数控系统故障树分析法.docx

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 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A[13]，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。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2-3 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管D33、D34损坏；
G、整流回路的滤波电容器C12、C13损坏；
H、电源模块内部直流主回路短路； I、辅助控制电源一次侧短路等[16]。

24V辅助控制电压输入熔断器F1熔断原因有：
A、系统输入单元的整流、滤波、稳压元件D1、C2、Q1和ZD1损坏；
B、系统输入单元辅助电源回路的稳压、滤波器件Q3、ZD2和C4损坏；
C、浪涌电压吸收器VS1损坏；
D、控制信号ON/OFF、外部报警信号、AC电源等接线的错误；
E、电源模块内部15V电源短路；
F、电源模块内部15V电源滤波电容C4损坏等；
G、偶然性过电流引起的。
（3）若熔丝和电源电压均正常，但PIL指示灯不亮，应检查电源单元的辅助电源控制回路是否存在故障。
2、故障现象二：电源指示灯PIL，报警指示灯ALM同时亮

图2-6 AI内部电源通/断控制回路
报警指示灯亮表示系统的控制电源回路或外部存在报警，见图2-4和图2-6，原因有：
（1）来自电源模块报警输入
A、熔断器F11、F12熔断；
B、电源单元+24V输出端熔断器F13熔断，原因有：
a、MDI/CRT单元内部或连接电缆短路；b、主印制板+24V电路短路。
C、电源单元+24VE输出端熔断器F14熔断，原因有：
a、向各印制板单元供给+24VE电源的电缆短路；b、来自机床侧+24V电源线接地或其它电源线混接；c、保护二极管方向接反。
（2）外部报警信号已被输入，CP3/2-CP3/4触点被断开
A、工作台超程； B、液压电动机过载。
（3）CP1、CP3的连接错误。
3、故障现象三：电源指示灯PIL亮，报警指示灯ALM不亮

图2-7 FANUC电源单元AI外观及连接图
这是电源模块的正常工作状态，如果在这状态下仍然无法接通系统电源，见图2-7，可能的原因有：
（1）MDI/CRT单元ON（CP3-1）/OFF（CP3-2）信号不良引起的
A、电源切断OFF按钮触点损坏；B、电源切断ON/OFF按钮触点连接不良。
（2）MDI/CRT单元电源切断OFF（CP3-2）与COM（CP3-3）断开
A、主轴电动机互锁引起的； B、PLC未运行；
C、工作台的超程引起的。

二、小结
表2-1 电源故障现象及其原因
故障现象
故障原因

系统不能接通电源
电源变压器无输入（保险丝熔断、开关接触不良）
各直流工作电压（5V，24V等）负载短路
输入单元已坏
有报警信号
2.2.2 系统无显示的故障诊断
数控系统不能正常显示的原因很多，当电源故障、系统CPU故障时均可能导致系统不能正常显示；系统的软件出错，在多数情况下可能会导致显示混乱或显示不正常或系统无显示。当然，显示系统本身的故障是造成系统显示不正常的直接原因。
数控系统显示不正常，可以分为完成无显示与显示不正常两种情况。当系统电源、系统其他部分工作正常时，系统无显示的原因，在大多数情况下是由于硬件故障引起的。而显示混乱或显示不正常，一般来说是系统的软件出错造成的。
图2-8为CRT接口组成框图。显示系统的硬件，主要包括电源回路、显示器、显示驱动回路、显示板、连接电缆等；以上部分的硬件损坏，将导致系统画面无显示。
软件出错引起的显示不正常，主要包括系统存储器（ROM）出错、RAM出错、软件版本出错等。以上故障会使显示器混乱（出现乱码）或显示不能正常进行。
一、常见CRT故障现象
1、故障现象一：数控系统电源接通后，CRT无辉度或无任何画面。此类故障多是由以下原因引起：
（1）与CRT单元有关的电缆连接不良，应对电缆重新检查，再连接一次。
（2）检查CRT单元的输入电压是否正常。但在检查前应搞清楚CRT单元所用的电源是直流还是交流，电压有多高。因为不同生产厂家在这方面有较大差异。如9in单色CRT多用+24V直流电源，而14in彩色CRT却用200V交流电压。如果确认输入电压过低，还应确认电网电压是否正常。如果是电源电路有故障或接触不良而造成输入电压过低时，还会出现某些印制线路板上的硬件或软件报警（如主轴低压报警等）。因此可通过这几个方面的分析来确认故障所在。

图2-8 CRT接口框图
（3）CRT单元本身的故障造成。CRT单元由显示单元、调节器单元等部分组成，任一部分的故障都会造成CRT无辉度或无图像等。
（4）可以用示波器检查是否有VIDEO（视频）信号输入，如果没有则表明故障出在CRT接口印制线路板上或主控制线路上。
（5）如果数控系统的主控制印制线路板上有报警显示，也可以影响CRT的显示。此时故障的起因多不在CRT本身，而在主控制印制线路板，可以按报警指示的信息来分析处理。
2、故障现象二：CRT无显示且机床不能动作。这类故障最可能的原因是主控制印制线路板或存储系统控制软件的ROM板有故障。
3、故障现象三：CRT无显示但机床仍能正常工作。这种现象说明数控系统的核心控制部分仍能正常地进行插补运算以及伺服控制等，只是显示部分或CRT控制部分出了故障。
二、小结
表2-2 CRT故障现象及其原因
故障现象
故障原因

CRT无辉度或无画面
与CRT有关的电缆接触不良
CRT输入电压异常
CRT单元（显示、调节等部分）不良
主印制线路板上有报警指示
CRT无显示，输入单元报警灯亮
+24V负载短路
连接单元有故障
CRT无显示，机床不能工作
但主印制线路板无报警
主印制线路板故障
控制ROM板不良
CRT无显示，机床能工作
CRT控制线路板故障
CRT显示无规律亮斑
CRT控制线路板故障
主印制线路板故障
CRT只能显示位置画面
MDI控制印制线路板故障
2.2.3 CNC单元故障诊断诊断
一、常见CNC单元故障现象
数控系统的核心是计算机数字控制装置（即CNC单元）。CNC单元是采用存储程序的专用计算机，在硬件的支持下由软件实现部分或全部数控功能。
当单元发生故障时，首先需要判断故障发生的部位，即：初步确定故障发生在单元内部还是单元外部。当故障发生在单元外部，还需要判断故障是由PLC程序逻辑条件不满足或是机床侧的元器件共振或者是单元外部干扰引起的；当故障发生在单元内部，需判断故障是系统软件的故障还是硬件的故障。
1、故障现象一：系统外部干扰故障
原因有：（1）、电磁波干扰，电火花、中、高频电加热设备的电源都会产生强烈的电磁波，通过空间传播被附近的数控系统所接受，如果能量足够就会干扰数控机床的正常工作。
（2）、供电线路干扰
A 输入电压过压或欠压引起电源报警而停机；B电源波形畸变，引起错误信息会导致CPU停止运行
（3）、信号传输干扰
A串模干扰—干扰电压叠加在有用信号上，由绝缘不良、漏电阻及供电线路等引入；B 共模干扰—干扰电压对二根或以上信号线的干扰大小相等、相位相同。装置的共模抑制比较高，影响不大。当不平衡时，一部分转为串模。
2、故障现象二：系统内部故障
（1）、系统硬件故障
A、系统存储RAM芯片不良 原因有：a、系统电池失效； b、不正确更换电池； c、电池单元连线碰壳、脱落。
B、主板有故障；C、I/O接口连接不良；D、磁泡存储器有故障；
（2）、系统软件故障 原因有：
A、系统参数设定、调整错误； B、系统内部RAM数据丢失；
二、小结
表2-3 CNC装置故障现象及其原因
故障现象
故障原因

外部干扰
电磁波干扰
供电线路干扰
信号传输干扰
软件故障
系统参数设定错误
内部RAM数据丢失

硬件故障
存储RAM芯片不良
磁泡存储器故障
主板故障
I/O接口连接错误
2.2.4 系统I/O接口的故障诊断
一、常见I/O接口故障现象
CNC装置与外围设备不能直接连接，而要通过相应的接口芯片和I/O接口电路与之相连。如图2-9，2-10所示，接口芯片负责CPU与外围设备的信息交换，通过I/O接口电路与设备连接[17]。接口电路的主要任务是：进行电平转换、功率放大和防止噪音以避免引起误动作。

图2-9 典型输出电路

图2-10 典型输入电路
同时，CNC装置采用RS-232C（24V/20mA）或高速RS-422标准的异步串行接口进行通信，如图2-11所示；当与工厂局部网络相连时，还需具备网络通信功能。

图2-11 RS-232C/20mA接口结构
系统I/O接口故障是指系统在与外部设备进行数据传输时，出现系统报警或数据不能进行正常传输的故障。在FANUC系统中，通过系统的MDI/CRT面板检查、诊断的接口信号状态，实质上是输出、输入缓冲存储器的内容，当系统与外部信号立即的接口电路（如输入接收器或输出驱动器）发生故障时，诊断信号的状态将与实际的输入、输出不同。
当出现这种故障时，首先检查是否有85号报警，如果有，检查波特率和其他I/O参数或I/O设备出故障；如果没有，检查是否有86号报警，如果有，检查I/O设备的电源、电缆是否连接正确，否则可能是I/O接口模块出故障；最后检查是否有87号报警，如果有，可能是I/O设备出故障或者是I/O接口模块出故障。
二、小结
表2-4 I/O接口故障现象及其原因
故障现象
故障原因
I/O接口模块出故障
接口端子不良
接口连线错误
I/O设备出故障
元器件接触不良
元器件自身损坏

RS232C输入或输出异常
参数设置错误
穿孔接口板故障
主板故障
2.2.5 不能回参考点的故障诊断
一、常见回参考点故障现象
数控机床回参考点操作是建立机床坐标系的前提，回参考点动作不正常包括回参考点不能进行与参考点位置不正确两种情况。
1、 故障现象一：不能进行回参考点的故障
回参考点不能进行故障是指机床不执行回参考点动作，或者是动作错误，或者是回参考点过程中系统出现报警的情况。当回参考点不能进行时，系统一般出现有报警显示。对这类故障的处理步骤是：
（1）距参考点位置如果小于128个脉冲。则变更返回时的开始位置，使其位置偏差量超出128个脉冲；
（2）如果距参考点位置大于128个脉冲，检查确认进给速度指令值，快速进给倍率信号，返回参考点减速信号和外部减速信号是否正常，否则可能编码器用的电源电压是否偏低（允许电压波动在0.2V以内）或是脉冲编码器不良；
（3）返回参考点速度必须为位置偏差量超出128个脉冲的速度，如果速度过低，电动机的1转信号散乱，不能进行正确的位置检测。
2、故障现象二：回参考点位置偏移的故障
回参考点不正确故障是指机床可以执行回参考点动作，但是参考点定位位置出现错误的情况[18]。
1）确认参考计数器值的设定是否正确；
2）确认返回参考点位置偏移的程度是否在一个栅格之内，如是，确认减速挡块是否装配在正确位置上；如不是，检查参数中栅格偏移量设定是否正确。如不正确，则检查脉冲编码器与NC之间的反馈电缆是否有断线或松脱现象，屏蔽线是否接地等，否则轴卡有问题。
二、小结
表2-5 回参考点故障现象及其原因
故障现象
故障原因

不能返回参考点
脉冲编码器断线
脉冲编码器连接电缆、抽头断线
操作人员操作不当

回参考点位置偏移
外界干扰
脉冲编码器供电电压不正常
脉冲编码器故障
机床参数设定错误
电缆或连接器接触不良
减速挡块位置调整不当
偶然因素干涉
2.2.6 自动运行的故障诊断
一、常见自动运行故障现象
1、故障现象一：机床不能动作
（1）、首先确认在AUTO方式下按启动按钮，观察自动运转信号STL是否正确；
（2）、用DGN700确认CNC状态，并排除其相应的故障原因：
A、当DGN700.6（CSCT）=1时，表示等待主轴速度到达信号接通；
B、当DGN700.5（CSCT）=1时，表示互锁信号接通；
C、当DGN700.4（CSCT）=1时，表示倍率为0%；
D、当DGN700.3（CSCT）=1时，表示进行到位检测；
E、当DGN700.2（CSCT）=1时，表示执行暂停；
F、当DGN700.1（CSCT）=1时，表示执行自动运转中的移动指令；
G、当DGN700.0（CSCT）=1时，表示执行M、S、T功能[19]。
一般情况下数控系统可有两种状态。一是系统处于不正常的状态，如系统处于报警状态、紧急停止状态，或是数控系统的复位按钮处于接通状态等；二是数控系统设定错误，例如将进给速度设定为零值，再如将机床设定为锁住状态等，此时如运行程序，虽然CRT上有位置显示变化，而机床却不动。
2、故障现象二：当数控系统进入用户宏程序时，出现超程报警或显示“PROGRAM STOP”。但数控系统一旦退出用户宏程序运行，则运行变得很正常。
这类故障多出在用户宏程序上，如操作人员勿按“RESET”按钮，就会造成宏程序的混乱等。此时可采取全部清除数控系统的内存，重新输入NC和PLC的参数、宏程序变量、刀具编号及设定值等来恢复。
二、小结
表2-6 自动运行故障现象及其原因
故障现象
故障原因

系统不能自动运行
工作方式选择不当
按钮开关损坏或连接不良
机床参数设定错误
编程指令不当
机械传动系统不良
2.2.7 手动操作类的故障诊断
一、常见手动操作类故障现象
1、故障现象一：数控系统的MDI方式、MEMORY方式无效，但在CRT画面上却无报警发生。
这类故障多数不是由数控系统引起。因为MDI方式、MEMORY方式的操作开关都在机床操作面板上，MDI接口框图见图2-12。当CPU扫描到被按键的信号时，就将数据送入移位寄存器，移位寄存器得输出SRIN需经报警检查，将SRIN与反馈信号DIN比较，相符则不报警，数据经选择门、移位寄存器、数据总线送入RAM存储器来；不相符则报警，数据不送入RAM。所以此时在操作面板和数控柜之间的连接发生故障（如断线等）的可能性最大。

图2-12 MDI接口框图
2、故障现象二：手摇脉冲发生器（即手摇盘）不能工作。
这种故障可分为两种情况。一是转动手摇脉冲发生器时，CRT画面的位置显示发生变化但机床不动。此时可先通过诊断功能检查系统是否处于机床锁住状态。如未锁住，则再由诊断功能确认伺服断开信号是否已被输入到数控系统中。如果两种情况都不存在，则故障多出在伺服系统。二是转动手摇脉冲发生器时，CRT画面的位置显示无变化，机床也不动。此时可从以下几个方面进行检查。首先应确认数控系统是否带有手摇脉冲发生器功能。这可以通过检查参数来确认。然后确认机床锁住信号是否已被输入（通过诊断功能来检查）。再确认手摇脉冲发生器的方式选择（在机床操作面板上）信号是否已输入（也可用诊断功能来确认），并检查主板是否报警。若以上几个方面均无问题，则可能是手摇脉冲发生器有故障或手摇脉冲发生器接口板不良（注意，当一台数控机床带有两个或两个以上的手摇脉冲发生器时，需要另外配置接口板）引起的。
二、小结
表2-7 手动操作类故障现象及其原因
故障现象
故障原因

机床不能执行JOG运动
操作方式选择不当
机床参数设定错误
PLC程序互锁

手摇脉冲发生器发生故障
方向键开关损坏
连线不良
接口板专用集成块不良
2.2.8 急停报警（NOT READY）故障
对于FANUC 0i系列系统中，其“急停”信号（*ESP）有固定的输入地址（X21.4）。对于该系统可直接检查输入信号的状态，并进行处理。根据数控机床上“急停”控制回路，主要考虑因素有：
1）、面板上的“急停”生效；2）、工作台的超极限保护生效；
3）、伺服驱动、主轴驱动器、液压电动机等主要工作电动机及主回路的过载保护；4）、24V控制电源等重要部分的故障。
一、常见急停报警故障现象
1、故障现象一：数控系统刚接通电源就出现“NOT READY”显示，过几秒钟就自动切断电源。有时数控系统接通后显示正常，但在运行程序中突然在CRT画面出现“NOT READY”，随之电源被切断。
造成这类故障的原因是PLC有故障，可以通过查PLC的参数及梯形图发现故障所在。
2、故障现象二：返回基准点过程中数控系统突然变成“NOT READY”状态，但CRT画面却无任何报警发生。
这种情况多为返回基准点用的减速开关失灵，开关触头压下后不能复位所致。
二、小结
表2-8 急停报警故障现象及其原因
故障现象
故障原因

系统出现“NOT READY”显示
减速开关失灵
电缆或按钮连接不良
24V控制电源故障
PLC信号互锁
第三章 FANUC-0i数控系统故障树建立
3.1 引言
故障树分析法(Fault Tree Analysis，FTA)就是在系统设计过程中，通过对可能造成系统故障的各种因素(包括硬件、软件、环境、人为因素等)进行分析，画出逻辑框图(即故障树)，从而确定系统故障原因的各种可能组合及其发生概率，以计算系统故障概率，采取相应的纠正措施，提高系统可靠性的一种设计分析方法[20]。
故障树分析法是一种从系统到部件再到零件这样的“下降形”分析方法，通过逻辑符号绘制出一个倒树形图，这样，它就把系统的故障与导致故障的各种因素直观而又形象地呈现出来；它灵活，多用，可以用于分析系统组成中硬件故障的影响，也可以考虑维修、环境因素、人为操作或决策失误的影响，即不仅可反映系统内部单元与系统的故障关系，也能反映出系统外部因素所可能造成的后果；同时，应用故障树分析可以帮助设计者弄清系统的故障模式，在对系统的故障进行预测和诊断中，找出系统的薄弱环节，以便在设计中采取相应的改进措施，进而实现系统设计的最优化，在管理和维修中，根据对系统原因的分析，完善使用方法，采取有效的维修措施，确实防止故障的发生。
由于以上特点，故障分析法特别适用于复杂的动态系统的可靠性分析中。它的缺点是：理论性较强、逻辑性较严密，它要求分析人员对所研究的系统必须有透彻的了解，还应具有比较丰富的运行经验，否则，在故障树建树过程中往往容易遗漏一些重要事件而导致错误的结果，同时，由于各个分析人员所取的范围不同，或认识上不一致，建树的结果也可能有所不同。
本论文对FANUC-0i数控系统进行故障树分析是将数控系统故障形成的原因作为由总体至部分按树状逐级细化，把所研究数控系统的最不希望发生的故障状态作为故障分析的目标，然后寻找直接导致这一故障发生的全部因素，再找出造成下一事件发生的全部直接因素，一直追查到毋需再深究的因素为止。通过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。
3.2 建立FANUC-0i数控系统故障树
3.2.1 基本名词术语和符号
故障树是一种特殊的树状逻辑因果关系图，它用规定的事件、逻辑门和其它符号描述系统中各种事件之间的因果关系。逻辑门的输入事件是输出事件的因，逻辑门的输出事件是输入事件的果。表3-1及表3-2为逻辑门和事件的符号表及含义。
表3-1 事件的符号和意义
事件名称
事件符号
含义
顶事件

故障树分析中的结果事件

基本事件

在特定的故障分析中，无须再探明其发生原因的底事件。
中间事件

位于顶事件和底事件之间的结果事件

未探明事件

原则上应进一步探明其原因但暂时不必探明其原未探明事件因的底事件。

转移符号

输出至另外的门，或从另外的门接收输入，允许转移符号输出至多个门而只能接受一个门的输入。

表3-2 门符号及其含义
门名称
门符号
因果关系
“与”门

仅当所有输入事件发生时，输出事件才发生。
“或”门

至少一个输入事件发生时，输出事件就发生。
重复门

重复出现的事件
3.2.2故障树建造方法
正确建造故障树是故障树分析法的关键，因为故障树的完善与否将直接影响到故障树定性分析和定量分析结果的准确性，所以，在建树过程中必须十分谨慎。
一般建树方法可分为两大类：演绎法和计算机辅助建树的合成法或决策表法。
本文采用演绎法的建树方法，即：将已确定的顶事件写在顶部矩形框内，将引起顶事件的全部必要而又充分的直接原因事件(包括硬件故障、软件故障、环境因素、人为因素等)置于相应原因事件符号中画出第二排，再根据实际系统中它们的逻辑关系用适当的逻辑门联结事件和这些直接原因事件。如此，遵循建树规则逐级向下发展，直到所有最低一排原因事件都是底事件为止。
这样，就建立了一棵以给定顶事件为“根”，中间事件为“节”，底事件为“叶”的倒置的n 级故障树。
3.2.3 故障树各级事件的选择
顶事件是故障树分析中所关心的事件，也是显著影响数控机床可靠性水平不希望发生的重大故障事件。为了彻底解决用户反馈以及生产过程中存在的设计、工艺、外购件、质量管理等问题，为了对其提出全面合理的可靠性设计措施，必须深入进行故障树分析。根据前面分析的结论，同时为了把环境条件、人为因素等也包括在内进行分析，本论文选取数控系统发生故障（S01）作为整体故障树的顶事件，显然数控系统发生故障这一顶事件包括了由各种因素引起的功能失常。次级事件根据可靠性改进设计的需要和数控系统现场使用的实际故障特点依次选取为：电源故障（A01）、CRT故障（A02）、CNC单元故障（A03）、I/O接口故障（A04）、回参考点故障（A05）、自动运行故障（A06）、手动操作类故障（A07）和急停报警故障（A08）。
以上顶事件及次级事件的选取使建成的故障树能较方便地为设计、使用及维修人员所用，同时也涵盖了FANUC-0i数控系统现场使用中暴露出的故障现象，本文的故障树具有合理性和实用性的特点。本文所建故障树分为五层：顶事件(S01)、次级事件（A01-A08）、第三层（B01-B26）、第四层（C01-C49）、底层（D01－D16）。如下表3-3所示，为FANUC-0i数控系统故障事件代码表。
表3-3 FANUC-0i数控系统故障事件代码表
事件代码
基本事件
事件代码
基本事件
S01
数控系统故障
C16
+24V负载短路
A01
电源故障
C17
连接单元故障
A02
CRT故障
C18
控制ROM板不良
A03
CNC单元故障
C19
主印制板故障
A04
I/O接口故障
C20
屏蔽连接不良
A05
回参考点故障
C21
模块安装不固
A06
自动运行故障
C22
接近干扰源
A07
手动操作类故障
C23
主板故障
A08
急停报警故障
C24
存储RAM卡不良
B01
:指示灯亮
C25
接口连接错误
B02
报警灯亮
C26
磁泡存储器故障
B03
正常仍无通电
C27
参数设定错误
B04
显示不正常
C28
RAM数据丢失
B05
无显示机床动
C29
接口端子不良
B06
无显示有报警
C30
接口连线错误
B07
无显示机床不动
C31
参数设置错误
B08
单元外部干扰
C32
穿孔接口板故障
B09
单元硬件故障
C33
主板故障
B10
单元软件故障
C34
器件接触不良
B11
接口模块故障
C35
器件自身损坏
B12
通信接口异常
C36
操作不当
B13
接口设备故障
C37
连接电缆断线
B14
不能回参考点
C38
编码器断线
B15
回参考点偏移
C39
器件零脉冲不良
B16
方式选择不当
C40
参数设定错误
B17
按钮开关损坏
C41
挡块位置不当
B18
编程指令不当
C42
减速信号不良
B19
参数设定错误
C43
偶然因素干涉
B20
传动系统不良
C44
方式选择不当
B21
操作不当
C45
PLC互锁
B22