數(shù)控機床的電器故障診斷及維修技術(shù)探究
2021-6-24 來源： 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學院鎮(zhèn)江分院 作者：吳鈞
摘要：數(shù)控機床現(xiàn)已成為現(xiàn)代自動化、電氣一體化生產(chǎn)發(fā)展的主力設(shè)備，如今也大量且廣泛應(yīng)用于機械制造加工業(yè)中，數(shù)控機床中的電氣設(shè)備及其線路扮演著十分重要的角色，直接決定了數(shù)控機床的性能及運行穩(wěn)定性，還影響了數(shù)控機床的操控、設(shè)備功能及安全性能。所以，數(shù)控機床操作人員務(wù)必加強對數(shù)控機床電氣設(shè)備及其線路的故障診斷及維修技術(shù)的分析與探究，全面深化對數(shù)控機床電器故障診斷及維修的能力，促進數(shù)控機床在機械制造加工業(yè)中的穩(wěn)定發(fā)展。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床；電氣故障；診斷；維修技術(shù)
0 引言
數(shù)控機床的出現(xiàn)成功實現(xiàn)將機器、電氣設(shè)備、液體進行功能的集成，屬于機械制造加工業(yè)的高精尖生產(chǎn)設(shè)備，僅運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與安全性有所保障，還能提高加工精度且降低人工成本的投入，數(shù)控機床是否廣泛投入應(yīng)用已成為當前機械制造加工業(yè)自動化、電氣一體化程度的評價標準。
數(shù)控機床的實際運行中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障且無法得到及時的解決，都將會對機械制造加工生產(chǎn)造成影響，降低生產(chǎn)質(zhì)量與效率，損害操作人員的安全與企業(yè)的經(jīng)濟效益。
1 、數(shù)控機床的組成及其主要電氣設(shè)備
1.1 數(shù)控機床的基本組成
數(shù)控機床的基本組成有加工程序載體、數(shù)控裝置系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、機床主體、電氣系統(tǒng)設(shè)備及其管線與其它輔助裝置。以下是對各主要組成部分的結(jié)構(gòu)與工作原理的簡要概述說明。
1.1.1 加工程序載體
數(shù)控機床在設(shè)定好進行工作時，正常情況下是不需要人工第二次介入的，完全由數(shù)控機床的加工程序電腦進行操控，要求工作人員在前期做好加工件的數(shù)控機床編程工作。如機械加工制造中的零部件加工，前期設(shè)計編程程序就要包括刀具的使用、潤滑液與抗磨液壓油、切削油的使用、加工部件的相對運動軌跡、刀頭刀具、油泵等加工設(shè)備的各項數(shù)據(jù)參數(shù)等，將這些加工程序進行編程工作使其轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床的程序載體可接受的格式代碼，最后輸入數(shù)控機床的程序電腦中，執(zhí)行工作命令。
1.1.2 數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機床運行工作最重要的部件，現(xiàn)今的數(shù)控裝置大部分為 CNC（即 ComputerNumerical Control）技術(shù)。它主要通過多個微型處理器的共同處理工作，將數(shù)控裝置及其功能以程序化軟件的形式呈現(xiàn)，所以也叫作軟件數(shù)控。CNC 系統(tǒng)在數(shù)控機床的應(yīng)用中準確地來說是一種位置控制系統(tǒng)，它可以根據(jù)加工部件的設(shè)計程序進行有效地補充理想的運動軌跡，隨后輸出指令至數(shù)控機床加工設(shè)備進行加工。所以說，數(shù)控機床的數(shù)控裝置大概可以分成輸入、處理、分析和輸出這幾個部分，所有工作處理過程必須經(jīng)由計算機系統(tǒng)以及數(shù)控程序軟件進行分析與處理，最終實現(xiàn)數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)。
數(shù)控裝置的輸入通常有鍵盤編程程序直接輸入、CAD系統(tǒng)直接導入和外接計算機直接數(shù)控輸入等。信息處理則是通過數(shù)控機床的輸入裝置將需要進行加工的零部件的程序及各項數(shù)據(jù)傳入 CNC 系統(tǒng)中，經(jīng) CNC 系統(tǒng)編譯成數(shù)控機床所能識別的格式代碼程序信息，再經(jīng)過逐步儲存、分析與運行處理后，由輸出裝置輸出指令到伺服系統(tǒng)和主運動控制系統(tǒng)。
控機床的輸出裝置與伺服機構(gòu)相連接，依據(jù)數(shù)控裝置的指令接受運算系統(tǒng)的輸出信息，并將其轉(zhuǎn)送到各個數(shù)據(jù)對應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，進行伺服系統(tǒng)的驅(qū)動進而實現(xiàn)數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)。
1.1.3 伺服與測量反饋系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床的重要運行操控系統(tǒng)，數(shù)控機床主要的進給伺服控制與主軸伺服控制都由它來完成。伺服系統(tǒng)可以接受由數(shù)控機床控裝置輸出的指令程序信息，將其功率放大并進行分析處理后，轉(zhuǎn)變成數(shù)控機床各加工部件的位移指令信息。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機床最后一道工序，它的運轉(zhuǎn)性能將直接決定數(shù)控機床的加工質(zhì)量、加工精度與速度等性能指標，所以，數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置必須具有強大的接受、分與處理的性能，精準而明確地進行指令信息的讀取與處
理并驅(qū)動伺服系統(tǒng)，加強數(shù)控機床的運行穩(wěn)定性。
數(shù)控機床中的測量反饋系統(tǒng)還會把數(shù)控機床運行過程中各加工部件的實際位移進行檢測并換算成坐標，通過反饋系統(tǒng)反饋回數(shù)控機床數(shù)控裝置中與設(shè)計編程程序值進行對比，并實時向伺服系統(tǒng)輸出設(shè)計程序中的理想運動軌跡與位移量指令。
1.1.4 數(shù)控機床主體結(jié)構(gòu)
數(shù)控機床的主體結(jié)構(gòu)主要由床身、支撐底座、支撐立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱進給系統(tǒng)、架等機械自動化部件組成。這些的組成將實現(xiàn)數(shù)控機床自動化控制完成各項機械制造加工零部件的過程。數(shù)控機床的主體結(jié)構(gòu)通常采用高強度、防震功能好以及耐高溫性能好的鋼材，能有效提升數(shù)控機床主體結(jié)構(gòu)的靜剛度，還能通過主體結(jié)構(gòu)加強阻尼設(shè)定與結(jié)構(gòu)件強度、提升固有頻率等辦法來提升數(shù)控機床主體結(jié)構(gòu)的強度與防震性能，能讓數(shù)控機床在更穩(wěn)定的工況下進行自動化切削工作。
優(yōu)化數(shù)控機床主體結(jié)構(gòu)件的布局、增加數(shù)控機床散熱性能以達到數(shù)控機床主體結(jié)構(gòu)耐高溫性能的提升，可以有效防止高溫對數(shù)控機床運行帶來的影響。
1.1.5 數(shù)控機床輔助裝置
輔助裝置是幫助數(shù)控機床在正常運轉(zhuǎn)工況下維持性能以及保持最大化性能輸出的系統(tǒng)，比較常見的有：氣動刀具更換系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、切削油泵、噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排液與排屑系統(tǒng)、移動工作臺、防護及照明裝置等，輔助裝置的配備能為數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提供保障，確保數(shù)控機床在自動化控制長時間運轉(zhuǎn)加工情況下故障出現(xiàn)頻率減少。
1.2 主要電氣設(shè)備
1.2.1 空氣開關(guān)
空氣開關(guān)又叫做空氣斷路器，是電路斷路器的一種，可以在電路內(nèi)電流超過額定工作電流時自動斷開裝置以防止危險事故的發(fā)生。空氣開關(guān)的使用是數(shù)控機床低壓配電系統(tǒng)和電力拖動系統(tǒng)中必不可少的措施，不僅可以實現(xiàn)電流的控制還可以實現(xiàn)保護電路的功能，如完成接觸或是斷開電路、避免電路或是數(shù)控機床電氣設(shè)備出現(xiàn)短路現(xiàn)象、電路系統(tǒng)過載或是啟動電動機等功能。
1.2.2 電動機斷路器
電動機斷路器接入數(shù)控機床的電路系統(tǒng)后，可以讓其自行運轉(zhuǎn)并且手動通過按鈕或是旋鈕進行控制開關(guān)，連接電路接觸器工作時可以實現(xiàn)遠程控制電動機電路。電動機的電路保護繼承了熱繼電器與電磁設(shè)備斷路器，并將所有的帶電元件進行了保護措施，防止人手直接觸碰。本身具有的欠壓脫扣模塊可以保證電動機斷路器在欠壓條件下斷開，分勵脫扣模塊可以實現(xiàn)遠程操控斷路器斷開與連接。
1.2.3 熔斷器
熔斷器也是一種保護電路的裝置，在電路通過超過額定工作電流值時，可以通過自身產(chǎn)熱對內(nèi)部熔體進行熔斷，使得電路在此斷開實現(xiàn)保護電路。熔斷器當前已被廣泛應(yīng)用于高、低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)或是數(shù)控機床控制電氣設(shè)備中，是最為普遍且成本較低的短路與電路過載保護器。熔斷器具有反時延的特性，當電路內(nèi)過載電路較小時，熔斷器內(nèi)熔體的熔斷時間較長，過載電路較大時熔體熔斷時間隨機縮短，所以熔斷器在超出額定工作電流較小時或是快速恢復正常電流時并不會進行熔體熔斷，達到保護電路的目的同時節(jié)省了電路維護成本。
1.2.4 接觸器
數(shù)控機床及其相關(guān)電氣設(shè)備中的接觸器有直流接觸器和交流接觸器，不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)、配電系統(tǒng)還在數(shù)控機床用電中廣泛運用。它可以通過電流經(jīng)過內(nèi)部線圈產(chǎn)生電磁場，使得接觸觸頭閉合以控制電路負載。許多接觸器由于其可以頻繁與大電流相接并進行電路控制這一特性，被廣泛使用于數(shù)控機床電氣設(shè)備，它不僅可以完成自身電路的切斷與接通、保護電路，還可以實現(xiàn)低電壓釋放保護。接觸器的控制容量大、涵蓋范圍廣，所以較為適用于頻繁開閉操作或是遠距離控制電路設(shè)備，逐漸成為了電氣設(shè)備及自動化控制系統(tǒng)的重要電氣元件。
2 、常見的數(shù)控機床電氣設(shè)備故障
2.1 動作指令信號異常
動作指令信號的異常會導致數(shù)控機床各動作執(zhí)行出現(xiàn)故障，其中動作執(zhí)行故障也分為零部件元件自身故障與機械相關(guān)部件故障。容易產(chǎn)生零部件元件自身故障的電氣設(shè)備有伺服電機系統(tǒng)、驅(qū)動軸控制器、機械定位系統(tǒng)、電磁閥的控制、電磁線圈、比例閥、電動機、高壓與低壓配電系統(tǒng)、油路管線等，這些零部件執(zhí)行元件一旦出現(xiàn)故障，都會導致數(shù)控機床報錯停止運行，甚至有可能引發(fā)安全事故。
所以，此類動作指令信號異常的電氣設(shè)備故障，務(wù)必進行零部件執(zhí)行元件的動作信號是否正常，比如動作指令信號是否正確傳達、零部件元件是否通、信號電氣設(shè)備及電路系統(tǒng)電壓與電流是否正常等，此外與零部件元件電氣設(shè)備相連接的機械設(shè)備也要一并檢測。
2.2 中間控制故障
中間控制故障共有兩種常見故障方式，分別為數(shù)控系統(tǒng)故障和輔助裝置及電氣設(shè)備控制回路故障。此階段的中間控制故障在發(fā)生時都會及時反饋到數(shù)控裝置，及時作出報警警報，并立即停機，相較于其他難以發(fā)現(xiàn)的故障或是隱患比較容易解決。
2.3 信號檢測工作異常
信號檢測工作異常的出現(xiàn)，通常會在數(shù)控機床的數(shù)控裝置中反映出來，通常有檢測設(shè)備自身故障與檢測設(shè)備相關(guān)機械加工部件信號故障兩種。檢測設(shè)備有刀具與工作臺的速度與位置信息檢測設(shè)備，測速電動機、位置編碼器、光柵感應(yīng)裝置與各種順序控制檢測設(shè)備，如空氣開關(guān)、電磁閥、壓力開關(guān)等。
上述所有檢測裝置都或多或少地與其控制的相關(guān)機械加工部件或是數(shù)控機床氣液管線相連接，所以在全面進行檢測裝備自身信號檢測工作時，也不能忽略相關(guān)機械加工部部件的連接信號檢測。
3 、如何理解故障處理的思路與原則
系統(tǒng)，不同的數(shù)控系統(tǒng)由于其設(shè)計功能的不同，設(shè)計思想與配置也不同，但是所有數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)都有基礎(chǔ)的處理思路與基本結(jié)構(gòu)，所以在數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，維修人員需要有一套完備的故障處理思路及原則。維修工人到達現(xiàn)場后務(wù)必對數(shù)控機床的運轉(zhuǎn)工況與環(huán)境等條件進行考察與分析，對于故障出現(xiàn)的狀況做出全面的分析與研判，盡可能地做到全面掌握故障狀況與性質(zhì)，進行故障處理的同時要保證自身專業(yè)技術(shù)水平過硬且小心謹慎，防止故障狀況進一步惡化。
也可以通過數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)中的程序代碼報錯檢測進行數(shù)據(jù)提取，幫助自己明白故障出現(xiàn)的原因與復雜程度，甚至在進行維修前就將故障出現(xiàn)的部位與相關(guān)維修點規(guī)劃好，所有技術(shù)層面與維修工具準備周全，設(shè)計好維修方案以便故障處理的有效進行。故障出現(xiàn)時，應(yīng)按照以下故障處理原則進行：先常用消耗部件后用特殊功能部件，對于數(shù)控機床的電氣設(shè)備故障檢測理應(yīng)從數(shù)控機床電氣系統(tǒng)中常用、消耗量較大的部件開始，完成再進行特殊功能實現(xiàn)部件的檢測，以此能有效加強數(shù)控機床電氣故障的處理水平與效率。先簡單后繁雜原則，數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)備系統(tǒng)的故障檢測與處理程序中，務(wù)必遵循先從電氣系統(tǒng)較為簡單的零部件與結(jié)構(gòu)起手，做好萬無一失的檢測與運行測試后，再進行電氣系統(tǒng)中相對復雜、難度較高的部件檢測，這樣的故障檢測與處理原則能大幅提高數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障成因的分析與處理效率。
先檢測公用部分后獨占部分原則，數(shù)控機床的電氣系統(tǒng)設(shè)備中，不同的設(shè)計與功能要求促使了許多電氣設(shè)備是聯(lián)合運作的，這些公用部分模塊的故障檢測相對較為簡單，比如數(shù)控機床電氣系統(tǒng)中的電路接地系統(tǒng)、可編程控制器、供電系統(tǒng)、位系統(tǒng)等，此類公用部分模塊的故障檢測完成后再對各種細分功能的特有零部件進行檢測，有利故障原因的快速分析與查找、處理，提升數(shù)控機床故障處理水平。軟件后硬件設(shè)施的原則，數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的故障檢測，可以先利用自身自動化控制、軟件設(shè)施程度高的優(yōu)點進行數(shù)控系統(tǒng)的故障檢測，如此一來可以更快地對數(shù)控機床電氣系統(tǒng)中的軟件設(shè)施與各項數(shù)據(jù)參數(shù)信息進行診斷，提升各項檢測診斷程序的檢測速度。
軟件檢測完成后但故障依然存在時，再進行數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)施層面的檢測，如此可以很大程度上降低數(shù)控機床電氣設(shè)備故障出現(xiàn)的判斷分析難度以及工作量，提升數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障的處理效率的同時促進企業(yè)經(jīng)濟效益最大化。
4 、數(shù)控機床電氣設(shè)備故障診斷及維修技術(shù)探究
4.1 信號指示分析處理法
數(shù)控機床在設(shè)計初期就已經(jīng)設(shè)置好了各數(shù)控系統(tǒng)、電氣設(shè)備、伺服系統(tǒng)的電子異常檢測報警系統(tǒng)，一旦檢測到異常或是出現(xiàn)故障都會及時反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，并進行硬件報警如頂部的警報故障指示燈，操作人員可以根據(jù)警報故障指示燈與數(shù)控系統(tǒng)中的報錯代碼進行故障原因與部件位置的分析與研判，及時地進行故障的處理與危險警報的排除。數(shù)控機床的電氣系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的軟件也會進行相應(yīng)的故障檢測與報錯，軟件加工程序、可編程控制器程序中存在的故障通常不會反應(yīng)到頂部硬件故障警報燈上，而是在計算機或是數(shù)控系統(tǒng)中出現(xiàn)相應(yīng)的報錯代碼供操作人員知曉并及時作出解決措施。
4.2 接口狀況自檢查看法
近些年的數(shù)控機床隨著科技水平的發(fā)展也在進步，很多數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)都已集成了可編程控制器程序，CNC 控制系統(tǒng)與 PLC 程序的相連則是通過一系列信號傳遞，難免會有線材與接口的出現(xiàn)。數(shù)控機床的某些電氣設(shè)備故障即可通過接口端狀態(tài)自檢與查看的方法進行故障排除，PLC 系統(tǒng)可以清晰明了地查看哪些端口出現(xiàn)故障，所以此項故障檢測處理方法對操作人員對 PLC 程序的掌握水平有一定的限制 。
4.3 使用相關(guān)檢測設(shè)備
對于數(shù)控機床電氣系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備和管線來說，完全可以使用電力檢測儀表如萬用表、電流表、電壓表等，進行電氣系統(tǒng)直流供電或是脈沖信號進行檢測，從電路上找尋可能出現(xiàn)故障的原因。過萬用表檢測各電路、電源或是電路板上相關(guān)信號狀態(tài)進行測量，示波器進行脈沖信號的檢測、PLC 編程程序查找故障起因與大概部位等，都可以有效提升數(shù)控機床電氣設(shè)備的診斷、維修的水平與效率。
4.4 測試程序?qū)敕?/font>
此方法通過數(shù)控程序自行編譯功能測試程序或是外部手工編程進行功能測試程序的編譯，然后將其導入到數(shù)控機床數(shù)控系統(tǒng)中進行各種運行參數(shù)、數(shù)據(jù)的分析集成并進行程序自檢與診斷，可以有效地對各項電氣設(shè)備及其管線進行檢測與診斷，對于 PLC 相連接的機械加工工作部位進行穩(wěn)定性與精度的檢測，進而實現(xiàn)對數(shù)控機床故障出現(xiàn)的原因及可能部位的診斷與維修。
5 、結(jié)束語
綜上所述，數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障的出現(xiàn)勢必會影響整體運轉(zhuǎn)的安全性及穩(wěn)定性，相關(guān)行業(yè)及工作人員務(wù)必加強對數(shù)控機床電氣設(shè)備故障的診斷以及維修能力，全力保障數(shù)控機床在運行過程中發(fā)揮出最好的性能。
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