數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備故障的維修與保養(yǎng)

姚銀梅

（金山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 金山 212200）

1 數(shù)控機(jī)床技術(shù)的概述

1.1 數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)綜述

（1）數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(jī)（已很少使用），3.5in軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，CNC鍵盤(pán)（一般輸入操作），數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤(pán)及驅(qū)動(dòng)裝置（用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)保護(hù)）、磁帶機(jī)（較少使用）、PC計(jì)算機(jī)等等。

（2）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼、運(yùn)算，然后有序地發(fā)出各種需要的運(yùn)動(dòng)指令和各種機(jī)床功能的控制指令，直至運(yùn)動(dòng)和功能結(jié)束。數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴(yán)格按規(guī)定操作，而日常的維護(hù)則主要是對(duì)硬件使用環(huán)境的保護(hù)和防止系統(tǒng)軟件的破壞。

（3）可編程邏輯控制器是機(jī)床各項(xiàng)功能的邏輯控制中心。它將來(lái)自CNC的各種運(yùn)動(dòng)及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使它們能夠準(zhǔn)確地、協(xié)調(diào)有序地安全運(yùn)行；同時(shí)將來(lái)自機(jī)床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令，如此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)床的控制。

（4）主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受來(lái)自CNC的驅(qū)動(dòng)指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩（功率）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制。它還通過(guò)PLC將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告CNC用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。

（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng)接受來(lái)自CNC對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流（轉(zhuǎn)矩）調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋信號(hào)實(shí)施速度閉環(huán)控制。它也通過(guò)PLC與CNC通信，通報(bào)現(xiàn)時(shí)工作狀態(tài)并接受CNC的控制。

（6）電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強(qiáng)大，電器硬件電路主要任務(wù)是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類(lèi)執(zhí)行電器（繼電器、接觸器），很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進(jìn)口機(jī)床柜中還有使用自含一定邏輯控制的專(zhuān)用組合型繼電器的情況，一旦這類(lèi)元件出現(xiàn)故障，除了更換之外，還可以將其去除而由PLC邏輯取而代之，但是這不僅需要對(duì)該專(zhuān)用電器的工作原理有清楚的了解，還要對(duì)機(jī)床的PLC語(yǔ)言與程序深入掌握才行。

1.2 數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制

數(shù)控機(jī)床一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制由電流 （轉(zhuǎn)矩）控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)串聯(lián)組成

（1）電流環(huán)是為伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動(dòng)機(jī)的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號(hào)也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成，因此不需接線與調(diào)整。

（2）速度環(huán)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速亦即坐標(biāo)軸運(yùn)行速度的電路。速度調(diào)節(jié)器是比例積分（PI）調(diào)節(jié)器，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸的負(fù)載大小和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)（導(dǎo)軌、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)）的傳動(dòng)剛度與傳動(dòng)間隙等機(jī)械特性，一旦這些特性發(fā)生明顯變化時(shí)，首先需要對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)工作，然后重新調(diào)整速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器。

（3）位置環(huán)是控制各坐標(biāo)軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標(biāo)軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：

一是位置測(cè)量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的匹配問(wèn)題。測(cè)量元件單位移動(dòng)距離發(fā)出的脈沖數(shù)目經(jīng)過(guò)外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符。例如位置測(cè)量元件10脈沖/mm，數(shù)控系統(tǒng)分辨率即脈沖當(dāng)量為0.001mm，則測(cè)量元件送出的脈沖必須經(jīng)過(guò)100倍頻方可匹配。二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。通常Kv值是作為機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)置的，數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)坐標(biāo)軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機(jī)床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。

（4）前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預(yù)加到后面的調(diào)節(jié)電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性從而提高位置控制精度。因?yàn)槎鄶?shù)機(jī)床沒(méi)有設(shè)此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個(gè)控制環(huán)均最佳調(diào)試完畢后方可進(jìn)行。

2 常見(jiàn)電氣故障分類(lèi)與解決辦法

數(shù)控機(jī)床的電氣故障可按故障的性質(zhì)、表象、原因或后果等分類(lèi)。

（1）以故障發(fā)生的部位，分為硬件故障和軟件故障。硬件故障是指電子、電器件、印制電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態(tài)甚至損壞，這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟件故障一般是指PLC邏輯控制程序中產(chǎn)生的故障，需要輸入或修改某些數(shù)據(jù)甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬于軟件故障。最嚴(yán)重的軟件故障則是數(shù)控系統(tǒng)軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產(chǎn)廠商或其服務(wù)機(jī)構(gòu)聯(lián)系解決了。

（2）以故障出現(xiàn)時(shí)有無(wú)破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對(duì)于破壞性故障，損壞工件甚至機(jī)床的故障，維修時(shí)不允許重演，這時(shí)只能根據(jù)產(chǎn)生故障時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的檢查、分析來(lái)排除之，技術(shù)難度較高且有一定風(fēng)險(xiǎn)。如果可能會(huì)損壞工件，則可卸下工件，試著重現(xiàn)故障過(guò)程，但應(yīng)十分小心。

（3）以故障出現(xiàn)的或然性，分為系統(tǒng)性故障和隨機(jī)性故障。系統(tǒng)性故障是指只要滿足一定的條件則一定會(huì)產(chǎn)生的確定的故障；而隨機(jī)性故障是指在相同的條件下偶爾發(fā)生的故障，這類(lèi)故障的分析較為困難，通常多與機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的局部松動(dòng)錯(cuò)位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內(nèi)部溫度過(guò)高有關(guān)。此類(lèi)故障的分析需經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、綜合判斷才可能排除。

（4）以機(jī)床的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)特性來(lái)衡量，則是機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性下降的故障。在這種情況下，機(jī)床雖能正常運(yùn)轉(zhuǎn)卻加工不出合格的工件。例如機(jī)床定位精度超差、反向死區(qū)過(guò)大、坐標(biāo)運(yùn)行不平穩(wěn)等。這類(lèi)故障必須使用檢測(cè)儀器確診產(chǎn)生誤差的機(jī)、電環(huán)節(jié)，然后通過(guò)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的最佳化調(diào)整來(lái)排除。

3 數(shù)控機(jī)床故障維修與保養(yǎng)

預(yù)防性維護(hù)的目的是為了降低故障率，其工作內(nèi)容主要包括下列幾方面的工作。

（1）人員安排。為每臺(tái)數(shù)控機(jī)床分配專(zhuān)門(mén)的操作人員、工藝人員和維修人員，所有人員都要不斷地努力提高自己的業(yè)務(wù)技術(shù)水平。

（2）建規(guī)建檔。針對(duì)每臺(tái)機(jī)床的具體性能和加工對(duì)象制定操作規(guī)章，建立工作與維修檔案，管理者要經(jīng)常檢查、總結(jié)、改進(jìn)。

（3）日常保養(yǎng)。對(duì)每臺(tái)數(shù)控機(jī)床都應(yīng)建立日常維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃，包括保養(yǎng)內(nèi)容（如坐標(biāo)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑、磨損情況，主軸潤(rùn)滑等，油、水氣路，各項(xiàng)溫度控制，平衡系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，傳動(dòng)帶的松緊，繼電器、接觸器觸頭清潔，各插頭、接線端是否松動(dòng)，電氣柜通風(fēng)狀況等等）及各功能部件和元?dú)饧谋ｐB(yǎng)周期（每日、每月、半年或不定期）。

（4）提高利用率。數(shù)控機(jī)床如果較長(zhǎng)時(shí)間閑置不用，當(dāng)需要使用時(shí)，首先機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)會(huì)由于油脂凝固、灰塵甚至生銹而影響其靜、動(dòng)態(tài)傳動(dòng)性能，降低機(jī)床精度，油路系統(tǒng)的堵塞更是一大煩事；從電氣方面來(lái)看，由于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的整個(gè)電氣控制系統(tǒng)硬件是由數(shù)以 萬(wàn)計(jì)的電子元器件組成的，他們的性能和壽命具有很大離散性，從宏觀來(lái)看分三個(gè)階段：在一年之內(nèi)基本上處于所謂“磨合”階段。在該階段故障率呈下降趨勢(shì)，如果在這期間不斷開(kāi)動(dòng)機(jī)床則會(huì)較快完成“磨合”任務(wù)，而且也可充分利用一年的維修期；第二階段為有效壽命階段，也就是充分發(fā)揮效能的階段。在合理使用和良好的日常維護(hù)保養(yǎng)的條件下，機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)至少可在五年以上；第三階段為系統(tǒng)壽命衰老階段，電器硬件故障會(huì)逐漸增多，數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命平均在8～10年左右。因此，在沒(méi)有加工任務(wù)的一段時(shí)間內(nèi)，最好較低速度下空運(yùn)行機(jī)床，至少也要經(jīng)常給數(shù)控系統(tǒng)通電，甚至每天都應(yīng)通電。

4 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控機(jī)床的身價(jià)從幾十萬(wàn)元到上千萬(wàn)元，一般都是企業(yè)中關(guān)鍵產(chǎn)品關(guān)鍵工序的關(guān)鍵設(shè)備，一旦故障停機(jī)，其影響和損失往往很大。但是，人們對(duì)這樣的設(shè)備往往更多地是看重其效能，而不僅對(duì)合理地使用不夠重視，更對(duì)其保養(yǎng)及維修工作關(guān)注太少，日常不注意對(duì)保養(yǎng)與維修工作條件的創(chuàng)造和投入，故障出現(xiàn)臨時(shí)抱佛腳的現(xiàn)象很是普遍。因此，為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效益，我們一定要重視維修工作，創(chuàng)造出良好的維修條件。由于數(shù)控機(jī)床日常出現(xiàn)的多為電氣故障，所以電氣維修更為重要。

[1]胡學(xué)明.數(shù)控機(jī)床電氣維修1100例下冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011，（1）.

[2]黃登紅.數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的裝調(diào)與維修（FANUC-Oi系統(tǒng)）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011,（8）.