数控机床电气维修技术研讨

我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践
　　带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。
　　一、数控技术
　　谈到维修，首先必须从总体上了解我们的维修对象。
　　1.数控机床电气控制系统综述
　　一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图1所示。
 

　　(1)数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孔带阅读机(已很少使用)，3.5in软盘驱动器，CNC键盘(一般输入操作)，数控系统配备的硬盘及驱动装置(用于大量数据的存储保护)、磁带机(较少使用)、PC计算机等等。
　　(2)数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。
　　数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。
　　(3)可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。
　　当代PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。
　　不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。
　　(4)主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。
　　主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性，其中有些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调改的，例
如零漂等。通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。
　　(5)进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。
　　进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链
的状态发生变化，就需重调速度环调节器。
　　(6)电器硬件电路随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器(继电器、接触器)，很少还有继电器逻辑电路的存在。但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由PLC逻辑取而代之，但是这不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。
　　(7)机床(电器部分)包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床
各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。
这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。
　　(8)速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。
　　这里应注意测速反馈电压的匹配联接，并且不要拆卸测速机。由此引起的速度失控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。
　　(9)位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采
用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。
　　位置环可能出现的故障多为硬件故障，例如位置测量元件受到污染，导线连接故障等。
　　(10)外部设备一般指PC计算机、打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。使用中的主要问题与输入装置一样，是匹配问题。
　　2.数控机床运动坐标的电气控制
　　数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成
。其控制框图如图2。
 

　　(1)电流环是为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。
　　(2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。
　　速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。
　　速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。
　　(3)位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：
　　一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发出的脉
冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。
　　二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于Kv值的设置要注意两个问题，首先要满足下列公式：
Kv=v/Δ
式中v——坐标运行速度，m/min
Δ——跟踪误差，mm
　　注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。例如，坐标运行速度的单位是m/min，则Kv值单位为m/(mm•min)，若v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/(mm•s)。
　　其次要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是以Kv值最低的坐标轴为准。
　　位置反馈(参见上节“位置测量”)有三种情况：一种是没有位置测量元件，为位置开环控制即无位置反馈，步进电机驱动一般即为开环；一种是半闭环控制，即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后，可以得到很高的位置控制精度；第三种是全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，理论上这种控制的位置精度情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低，如若不然，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题，千万不可轻视。
　　(4)前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能，故本文不详述，只是要注意，前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。
二、维修工作的基本条件
　　数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备，一 旦故障停机，其影响和损失往往很大。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。由于数控机床日常出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要。
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　　1.人员条件
　　数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。
　　(1)首先是有高度的责任心和良好的职业道德。
　　(2)知识面要广。要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲的基本数控知识。
　　(3)应经过良好的技术培训。数控技术基础理论的学习，尤其是针对具体数控机床的技术培训，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。
　　(4)勇于实践。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力。
　　(5)掌握科学的方法。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。
　　(6)学习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。
　　(7)掌握一门外语，特别是英语。起码应做到能看懂技术资料。
　　2.物质条件
　　(1)准备好通用的和某台数控机床专用的电气备件。
　　(2)非必要的常备电器元件应做到采购渠道快速畅通。
　　(3)必要的维修工具、仪器仪表等，最好配有笔记本电脑并装有必要的维修软件。
　　(4)每台数控机床所配有的完整的技术图样和资料。
　　(5)数控机床使用、维修技术档案材料。
　　3.关于预防性维护
　　预防性维护的目的是为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。
　　(1)人员安排 为每台数控机床分配专门的操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都要不断地努力提高自己的业务技术水平。
　　(2)建规建档 针对每台机床的具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案，管理者要经常检查、总结、改进。
　　(3)日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，包括保养内容(如坐标轴传动系统的润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统，传动带的松紧，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等)及各功能部件和元气件的保养周期(每日、每月、半年或不定期)。
　　(4)提高利用率 数控机床如果较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床的各运动环节会由于油脂凝固、灰尘甚至生锈而影响其静、动态传动性能，降低机床精度，油路系统的 堵塞更是一大烦事；从电气方面来看，由于一台数控机床的整个电气控制系统硬件是由数以 万计的电子元器件组成的，他们的性能和寿命具有很大离散性，从宏观来看分三个阶段：在一年之内基本上处于所谓“磨合”阶段。在该阶段故障率呈下降趋势，如果在这期间不断开动机床则会较快完成“磨合”任务，而且也可充分利用一年的维修期；第二阶段为有效寿命 阶段，也就是充分发挥效能的阶段。在合理使用和良好的日常维护保养的条件下，机床正常运转至少可在五年以上；第三阶段为系统寿命衰老阶段，电器硬件故障会逐渐增多，数控系统的使用寿命平均在8～10年左右。
　　因此，在没有加工任务的一段时间内，最好较低速度下空运行机床，至少也要经常给数控系统通电，甚至每天都应通电。
　　三、维修与排故技术
　　1.常见电气故障分类
　　数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。
　　(1)以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。
　　(2)以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今的数控系统都设计有完美的自诊断程序，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性所致(如开关不闭合、接插松动等)。这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、排除。
　　(3)以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏工 件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。
　　(4)以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定的 条件则一定会产生的确定的故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这类故障的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能排除。
　　(5)以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故障。在这种情况下，机床虽 能正常运转却加工不出合格的工件。例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机、电环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。
　　此处故障的分类是为了便于故障的分析排除，而一种故障的产生往往是多种类型的混合，这 就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应的分析、排除法。
2.故障的调查与分析
　　这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作：
　　①询问调查　在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持现场 故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。
　　②现场检查　到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实 初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不乏其例，因此到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，使排故增加难度。
　　③故障分析　根据已知的故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型，从而确定排故原 则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手册和使 用说明书，可以列出产生该故障的多种可能的原因。
　　④确定原因　对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因，这时对维修人员是 一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。
　　⑤排故准备　有的故障的排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一系列的准 备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排故计划步骤的制定等等。
　　数控机床电气系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程，一旦查明了原因 ，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。下面把电气故障的常用诊断方法综列于下。
　　(1)直观检查法 这是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的检查。
　　①询问 向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分析 判断过程中可能要多次询问。
　　②目视　总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、 刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等 。
　　③触摸　在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、 各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)的联接状况等来发现可能出现故障的原因。
　　④通电　这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。
　　(2)仪器检查法 使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号等 进行测量，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置的 相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无，用PLC 编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。