數(shù)控機(jī)床電源故障診斷

孟軍紅, 林東玲

(1．沈陽(yáng)城市學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110112；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

數(shù)控機(jī)床電源故障診斷

孟軍紅1, 林東玲2

(1．沈陽(yáng)城市學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110112；2.遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110161)

數(shù)控機(jī)床的電源裝置為數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)提供交流380、220和110 V，直流+24和+15 V等不同規(guī)格的電源，以滿(mǎn)足電氣控制系統(tǒng)的要求。電源裝置中各電器元件的故障、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載對(duì)地短路等都會(huì)影響電源裝置正常工作。通過(guò)實(shí)例介紹了數(shù)控機(jī)床電源裝置的常見(jiàn)故障以及維修方法。

電源配置；故障診斷；電氣原理圖；接地；短路

數(shù)控機(jī)床內(nèi)部的電氣控制系統(tǒng)較復(fù)雜，不同控制裝置需要的電源種類(lèi)不同：交流伺服電動(dòng)機(jī)需要AC380 V電源；控制用接觸器、繼電器需要AC200 V(或者110 V)電源；一些開(kāi)關(guān)電器需要DC24 V電源；集成電路塊需要+5 V電源，這些規(guī)格多樣的電源都需要通過(guò)電源裝置提供。數(shù)控機(jī)床的電源裝置通常由電源變壓器、機(jī)床控制變壓器、熔斷器、斷路器和開(kāi)關(guān)電源等組成。電源裝置中各電器元件的故障、電網(wǎng)電壓的波動(dòng)和負(fù)載對(duì)地短路等都會(huì)影響電源裝置正常工作[1]。

1 電源配置

數(shù)控機(jī)床在供電線(xiàn)路上可以直接獲得AC380 V電源，然后在機(jī)床電氣控制柜中根據(jù)負(fù)載性質(zhì)和要求進(jìn)行二次分配，為負(fù)載提供不同規(guī)格的交、直流電壓。三菱MELDAS 50 系統(tǒng)的電源配置圖如圖1所示。

圖1 機(jī)床電源配置圖

從圖1可以看出，工廠動(dòng)力電網(wǎng)為機(jī)床提供了三相AC380 V，50 Hz的電源。該電源經(jīng)過(guò)斷路器QF1引入到機(jī)床后分別轉(zhuǎn)換成伺服系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電源、機(jī)床冷卻泵電源、控制變壓器電源、直流電源和照明電源。三菱的主軸伺服系統(tǒng)和進(jìn)給伺服系統(tǒng)均采用三相AC220 V電源，圖1中變壓器TC1將AC380 V轉(zhuǎn)換為AC220 V。冷卻泵電動(dòng)機(jī)直接使用AC380 V電源，不需要轉(zhuǎn)換。變壓器TC2的一次側(cè)接入AC380V電源，二次側(cè)有3個(gè)抽頭，分別提供AC100、110和24 V的電源，其中，AC100 V電源為CNC系統(tǒng)的顯示器供電，AC110 V電源為交流接觸器的線(xiàn)圈提供吸引電壓，AC24 V電源通過(guò)整流器UC1和UC2后輸出直流24 V電源分別為機(jī)床操作面板上的按鈕指示燈和數(shù)控系統(tǒng)I/O單元供電。I/O單元電源一方面為中間繼電器供電，同時(shí)也為按鈕、接近開(kāi)關(guān)和行程開(kāi)關(guān)等電器元件供電。由于多個(gè)電器元件共用+24 V電源，所以某一個(gè)負(fù)載原件的對(duì)地短路而導(dǎo)致其他原件出現(xiàn)短路是直流電源最容易出現(xiàn)的故障[2-3]。

電源是否能夠良好接地直接影響到機(jī)床的正常運(yùn)行，因此接地裝置的可靠性至關(guān)重要。接地電阻應(yīng)<100 Ω，接地電纜必須有足夠的橫截面積，一般應(yīng)大于或等于電源電纜的橫截面積，以保證發(fā)生短路故障時(shí)能安全地將短路電流傳輸?shù)较到y(tǒng)地線(xiàn)中；同時(shí)，要定期檢查接地端子連接是否牢固，接觸是否良好。

斷路器不僅相當(dāng)于刀開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)接通斷開(kāi)電路，而且當(dāng)電源裝置出現(xiàn)短路、過(guò)載、欠壓等故障時(shí)，能自動(dòng)切斷電路，有效保護(hù)電氣設(shè)備，當(dāng)機(jī)床電源出現(xiàn)故障時(shí)，首先應(yīng)查看斷路器是否跳閘。通常在機(jī)床上使用的斷路器都是塑殼式斷路器，主要有扳動(dòng)式和按鈕式2種。要注意定期檢修斷路器，清除其表面灰塵，確保絕緣良好，同時(shí)為保證動(dòng)作的可靠性，也要定期對(duì)電流設(shè)定值和動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行檢查[4]。

熔斷器在電路中起短路保護(hù)的作用。當(dāng)電路出現(xiàn)短路或者嚴(yán)重過(guò)載時(shí)，流過(guò)熔斷器的電流超過(guò)熔體的極限電流，其熔體自動(dòng)熔斷，從而保護(hù)電氣設(shè)備。數(shù)控機(jī)床上通常使用螺旋式熔斷器，螺旋式熔斷器的熔體熔斷后，帶色標(biāo)的指示器自動(dòng)彈出，便于發(fā)現(xiàn)更換，更換時(shí)必須要更換相同規(guī)格的熔體。

2 通過(guò)電氣原理進(jìn)行故障診斷

當(dāng)電源裝置出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)分析電氣原理，查線(xiàn)讀圖，查找信號(hào)的傳輸通道，從而找到導(dǎo)致故障的電器元件，查找故障原因。例如：某數(shù)控車(chē)床在運(yùn)行過(guò)程中突然出現(xiàn)掉電事故，機(jī)床掉電的故障原因多是電源指標(biāo)達(dá)不到要求時(shí)，電氣保護(hù)元件動(dòng)作自動(dòng)切斷電路。經(jīng)檢查，該機(jī)床配置的是FANUC 7數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源的監(jiān)控原理圖如圖2所示。

圖2 FANUC 7系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源監(jiān)控原理圖

電源狀態(tài)監(jiān)視器M32的輸入信號(hào)是該系統(tǒng)所有直流電源，只有當(dāng)電源板上+15、-15、+5和+24 V均正常時(shí)，M32的輸出信號(hào)才是高電平，中間繼電器KA31線(xiàn)圈通電。起動(dòng)時(shí)，按動(dòng)起動(dòng)按鈕SB10，接觸器KM10線(xiàn)圈通電，其主觸點(diǎn)KM10閉合，系統(tǒng)接通AC220V電源。正常狀態(tài)下，在A15S端輸出+15 V，XX端輸出-15 V， XY端輸出+15 V， XV端輸出+24 V， XS端輸出+5 V， XT端輸出0 V，此時(shí)KA31線(xiàn)圈通電，使接在XP1、 XP2端子上的KA31常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM1、KM2線(xiàn)圈同時(shí)通電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使KM10線(xiàn)圈持續(xù)通電，系統(tǒng)正常工作。當(dāng)工作結(jié)束后，按下停止按鈕SB11，系統(tǒng)斷電。

在工作過(guò)程中，只要電源板上+15、-15 、+5 和+24 V任意一項(xiàng)出現(xiàn)故障，KA31線(xiàn)圈就斷電，繼而KM10斷電，其主觸電斷開(kāi)，電源裝置斷電，從而引起掉電故障。要消除該故障，必須進(jìn)行原理分析，查找線(xiàn)路中每一個(gè)可能出現(xiàn)故障的元件。分析可能引起掉電的原因如下：1)用萬(wàn)用表測(cè)量C32兩端電壓，以確定電源電壓是否正常；2)用示波器檢查觸發(fā)脈沖發(fā)生器M21是否有20 Hz的脈沖輸出，如果沒(méi)有，說(shuō)明M21故障；3)用示波器觀察T21的一次線(xiàn)圈、二次線(xiàn)圈是否有波形，以判斷TC21是否故障；4)檢測(cè)開(kāi)關(guān)管V25和V26能否正常工作。通過(guò)上述逐個(gè)檢測(cè)，一定可以查找到故障原因。

3 負(fù)載對(duì)地短路的故障診斷

當(dāng)一個(gè)電源同時(shí)對(duì)多個(gè)負(fù)載供電時(shí)，如果其中一個(gè)負(fù)載發(fā)生短路，就可以引起其他負(fù)載的失電事故。一臺(tái)配備有SINUMERIK810系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，在CNC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始自檢，顯示器上滾屏顯示自檢信息，當(dāng)顯示器上出現(xiàn)系統(tǒng)畫(huà)面后，數(shù)控系統(tǒng)失電，顯示器黑屏。該系統(tǒng)CNC裝置通過(guò)+24 V電源供電，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于+24 V電源電壓下降到一定數(shù)值時(shí)，CNC系統(tǒng)的欠電壓保護(hù)系統(tǒng)自動(dòng)切斷電源所致。

該系統(tǒng)的+24 V電源不僅為CNC系統(tǒng)供電，同時(shí)還作為限位開(kāi)關(guān)、中間繼電器線(xiàn)圈和伺服電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)器線(xiàn)圈的電源，它們中的任意一個(gè)對(duì)地短路都可使其他元件失電。在故障分析過(guò)程中，首先，將系統(tǒng)斷電，經(jīng)過(guò)測(cè)量確認(rèn)CNC電源模塊和中間繼電器線(xiàn)圈均無(wú)短路和漏電現(xiàn)象，說(shuō)明故障點(diǎn)不在此處；然后，斷開(kāi)X軸、Y軸和Z軸正負(fù)最大位移處限位開(kāi)關(guān)共同的電源線(xiàn)后，CNC系統(tǒng)供電正常，說(shuō)明故障+X、 -X、+Y、-Y、+Z和-Z處的限位開(kāi)關(guān)可能有短路現(xiàn)象，接下來(lái)的任務(wù)就是進(jìn)行短路點(diǎn)確認(rèn)。本系統(tǒng)的X軸和Y軸的伺服系統(tǒng)完全一致，因此，同時(shí)將X軸和Y軸的限位開(kāi)關(guān)通電，CNC上電正常，由此推斷故障點(diǎn)在Z軸的限位開(kāi)關(guān)。 嘗試將Z軸的限位開(kāi)關(guān)接通電源，出現(xiàn)下述情況：1)主軸箱沒(méi)有壓下+Z和-Z方向的限位開(kāi)關(guān)時(shí)，CNC系統(tǒng)無(wú)法供電；2)當(dāng)主軸箱壓下+Z或-Z方向的限位開(kāi)關(guān)時(shí)，CNC系統(tǒng)上電正常。本系統(tǒng)Z軸的伺服電動(dòng)機(jī)帶有電磁制動(dòng)控制器，如圖3所示。分析Z軸的伺服控制原理，在正常運(yùn)動(dòng)時(shí)，Z軸的限位開(kāi)關(guān)不受壓，PLC的輸出信號(hào)Q3.4為“1”，中間繼電器KA3.4線(xiàn)圈得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，電磁制動(dòng)控制器YB3.4線(xiàn)圈得電，抱閘松開(kāi)，Z軸伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)SQ3.1或SQ3.2中的某一個(gè)被壓下時(shí)，Q3.4為“0”，YB3.4失電，Z軸伺服電動(dòng)機(jī)抱閘制動(dòng)；但是出現(xiàn)了YB3.4應(yīng)該得電時(shí)，CNC卻失電，YB3.4應(yīng)該失電時(shí)，CNC卻得電的現(xiàn)象。很顯然，YB3.4線(xiàn)圈的+24 V電源出現(xiàn)了短路故障，經(jīng)過(guò)測(cè)量YB3.4線(xiàn)圈的對(duì)地電阻，證實(shí)了判斷的正確性。

圖3 Z軸伺服電動(dòng)機(jī)電磁制動(dòng)器控制

4 結(jié)語(yǔ)

上述介紹了數(shù)控機(jī)床電源裝置出現(xiàn)異常導(dǎo)致的機(jī)床故障，同時(shí)供電網(wǎng)絡(luò)的電壓波動(dòng)、外部設(shè)備的電磁干擾等都會(huì)影響電源裝置供電；因此，數(shù)控機(jī)床最好安裝在遠(yuǎn)離中高頻電氣設(shè)備的位置，采取獨(dú)立的動(dòng)力線(xiàn)供電或者在電網(wǎng)與數(shù)控機(jī)床之間加裝自動(dòng)調(diào)壓器或者電子穩(wěn)壓器，以減少電網(wǎng)電壓波動(dòng)給數(shù)控機(jī)床電源帶來(lái)的影響。

[1]王侃夫.數(shù)控機(jī)床故障診斷及維護(hù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2]王愛(ài)玲.數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]王鋼.數(shù)控機(jī)床調(diào)試、使用與維護(hù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[4]張永飛.數(shù)控機(jī)床電氣控制[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，2008.

責(zé)任編輯李思文

《新技術(shù)新工藝》雜志征稿啟示

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FaultDiagnosisofCNCMachineToolPower

MENG Junhong1, LIN Dongling2

(1.Shen yang City University, Shenyang 110112, China；2.Liaoning Equipment Manufacturing Vocation, Shenyang 110161, China)

The power supply device of NC machine can provide power of different specifications such as AC 380 V, 220 V, 110V, DC+24 V, +15V and so on. The power can meet the requirements of the electrical control system. Many factors influence the normal work of the power supply device such as the fault of all electrical components, Grid voltage fluctuations, the load short circuit to ground and so on. This paper introduced the common faults and repairing method through the example.

power supply device, fault diagnosis, electrical diagram, ground connection, short circuit

TM 910.7

:A

孟軍紅(1970-)，女，碩士，副教授，主要從事數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與維護(hù)等方面的研究。

2015-01-19