机床数控技术及应用7-3

7.3数控机床的维护与保养7.3.1预防性维护1．人员培训(1)应为数控机床配备经过专门技术培训的编程、操作和维修人员。要求维修人员不但要有机械、加工工艺及液压、气动方面的知识，也要具备电子计算机、自动控制、驱动及测量技术等知识，这样才能全面了解和掌握数控机床，搞好维修。(2)维修人员在维修前应详细阅读机床的有关说明书，包括机床结构图、梯形图、系统原理与框图以及电缆连接等的说明书。(3)维修人员必须懂一些英语，以便看懂铭牌及电气说明书上的简要注释，以及常用芯片、主器件和电动机的名称及数据等。7.3.1预防性维护2．使用注意事项(1)尽量少开数控柜的门。因为机加工车间的空气中灰尘、油雾、金属粉末很多，落在印刷线路板或电子组件上容易造成元器件间绝缘电阻的下降，以致发生故障甚至使元器件及印刷电路损坏等(2)定期更换直流电动机电刷。如果数控机床闲置不用达半年以上，应将电刷从电动机中取出，以免化学腐蚀作用使换向器表面腐蚀，换向性能变差，甚至损坏整台电动机。7.3.1预防性维护(3)尽量提高数控机床的利用率。由于数控机床价格昂贵，结构复杂，出现故障时用户又难以排除，经常闲置床，这种“保护’’方法是不可取的，尤其对于数控系更是如此。因为数控系统由成千上万个电子器件组成，它们的性能和寿命具有很高的离散性；虽经严格筛选但使用过程中仍不免会有某些元件出现故障。因此可以认为数控系统存在着失效率曲线，即故障曲线，如图7.3.1所示.该曲线似一个浴盆，故又称浴盆曲线。7.3.1预防性维护失效率曲线可以分成3个区域在第1区域(即初期运行区)内系统的故障率呈负指数函数曲线，故障率较高，称早期失效。第II区域为数控系统的有效寿命区，失效率较低，属于随机失效。第III区域为系统的衰老区，此时的失效率随时间推延而急剧增加，即系统已到了寿命的极限，称耗散失效。一般来说，数控系统要经过9-14个月的运行才能进入有效寿命区。因此用户安装完数控机床后，要长期连续运行，充分利用一年保修的有利条件，使初期运行区在保修期内结束。7.3.2设备的日常保养一般维修应包含两方而的含义。一是日常的维护，这是为了延长平均无故障时间；二是故障维修，此时要缩短平均修复时间。为了延长各元器件的寿命和正常机械磨损周期，防止意外恶性事故的发生，争取机床能在较长时间内正常工作，必须对数控机床进行日常保养。表7.3.1中列举了数控机床定期维护的检查顺序。日常维护分为每天检查、每周检查、每半年及一年检查和不定期检查等多种检查周期，检查内容为常规检查内容。对一些机床上频繁运部件(无论是机械部分还是控制驱动部分)，都应作为重点的定时检查对象。7.4CNC系统的可靠性和故障诊断技术7.4.1系统可靠性及故障的基本概念数控系统丧失了规定的功能称为故障。故障发生的频次及相关的运行时间是衡量数控系统可靠性的基本参数。可靠性是产品的一种属性，是产品在规定的条件下能正确执行预期功能的时间量度。只有功能适当、操作使用方便有效使用期长的产品，才能在工业环境中推广应用。1．可靠度或可靠率R(t)系统(或设备、元件)在规定的条件下工作到t时刻，能正确地完成规定功能的概率为可靠度(或可靠率)。它也表示产品在一定时间内不易发生故障的程度，一般用R(t)表示。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念2．失效率λ(t)指在t时刻前系统无故障，而在t时刻后的单位时间内因故障而引起失效的概率。对于质量稳定的产品，其失效率可用一个常数表示，称为平均失效率λ，λ可通过试验确定，即λ＝n／TN其中n为一定时间内失效的产品数；T为接收试验产品的总试验时间；N为受试产品的总数。失效率的单位为“1/h”，常用“％/kh”或“h-5”表示。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念左图所示为典型的R(t)与λ(t)曲线。λ(t)有一段低平部分，表示产品的偶然失效率，可视为常数λ。此时其可靠度为以λ为参数的指数函数，即R(t)＝e-λt7.4.1系统可靠性及故障的基本概念3.平均无故障时间（MEANTIMEBETWEENFAILURE，简称MTBF）平均无故障时间的含义是：可修复产品在两次故障之间能正常工作的时间的平均值，也就是产品在寿命范围内总工作时间与总故障次数的比，即7.4.1系统可靠性及故障的基本概念它与可靠度R（t）的关系为式中的t为系统连续正确工作的时间。如果MTBF＝30000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）＝99.468％，若MTBF＝22000h，则系统连续正确工作16小时的概率为R（t）＝99.927％。而7.4.1系统可靠性及故障的基本概念又因为ln()tRtMTBF我国的《机床数字控制系统通用技术条件》规定，数控系统产品的可靠性验证用平均无故障工作时间MTBF作为衡量指标,MTBF最低不应低于3000h、5000h或10000(分三档)。日本FANUC系统的MTBF可达22000h，甚至36000h。()tRte1MTBF所以而这是平均寿命的表示法，在实际中很有用。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念4.平均修复时间（meantimetorepair，简称MTTR）平均修复时间是指数控机床在寿命范围内，每次从出现故障开始维修，直至能正常工作所用的平均时间。显然这个时间越短越好。除必要的物质条件外，诊断人员的水平在这里起主导作用，造就一批精干的维修队伍是非常关键的。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念5.有效度A这是从可靠性和可维修度对数控机床的正常工作概率进行综合评价的尺度，是指一台可维修的数控机床在某一段时间内，维持其性能的概率。A是一个小于1的数，但越接近1越好。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念我国数控机床可靠性现状数控机床可靠性的主要指标MTBF一直是影响我国数控机床市场竞争力的主要问题，经过“九五”期间产、学、研相结合的共同努力，该项指标已经有了很大的提高：加工中心的MTBF从“八五”的平均200多小时提高到平均400多小时，数控车床的MTBF从平均200多小时提高到450多小时，自行研制的CNC系统的MTBF从5000小时提高到10000小时以上，尽管与国际先进水平还有一定差距，但成绩还是可喜的。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念要全面认识一台数控系统的可靠性，除了故障平均间隔时间MTBF外，还必须考虑系统的可利用率，即有效度A因为A与MTBF和MTTR都有关。我国目前的数控系统中，一类是从国外引进的数控先进设备。尽管其MTBF很大，但可维修性很差。往往院了国外生产公司的专门检修人员能进行检修以外，国内厂方技术人员无法维修，因此可利用率很仍低。另一类是国内的数控系统，其MTBF可能很小，但可维护性却比国外系统好得多，从而可利用率也相当高。7.4.1系统可靠性及故障的基本概念另外，在评价国内数控系统时必须要有合理的指标，应当结合必要性和可能性进行评价。所谓必要性，是指使用者根据生产需要对数控系统提出的可靠性要求，数控系统必须达到此要求才有使用价值。所谓可能性，就是在现有的生产手段、投资决策、工艺条件、元器件来源等条件下，数控系统可能达到的可靠性指标。目前，根据机械加工的特点及具体要求，对于一般用途的数控系统，平均故障间隔时间MTBF〉=3000h可利用率A＞0.95对于特殊要求，或用于柔性制造系统和计算机集成制造系统的数控系统，其可靠性要求要高得多。7.4.2影响可靠性的因数1.元器件失效元器件是构成系统的基本单元，整机的失效率等于各组成部分失效率之和。例如硅三极管的失效率λ＝0.01h－5（表7.4.1），则平均无故障时间MTBF＝1/λ＝10h7。5000个该类元件总的失效率λ‘＝5000×0.01h＝50h－5，则MTBF＝1/λ’＝2×10h3。一般，有i种n个相同元器件系统的总失效率为：λ总＝式中i＝1，2，‥‥，m。为元器件的种类；ni为某种元件的数量。1miiin7.4.2影响可靠性的因数2．元器件的联接与组装不良接触不良，温度、湿度变化大，油污、粉尘污染及机械振动等对元件、线路板、接插件产生严重后果。走线的不合理等也会影响系统的可靠性。7.4.2影响可靠性的因数3．电磁干扰作为机电一体化产物的数控机床，是机械、电子、电力、强电、弱电、硬件、软件技术紧密相结合的自动化系统，因此电磁环境和电磁干扰对它来讲是既复杂又重要的问题。（1）高频电磁干扰。如电器开关通断时会产生电火花，邻近大功率用电设备的启、制动也会造成电源电压的波动等。（2）直流电源负载能力不足，尤其是单块集成稳压电源内部分布电容的影响，均对高频（10kHz）衰减特性不利，使其不能稳定、可靠地工作。（3）电源与地线的线径太细或布局不合理，使信号发生畸变或交叉干扰。（4）控制信号线过长而又无屏蔽隔离措施，或与强电信号并行走线时，易受电磁干扰而产生错误信号。7.4.3提高可靠性的方法与措施1．提高可靠性的基本方法按可靠性理论进行可靠性设计以后，还需要在元件选择、装配工艺、故障检测等方面严格把关．每一阶段都必须有切实可行的保证可靠性的措施。提高可招性的方法很多，犬体有如下几个：(1)采用可靠性容错设计。一般来说，在逻辑设计中，除了注意尽可能降低对元件允差的要求，扩大电路的稳定储备量，提高电路的抗干扰能力以外，还可采用容错设计。即在一定条件下可以允许机器产生一些错误，而不影响机器正确功能的执行，可以采取所谓“冗余”结构，诸如硬件冗余、软件冗余及时间冗余等。7.4.3提高可靠性的方法与措施(2)对元器件按照规定范围严格地进行筛选。要根据具体情况对元器件进行筛选。主要要进行机械性能测试、高低温循环考验和冲击、密封性能测试。另外，还要进行电气性能稳定性的老化试验，逻辑功能的正确性测试和静动态的参数测试等。(3)在装配工艺方面采取严格措施。装配工艺是确保系统可靠性的极其重要的一环。装配工艺包括合理的系统结构、最佳的电路板和连接、先进的焊接工艺、高质量的接插件以及合理的走线方式和地线处理等。(4)采用故障诊断技术。要保证发现故障后能立即检测故障，判断故障的原因，并能准确定位故障点，这就是故障诊断技术。7.4.4故障诊断的方法1．概述所谓故障诊断，就是确认故障原因和部位。通过故障诊断程序的运行，就能在系统运行之前及时发现和排除故障，又能在发现故障以后准确定位故障。早期的故障诊断主要是考核系统的功能，如果检查出错误，并不能定位故障点，仍需维修人员凭经验和电路基本理论判断。随着人工智能专家系统在数控技术领域的应用，故障诊断又进入了才崭新的阶段。7.4.4故障诊断的方法2．数控系统的自诊断与功能故障诊断法(1)自诊断流程自诊断功能一般可在开机后自动诊断整个硬件系统，为整个系统的正常工作准备好条件。另外在运行过程或输人数控程序的过程中，一旦发现错误也会自动进入自诊断，通过故障检测定位故障并指示故障内容。自诊断系统的设计思想是，向被诊断的部件或装置写入一串称为测试码的数据，观测相应的输出数据（称为校验码)。通过对观测结果的分析，根据事先已知的测试码、校验码和故障的对应关系确定故障。为了使故障诊断具有良好的诊断性能(即诊断时间短、诊断准确度高、诊断分辨能力强)，选择测试码、确定校验码与故障之间的对应关系、研究实行诊断的方法等是故障诊断的关键技术。7.4.4故障诊断的方法由流程图7.4.5可知．自诊断系统提供了能识别数控系统硬、软件错误的程序,包括启动诊断,在线诊断,离线诊断三种方法,一旦故障发生,系统停止当前的工作.(2)功能故障诊断法这种方法不考虑的的内部电路结构，只关心模块所能实现的功能，它把模块(或集成芯片)看成黑匣子，根据功能选择一些特征信号作为输入,然后观测其对应的输出，再进行结果分析，并与正常功能反复进行比较，这样就可以确定模块是否出了故障，同时可确定故障在系统中所在的位置。这种方法在中、大规模集成电路的系统里获得了广泛的应用。7.4.4故障诊断的方法3.自诊断的主要功能数控系统的自诊断功能，主要包