淺析數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)故障與診斷

劉力巖

【摘要】數(shù)控（Numerical Control，NC）技術(shù)是用數(shù)字化信息進(jìn)行控制的自動(dòng)控制技術(shù);采用數(shù)控技術(shù)控制的機(jī)床，稱(chēng)為數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代制造業(yè)的基礎(chǔ)裝備，其質(zhì)量如何及機(jī)床可靠性能的高低直接影響著一個(gè)國(guó)家先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展水平。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，不僅要求機(jī)床具有優(yōu)越的性能和高度的自動(dòng)化功能，更要求具有性能與功能的維持性、可靠性、維修性和維修保障性，即要求機(jī)床具有可信性。隨著機(jī)床使用時(shí)間的延長(zhǎng)，數(shù)控機(jī)床會(huì)出現(xiàn)這樣或那樣的故障，本文就以數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障為主進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】機(jī)床;數(shù)控機(jī)床;電氣故障;分析診斷

一、數(shù)控機(jī)床及電氣系統(tǒng)概述

1.數(shù)控機(jī)床

數(shù)控機(jī)床集機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量、電氣自動(dòng)控制、現(xiàn)代控制、計(jì)算機(jī)控制和網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)于一體，是一種高效率、高精度、能保證加工質(zhì)量、解決工藝難題和具有柔性加工特點(diǎn)的生產(chǎn)設(shè)備。數(shù)控機(jī)床具有加工精度高、生產(chǎn)率較高、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，數(shù)控機(jī)床的操作由體力型轉(zhuǎn)為智力型、改善勞動(dòng)條件，可有效保持工作環(huán)境的清潔、有利于生產(chǎn)管理等優(yōu)點(diǎn)。

2.數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的基本要求

（1）高可靠性;

（2）緊跟新技術(shù)的發(fā)展;

（3）穩(wěn)定性;

（4）安全性;

（5）方便的可維護(hù)性;

（6）良好的控制特性;

（7）運(yùn)行狀態(tài)明顯的信息顯示;

（8）操作的宜人性。

二、數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的組成

數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)由數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、主軸伺服系統(tǒng)、數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示：

圖1

由圖1中所示，電源及保護(hù)電路由數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電線(xiàn)路中的電源控制電路構(gòu)成，強(qiáng)電線(xiàn)路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護(hù)開(kāi)關(guān)、接觸器及熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電動(dòng)機(jī)（如冷卻泵電動(dòng)機(jī)、潤(rùn)滑泵電動(dòng)機(jī)等）、電磁鐵、離合器及電磁閥等功率執(zhí)行元件供電。強(qiáng)電線(xiàn)路發(fā)生故障將會(huì)影響數(shù)控系統(tǒng)直至整機(jī)。

三、數(shù)控機(jī)床電氣故障特點(diǎn)及診斷

數(shù)控機(jī)床故障的發(fā)生頻率高低，故障原因等可以評(píng)定數(shù)控機(jī)床質(zhì)量的好壞，通過(guò)多年來(lái)對(duì)全國(guó)汽車(chē)、航天、兵工、動(dòng)力和通用機(jī)械等行業(yè)數(shù)十家機(jī)床用戶(hù)進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)：裝有國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床。電氣控制系統(tǒng)故障數(shù)占整臺(tái)機(jī)床故障總數(shù)的21.8%，配備國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)的加工中心，其數(shù)控電氣控制系統(tǒng)（含伺服單元）故障數(shù)占故障總數(shù)的18.2%，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床最頻繁的故障模式也集中在電氣控制系統(tǒng)。由此可見(jiàn)，無(wú)論是國(guó)外數(shù)控機(jī)床還是國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，電氣控制系統(tǒng)故障都是數(shù)控機(jī)床的重要故障源之一，都會(huì)對(duì)機(jī)床整機(jī)造成停機(jī)損。

1.數(shù)控機(jī)床電氣故障的類(lèi)型

（1）按故障引起的結(jié)果可分為致命性故障和非致命性故障;（2）按故障的統(tǒng)計(jì)特性又可分為獨(dú)立故障和從屬故障;（3）按照數(shù)控機(jī)床故障頻率的高低又可分為早期故障、偶然故障和耗損故障;（4）按引起故障的機(jī)床部件分為軟故障和硬故障。

2.數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)故障的特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性使其故障具有復(fù)雜性和特殊性，引起數(shù)控機(jī)床故障的因素有很多，不能只看故障的現(xiàn)象，要結(jié)合電氣故障特點(diǎn)透過(guò)現(xiàn)象去檢查引起故障的綜合因素，找到引起故障的根源，采取合理的方法給予排除。電氣控制系統(tǒng)故障的特點(diǎn)有：

（1）電器元件有使用壽命限制，非正常使用下會(huì)大大降低壽命。

（2）電氣系統(tǒng)容易受外界影響造成故障，如環(huán)境溫度過(guò)高，電柜溫升過(guò)高致使有些電器損壞。甚至鼠害也會(huì)造成許多電氣故障。

（3）操作人員非正常操作，能造成人為故障。

（4）電線(xiàn)、電纜磨損造成斷線(xiàn)或者短路，蛇皮線(xiàn)管進(jìn)冷卻水、油液而長(zhǎng)期浸泡，橡膠電線(xiàn)膨脹、黏化，式絕緣性能下降造成短路。

（5）冷卻泵、排屑器、電動(dòng)刀架等的異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)水，軸承損壞而造成電動(dòng)機(jī)故障。

3.數(shù)控機(jī)床電氣故障診斷

（1）經(jīng)驗(yàn)機(jī)械診斷法。a直觀(guān)法（望聞問(wèn)切）：?jiǎn)?機(jī)床的故障現(xiàn)象、加工狀況等;看-CRT報(bào)警信息、報(bào)警指示燈、電容器等元件變形煙熏燒焦、保護(hù)器脫扣等;聽(tīng)-異常聲響;聞-電氣元件焦糊味及其它異味摸-發(fā)熱、振動(dòng)、接觸不良等。b參數(shù)檢查法：根據(jù)故障特征檢查和校對(duì)有關(guān)參數(shù);c隔離法：難以區(qū)分故障是哪部分造成時(shí)，常采用隔離法;d功能程序測(cè)試法：將G、M、S、T、功能的全部指令編寫(xiě)一些小程序，在診斷故障時(shí)運(yùn)行這些程序，即可判斷功能的缺失。

（2）程序系統(tǒng)診斷法。a開(kāi)機(jī)自診斷：數(shù)控系統(tǒng)在通電開(kāi)機(jī)后，都要運(yùn)行開(kāi)機(jī)自診斷程序，對(duì)系統(tǒng)中關(guān)鍵的硬件和控制軟件進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果在CRT上顯示出來(lái);b運(yùn)行自診斷：數(shù)控系統(tǒng)正常工作時(shí)，運(yùn)行內(nèi)部診斷程序，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)多將PLC集成于其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號(hào)形式相互通訊聯(lián)接。對(duì)系統(tǒng)本身、PLC、位置伺服單元以及與數(shù)控裝置相連的其他外部裝置進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試、檢查，并顯示有關(guān)狀態(tài)信息和故障信息;c在線(xiàn)診斷：是指通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)的控制程序，在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)下，實(shí)時(shí)自動(dòng)地對(duì)輸入輸出和其他外部裝置進(jìn)行自檢，并顯示狀態(tài)信息、故障信息;d脫機(jī)診斷：當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，需要停機(jī)進(jìn)行脫機(jī)診斷;e遠(yuǎn)程診斷：是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型的診斷技術(shù)。數(shù)控機(jī)床利用數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)功能通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到機(jī)床制造廠(chǎng)家，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障后，通過(guò)機(jī)床廠(chǎng)家的專(zhuān)業(yè)人員遠(yuǎn)程診斷，快速確診故障。

（3）參數(shù)調(diào)整法。數(shù)控參數(shù)能直接影響數(shù)控機(jī)床的性能。數(shù)控系統(tǒng)、PLC及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都設(shè)置許多可修改的參數(shù)以適應(yīng)不同機(jī)床、不同工作狀態(tài)的要求。這些參數(shù)不僅能使各電氣系統(tǒng)與具體機(jī)床相匹配，而且更是使機(jī)床各項(xiàng)功能達(dá)到最佳化所必需的。因此，任何參數(shù)的變化甚至丟失都是不允許的，而隨機(jī)床的長(zhǎng)期運(yùn)行所引起的機(jī)械或電氣性能的變化會(huì)打破最初的匹配狀態(tài)和最佳化狀態(tài)。此類(lèi)故障多需要重新調(diào)整相關(guān)的一個(gè)或多個(gè)參數(shù)方可排除。這種方法對(duì)維修人員的要求是很高的，不僅要對(duì)具體系統(tǒng)主要參數(shù)十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較豐富的電氣調(diào)試經(jīng)驗(yàn)。

（4）交換法。一種簡(jiǎn)單易行的方法。當(dāng)發(fā)現(xiàn)故障或者不能確定是否故障板而又沒(méi)有備件的情況下，可以將系統(tǒng)中相同或相兼容的兩個(gè)板互換檢查。

4.故障診斷應(yīng)遵循的原則

第一，先外部后內(nèi)部。數(shù)控機(jī)床的檢修要求維修人員掌握先外部后內(nèi)部的原則，由外向內(nèi)逐一進(jìn)行檢查排除。

第二，先機(jī)械后電氣。首先檢查機(jī)械是否正常，在故障檢修之前，首先注意排除機(jī)械的故障;

第三，先靜后動(dòng)。維修人員首先詢(xún)問(wèn)機(jī)床操作人員故障發(fā)生的過(guò)程及狀態(tài)，查閱機(jī)床說(shuō)明書(shū)、圖紙資料進(jìn)行分析后，才可動(dòng)手查找和處理故障。

5.故障處理

（1）故障處理對(duì)策

除非出現(xiàn)影響設(shè)備或人身安全的緊急情況，不要立即切斷機(jī)床的電源，應(yīng)保持故障現(xiàn)場(chǎng)。從機(jī)床外觀(guān)、CRT顯示的內(nèi)容、主板或驅(qū)動(dòng)裝置報(bào)警燈等方面進(jìn)行檢查?？砂聪到y(tǒng)復(fù)位鍵，觀(guān)察系統(tǒng)的變化，報(bào)警是否消失。如消失，說(shuō)明是隨機(jī)性故障或是由操作錯(cuò)誤引起的。如不能消失，把可能引起該故障的原因羅列出來(lái)，進(jìn)行綜合分析、判斷，必要時(shí)進(jìn)行一些檢測(cè)或試驗(yàn)，達(dá)到確診故障的目的。如表1所示。

（2）數(shù)控線(xiàn)切割機(jī)床的故障診斷處理

工具車(chē)間的一臺(tái)SHT-320快速走絲線(xiàn)切割機(jī)床，平時(shí)很少發(fā)生故障，性能很好。但有一次使用中連續(xù)發(fā)生斷絲，經(jīng)詢(xún)問(wèn)操作工及初步檢查，排除機(jī)械及其它方面原因，著手檢查電氣系統(tǒng)。1）目測(cè)無(wú)明顯故障點(diǎn)及故障元件，檢查未發(fā)現(xiàn)接觸不良情況，電源正常。測(cè)量空載輸出波形，看似正常，試機(jī)切割，火花正常，但幾分鐘后鉬絲斷了。2）再測(cè)量輸出波形，發(fā)現(xiàn)脈沖下降沿底部有下沖現(xiàn)象。分析功放板的問(wèn)題，空載時(shí)，將功放板逐一拔下，插上觀(guān)察波形。在將第四塊板拔下插入時(shí)，發(fā)現(xiàn)輸出波形中有幅度不一的直流波形，再拔下，波形恢復(fù)正常，再測(cè)量振蕩輸出波形，脈沖下降沿下沖消失。3）檢查該板，發(fā)現(xiàn)三極管的bc結(jié)擊穿，更換后試機(jī)，一直五個(gè)小時(shí)未斷絲。

經(jīng)分析，該三極管不是插拔是損壞，是在故障出現(xiàn)時(shí)，其PN結(jié)就已損壞，這時(shí)電阻值大，直流電源電壓通過(guò)PN結(jié)與電阻分壓后加至其它同類(lèi)作用的三極管的基極，使得輸出脈沖中含有一直流分量，或是脈沖電源運(yùn)行段時(shí)間后三極管發(fā)熱，特性變壞，發(fā)生斷絲。但由于示波器或測(cè)量原因，波形中觀(guān)察不到，有直流成分后即斷絲。

參考文獻(xiàn)

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