數(shù)控機床運行原理與故障維修探討

摘要：主要介紹數(shù)控機床的組成、特點、工作原理和在日常工作中常出現(xiàn)的故障及其維修。數(shù)控機床集微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)及伺服驅(qū)動技術(shù)、精密機械技術(shù)于一體，是高度機電一體化的典型產(chǎn)品，是衡量機械制造工藝水平的重要指標，在柔性生產(chǎn)和計算機集成制造等先進制造技術(shù)中起著重要的基礎(chǔ)核心作用。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；工作原理；故障維修；特點；組成

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2013）05-0192-02

數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computernumericalcontrolmachinetools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作。按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。

1 數(shù)控機床的組成及原理

數(shù)控機床是機電一體化的典型產(chǎn)品，是集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、檢測等技術(shù)為一體的自動化設(shè)備。數(shù)控機床的基本組成包括控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、反饋裝置及機床本體，見下圖。

1.1 控制介質(zhì)

數(shù)控機床工作時，不用人去直接操作機床，但又要執(zhí)行人的意圖，這就必須在任何數(shù)控機床之間建立某種聯(lián)系，這種聯(lián)系的中間媒介物稱之為控制介質(zhì)。在普通機床上加工零件時，由工人按圖樣和工藝要求進行加工。在數(shù)控機床加工時，控制介質(zhì)是存儲數(shù)控加工所需要的全部動作和刀具相對于工件位置等信息的信息載體，它記載著零件的加工工序。數(shù)控機床中，常用的控制介質(zhì)有穿孔紙帶、穿孔卡片、磁帶和磁盤或其他可存儲代碼的載體，至于采用哪一種，則取決于數(shù)控裝置的類型。早期時，使用的是8單位（8孔）穿孔紙帶，并規(guī)定了標準信息代碼ISO（國際標準化組織制定）和EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會制定）兩種代碼。

1.2 數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數(shù)控程序中的加工信息，經(jīng)過數(shù)控KghmvMyvAgI0RexvlHV6Ot3GHXzfZemYjYJlyMLHAdw=裝置的系統(tǒng)軟件或邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發(fā)出相應(yīng)的脈沖送給伺服系統(tǒng)，使伺服系統(tǒng)帶動機床的各個運動部件按數(shù)控程序預(yù)定要求動作。一般由輸入輸出裝置、控制器、運算器、各種接口電路、CRT顯示器等硬件以及相應(yīng)的軟件組成。數(shù)控裝置作為數(shù)控機床“指揮系統(tǒng)”，能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。

1.3 伺服系統(tǒng)

機床上的執(zhí)行部件和機械傳動部件組成數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，它根據(jù)數(shù)控裝置發(fā)來的速度和位移指令控制執(zhí)行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執(zhí)行部件都配有一套伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)的作用是把來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，它相當于手工操作人員的手，使工作臺（或溜板）精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖樣要求的零件。

1.4 反饋裝置

反饋裝置是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機床的檢測環(huán)節(jié)，該裝置可以包括在伺服系統(tǒng)中，它由檢測元件和相應(yīng)的電路組成，其作用是檢測數(shù)控機床坐標軸的實際移動速度和位移，并將信息反饋到數(shù)控裝置或伺服驅(qū)動中，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式。無測量反饋裝置的系統(tǒng)稱為開環(huán)系統(tǒng)。由于先進的伺服系統(tǒng)都采用了數(shù)字式伺服驅(qū)動技術(shù)（稱為數(shù)字伺服），伺服驅(qū)動和數(shù)控裝置間一般都采用總線進行連接。反饋信號在大多數(shù)場合都是與伺服驅(qū)動進行連接，并通過總線傳送到數(shù)控裝置，只有在少數(shù)場合或采用模擬量控制的伺服驅(qū)動（稱為模擬伺服）時，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進行連接。伺服電動機內(nèi)裝式脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、測速機、光柵和磁尺等都是NC機床常用的檢測器件。

2 數(shù)控機床主要故障分析及維修

2.1 數(shù)控機床主軸伺服系統(tǒng)故障檢查及維修

在維修主回路采用錯位選觸無環(huán)流可逆調(diào)速驅(qū)動系統(tǒng)的數(shù)控車床中所遇到的部分故障及處理方法。

（1）故障現(xiàn)象：1.8m臥車在點動時，花盤來回擺動。

檢查：測量驅(qū)動控制系統(tǒng)中的±20V直流穩(wěn)壓電源的紋波為4V峰峰值，大大超過了規(guī)定的范圍。

處理：將電壓板中的100MF和1000MF濾波電容換下焊上新電容，并測量紋波只有幾個毫伏后將電源板安裝好，開機試運行，故障消除。

（2）故障現(xiàn)象：配套某系統(tǒng)的數(shù)控車床，當主軸在高速（3000r/min以上），機床出現(xiàn)異常振動。

處理：檢查機床的主軸驅(qū)動是否連接，發(fā)現(xiàn)機床的主軸驅(qū)動器的接地線連接不良后，將接地線重新連接，機床可恢復(fù)正常。

2.2 機床PLC初始故障的診斷

機床PLC初始故障的診斷為了保護機床和維修方便，PLC有顯示和檢測機床故障的能力。一旦發(fā)生故障，維修人員就能根據(jù)機床的故障顯示號去確定故障類別，予以排除。但在實際加工過程中，我們發(fā)現(xiàn)有時PLC同時顯示幾個故障，它們是由某一個故障引起的連鎖故障，排除了初始的引發(fā)故障，其他故障報警就消失了。可是從機床PLC顯示的所有報警故障中，維修人員并不知道哪個故障是初始引發(fā)故障，維修人員只能逐個故障去查，這就增加了維修難度。機床PLC初始故障診斷功能，通過PLC程序，準確判斷出初始故障的報警號。維修中，首先排除初始故障，其他引發(fā)故障自行消失，這樣就極大地方便了機床的維修，提高了機床維修的快速性和準確性。初始故障診斷原理設(shè)計的PLC程序不單單是把各個故障都能檢測和顯示出來，還能把最關(guān)鍵的初始故障自動判斷出來。

2.3 數(shù)控設(shè)備檢測元件故障及維修

檢測元件是數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的重要組成部分，它起著檢測各控制軸的位移和速度的作用，它把檢測到的信號反饋回去，構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。測量方式可分為直接測量和間接測量：直接測量就是對機床的直線位移采用直線型檢測元件測量，直接測量常用的檢測元件一般包括：直線感應(yīng)同步器、計量光柵、磁尺激光干涉儀。間接測量就是對機床的直線位移采用回轉(zhuǎn)型檢測元件測量，間接測量常用的檢測元件一般包括：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、圓感應(yīng)同步器、圓光柵和圓磁柵。

在數(shù)控設(shè)備的故障中，檢測元件的故障比例是比較高的，只要正確的使用并加強維護保養(yǎng)，對出現(xiàn)的問題進行深入分析。就一定能降低故障率，并能迅速解決故障，保證設(shè)備的正常運行。

2.4 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)故障診斷與維修

在數(shù)控機床在加工時，可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以切削過程中的自振動等原因引起沖擊力和交變力，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至可能破壞刀具主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法工作。主軸系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零件產(chǎn)生熱變形，降低傳動效率，破壞零部件之間的相對位置精度和運動精度，從而造成加工誤差。因此，主軸部件組要具有較高的固有頻率，較好的動平衡，且要保持合適的配合精度，并要進行循環(huán)潤滑。

主軸發(fā)熱主軸軸承預(yù)緊力過大，造成主軸回轉(zhuǎn)時摩擦過大，引起主軸溫度急劇升高。可以通過重新調(diào)整主軸軸承預(yù)緊力加以排除；主軸軸承磨損或損壞，也會造成主軸回轉(zhuǎn)時摩擦過大，引起主軸溫度急劇升高?？梢酝ㄟ^更換新軸承加以排除；主軸潤滑油臟或有雜質(zhì)，也會造成主軸回轉(zhuǎn)時阻力過大，引起主軸溫度升高。通過清洗主軸箱，重新?lián)Q油加以排除；主軸軸承潤滑油脂耗盡或潤滑油脂過多，也會造成主軸回轉(zhuǎn)時阻力、摩擦過大，引起主軸溫度升高。通過重新涂抹潤滑脂加以排除。主軸強力切削時停轉(zhuǎn)主軸電動機與主軸連接的傳動帶過松，造成主軸傳動轉(zhuǎn)矩過小，強力切削時主軸轉(zhuǎn)矩不足，產(chǎn)生報警，數(shù)控機床自動停機。通過重新調(diào)整主軸傳動帶的張緊力，加以排除；主軸電動機與主軸連接的傳動帶表面有油，造成主軸傳動時傳動帶打滑，強力切削時主軸轉(zhuǎn)矩不足，產(chǎn)生報警，數(shù)控機床自動停機。通過用汽油或酒精清洗后擦干凈加以排除。

主軸工作時噪聲過大是主軸部件動平衡不良，使主軸回轉(zhuǎn)時振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員對所有主軸部件重新進行動平衡檢查與調(diào)試；主軸傳動齒輪磨損，使齒輪嚙合間隙過大，主軸回轉(zhuǎn)時沖擊振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員對主軸傳動齒輪進行檢查、維修或更換；主軸支承軸承拉毛或損壞，使主軸回轉(zhuǎn)間隙過大，回轉(zhuǎn)時沖擊、振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產(chǎn)廠家的專業(yè)人員對軸承進行檢查、維修或更換；主軸傳動帶松弛或磨損，使主軸回轉(zhuǎn)時摩擦過大，引起工作噪聲。通過調(diào)整或更換傳動帶加以排除。

數(shù)控機床故障產(chǎn)生的原因是多種多樣的，有機械問題、數(shù)控系統(tǒng)的問題、傳感元件的問題、驅(qū)動元件的問題、強電部分的問題、線路連接的問題等。在檢修過程中，要分析故障產(chǎn)生的可能原因和范圍，然后逐步排除，直到找出故障點，切勿盲目的亂動，否則，不但不能解決問題。還可能使故障范圍進一步擴大。總之，在面對數(shù)控機床故障和維修問題時，首先要防患于未然，不能在數(shù)控機床出現(xiàn)問題后才去解決問題，要做好日常的維護工作和了解機床本身的結(jié)構(gòu)和工作原理，這樣才能做到有的放矢

3 結(jié)論

在數(shù)控機床維修中推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新材料，做好數(shù)控的技術(shù)改造和局部改裝設(shè)計管理工作，搞好數(shù)控機床維修用工、檢、量具的管理，搞好數(shù)控設(shè)備維修的質(zhì)量管理等工作。只有這樣，才能做好數(shù)控機床的維修工作，保障數(shù)控機床的正常運行，從而保障企業(yè)生產(chǎn)的順利運行。所以，無論是CNC系統(tǒng)，機床強電，還是機械、液壓、氣路等，只要有可能引起該故障的原因，都要盡可能全面地列出來，進行綜合判斷和篩選，然后通過必要的實驗達到確診和最終排除故障的目的。

（責(zé)任編輯：陳喜輝）