数控系统故障分析

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1、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（

2、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

3、的CNC装置有：F0、F10F11F12、F15、F16、F18。F00 F100110 120150系列是在F010111215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5.1.1 FANUC数控

4、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F101112三种基本规格，其基本结构相似，性能与使用场合有所区别。 F11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。 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 。 CNC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。 F11系统既可以带独立安装的电柜，也可进行分离式安装。 伺服驱动与主轴

5、驱动一般采用FANUC模拟式交流伺服驱动系统。 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F0MC/TC是其代表性产品，F0MD和F0TD为F0MA和 F0TA的简化版（经济型）。 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。 F0系列为多微处理器CNC系统，

6、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 。 F0可以配套使用FANUC S系列、系列、C系列、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。 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。 具有多种自诊断功能，以便于维修。 F0i系统采用总线技术，增加了网络功能，并采用了“闪存”（FLASH ROM）。 系统可以通过Remote buffer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/O Link总线进行相

7、连。 F0 Mate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 。FANUC151618系统F15161816i18i系列系统有F151618、F15i16i18i及FS 150160180、F160i180i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。 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。 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

8、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。 F15采用了模块式多主总线（FANUC BUS）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。 系统采用8.4in或9.5in TFT（Thin File Transistor 薄膜晶体管）彩色液晶显 示器。 系统可配套i系列数字式交流伺服系统，主轴控制可采用i系列主 轴驱动系统。 F151618系列系统既可单机运行，也可通过Remote buffer接口与个人计算 机相连，由计算机控制加工，实现

9、信息传递。通过I/O link（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Cell Controller或以太网连 接，由上位机进行控制，实现车间的自动化。 FANUC30i-MODEL A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。5.1.2 SIEMENS数

10、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： SINUMERIK 38810820850805840系列等。 SIEMENS 810820系统SIEMENS 810820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。 810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 。 810820最大可。 控

11、制6轴（其中允许有2个作为主轴控制），3轴联动 系统由电源、显示器、CPU板、存储器（MEMEPROMRAM）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。 主CPU采用80186。 PLC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。SIEMENS 3系统SIEMENS 3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。 采用模块化结构，由CPU模块，NC存储器模块，操作面板接口，NCPC连 接模块，伺服测量回路、，PLC编程接口

12、，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。 3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。 采用INTEL 8086CPU的轮廓轨迹控制CNC系统，系统可控制4轴，任意3轴联动。 PLC采用SIMATIC S5的PLC130B，输入输出点各512点。 采用12in彩色显示器或9in单色显示器。SIEMENS 850880850880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。 1986年西门子公司采用数控3系统电路板标准（23

13、0mm高），NCPLC双 口RAM耦合方式，INTEL 80186CPU芯片，生产出850系统，它的PLC还是沿 用130WB或150U 。 1988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。 850880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NCCPU、SV CPU（伺服CPU）、COMCPU（通信CPU）、PLCCPU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、NCCPU 24、 SVCPU 24、PLC输入输出板及扩

14、展单元和接口单元。 面板带有12英寸彩色显示器、全功能键盘及两个串口。 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。 采用SINNEC HI总成连接方式的计算机联网。SIEMENS 802系列系统SIEMENS 802系列系统包括802SSeSbase line、802CCeCbase line、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

15、单、体积小、可靠性较高。 802S、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。 802S、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） 。 802S、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5.7 in单色液晶显示器（802S，802C）；802D采用了10.4in彩色液晶 显示器。 集成内置式PLC

16、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。 802D与802S、80C有较大的不同，在功能上比802SC系统有了改进与提高 ，系统采用SIEMENS PCU210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 802D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。SIEMENS 810D840D系统SIEMENS 810D840D的系统结构相似，但在性能上有较大的差别。 810D采用SIEMENS CCU（Compact Control Unit） 模块，最大控制轴数为