淺談機床電氣控制系統(tǒng)

付延中

【摘 要】數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng)是機床應(yīng)用中非常重要的一部分。本文闡述了機床電氣控制系統(tǒng)的概況，詳細介紹了電氣控制系統(tǒng)的原理，針對應(yīng)用中常出現(xiàn)的故障情況講解了如何維修，最后展望了機床電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控機床；電氣控制系統(tǒng)；現(xiàn)場維修；技術(shù)發(fā)展

1.我國從2003年開始就成了全球最大的機床消費國，也成了世界上最大的數(shù)控機床進口國

目前正在提高機械加工設(shè)備的數(shù)控化率，1999年，我們國家機械加工設(shè)備數(shù)控化率是5-8%，目前預(yù)計是15～20%之間。

因此，隨著電子技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。以微處理器為基礎(chǔ)，以大規(guī)模集成電路為標(biāo)志的數(shù)控設(shè)備，已在我國批量生產(chǎn)、大量引進和推廣應(yīng)用，它們給機械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，并帶來很大的效益。

“九五”期間，為促進我國數(shù)控機床的發(fā)展，機床工具行業(yè)針對我國數(shù)控機床產(chǎn)量低、形不成規(guī)模，提出了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)化。經(jīng)過近十年的發(fā)展，我國數(shù)控機床生產(chǎn)已有一定規(guī)模，技術(shù)也有一定基礎(chǔ)，擁有了自主知識產(chǎn)權(quán)的數(shù)控產(chǎn)品，數(shù)控機床的可供品種超過了1000種。

數(shù)控機床的電氣控制系統(tǒng)是機床使用中很重要的一部分，控制系統(tǒng)的好壞直接關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量的高低。

2.下面就對機床的電氣控制系統(tǒng)部分做一個簡單的介紹

數(shù)控機床一般由NC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和反饋檢測系統(tǒng)3部分組成。數(shù)控機床對位置系統(tǒng)要求的伺服性能包括：定位速度和輪廓切削進給速度：定位精度和輪廓切削精度，精加工的表面粗糙度，在外界干擾下的穩(wěn)定性。這些要求主要取決于伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)特性。對閉環(huán)系統(tǒng)來說，總希望系統(tǒng)有較高的動態(tài)精度，即當(dāng)系統(tǒng)有一個較小的位置誤差時，機床移動部件會迅速反應(yīng)。下面就位置控制系統(tǒng)影響數(shù)控機床加工要求的幾個方面進行論述。

2.1加工精度

精度是機床必須保證的一項性能指標(biāo)。位置伺服控制系統(tǒng)的位置精度在很大程度上決定了數(shù)控機床的加工精度。因此位置精度是一個極為重要的指標(biāo)。為了保證有足夠的位置精度，一方面是正確選擇系統(tǒng)中開環(huán)放大倍數(shù)的大小，另一方面是對位置檢測元件提出精度的要求?？梢哉f，數(shù)控機床的加工精度主要由檢測系統(tǒng)的精度決定。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量線路。在設(shè)計數(shù)控機床、尤其是高精度或大中型數(shù)控機床時，必須精心選用檢測元件。所選擇的測量系統(tǒng)的分辨率或脈沖當(dāng)量，一般要求比加工精度高一個數(shù)量級?？傊?，高精度的控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測元件作為保證。

2.2開環(huán)放大倍數(shù)

在典型的二階系統(tǒng)中，阻尼系數(shù)x=1/2（KT）-1/2，速度穩(wěn)態(tài)誤差e（∞）=1/K，其中K為開環(huán)放大倍數(shù)，工程上多稱作開環(huán)增益。顯然，系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是影響伺服系統(tǒng)的靜態(tài)、動態(tài)指標(biāo)的重要參數(shù)之一。

一般情況下，數(shù)控機床伺服機構(gòu)的放大倍數(shù)取為20-30（1/S）。通常把K<20范圍的伺服系統(tǒng)稱為低放大倍數(shù)或軟伺服系統(tǒng)，多用于點位控制。而把K>20的系統(tǒng)稱為高放大倍數(shù)或硬伺服系統(tǒng)，應(yīng)用于輪廓加工系統(tǒng)。

假若為了不影響加工零件的表面粗糙度和精度，希望階躍響應(yīng)不產(chǎn)生振蕩，即要求是取值大一些，開環(huán)放大倍數(shù)K就小一些，若從系統(tǒng)的快速性出發(fā)，希望x選擇小一些，即希望開環(huán)放大倍數(shù)一增加些，同時K值的增大對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度也能有所提高。因此，對K值的選取是必需綜合考慮的問題。換句話說，并非系統(tǒng)的放大倍數(shù)愈高愈好。當(dāng)輸入速度突變時，高放大倍數(shù)可能導(dǎo)致輸出劇烈的變動，機械裝置要受到較大的沖擊，有的還可能引起系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。這是因為在高階系統(tǒng)中系統(tǒng)穩(wěn)定性對K值有取值范圍的要求。

2.3提高可靠性

數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化設(shè)備，如果發(fā)生故障其損失就更大、所以提高數(shù)控機床的可靠性就顯得尤為重要?？煽慷仁窃u價可靠性的主要定量指標(biāo)之一，其定義為：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的概率。對數(shù)控機床來說，它的規(guī)定條件是指其環(huán)境條件、工作條件及工作方式等。這里的功能主要指數(shù)控機床的使用功能，例如伺服性能等。

2.4寬范圍調(diào)速

在數(shù)控機床的加工中，伺服系統(tǒng)為了同時滿足高速快移和單步點動，要求進給驅(qū)動具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。

3.機床的控制系統(tǒng)在使用中常會出現(xiàn)各種各樣的問題，結(jié)合實際應(yīng)用，下面對一些故障進行分析

從所使用的元器件類型上.電氣控制系統(tǒng)故障通常分為“弱電”故障和“強電”故障兩大類，“弱電”部分是指控制系統(tǒng)中以電子元器件、集成電路為主的控制部分。數(shù)控機床的弱電部分包括CNC、PLC、MDI/CRT以及伺服驅(qū)動單元、輸為輸出單元等。

“弱電”故障又有硬件故障與軟件故障之分。硬件故障是指上述各部分的集成電路芯片、分立電子元件、接插件以及外部連接組件等發(fā)生的故障。軟件故障是指在硬件正常情況下所出現(xiàn)的動作出鍺、數(shù)據(jù)丟失等故障，常見的有，加工程序出錯，系統(tǒng)程序和參數(shù)的改變或丟失，計算機運算出錯等。

“強電”部分是指控制系統(tǒng)中的主回路或高壓、大功率回路中的繼電器、接觸器、開關(guān)、熔斷器、電源變壓器、電動機，電磁鐵，行程開關(guān)等電氣元器件及其所組成的控制電路。這部分的故障雖然維修、診斷較為方便，但由于它處于高壓、大電流工作狀態(tài)，發(fā)生故障的幾率要高于“弱電”部分。必須引起維修人員的足夠的重視。

故障排除方法。

3.1初始化復(fù)位法

由于瞬時故障引起的系統(tǒng)報警，可用硬件復(fù)位或開關(guān)系統(tǒng)電源依次來清除故障，若系統(tǒng)工作存儲區(qū)由于掉電，拔插線路板或電池欠壓造成混亂，則必須對系統(tǒng)進行初始化清除，清除前應(yīng)注意作好數(shù)據(jù)拷貝記錄，若初始化后故障仍無法排除，則進行硬件診斷。

3.2參數(shù)更改，程序更正法

系統(tǒng)參數(shù)是確定系統(tǒng)功能的依據(jù)，參數(shù)設(shè)定錯誤就可能造成系統(tǒng)的故障或某功能無效。有時由于用戶程序錯誤亦可造成故障停機，對此可以采用系統(tǒng)的塊搜索功能進行檢查，改正所有錯誤，以確保其正常運行。

3.3調(diào)節(jié)，最佳化調(diào)整法

調(diào)節(jié)是一種最簡單易行的辦法。通過對電位計的調(diào)節(jié)，修正系統(tǒng)故障。最佳化調(diào)整是系統(tǒng)地對伺服驅(qū)動系統(tǒng)與被拖動的機械系統(tǒng)實現(xiàn)最佳匹配的綜合調(diào)節(jié)方法，其辦法很簡單，用一臺多線記錄儀或具有存儲功能的雙蹤示波器，分別觀察指令和速度反饋或電流反饋的響應(yīng)關(guān)系。通過調(diào)節(jié)速度調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)和積分時間，來使伺服系統(tǒng)達到即有較高的動態(tài)響應(yīng)特性，而又不振蕩的最佳工作狀態(tài)。在現(xiàn)場沒有示波器或記錄儀的情況下，根據(jù)經(jīng)驗，即調(diào)節(jié)使電機起振，然后向反向慢慢調(diào)節(jié)，直到消除震蕩即可。

3.4備件替換法

用好的備件替換診斷出壞的線路板，并做相應(yīng)的初始化啟動，使機床迅速投入正常運轉(zhuǎn)，然后將壞板修理或返修，這是目前最常用的排故辦法。

4.機床電氣控制系統(tǒng)未來發(fā)展的趨勢

a.繼續(xù)向開放式、基于pc的第六代方向發(fā)展。基于pc所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用pc機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。pc機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通信，遠程診斷和維修將更加普遍。

b.向高速化和高精度化發(fā)展。這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。

c.向智能化方向發(fā)展。隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。

【參考文獻】

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