概述
任何一个数控系统,即使采用了最好的设计方法,最新的电子器件,应用了最新的科研成果,也可能发生系统初期失效故障,长期运行过程偶发故障以及各个部件老化以至损坏等一系列故障.故障诊断的目的一方面是预防故障发生,另一方面一旦发生故障也能及早找出故障原因,迅速采取修复措施.故障诊断的方法有:人工故障诊断和系统故障自诊断.本节将从数控功能的角度来讨论故障自诊断功能.
. CNC系统故障自诊断的概念
系统故障:指系统的组成单元处于非正常状态或劣化状态,并可导致系统相应功能丧失,或系统性能和品质下降,使系统的行为(输出)超出允许范围,或不能在规定的时间内和条件下完成预定功能的事件.
在CNC系统中编程错误也是故障.当用户编制的零件加工程序发生错误(语法错误,非法代码,精度超差,过切削预报等)时,CNC系统在运行前或运行中也会发出报警,从广义上来讲,也可称其为故障.
故障的诊断包括两方面的内容:诊和断.
诊:对是客观状态作检测或测试.
断:确定故障的性质,程度,类别,部位,并指明故障产生的原因,提供相应的处理对策等.
故障自诊断技术:在硬件模块,功能部件上各状态测试点(在系统设计制造时设置的)和相应诊断软件的支持下,利用数控系统中计算机的运算处理能力,实时监测系统的运行状态,并在预知系统故障或系统性能,系统运行品质劣化动向时,及时自动发出报警信息的技术.
. 故障自诊断功能与系统的可靠性
CNC系统的故障率是用可靠性指标衡量的.衡量CNC系统可靠性的两个基本参数是故障频次和相关运行时间.通常用"平均无故障工作时间(Mean Time Between Failures MTBF)"和平均修复时间(Mean Time To Repair MTTR)"来作为衡量系统可靠性的指标.
平均无故障时间(MTBF)
平均无故障时间:指CNC系统在可修复的相领两次故障间能正常工作的时间的平均值.也可视为在CNC系统寿命范围内总工作时间和总故障次数之比:
显然,MTBF越长越好.我国"机床数字控制系统通用技术条件"规定:CNC系统产品可靠性验证用"平均无故障工作时间"作为可靠性衡量的指标,具体数值应在产品标准中给出,但CNC系统的最低可接受的MTBF不低于3000小时.世界上有些CNC系统的MTBF已达到30000小时.
总工作时间
MTBF =
总故障次数
平均修复时间(MTTR)
平均修复时间是指CNC系统从出现故障开始直到能正常工作所用的平均修复时间:
显然,MTTR越短越好.
总故障停机时间
MTTR =
总故障次数
结论
要保证数控设备有较高的可靠性,一方面要重视数控系统及其设备的可靠性设计和制造,确保其具有较高的MTBF,另一方面就是要缩短故障修复时间(即缩短MTTR).为此数控设备应具有良好的可维修性能,即应在出现故障后要能迅速确定故障部位,查明原因,以便及时排除故障,恢复工作.由此可知,故障自诊断功能是提高设备可维修性的功能,其能力的强弱决定着数控设备可维修性能的高低,所以,提高故障自诊断能力是提高CNC系统可靠性的重要途径之一
. CNC系统故障诊断的基本要求
故障诊断方法对故障的覆盖率应尽可能高,即系统的故障应能尽可能多的被其诊断系统检测出来.
诊断出的故障定位应尽可能准确,范围应尽可能小,通常要求定位到容易快速更换的模块或印刷线路板这一级,以缩短修理时间.
故障诊断所需时间应尽可能短.尤其对那些破坏性严重的故障,更应快速诊断快速响应,以尽量减少故障对系统的破坏程度.
进行故障诊断所需的附加设备尽可能减少,尽量利用软件实现诊断功能,以降低数控系统的诊断成本.
故障分类
硬故障
这类故障主要是指CNC装置,PLC控制器,伺服驱动单元,位置和速度检测装置等电子器件,以及继电器,接触器,开关,熔断器,电动机,电磁铁,行程开关等电气元件失效引起的故障,它们的发生往往与上述元器件的质量,性能,组件排列以及工作环境等因数有关.这类故障一旦发生,必须对失效的元器件进行维修或更换,系统才能恢复工作.
软故障
这类故障是指由于软件内容变化或丢失,系统配置参数的误设置或因干扰出错,丢失等原因而产生的故障,它们的发生主要与操作失当,存放系统配置参数的RAM(通常是带后备电池的RAM)掉电(电池失效),系统电源干扰脉冲串入总线引起时序错误,导致数控计算机进入死锁状态等因数有关.这类故障发生后,只要退出故障状态或修正错误的参数或软件,然后按复位键或重新启动,系统就能恢复工作.
编程和操作错误引起的故障
这类故障不是CNC系统的故障,而是由于加工程序的编制错误或操作错误导致的故障.这类故障不须进行维修,只要将报警信息所指出的错误进行修改后,系统即可进行正常的工作.
故障报警方式
硬件报警方式
它通常是指由各单元装置上的警示灯(一般由红色的LED发光管或警灯组成)来提示故障的报警方式.
软件报警方式
它是指在CRT显示器上显示出来的报警号和报警信息.数控系统在运行过程中,一旦检测到故障,即按故障的级别进行处理,同时在CRT上以报警号的形式显示该故障信息.
目前,在各种CNC系统中已应用的故障自诊断方法归纳起来有三种:
开机自诊断;
运行自诊断;
离线诊断.
开机自诊断(start-up Diagnostics)
开机自诊断又称为开机自检,它是指CNC系统从开始通电到进入正常运行准备状态为止,由其内部诊断程序自动执行的系统诊断.目的是检查整个系统是否具备正常工作的条件.
开机自诊断的内容:存储器,I/O单元,CRT,软/驱动器等外设状态是否正常;以及模块间的连接是否正常,某些重要的集成电路是否插装到位,规格型号是否正确进行诊断;系统软件和系统参数是否正确等.只有当全部项目都确认无误后,CNC系统进入正常的初始化或运行准备状态,并在CRT上将显示出机床此时工作位置坐标值的画面.否则,CNC系统将通过CRT,模块或印刷电路板上的发光二极管(LED)等报告故障信息.此时,CNC系统无法进入下步工作阶段.
例1:系统控制软件和系统参数的EPROM自检
在CNC系统中,EPROM用来存放系统软件和系统参数.EPROM中的信息是非易失性的.但是当EPROM的窗口没有封好,或长期暴露在日光或荧光灯下以及处在放射线的环境中,都有可能使EPROM中的信息发生变化,从而使系统运行不正常,因此,每次系统开机启动时需要对EPROM进行诊断.
常用"检验和"来诊断EPROM的故障:将EPROM中的所有字节(除最后一字节外)相加的结果求补,并将它放在最后一单元.诊断EPROM时,只要将EPROM所有的单元相加,其结果应为0.
EPROM起始地址送给ax
检查和单元bx清零
bx ← bx + ax
ax ← ax + 1
设置EPROM正确标志
设置EPROM出错标志
返 回
ax = 8000h
bx = 0
开 始
n
y
y
n
EPROM诊断程序流程图
例2:RAM的自检.
RAM是存放中间结果和加载运行程序的地方,这些单元的正常与否将直接关系系统能否正常运行,因此在运行前必须对其进行检查.
检查的基本思路是:对所有RAM单元的BIT进行"0"和"1"的写读操作,并检查写读内容的符合性.通常用"55h"或"0AAh"作为测试字.诊断RAM的流程图如图所示.
返 回
Y
RAM起始地址送给bx
送55h到al
al送入(bx)单元
al = 55h
读(bx)单元到al
N
开 始
(bx) 送入 ah保存
Y
Y
al取反
RAM诊断完
bx加1
al送入(bx)单元
读(bx)单元到al
N
N
al = 0AAh
ah送入(bx)单元
A
A
设置RAM出错标志
设置RAM出错标志
RAM自检程序流程图
光电编码器接线的诊断
在现代的交/直伺服系统中,位置和速度反馈都是由光电编码器来完成的.光电编码器输出A,B和Z三路信号,当电机正转时,A路超前B路90°;而当电机反转时,A路滞后B路90°.A,B信号经四倍频后再送至计数器.在四倍频电路中,A,B和Z的接线是固定的,不可随意将这三路信号交换,否则四倍频的输出信号的错误,将使系统不能正常运行,甚至造成严重的后果.
诊断光电编码器的接线错误流程图
基本思想:
设置标志使电动机处于开环运行状态,并使其正转.通过检测位置反馈符号,来判断光电编码器接线的正确与否.
读位置反馈值给ax
设置接线正确标志
返 回
Ax > 0
开 始
Y
N
置开环运行标志
启动电机正转
恢复闭环运行标志
设置接线出错标志
运行自诊断
运行自诊断是指CNC系统在运行过程中,对CNC系统的各硬件模块,伺服驱动单元,运行状态,运行环境等进行的实时自动监测和诊断,一旦发现故障,即刻发出报警信号并实施相应的保护措施.它是数控系统故障自诊断功能的最主要部分.
运行自诊断的基本方法
硬件监视法:
该法定时检测系统各硬件模块,外部设备及伺服驱动单元的状态标志,一旦发现标志置位,即刻发出报警信号,并作相应处理.如进给轴超程,进给电机或主轴电机过压,过流,过载,欠压等.这种方法要求在硬件设计时,要设置相应故障检测点,在系统设计时将这些点引入PLC,在控制软件中要设计相应的处理程序.
.
参数保护法:该法基本思想是在系统参数中设置阈值数据(最大允许电流,最大跟随误差等),一旦发现实测数据偏离正常值,即刻发出报警信号,并作相应处理.
过程判别法:该法一般是在编译程序,刀补程序和PLC任务中运用,它主要检测用户程序的语法错误,编程超差,过切等错误,系统对这类故障的处理是发出报警信号,当错误更正后,按系统复位键或清除键,系统即可恢复工作.
陷阱法:该法用于处理程序运行过程中程序运行紊乱情况的处理.如: 看门狗法和软中断陷阱法
运行自诊断的故障的处理方法
对具有破坏性的故障:定时检测程序都具有较高的优先权,系统对这类故障作出的反应是立即中止加工,切断动力电,使系统进入急停状态,同时发出报警信号,直至故障排除为止.
对非破坏性的故障:系统对这类故障作出的反应是发出报警信号,并屏蔽相应的操作,当错误更正后,按系统复位键或清除键,系统即可恢复工作.
对报警故障的处理:CNC系统的诊断结果可通过CRT将故障的编号,类型,性质及其简要说明显示出来,故障的详细情况,维修方法和思路都应在相应技术文挡中进行说明.
离线诊断
离线诊断或称脱机诊断是指当系统出现故障要判定系统是否真有故障时.将数控系统与被控设备脱离作检查,以便对故障做进一步定位,力求把故障定位在尽可能小的范围内.这是早期常用的故障诊断方法,而且要经过专门训练的人员才能进行诊断.随着计算机技术的发展,以前离线诊断的技术已逐步集成到了CNC系统中,成为了开机自诊断和运行自诊断的一部分,使维护诊断更为方便.
. CNC系统高级自诊断技术
随着计算机技术的不断发展,新的理论和方法在诊断领域的应用,已使诊断技术进入了一个更高的阶段.出现了许多新兴的诊断技术,如专家诊断技术,通讯诊断技术等,将这些技术引入CNC系统,无疑将大大提高CNC系统的故障诊断能力.
. 专家诊断技术
CNC的专家诊断系统一般有知识库,推理机,人一机控制器组成.知识库存储专家分析,判断故障的原因及如何排除故障的经验知识.人—机控制器可用适当的方式来表达专家的知识,并可通过它对知识库的知识进行更新,编辑等操作.推理机利用知识库内的产生式规则(1f...then...)和CNC系统的状态信息,自动模仿专家(利用知识和经验解决复杂问题的思维活动)进行故障诊断,以获得与专家诊断相同或相近的结论.
专家系统用于CNC系统故障诊断例
日本FANUC公司已将专家系统用于CNC系统的故障诊断,并具体应用于F—15系统,其知识库存放着专家们已掌握的有关数控系统的各种故障原因及其处理方法,而推理机(推理软件)则能根据知识库中的知识或经验,进行分析,查找出故障的原因.而不是简单地搜索现成的答案.F—15系统的推理机是一种采用"后向推理"策略的高级诊断系统.所谓后向推理是指先假设结论,然后再检查支持这个结论的条件是否成立,若具备则结论成立.在使用时,用户只要通过CRT/MDI作一些简单会话式回答的操作,即可诊断出CNC系统或机床的故障原因和位置.
. 远程诊断技术
通讯诊断是指利用电话线路 (或Internet网) 将CNC系统与该系统生产厂家设立的中央维修站连接起来,通过向用户设备发送诊断程序所进行的一种远程诊断.当用户CNC系统出现故障时,CNC系统经电话线路(或Internet网)与中央维修站通讯诊断计算机相连,由中央维修站向CNC系统发送诊断程序,并使CNC系统或机床执行某种指令,同时收集运行测试数据,分析比较,确定故障所在,然后将诊断结论和处理方法通知用户.通讯诊断除用于故障发生后的诊断处理外,还可为用户作定期预防性诊断.目前,国外一些名牌数控系统大都将此功能作为选择功能(option)供用户选用.随着通讯技术尤其使网络技术的发展,通讯诊断技术的应用将日益广泛,这对提高数控系统的可靠性,降低维护费用都具有及其重要的意义.
