数控系统故障分析

第五章数控系统故障分析5.1常用数控系统简介5.2数控系统故障分析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。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功能，即CNC、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，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、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）。5.1常用数控系统简介5.1.1FANUC数控系统简介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8086。③F0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CPU。④系统采用8.4in或9.5inTFT（ThinFileTransistor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。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。5.1.2SIEMENS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80186。⑤PLC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，PLC存储器及各种I/O等17个模块组成。②3系统的机柜因配置、类别、型号的不同，可以分为单框架、单PLC双框架、双PLC双框架结构。③采用INTEL8086CPU的轮廓轨迹控制CNC系统，系统可控制4轴，任意3轴联动。④PLC采用SIMATICS5的PLC130－B，输入输出点各512点。⑤采用12in彩色显示器或9in单色显示器。SIEMENS850／880850／880是西门子80年代末期开发的机床及柔性制造系统，具有机器人功能。适合高功能复杂机床FMS、CIM的需要。是一种多CPU轮廓控制的CNC系统。①1986年西门子公司采用数控3系统电路板标准（230mm高），NC－PLC双口RAM耦合方式，INTEL80186CPU芯片，生产出850系统，它的PLC还是沿用130WB或150U。②1988年针对850系统的缺陷，又推出全80186的数控880GA1型系统，后推出主CPU采用80386的880GA2型系统。③850／880系统的基本结构一般都由操作面板、主机箱、机床控制面板3大部分组成，采用两个机架支撑两列中央控制器，中央控制器包括NC－CPU、SV－CPU（伺服CPU）、COM－CPU（通信CPU）、PLC－CPU及插入式扩展模块。插入式扩展模块有：测量回路模块、存储器模块、NC－CPU2～4、SV－CPU2～4、PLC输入／输出板及扩展单元和接口单元。④面板带有12英寸彩色显示器、全功能键盘及两个串口。⑤用户程序存储器RAM容量为128KB，EPROM容量为128KB，用户数据存储器RANM容量为48KB，I/O点最大为1024，计时器256，计数器128个。⑥采用SINNECHI总成连接方式的计算机联网。SIEMENS802系列系统SIEMENS802系列系统包括802S／Se／Sbaseline、802C／Ce／Cbaseline、802D等型号，它是西门子公司20世纪90年代末开发的集CNC、PLC于一体的经济型控制系统。近年来在国产经济型、普及型数控机床上有较大量的使用。802系列数控系统的共同特点是结构简单、体积小、可靠性较高。①802S、802C系列是西门子公司为简易数控机床开发的经济型系统，两种系统的区别是：802S系列采用步进电动机驱动；802C、802D系列通常采用SIEMENS611数字式交流伺服驱动系统。②802S、802C系列系统的CNC结构完全相同，可以进行3轴控制／3轴联动；系统带有±10V的主轴模拟量输出接口，可以配具有模拟量输入功能的主轴驱动系统（如变频器）。③802S、802C系列系统可以配OP020独立操作面板与MCP机床操作面板，显示器为7in或5.7in单色液晶显示器（802S，802C）；802D采用了10.4in彩色液晶显示器。④集成内置式PLC最大可以控制64点输入与64点输出，PLC的I/O模块与ECU间通过总线连接。⑤802D与802S、80C有较大的不同，在功能上比802S／C系统有了改进与提高，系统采用SIEMENSPCU210模块，控制轴数为4轴／4轴联动，可以通过611U伺服驱动器携带10V主轴模拟量输出，以驱动带模拟量输入的主轴驱动系统⑥802D除保留了SIEMENS传统的编程功能外，一是增加了PLC程序“梯形图”显示功能，方便维修；二是可以使用非SIEMENS代码指令进行编程，系统的开放性更强。SIEMENS810D／840D系统SIEMENS810D／840D的系统结构相似，但在性能上有较大的差别。①810D采用SIEMENSCCU（CompactControlUnit）模块，最大控制轴数为6轴。②840D采用SIEMENSNCU（NumericalControlUnit）模块，处理器为PENTIUM（NCU573）或AMDK6－2（NCU572）或486（NCU571）系列，当采用NCU572或573时，CNC的存储容量为1GB，最大控制轴数可达31轴，10通道同时工作；采用NCU571时，控制轴数为6轴，2通道同时工作。840D的NCK与PLC都集成在这个模块上，它是840D的核心。③数控与驱动的