保证尺寸精度对于大部分数控车床来说，使用较长时间后，由于丝杆间隙的影响，加工出的工件尺寸经常出现不稳定的现象。这时，我们可在粗加工之后，进行一次半精加工消除丝杆间隙的影响。如用1号刀G71粗加工外圆之后，可在001刀补处输入，调用G70精车一次，停车测量后，再在001刀补处输入，再次调用G70精车一次。经过此番半精车，消除了丝杆间隙的影响，保证了尺寸精度的稳定。3. 程序编制保证尺寸精度a. 绝对编程保证尺寸精度编程有绝对编程和相对编程。相对编程是指在加工轮廓曲线上，各线段的终点位置以该线段起点为坐标原点而确定的坐标系。也就是说，相对编程的坐标原点经常在变换，连续位移时必然产生累积误差，绝对编程是在加工的全过程中，均有相对统一的基准点，即坐标原点，故累积误差较相对编程小。数控车削工件时，工件径向尺寸的精度一般比轴向尺寸精度高，故在编写程序时，径向尺寸最好采用绝对编程，考虑到加工及编写程序的方便，轴向尺寸常采用相对编程，但对于重要的轴向尺寸，最好采用绝对编程。b. 数值换算保证尺寸精度很多情况下，图样上的尺寸基准与编程所需的尺寸基准不一致，故应先将图样上的基准尺寸换算为编程坐标系中的尺寸。如图2b中，除尺寸外，其余均属直接按图2a标注尺寸经换算后而得到的编程尺寸。其中， φ、φ16mm及三个尺寸为分别取两极限尺寸平均值后得到的编程尺寸。4. 修改程序和刀补控制尺寸数控加工中，我们经常碰到这样一种现象：程序自动运行后，停车测量，发现工件尺寸达不到要求，尺寸变化无规律。如用1号外圆刀加工图3所示工件，经粗加工和半精加工后停车测量，各轴段径向尺寸如下：φ、φ及φ。对此，笔者采用修改程序和刀补的方法进行补救，方法如下：a. 修改程序原程序中的X30不变，X23改为，X16改为，这样一来，各轴段均有超出名义尺寸的统一公差；b. 改刀补在1号刀刀补001处输入。经过上述程序和刀补双管齐下的修改后，再调用精车程序，工件尺寸一般都能得到有效的保证。数控车削加工是基于数控程序的自动化加工方式，实际加工中，操作者只有具备较强的程序指令运用能力和丰富的实践技能，方能编制出高质量的加工程序，加工出高质量的工件。六，数控机床故障排除方法及其注意事项由于经常参加维修任务，有些维修经验，现结合有关理论方面的阐述，在以下列出，希望抛砖引玉。一、故障排除方法（1）初始化复位法：一般情况下，由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存贮区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。（2）参数更改，程序更正法：系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。（3）调节，最佳化调整法：调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。如某厂维修中，其系统显示器画面混乱，经调节后正常。如在某厂，其主轴在启动和制动时发生皮带打滑，原因是其主轴负载转矩大，而驱动装置的斜升时间设定过小，经调节后正常。最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存贮功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。（4）备件替换法：用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。（5）改善电源质量法：目前一般采用稳压电源，来改善电源波动。对于高频干扰可以采用电容滤波法，通过这些预防性措施来减少电源板的故障。（6）维修信息跟踪法：一些大的制造公司根据实际工作中由于设计缺陷造成的偶然故障，不断修改和完善系统软件或硬件。这些修改以维修信息的形式不断提供给维修人员。以此做为故障排除的依据，可正确彻底地排除故障。二、维修中应注意的事项（1）从整机上取出某块线路板时，应注意记录其相对应的位置，连接的电缆号，对于固定安装的线路板，还应按前后取下相应的压接部件及螺钉作记录。拆卸下的压件及螺钉应放在专门的盒内，以免丢失，装配后，盒内的东西应全部用上，否则装配不完整。（2）电烙铁应放在顺手的前方，远离维修线路板。烙铁头应作适当的修整，以适应集成电路的焊接，并避免焊接时碰伤别的元器件。（3）测量线路间的阻值时，应断电源，测阻值时应红黑表笔互换测量两次，以阻值大的为参考值。（4）线路板上大多刷有阻焊膜，因此测量时应找到相应的焊点作为测试点，不要铲除焊膜，有的板子全部刷有绝缘层，则只有在焊点处用刀片刮开绝缘层。（5）不应随意切断印刷线路。有的维修人员具有一定的家电维修经验，习惯断线检查，但数控设备上的线路板大多是双面金属孔板或多层孔化板，印刷线路细而密，一旦切断不易焊接，且切线时易切断相邻的线，再则有的点，在切断某一根线时，并不能使其和线路脱离，需要同时切断几根线才行。（6）不应随意拆换元器件。有的维修人员在没有确定故障元件的情况下只是凭感觉那一个元件坏了，就立即拆换，这样误判率较高，拆下的元件人为损坏率也较高。（7）拆卸元件时应使用吸锡器及吸锡绳，切忌硬取。同一焊盘不应长时间加热及重复拆卸，以免损坏焊盘。（8）更换新的器件，其引脚应作适当的处理，焊接中不应使用酸性焊油。（9）记录线路上的开关，跳线位置，不应随意改变。进行两极以上的对照检查时，或互换元器件时注意标记各板上的元件，以免错乱，致使好板亦不能工作。（10）查清线路板的电源配置及种类，根据检查的需要，可分别供电或全部供电。应注意高压，有的线路板直接接入高压，或板内有高压发生器，需适当绝缘，操作时应特别注意。最后，我觉得：维修不可墨守陈规，生搬理论的东西，一定要结合当时当地的实际情况，开阔思路，逐步分析，逐个排除，直至找到真正的故障原因。综上所述，数控技术的发展是与现代计算机技术、电子技术发展同步的，同时也是根据生产发展的需要而发展的。现在数控技术已经成熟，发展将更深更广更快。未来的CNC系统将会使机械更好用，更便宜。参考资料：参考资料：1.张耀宗.机械加工实用手册编写组.机械工业出版社，1997