數控機床的電器故障診斷及維修技術探究
2021-6-24 來源： 江蘇聯合職業技術學院鎮江分院 作者：吳鈞
摘要：數控機床現已成為現代自動化、電氣一體化生產發展的主力設備，如今也大量且廣泛應用于機械制造加工業中，數控機床中的電氣設備及其線路扮演著十分重要的角色，直接決定了數控機床的性能及運行穩定性，還影響了數控機床的操控、設備功能及安全性能。所以，數控機床操作人員務必加強對數控機床電氣設備及其線路的故障診斷及維修技術的分析與探究，全面深化對數控機床電器故障診斷及維修的能力，促進數控機床在機械制造加工業中的穩定發展。
關鍵詞：數控機床；電氣故障；診斷；維修技術
0 引言
數控機床的出現成功實現將機器、電氣設備、液體進行功能的集成，屬于機械制造加工業的高精尖生產設備，僅運轉穩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，數控機床是否廣泛投入應用已成為當前機械制造加工業自動化、電氣一體化程度的評價標準。
數控機床的實際運行中任一環節出現故障且無法得到及時的解決，都將會對機械制造加工生產造成影響，降低生產質量與效率，損害操作人員的安全與企業的經濟效益。
1 、數控機床的組成及其主要電氣設備
1.1 數控機床的基本組成
數控機床的基本組成有加工程序載體、數控裝置系統、伺服驅動裝置、機床主體、電氣系統設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構與工作原理的簡要概述說明。
1.1.1 加工程序載體
數控機床在設定好進行工作時，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控機床編程工作。如機械加工制造中的零部件加工，前期設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、油泵等加工設備的各項數據參數等，將這些加工程序進行編程工作使其轉化為數控機床的程序載體可接受的格式代碼，最后輸入數控機床的程序電腦中，執行工作命令。
1.1.2 數控裝置
數控裝置是數控機床運行工作最重要的部件，現今的數控裝置大部分為 CNC（即 ComputerNumerical Control）技術。它主要通過多個微型處理器的共同處理工作，將數控裝置及其功能以程序化軟件的形式呈現，所以也叫作軟件數控。CNC 系統在數控機床的應用中準確地來說是一種位置控制系統，它可以根據加工部件的設計程序進行有效地補充理想的運動軌跡，隨后輸出指令至數控機床加工設備進行加工。所以說，數控機床的數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由計算機系統以及數控程序軟件進行分析與處理，最終實現數控機床的運轉。
數控裝置的輸入通常有鍵盤編程程序直接輸入、CAD系統直接導入和外接計算機直接數控輸入等。信息處理則是通過數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據傳入 CNC 系統中，經 CNC 系統編譯成數控機床所能識別的格式代碼程序信息，再經過逐步儲存、分析與運行處理后，由輸出裝置輸出指令到伺服系統和主運動控制系統。
控機床的輸出裝置與伺服機構相連接，依據數控裝置的指令接受運算系統的輸出信息，并將其轉送到各個數據對應的伺服控制系統，進行伺服系統的驅動進而實現數控機床的運轉。
1.1.3 伺服與測量反饋系統
伺服系統作為數控機床的重要運行操控系統，數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。伺服系統可以接受由數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，轉變成數控機床各加工部件的位移指令信息。伺服系統作為數控機床最后一道工序，它的運轉性能將直接決定數控機床的加工質量、加工精度與速度等性能指標，所以，數控機床的伺服驅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
理并驅動伺服系統，加強數控機床的運行穩定性。
數控機床中的測量反饋系統還會把數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，通過反饋系統反饋回數控機床數控裝置中與設計編程程序值進行對比，并實時向伺服系統輸出設計程序中的理想運動軌跡與位移量指令。
1.1.4 數控機床主體結構
數控機床的主體結構主要由床身、支撐底座、支撐立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱進給系統、架等機械自動化部件組成。這些的組成將實現數控機床自動化控制完成各項機械制造加工零部件的過程。數控機床的主體結構通常采用高強度、防震功能好以及耐高溫性能好的鋼材，能有效提升數控機床主體結構的靜剛度，還能通過主體結構加強阻尼設定與結構件強度、提升固有頻率等辦法來提升數控機床主體結構的強度與防震性能，能讓數控機床在更穩定的工況下進行自動化切削工作。
優化數控機床主體結構件的布局、增加數控機床散熱性能以達到數控機床主體結構耐高溫性能的提升，可以有效防止高溫對數控機床運行帶來的影響。
1.1.5 數控機床輔助裝置
輔助裝置是幫助數控機床在正常運轉工況下維持性能以及保持最大化性能輸出的系統，比較常見的有：氣動刀具更換系統、液壓升降系統、切削油泵、噴油系統、冷卻系統、排液與排屑系統、移動工作臺、防護及照明裝置等，輔助裝置的配備能為數控機床的運轉穩定性提供保障，確保數控機床在自動化控制長時間運轉加工情況下故障出現頻率減少。
1.2 主要電氣設備
1.2.1 空氣開關
空氣開關又叫做空氣斷路器，是電路斷路器的一種，可以在電路內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生。空氣開關的使用是數控機床低壓配電系統和電力拖動系統中必不可少的措施，不僅可以實現電流的控制還可以實現保護電路的功能，如完成接觸或是斷開電路、避免電路或是數控機床電氣設備出現短路現象、電路系統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控機床的電路系統后，可以讓其自行運轉并且手動通過按鈕或是旋鈕進行控制開關，連接電路接觸器工作時可以實現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，可以通過自身產熱對內部熔體進行熔斷，使得電路在此斷開實現保護電路。熔斷器當前已被廣泛應用于高、低壓配電系統和控制系統或是數控機床控制電氣設備中，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，當電路內過載電路較小時，熔斷器內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省了電路維護成本。
1.2.4 接觸器
數控機床及其相關電氣設備中的接觸器有直流接觸器和交流接觸器，不僅應用于電力系統、配電系統還在數控機床用電中廣泛運用。它可以通過電流經過內部線圈產生電磁場，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，被廣泛使用于數控機床電氣設備，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備，逐漸成為了電氣設備及自動化控制系統的重要電氣元件。
2 、常見的數控機床電氣設備故障
2.1 動作指令信號異常
動作指令信號的異常會導致數控機床各動作執行出現故障，其中動作執行故障也分為零部件元件自身故障與機械相關部件故障。容易產生零部件元件自身故障的電氣設備有伺服電機系統、驅動軸控制器、機械定位系統、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、油路管線等，這些零部件執行元件一旦出現故障，都會導致數控機床報錯停止運行，甚至有可能引發安全事故。
所以，此類動作指令信號異常的電氣設備故障，務必進行零部件執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、信號電氣設備及電路系統電壓與電流是否正常等，此外與零部件元件電氣設備相連接的機械設備也要一并檢測。
2.2 中間控制故障
中間控制故障共有兩種常見故障方式，分別為數控系統故障和輔助裝置及電氣設備控制回路故障。此階段的中間控制故障在發生時都會及時反饋到數控裝置，及時作出報警警報，并立即停機，相較于其他難以發現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，通常會在數控機床的數控裝置中反映出來，通常有檢測設備自身故障與檢測設備相關機械加工部件信號故障兩種。檢測設備有刀具與工作臺的速度與位置信息檢測設備，測速電動機、位置編碼器、光柵感應裝置與各種順序控制檢測設備，如空氣開關、電磁閥、壓力開關等。
上述所有檢測裝置都或多或少地與其控制的相關機械加工部件或是數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，不同的數控系統由于其設計功能的不同，設計思想與配置也不同，但是所有數控機床的數控系統都有基礎的處理思路與基本結構，所以在數控機床的數控系統出現故障時，維修人員需要有一套完備的故障處理思路及原則。維修工人到達現場后務必對數控機床的運轉工況與環境等條件進行考察與分析，對于故障出現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，進行故障處理的同時要保證自身專業技術水平過硬且小心謹慎，防止故障狀況進一步惡化。
也可以通過數控機床數控系統中的程序代碼報錯檢測進行數據提取，幫助自己明白故障出現的原因與復雜程度，甚至在進行維修前就將故障出現的部位與相關維修點規劃好，所有技術層面與維修工具準備周全，設計好維修方案以便故障處理的有效進行。故障出現時，應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，對于數控機床的電氣設備故障檢測理應從數控機床電氣系統中常用、消耗量較大的部件開始，完成再進行特殊功能實現部件的檢測，以此能有效加強數控機床電氣故障的處理水平與效率。先簡單后繁雜原則，數控機床數控系統電氣設備系統的故障檢測與處理程序中，務必遵循先從電氣系統較為簡單的零部件與結構起手，做好萬無一失的檢測與運行測試后，再進行電氣系統中相對復雜、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控機床電氣系統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，數控機床的電氣系統設備中，不同的設計與功能要求促使了許多電氣設備是聯合運作的，這些公用部分模塊的故障檢測相對較為簡單，比如數控機床電氣系統中的電路接地系統、可編程控制器、供電系統、位系統等，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，提升數控機床故障處理水平。軟件后硬件設施的原則，數控機床電氣系統的故障檢測，可以先利用自身自動化控制、軟件設施程度高的優點進行數控系統的故障檢測，如此一來可以更快地對數控機床電氣系統中的軟件設施與各項數據參數信息進行診斷，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，再進行數控機床電氣系統的硬件設施層面的檢測，如此可以很大程度上降低數控機床電氣設備故障出現的判斷分析難度以及工作量，提升數控機床電氣系統故障的處理效率的同時促進企業經濟效益最大化。
4 、數控機床電氣設備故障診斷及維修技術探究
4.1 信號指示分析處理法
數控機床在設計初期就已經設置好了各數控系統、電氣設備、伺服系統的電子異常檢測報警系統，一旦檢測到異常或是出現故障都會及時反饋到數控系統中，并進行硬件報警如頂部的警報故障指示燈，操作人員可以根據警報故障指示燈與數控系統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。數控機床的電氣系統與數控系統的軟件也會進行相應的故障檢測與報錯，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到頂部硬件故障警報燈上，而是在計算機或是數控系統中出現相應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
近些年的數控機床隨著科技水平的發展也在進步，很多數控機床的數控系統都已集成了可編程控制器程序，CNC 控制系統與 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。數控機床的某些電氣設備故障即可通過接口端狀態自檢與查看的方法進行故障排除，PLC 系統可以清晰明了地查看哪些端口出現故障，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 使用相關檢測設備
對于數控機床電氣系統及相關設備和管線來說，完全可以使用電力檢測儀表如萬用表、電流表、電壓表等，進行電氣系統直流供電或是脈沖信號進行檢測，從電路上找尋可能出現故障的原因。過萬用表檢測各電路、電源或是電路板上相關信號狀態進行測量，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，都可以有效提升數控機床電氣設備的診斷、維修的水平與效率。
4.4 測試程序導入法
此方法通過數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，然后將其導入到數控機床數控系統中進行各種運行參數、數據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定性與精度的檢測，進而實現對數控機床故障出現的原因及可能部位的診斷與維修。
5 、結束語
綜上所述，數控機床電氣系統故障的出現勢必會影響整體運轉的安全性及穩定性，相關行業及工作人員務必加強對數控機床電氣設備故障的診斷以及維修能力，全力保障數控機床在運行過程中發揮出最好的性能。
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