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1、第一章 绪论1.1 引言人类已经进入了 2l 世纪，我国也加入了世界贸易组织，世界经济正向全球一体化的方向发展，“世界工厂”向发展中国家转移，已是不可阻挡的大趋势，伴随而来的机床消费市场的迁徙，主导了世界机床制造业的再一次整合与重组。不可否认，中国制造的崛起所点燃的激情，正在深刻地影响着世界机床制造业的新一轮战略布局。当今世界，市场竞争越演越烈，在市场竞争的五大要素：品种、质量、价格、服务和交货期中，决定竞争胜负的要素是质量1 。国内市场已日益走上国际化的道路，产品的旧与新的较量，不仅局限于国内市场。为能在市场中求得生存，企业竞争的一个明显特征就是基于全球化市场、以知识为基础的产品竞争，而新技
2、术、新产品以及整个市场从出现到消亡的周期越来越短。如何以更低的价格、更好的质量，及时的将产品推向市场、赢得竞争，是制造业的主要目标2 。1.2 论文选题背景振兴装备制造业，首先要振兴机床工业，而数控机床已成为机床工业的代名词3。随着科学技术的发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标。随着FMS的迅速发展和CIMS的不断成熟，又将对数控机床的通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出了更高的要求。随着微电子计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控技术应用领
3、域日益扩大。数控机床正在不断采用新技术，朝着高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系统化等方向发展, 因而对数控机床的可靠性要求越来越高。在实际使用中，由于设计、制造、使用等因素引起的故障不断发生，而数控系统是数控机床的核心部分，因此对数控系统进行故障分析是十分必要的，故障分析也是对数控机床可靠性评估的重要内容之一4-8。1.3 论文选题的目的与意义科学技术，特别是信息技术的飞速发展，促进了世界经济一体化的形成。市场的竞争，实质上是技术和质量的竞争。在全球化的竞争中，稳定的产品质量是企业信誉的保证，是企业赖以生存的重要因素之一。企业质量工作最终体现是产品实物质量和企业质量信誉的提高，而产品可靠
4、性又是实物质量的核心体现9。数控系统的故障分析，是数控机床可靠性研究的重要内容，也是其可靠性增长的重要环节。只有深入、准确、系统地对数控系统进行故障分析，才能找出产生故障的原因，进而提出改进措施，提高其可靠性。因此，开展数控系统的可靠性研究势在必行。日本FANUC公司是世界从事数控产品生产最早、产品市场占有率最大、最有影响的数控类产品开发、制造厂家之一。该公司自20世纪50年代开始生产数控产品以来，至今已开发、生产了数十个系列的控制系统。FANUC 0i系统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。产品在全世界机床行业得到了广泛的应用，是中国市场上销售量最大
5、的一种系统。本论文将深入地剖析FANUC 0i系列数控系统故障，具有较大的现实意义。通过对FANUC 0i系列数控系统故障进行故障树分析（FTA）过程透彻了解系统，找出薄弱环节，以便改进系统设计、运行和维修，从而提高系统的可靠性、维修性和安全性。FTA 具有很大的灵活性，全面分析FANUC 0i系列数控系统故障状态的原因，不仅可以分析某些元器件、零部件故障对数控系统的影响，还可以对导致这些部件故障的特殊原因(例如环境的、甚至人为的原因)进行分析，予以统一考虑。它表达数控系统内在联系，并指出元器件、零部件故障与系统故障之间的逻辑关系，找出数控系统的薄弱环节，同时弄清各种潜在因素对故障发生影响的途
6、径和程度，因而许多问题在分析的过程中就被发现和解决了，从而提高了数控系统的可靠性。通过故障树分析还可以定量地计算复杂FANUC 0i系列数控系统的故障概率及其他可靠性参数，为改善和评估系统可靠性提供定量数据。因此故障树建成后，它可以清晰地反映系统故障与单元故障的关系，为检测、隔离及排除故障提供指导。对不曾参与数控系统设计的管理和维修人员来说，故障树相当于一个形象的管理、维修指南，因此对培训使用数控系统的人员更有意义。1.4 故障分析技术综述1.4.1 可靠性及维修性与故障分析的关系从系统的观点来看，故障包括两层含义：一是机械系统偏离正常功能，通过参数调节，或零部件修复又可恢复到正常功能；二是功
7、能失效，是指系统连续偏离正常功能，且其程度不断加剧，使机械及其基本功能不能保证，则称之为失效（Failure）10。失效（故障）分析是指研究产品潜在的失效机理、失效概率及失效的影响等，为确定产品的改进措施进行系统的调查研究工作，是可靠性设计的重要组成部分11。狭义可靠性是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的能力；广义可靠性是指产品在其寿命期间内完成规定能力，它包括狭义可靠性和维修性12。提高可靠性主要是延长产品的正常工作时间，即平均无故障时间(MTBF: Mean Time Between Failure),而提高维修性就是要缩短产品停机检修时间,即平均修复时间(MTTR: Mean
8、Time To Repair)。二者综合起来，能表示修复产品在某一时间域内能维持其规定功能的属性即有效性A13，则1.4.2 故障分析方法在可靠性工程学、安全工程学中，故障模式、影响及危害度分析 FMECA (Fault Mode, Effect and Criticality Analysis) 与故障树分析FTA （Fault Tree Analysis）是有代表性的研究方法14。FMECA 一般是从系统中最低分析层次(如零部件)开始，分析其故障模式及其原因，并最终导出最高分析层次(如系统)的故障影响的一种自下而上的正向归纳分析方法。FTA 是提出“不希望事件”作为顶事件，然后逐步追查引起
9、顶事件发生的故障原因，用逻辑门将顶事件作树状分解，构成故障树。由于 FTA 是对一个事件进行故障原因分析，因而其分析的重点不同于 FMECA 那种逐个分析归纳的方法，而是在一开始就提出结果事件，对其原因详加分析，并逐步向下追查，所以 FTA 是一种自上而下的逆向的演绎推理方法。实际上，FTA 的过程类似于事故发生后追究其原因的事后分析方法，但是 FTA 应用于系统的安全性和可靠性分析时，其作用更在于预防乃至改进。与 FMECA 方法相比，FTA 方法的最大特点是可以考虑人为因素、环境因素对顶事件的影响，还可以考虑多种原因相互影响的组合事件。本文重点讨论的是对FANUC 0i数控系统进行故障树分
10、析（FTA），其具体实施过程将在后面的章节中加以深入研究。1.5 论文研究内容本论文主要研究分析FUNAC 0i数控系统的原理与结构，深刻剖析数控系统的各种模式，综合数控系统的故障，建立故障树进行分析，从而确定数控系统的关键元件和薄弱环节,进而提出改进措施，提高其可靠性。（1）分析FUNAC 0i数控系统的原理与结构，确定和剖析各种模式包括系统性能、运行情况、操作情况及各种重要参数等。（2）从用户的故障报告和维修记录，调查分析过去、现在和未来可能发生的FUNAC 0i数控系统发生的故障现象。（3）综合FUNAC 0i数控系统的故障现象，确定故障树的顶事件，调查与顶事件有关的所有原因事件，进行故
11、障树作图。（4）对所建故障树进行定性分析，其目的是分析该类事故的发生规律及特点，通过求取最小割集（或最小经集），找出控制事故的可行方案，并从故障树结构上、发生概率上分析各基本事件的重要程度，以便按轻重缓急分别采取对策。（5）对所建故障树进行定量分析，计算或估计故障树顶事件发生的概率。（6）安全性评价，从定性和定量分析的结果中找出能够降低顶上事件发生概率的最佳方案。第二章 FANUC-0i数控系统故障现象分析2.1 FANUC-0i系统介绍2.1.1 CNC系统的定义及组成计算机数字控制（Computerized Numerical Control,简称CNC）技术是一种高技术含量的自动控制技术
12、。按ISO 2806-1994数控机械术语的定义，CNC 系统是用计算机控制加工功能，实现数字控制技术的系统。按GB 8129-87机床数字控制术语，CNC定义为采用存储程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能的一种数控系统9。它以微处理器为核心，用总线连接有关部件，带有集成于一体（或独立）的PLC装置，通过驱动、伺服、位检等环节对机床实现加工过程的实时控制。CNC系统由程序、输入装置、输出装置、CNC装置、PLC、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置组成，如图2-1所示15。图2-1 CNC系统的组成2.1.2 FANUC-0i系统的硬件结构1、大板结构图2-2为FANUC-0i系统的硬件
13、框图。F0i系列是由（1）主控制印刷电路板（主CPU等）、（2）存储器板、（3）伺服位置板、（4）PMC-L/M板、（5）图形显示控制板、（6）I/O接口板、（7）电源单元板、（8）附加I/O板等共8部分组成。主板为大板结构，其他板为小板结构，并把小板插在主板上面，组成F0i系列的控制部分。如电源单元板、图形显示控制板、PMC-L/M板、伺服位置板（1-4轴）、I/O板与存储器板依次从右到左插在主控制主板的槽中。图中ALM*为相应单元的报警号，M*为电缆插头号。图2-2 FANUC-0i的硬件框图2、所采用微机的特点（1）FS01系统是一个多微处理机共总线（FANUC BUS）系统，0A系列的
14、主CPU为80186，0B系列的主CPU为80286，0C系列的主CPU为80386，（或80486-DXII），PLC用CPU为80186，而图形控制和操作面板控制等也都有各自CPU(80186)。（2）FS0系列采用内装式（Built-in Type）PLC，它有两种规格，即FANUC PMC-L和PMC-M。（3）FS0C系列在已有的串口接口RS232C之外又增加了具有高速串口接口的远程缓冲器，还可实现高速DNC运行。2.1.3 FANUC-0i系统的软件结构FANUC-0i系统采用多重中断系统，并采用软件粗插补配合硬件DDA（数字积分）精插补的插补方法，其原理如图2-3所示10。图2-
15、3 FANUC-0i插补原理框图2.2常见FANUC-0i数控系统故障现象的分析2.2.1电源不能接通的故障诊断一、 常见电源故障现象系统控制电源不能正常接通，这是数控机床维修过程中经常遇到的故障之一，维修时必须从电源回路上入手。在FANUC-0i系统中，较多地采用输入单元与电源集成一体的电源控制模块FANUC AI，其输入单元的控制线路与电源电路均安装于同一模块中。对于FANUC-0i系统出现电源不能接通的故障，在维修过程中，如能完整地掌握FANUC AI的工作原理与性能，对数控机床的维修，特别是解决系统、伺服电源通/断回路的故障有很大的帮助。1、故障现象一：电源指示灯PIL不亮（1）CNC电源未加入，即端子CP1上无输入电源；（2）端子CP1上有电源，但PIL指示灯不亮，应检查电源单元输入熔丝F11、F12、F1是否熔断；见图2-4和图2-5，主回路输入熔断器F11、F12熔断的原因有：A、浪涌电压吸收器VS11短路；B、内部输入单元的集成开关电源控制模块M11不良引起；C、伺服主接触器MCC发生短路；D、二极管整流桥DS11短路；E、系统开关电源主回路的开关管D14、D15损坏；图2-4 FANUC电源单元AI原理图图2-5 AI电源模块主回路原理图F、系统开关电源主回路的开关管续流二级
