常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:00 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 课程准备 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 数控机床机械故障诊断及维护维修, 数控系统PLC的故障诊断及I/0电路的维修 主轴驱动和进给伺服系统的故障诊断及维修 位置检测装置的故障诊断及维修 电磁兼容性及抗干扰 伺服系统特性参数调整 数控机床辅助系统的故障诊断及维修。 CAKA数控车CAD/CAM软件(网络版) 50 CAXA数控铣CAD/CAM软件(网络版) 150 节点 VNUC20国产数控加工模拟仿真软件(网络版):200 节点 1参考书 1王侃夫数控机床故障诊断及维护北京机械工业出版 社2005 2任建平白恩远现代数控机床故障诊断及维修北京
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 00 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 课程准备 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 数控机床机械故障诊断及维护维修， 数控系统 PLC 的故障诊断及 I/O 电路的维修， 主轴驱动和进给伺服系统的故障诊断及维修， 位置检测装置的故障诊断及维修， 电磁兼容性及抗干扰， 伺服系统特性参数调整， 数控机床辅助系统的故障诊断及维修。 CAXA 数控车 CAD/CAM 软件（网络版）： 150 节 点 CAXA 数控铣 CAD/CAM 软件（网络版）： 150 节点 VNUC2.0 国产数控加工模拟仿真软件（网络版）： 200 节点 1 参考书 1 王侃夫 数控机床故障诊断及维护 北京 机械工业出版 社 2005 2 任建平 白恩远 现代数控机床故障诊断及维修 北京
国防工业出版社2005 3《机械设备维修问答丛书》编委会数控机床故障检测与 维修问答北京机械工业出版社2002 4《机械设备维修问答丛书》编委会数控机床数控系统维 修技术与实例北京机械工业出版社200 5白恩远王俊元现代数控机床伺服及检测技术北京 国防工业出版社2005 2具备的知识 数控机床操作与编程 2数控技术 3液压与气动 4 3相关词汇 1数控机床( Numerical controled Machine Toool) 是一个装有程序控制系统的机床,该系统能够逻辑地处理 具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序 PLC PMC():可编程机床控制器 MTBF( Mean time between failures):平均无故障 时间 MTTR( Mean time to restore):平均修复时间 1脉宽调制 PWM---pulse width modulation 3数控诊断技术的最新发展 在科学技术飞速发展的今天,任何一项新技术的产生 和发展都不是孤立的,而是互相渗透的结果。随着集成电 路和计算机性能/价格比的提高,近年来,国外已将一些 新的概念和方法引入到诊断领域,使诊断技术上升到一个 新的更高的阶段,这些新的诊断技术主要有:通讯诊断、 具有入工智能功能的专家故障诊断系统等。 31通讯诊断 通讯诊断也称远距离诊断或“海外”诊断。 2
2 国防工业出版社 2005 3 《机械设备维修问答丛书》编委会 数控机床故障检测与 维修问答 北京 机械工业出版社 2002 4 《机械设备维修问答丛书》编委会 数控机床数控系统维 修技术与实例 北京 机械工业出版社 2001 5 白恩远 王俊元 现代数控机床伺服及检测技术 北京 国防工业出版社 2005 2 具备的知识 1 数控机床操作与编程 2 数控技术 3 液压与气动 4 3 相关词汇 1 数控机床(Numerical controled Machine Toool) 是一个装有程序控制系统的机床，该系统能够逻辑地处理 具有使用号码或其它符号编码指令规定的程序。 PLC PMC( ) :可编程机床控制器 MTBF(Mean Time Between Failures) : 平均无故障 时间 MTTR (Mean Time To Restore):平均修复时间 1 脉宽调制 PWM——pulse width modulation 3 数控诊断技术的最新发展 在科学技术飞速发展的今天，任何一项新技术的产生 和发展都不是孤立的，而是互相渗透的结果。随着集成电 路和计算机性能／价格比的提高，近年来，国外已将一些 新的概念和方法引入到诊断领域，使诊断技术上升到一个 新的更高的阶段，这些新的诊断技术主要有：通讯诊断、 具有入工智能功能的专家故障诊断系统等。 3.1 通讯诊断 通讯诊断也称远距离诊断或“海外”诊断
德国西门子公司在CNC系统中采用了这种诊断功能。用户只 要把CNC系统中专用的“通讯接口”连接到普通电话线上,而专 用通讯诊断计算机的“数据电话”也接到电话线上,然后由计算 机向CNC系统发送诊断程序,并将测试数据输回到计算机进行分 析得出结论。随后将诊断结论和处理方法通知用户。通讯诊断系 统除用于故障发生后的诊断外,还可作为用户定期预防性诊断, 维修人员不必亲临现场,只需技预定时间对机床做一系列试运行 检査,在远地的维修中心分析诊断数据,以发现可能存在的故障 隐患。这类CNC系统必须具有远距离诊断接口及联网的功能。 32自修复系统 自修复系统就是在系统内安装了备用模块,并在CNC系统的 软件今装有自修复相序。当该软件在运行时一旦发现某个模块有 故障时,系统一方面将故障信息显示在CRT上,另一方面自动寻 找是否有备用模块。如果存在备用模块,系统将使故障模块脱机 而接通备用模块,从而使系统较快地恢复到正常工作状态。美国 的 Cincinnati Milacron公司生产的950CNC系统就已经采用了这 种自修复技术。在950CNC系统的机箱内安装有一块备用的CPU 板,一旦系统中所用的4块CPU板中的任何一块出现故障时,均 能立即启用备用板替代故障板 但自修复技术需要将备用板插入到机箱中的备用槽中。这无 疑增加了成本,所以只适用于总线结构的CNC系统 33具有人工智能功能的专家故障诊断系统 发展具有人工智能的专家系统故障诊断方法是从数据库出 发,调用知识库中的相应知识、经过推理机构的推理获得所需的 结论。应用于数控系统故障诊断的人工智能技术有两方面内容, 即诊断专家系统和人工智能数据库 331诊断专家系统 是人工智能最活跃的一个分支,以其智能化程度高和实时性 强而应用于很多领域。80年代韧,专家系统才开始应用于故障诊 断领域,故障诊断专家系统与传统诊断技术相比具有如下特点 ①通过对各种诊断的经验性专门知识形式化描述,不仅可以使这 些知识突破专家个人的局限性而广为传播,而且也是对科学方法 论的一个发展。②克服人类诊断专家供不应求的矛盾。③故障诊 断专家系统可以结合其它诊断方法,综合利用各类专家的知识 经验,实现在线监测故障、离线诊断与分离故障。④故障诊断专 家系统具有人机联合诊断功能,可充分发挥人的主观能动性。专 家系统具有知识获取和自学习功能,它能在使用过程中日趋完善 332人工智能数据库 人工智能数据库以提高系统可靠性、维修性和高效率性为目 的。这种数据库土要包括加工参数的自动设定和图形功能等。加
3 德国西门子公司在 CNC 系统中采用了这种诊断功能。用户只 要把 CNC 系统中专用的“通讯接口”连接到普通电话线上，而专 用通讯诊断计算机的“数据电话”也接到电话线上，然后由计算 机向 CNC 系统发送诊断程序，并将测试数据输回到计算机进行分 析得出结论。随后将诊断结论和处理方法通知用户。通讯诊断系 统除用于故障发生后的诊断外，还可作为用户定期预防性诊断， 维修人员不必亲临现场，只需技预定时间对机床做一系列试运行 检查，在远地的维修中心分析诊断数据，以发现可能存在的故障 隐患。这类 CNC 系统必须具有远距离诊断接口及联网的功能。 3.2 自修复系统 自修复系统就是在系统内安装了备用模块，并在 CNC 系统的 软件今装有自修复相序。当该软件在运行时一旦发现某个模块有 故障时，系统一方面将故障信息显示在 CRT 上，另一方面自动寻 找是否有备用模块。如果存在备用模块，系统将使故障模块脱机 而接通备用模块，从而使系统较快地恢复到正常工作状态。美国 的 Cincinnati Milacron 公司生产的 950CNC 系统就已经采用了这 种自修复技术。在 950CNC 系统的机箱内安装有一块备用的 CPU 板，一旦系统中所用的 4 块 CPU 板中的任何一块出现故障时，均 能立即启用备用板替代故障板。 但自修复技术需要将备用板插入到机箱中的备用槽中。这无 疑增加了成本，所以只适用于总线结构的 CNC 系统。 3.3 具有人工智能功能的专家故障诊断系统 发展具有人工智能的专家系统故障诊断方法是从数据库出 发，调用知识库中的相应知识、经过推理机构的推理获得所需的 结论。应用于数控系统故障诊断的人工智能技术有两方面内容， 即诊断专家系统和人工智能数据库。 3.3.1 诊断专家系统 是人工智能最活跃的一个分支，以其智能化程度高和实时性 强而应用于很多领域。80 年代韧，专家系统才开始应用于故障诊 断领域，故障诊断专家系统与传统诊断技术相比具有如下特点： ①通过对各种诊断的经验性专门知识形式化描述，不仅可以使这 些知识突破专家个人的局限性而广为传播，而且也是对科学方法 论的一个发展。②克服人类诊断专家供不应求的矛盾。③故障诊 断专家系统可以结合其它诊断方法，综合利用各类专家的知识、 经验，实现在线监测故障、离线诊断与分离故障。④故障诊断专 家系统具有人机联合诊断功能，可充分发挥人的主观能动性。专 家系统具有知识获取和自学习功能，它能在使用过程中日趋完善。 3.3.2 人工智能数据库 人工智能数据库以提高系统可靠性、维修性和高效率性为目 的。这种数据库土要包括加工参数的自动设定和图形功能等。加
工参数的自动设定功能,实际是一个工艺参数库,系统能根据被 加工工件的材料、加工余量等自动确定切削用量、加工刀具的选 取及加工条件的设定等,这种数据库不但需要积累大量工艺数据 还必须具有某种学习功能及推理能力。通常,将人工智能数据库 与故障诊断专家系统联系在一起,建立一个综合专家系统,既提 高系统的可靠性,又提高了系统的诊断维修性能。 在处理实际问题时,本来需要出某个领域的具有专门知识的 专家来解决,通过专家分析和解释数据并做出决定。而以计算机 为基础的专家系统就是力求去收集足够的专家知识。让计算机如 同事家那样解决问题。也就是说,专家系统是通过具有专家推理 方法的计算机模型来解决实际问题,并且得到与专家相同结论。 一般诊断专家系统的结构框图,如图所示。 知识工程师 知识 用户 领域专家 诊断专家系统框图 知识库( Knowledge Base)是专家知识、经验、书本常识等各 种知识的集合。对于数控系统的专家诊断系统来说,故障知识库 的建立是关键。推理机( Inference Engine)是用于控制、协调整个 系统,根据当前输入的数据,利用知识库中的知识,按一定的推 理策略解决当前的问题。目前日本 FANUC公司已将专家系统引 入到自己的CNC系统中,用于故障的诊断。它是由知识库、推理 机和人机控制器( lan Machine Control)三部分组成。其中,知 识库存储着专家们掌握的有关与CNC领域的各种故障原因及其 处理方法,而推理机则具有推理的能力,能够根据知识推导出结 论,并不是简单地搜索现成的答案。如GE- FANUC15中采用了 诊断指导专家系统( Troubleshooting Guidance Expert System) 查找故障的原因(如图所示) 操作者 CRTMDI 推理机 ·向后推理 知识库 机床 产生式规则(THEN BO倍号.参数、指令值等 知识库管理系统 把专家知识转化成简单的程序表示一专家 把知识的程序表述转化成规则 34基于因特网的远程故障诊断系统
4 工参数的自动设定功能，实际是一个工艺参数库，系统能根据被 加工工件的材料、加工余量等自动确定切削用量、加工刀具的选 取及加工条件的设定等，这种数据库不但需要积累大量工艺数据， 还必须具有某种学习功能及推理能力。通常，将人工智能数据库 与故障诊断专家系统联系在一起，建立一个综合专家系统，既提 高系统的可靠性，又提高了系统的诊断维修性能。 在处理实际问题时，本来需要出某个领域的具有专门知识的 专家来解决，通过专家分析和解释数据并做出决定。而以计算机 为基础的专家系统就是力求去收集足够的专家知识。让计算机如 同事家那样解决问题。也就是说，专家系统是通过具有专家推理 方法的计算机模型来解决实际问题，并且得到与专家相同结论。 一般诊断专家系统的结构框图，如图所示。 诊断专家系统框图 知识库(Knowledge Base )是专家知识、经验、书本常识等各 种知识的集合。对于数控系统的专家诊断系统来说，故障知识库 的建立是关键。推理机(Inference Engine )是用于控制、协调整个 系统，根据当前输入的数据，利用知识库中的知识，按一定的推 理策略解决当前的问题。目前日本 FANUC 公司已将专家系统引 入到自己的 CNC 系统中，用于故障的诊断。它是由知识库、推理 机和人机控制器(Man Machine Control)三部分组成。其中，知 识库存储着专家们掌握的有关与 CNC 领域的各种故障原因及其 处理方法，而推理机则具有推理的能力，能够根据知识推导出结 论，并不是简单地搜索现成的答案。如 GE—FANUC 15 中采用了 诊断指导专家系统(Trouble—shooting Guidance Expert System) 查找故障的原因(如图所示)。 3.4 基于因特网的远程故障诊断系统
因特网的普及和局域网建设,为故障诊断技术的发展带来了 新的思路与前景,将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结 合,可构造一种全新的故障诊断系统,即基于因特网的远程故障 诊断系统( nternet-based Remote Diagnosis System IRDS) 如,美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的 下一代远程诊断示范系统。美国的DM2000系统和PDS系统都是 基于网络环境,能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种 典型故障,具有远程通讯能力,能对企业的管理和控制系统联网 通信,使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息,也能对 不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。在国内.西 安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域 的远程诊断研究工作.并取得了初步成果:华中理工大学也于 1997年初开始了前期研究工作,并在因特网上设立了一个远程诊 断宣传站点,介绍远程诊断技术,以实验室的方式向用户提供远 程诊断服务。它的主要功能为 (1)诊断任务调度一方面是诊断任务分解,将某一诊断请求 按一定策略分解或分送到不同的诊断子系统进行诊断,并对整个 诊断过程进行调度管理;另一方面是管理多个诊断任务。 2)远程数据获取诊断系统或研究人员异地远程获取设备 状况及相关信息。理想的情况是能以远程控制采集系统的方式获 取需要的信息,并从网上获取该设备的设计、制造、维修等相关 信息 (3)远程信号分析包括诊断服务方和客户方所进行的信息 分析两个方面。服务方信号分析功能主要在于信号特征自动提取; 客户方信号分析功能主要在于提供远程信号分析工具。 (4)远程故障诊断针对某一诊断对象,采用相应的某一诊断 方法或某些诊断方法的融合。对异地设备进行远程故障诊断,快 速传送诊断结果。 (5)远程协作诊断提供多诊断系统和专家的异地诊断协作 环境,还包括对诊断对象的诊断结果的综合。 35应用人工神经网络(ANN)进行诊断 由于ANN具有联想、容错、自适应、自学习和处理复杂多 模式等特点,近年来开展了诸多研究和应用。这种方法将被诊断 的系统的症状作为网络的输入,将所要求得到的故障原因作为网 络的输出,并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式 隐式地存储在网络上,每个输出神经元对应着一个故障原因。目 前常用的几种算法有:误差反向传播(BP)算法、双向联想记忆 (BAM模型和模糊认识映射(FCM)等。 近几年来,人工神经网络广泛用于许多工程领域.包括故障 诊断,因为神经网络有着比传统估计更好的潜在特性:①强大的 非线性映射特性,使之易于建立起像液压和航空动力系统这样 些复杂的非线性系统和随机过程的模型。②神经网络承受硬件损 坏的能力比一般计算机强得多。③即使对十未知类型的故障也能
5 因特网的普及和局域网建设，为故障诊断技术的发展带来了 新的思路与前景，将因特网计算机地用技术与故障诊断技术相结 合，可构造一种全新的故障诊断系统，即基于因特网的远程故障 诊断系统(Internet—based Remote Diagnosis System IRDS )。 如，美国斯坦福大学和麻省理工学院已合作开发了基于因持网的 下一代远程诊断示范系统。美国的 DM2000 系统和 PDS 系统都是 基于网络环境，能同时对多台设备进行在线监测和智能诊断多种 典型故障，具有远程通讯能力，能对企业的管理和控制系统联网 通信，使企业不同部门都能同时获取设备运行状态信息，也能对 不同地区、不同企业的设备进行监测和故障诊断等。在国内．西 安交通大学、上海交通大学和哈尔滨工业大学等已进行工业领域 的远程诊断研究工作．并取得了初步成果；华中理工大学也于 1997 年初开始了前期研究工作，并在因特网上设立了—个远程诊 断宣传站点，介绍远程诊断技术，以实验室的方式向用户提供远 程诊断服务。它的主要功能为： (1)诊断任务调度 一方面是诊断任务分解，将某一诊断请求 按—定策略分解或分送到不同的诊断子系统进行诊断，并对整个 诊断过程进行调度管理；另一方面是管理多个诊断任务。 (2)远程数据获取 诊断系统或研究人员异地远程获取设备 状况及相关信息。理想的情况是能以远程控制采集系统的方式获 取需要的信息，并从网上获取该设备的设计、制造、维修等相关 信息。 (3)远程信号分析 包括诊断服务方和客户方所进行的信息 分析两个方面。服务方信号分析功能主要在于信号特征自动提取； 客户方信号分析功能主要在于提供远程信号分析工具。 (4)远程故障诊断 针对某一诊断对象，采用相应的某一诊断 方法或某些诊断方法的融合。对异地设备进行远程故障诊断，快 速传送诊断结果。 (5)远程协作诊断 提供多诊断系统和专家的异地诊断协作 环境，还包括对诊断对象的诊断结果的综合。 3.5 应用人工神经网络（ANN）进行诊断 由于 ANN 具有联想、容错、自适应、自学习和处理复杂多 模式等特点，近年来开展了诸多研究和应用。这种方法将被诊断 的系统的症状作为网络的输入，将所要求得到的故障原因作为网 络的输出，并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式 隐式地存储在网络上，每个输出神经元对应着一个故障原因。目 前常用的几种算法有：误差反向传播(BP)算法、双向联想记忆 (BAM)模型和模糊认识映射(FCM)等。 近几年来，人工神经网络广泛用于许多工程领域．包括故障 诊断，因为神经网络有着比传统估计更好的潜在特性：①强大的 非线性映射特性，使之易于建立起像液压和航空动力系统这样一 些复杂的非线性系统和随机过程的模型。②神经网络承受硬件损 坏的能力比一般计算机强得多。③即使对十未知类型的故障也能