計算機輔助數控機床故障診斷與管理系統

一、問題的提出
　　數控機床的廣泛應用是工業企業提高設備技術水平和生產效率的有效手段，數控機床數控系統的可靠運行，直接關系到整個機床運行是否正常，也就是說，當數控系統故障發生后，如何迅速診斷故障的出處并解決問題使其恢復正常，是提高數控機床使用效率的迫切需要。
　　目前，數控系統品種繁多，FANUC 0系統和FANUC16/18/21系統在我國廣泛應用。該系列的數控系統可以通過串口傳送NC參數和NC加工程序，卻沒有遠程診斷功能，只能通過分析其故障代碼，利用其硬件報替和軟件報警功能，及時核對數控系統參數等方法診斷故障。
　　通常，進行這種數控系統的故障診斷和維修需要專業的維修人員。這樣勢必影響到數控機床的使用效率，增加數控機床的維護成本。
　　本文主要對FANUC 0系統和FANUC　16/18/21系統的故障診斷進行研究，通過分析數控系統常見的故障，總結出數控系統常見故障的排除方法，構建一個數控系統故障診斷的平臺。采用直觀形象的形式，演示故障產生的原因，結合數控機床診斷的實際情況，采用交互式流程圖，使得故障排除的方法直觀、易于實施。該系統作為一個開放的系統，可以對數控系統的故障診斷結果進行詳細統計，為以后數控系統故障診斷提供參考。
　　二、故障診斷措施
　　在數控機床故障診斷中，對于不同類型的故障，采取不同的診斷措施。在診斷FANUC 0系統和FANUC 16/18/21系統故障時，根據該系列數控系統的特點，主要采取以下診斷措施：現象觀察；利用數控系統的硬件和軟件報警功能；利用狀態顯示診斷功能；及時核對數控系統的參數。
　　現象觀察就是在數控系統發生故障時，首先觀察各種外部現象，進行初步的判斷。
　　利用數控系統的硬件報警功能就是分析FANUC 0系統和FANUC 16/18/21系統控制柜和控制面板上的報警指示燈所代表的故障類型，并進行詳細分析，找出數控系統故障的原因。
　　利用數控系統的軟件報警功能，就是充分利用數控系統的、自診斷功能，通過CRT上顯示的報警代碼來獲知故障所在。
　　利用狀態顯示診斷功能，就是利用CRT畫面的狀態顯示（通常用二進制字節的“0"和“1”指示）來檢查數控系統是否將信號輸入到機床，或是機床一側各種主令開關、行程開關等通斷觸發的開關信號是否按要求正確輸入到數控系統中。這樣，就可以區分出故障是在機床一側還是在數控系統一側，將故障鎖定在某一元件上、進而解決間題。
　　另外，外界的干擾或者誤操作，有可能會引起數控系統參數的變化。系統參數變化會直接影響到機床的性能，甚至使機床發生故障，整機不能正常工作，因此在發生故障時，應及時核對數控系統的參數。
　　三、計算機輔助故障診斷與管理系統
　　1．系統結構
　　基于上述故障診斷措施，結合實際經驗，開發了計算機輔助數控機床故障診斷與管理系統，見圖1。

 

圖1

　　2．各模塊功能
　　(1)管理模塊
　　主要包括用戶登陸、用戶名添加、用戶密碼修改、用戶權限設定等功能。用戶在登陸系統以后，根據用戶的權限不同，可以進行不同的操作。
　　(2)配置文件管理模塊
　　配置參數以文件方式進行管理，根據實際需要，通過串口將配置文件傳給數控機床。系統支持對配置文件的添加、刪除、修改和瀏覽。
　　(3)故障查詢模塊
　　為了提高系統的易用性，系統可以根據故障代碼對故障的處理方法進行查詢。故障查詢模塊可以提高故障診斷效率，很有實用價值。
　　(4)參數查詢模抉
　　根據參數號，查詢機床故障診斷中用到的參數。在參數查詢模塊中，用戶可以得到機床參數的意義、參數的相關說明、參數在數控系統中的地址等項信息。
　　(5)故障診斷模塊
　　故障診斷模塊作為該系統的主要模塊，提供FANUC 0系統和FANUC 16/18/21系統常見故障的診斷方法。首先，通過直觀形象的方式，演示故障發生的原因。然后提供故障診斷的流程圖。下面以90號報警—返回參考位置異常為例說明故障診斷模塊的實現思路。
　　①故障原因演示
　　90號報警是在返回參考點的過程中發生的報警。故障可能是由于返回參考點的速度設置不正確，返回參考點的位置太近，或者是硬件故障引起的。在系統中，以直觀形象的方式，來演示故障發生的原因，用戶可以設置不同的返回速度和位置，來查看它們滿足什么條件時，會出現報警。使用戶了解了故障發生的原因，有利于對故障進行處理。這一功能對于不熟悉FANUC 0系統和FANUC 16/18/21系統的設備維護人員來說尤其有用。
　　②故障排除流程
　　90號報警的內容如下：做進給軸返回基準點操作時，進給速度產生的位置跟隨誤差必須大于128個位置檢測單位，否則位置編碼器的“一轉信號”不能有效地產生柵格點信號。
　　在故障處理流程圖中，首先按照如圖2所示流程進行判斷。
 

圖2

　　在圖2的流程中，首先判斷位置跟隨誤差是否大于128個位置檢測單位，位置跟隨誤差可以通過如下的公式計算。
        位置跟隨誤差＝式中F一快速進給速度，m/min
        G一伺服環增益，0.01s-1
        檢測單位=移動量／指令脈沖，μm/脈沖
        如果位置跟隨誤差小于128，說明返回基準點的速度設定不正確（返回速度小），提高返回速度，然后進行下一步的判斷。
        如果位置跟隨誤差大于128個位置檢側單位，則按照如圖3所示的流程進行判斷。
        如果位置跟隨誤差大于128個位置檢測單位時，電機回轉也大于一轉，按照圖4所示的流程進行判斷。

　　　　　　　　　　　　　      圖3                                            圖4

        按照上述流程圖進行判斷，可以得到故障到底是由于返回參考點的速度設置不正確，返回參考點的位置太近，或者是硬件故障引起的。
        (6)故障診斷統計模塊
        數控機床在多年使用過程中，會出現多種故障，對一臺數控機床出現的故障進行統計，可以為數控機床的維修提供歷史數據，有利維修。通過故障統計，分析統計結果，對于經常出現的故障，如果都是由于相同原因引起的，提示數控機床維護人員分析引起故障的原因，采取相應的措施，如改善數控機床的工作環境、規范操作等。
        故障統計的內容包括如下一些方面：故障發生時間、在何種操作下出現的故障、具體的故障內容、處理措施和其他信息。
        故障發生時間主要記錄故障發生的日期和時間；故障是否在操作中出現（操作時間有多長）；故障出現時電源是否接通；是否出現雷擊、電源故障或者其他的電源干擾；故障只出現一次還是多次出現等。
在何種操作下出現的故障需要記錄出現故障時數控系統的操作方式，如果在程序操作中出現故障，需要記錄在程序的什么地方出現故障，故障是否是該程序所特有的，另外還要記錄同樣的操作是否會引起同樣的故障；故障是與進給軸伺服有關還是與主軸伺服有關。
        具體的故障內容主要記錄：CRT報警顯示畫面上的報警代碼；CRT顯示是否正常；加工誤差、偏移量等信息。
        處理措施主要記錄引起故障的原因，是硬件的原因，參數設置錯誤造成的，還是其他的原因造成的，對于具體的故障原因記錄相關的信息。
        其他信息包括機床附近是否有干擾源存在，周圍的溫度，控制單元上是否有較大的震動等。
在出現故障時，可以通過查詢故障統計，看以前是否有相同的故障出現，故障現象是否相同，如果相同，很可能是相同的原因造成的。另外，通過故障統計，可以為數控機床的日常維護提供可靠的依據。例如，在一段時間內，若出現的故障都是由于參數的錯誤引起的，應該采取一定的措施，避免同樣的情況發生；檢查外界的干擾是否太強，操作是否規范等，避免同樣的故障反復發生。
        (7）數控機床部件管理模塊
按照機床號，將每一臺機床的部件進行詳細管理，記錄部件的名稱、圖號、規格。如果機床出現故障需要更換部件，生成部件訂貨單，存儲在數據庫中。同時，對部件更換情況進行統計，如果某一個部件經常出現問題，需要更換，提示設備維護人員檢查引起部件損壞的原因，及時排除，避免不必要的損失。
四、總結
        計算機輔助數控機床故障診斷和管理系統作為一個實用的系統，提供了常見故障診斷的方法。可對數控機床的部件和參數文件等要素進行有效的管理。同時，作為一個開放的系統，對故障處理的結果進行詳細統計，保留了故障處理過程中積累的一些經驗和信息，為以后的故障診斷提供了方便。該系統經試用，情況良好。