數控機床電氣設備故障的維修與保養

姚銀梅

（金山職業技術學院，江蘇 金山 212200）

1 數控機床技術的概述

1.1 數控機床電氣控制系統綜述

（1）數據輸入裝置將指令信息和各種應用數據輸入數控系統的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機（已很少使用），3.5in軟盤驅動器，CNC鍵盤（一般輸入操作），數控系統配備的硬盤及驅動裝置（用于大量數據的存儲保護）、磁帶機（較少使用）、PC計算機等等。

（2）數控系統數控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結束。數控系統都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按規定操作，而日常的維護則主要是對硬件使用環境的保護和防止系統軟件的破壞。

（3）可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個機床的控制。

（4）主軸驅動系統接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩（功率）調節輸出驅動信號驅動主電動機轉動，同時接受速度反饋實施速度閉環控制。它還通過PLC將主軸的各種現實工作狀態通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。

（5）進給伺服系統接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流（轉矩）調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現時工作狀態并接受CNC的控制。

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

1.2 數控機床運動坐標的電氣控制

數控機床一個運動坐標的電氣控制由電流 （轉矩）控制環、速度控制環和位置控制環串聯組成

（1）電流環是為伺服電機提供轉矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調節已由制造者作好了或者指定了相應的匹配參數，其反饋信號也在伺服系統內聯接完成，因此不需接線與調整。

（2）速度環是控制電動機轉速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調節器是比例積分（PI）調節器，其P、I調整值完全取決于所驅動坐標軸的負載大小和機械傳動系統（導軌、傳動機構）的傳動剛度與傳動間隙等機械特性，一旦這些特性發生明顯變化時，首先需要對機械傳動系統進行修復工作，然后重新調整速度環PI調節器。

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

一是位置測量元件的精度與CNC系統脈沖當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發出的脈沖數目經過外部倍頻電路和/或CNC內部倍頻系數的倍頻后要與數控系統規定的分辨率相符。例如位置測量元件10脈沖/mm，數控系統分辨率即脈沖當量為0.001mm，則測量元件送出的脈沖必須經過100倍頻方可匹配。二是位置環增益系數Kv值的正確設定與調節。通常Kv值是作為機床數據設置的，數控系統中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設置地址和數值單位。在速度環最佳化調節后Kv值的設定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優劣的直接表現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加到后面的調節電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態響應特性從而提高位置控制精度。因為多數機床沒有設此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個控制環均最佳調試完畢后方可進行。

2 常見電氣故障分類與解決辦法

數控機床的電氣故障可按故障的性質、表象、原因或后果等分類。

（1）以故障發生的部位，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邏輯控制程序中產生的故障，需要輸入或修改某些數據甚至修改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。最嚴重的軟件故障則是數控系統軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產廠商或其服務機構聯系解決了。

（2）以故障出現時有無破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對于破壞性故障，損壞工件甚至機床的故障，維修時不允許重演，這時只能根據產生故障時的現象進行相應的檢查、分析來排除之，技術難度較高且有一定風險。如果可能會損壞工件，則可卸下工件，試著重現故障過程，但應十分小心。

（3）以故障出現的或然性，分為系統性故障和隨機性故障。系統性故障是指只要滿足一定的條件則一定會產生的確定的故障；而隨機性故障是指在相同的條件下偶爾發生的故障，這類故障的分析較為困難，通常多與機床機械結構的局部松動錯位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內部溫度過高有關。此類故障的分析需經反復試驗、綜合判斷才可能排除。

（4）以機床的運動品質特性來衡量，則是機床運動特性下降的故障。在這種情況下，機床雖能正常運轉卻加工不出合格的工件。例如機床定位精度超差、反向死區過大、坐標運行不平穩等。這類故障必須使用檢測儀器確診產生誤差的機、電環節，然后通過對機械傳動系統、數控系統和伺服系統的最佳化調整來排除。

3 數控機床故障維修與保養

預防性維護的目的是為了降低故障率，其工作內容主要包括下列幾方面的工作。

（1）人員安排。為每臺數控機床分配專門的操作人員、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務技術水平。

（2）建規建檔。針對每臺機床的具體性能和加工對象制定操作規章，建立工作與維修檔案，管理者要經常檢查、總結、改進。

（3）日常保養。對每臺數控機床都應建立日常維護保養計劃，包括保養內容（如坐標軸傳動系統的潤滑、磨損情況，主軸潤滑等，油、水氣路，各項溫度控制，平衡系統，冷卻系統，傳動帶的松緊，繼電器、接觸器觸頭清潔，各插頭、接線端是否松動，電氣柜通風狀況等等）及各功能部件和元氣件的保養周期（每日、每月、半年或不定期）。

（4）提高利用率。數控機床如果較長時間閑置不用，當需要使用時，首先機床的各運動環節會由于油脂凝固、灰塵甚至生銹而影響其靜、動態傳動性能，降低機床精度，油路系統的堵塞更是一大煩事；從電氣方面來看，由于一臺數控機床的整個電氣控制系統硬件是由數以 萬計的電子元器件組成的，他們的性能和壽命具有很大離散性，從宏觀來看分三個階段：在一年之內基本上處于所謂“磨合”階段。在該階段故障率呈下降趨勢，如果在這期間不斷開動機床則會較快完成“磨合”任務，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，也就是充分發揮效能的階段。在合理使用和良好的日常維護保養的條件下，機床正常運轉至少可在五年以上；第三階段為系統壽命衰老階段，電器硬件故障會逐漸增多，數控系統的使用壽命平均在8～10年左右。因此，在沒有加工任務的一段時間內，最好較低速度下空運行機床，至少也要經常給數控系統通電，甚至每天都應通電。

4 結語

數控機床的身價從幾十萬元到上千萬元，一般都是企業中關鍵產品關鍵工序的關鍵設備，一旦故障停機，其影響和損失往往很大。但是，人們對這樣的設備往往更多地是看重其效能，而不僅對合理地使用不夠重視，更對其保養及維修工作關注太少，日常不注意對保養與維修工作條件的創造和投入，故障出現臨時抱佛腳的現象很是普遍。因此，為了充分發揮數控機床的效益，我們一定要重視維修工作，創造出良好的維修條件。由于數控機床日常出現的多為電氣故障，所以電氣維修更為重要。

[1]胡學明.數控機床電氣維修1100例下冊[M].北京：機械工業出版社，2011，（1）.

[2]黃登紅.數控機床電氣系統的裝調與維修（FANUC-Oi系統）[M].北京：化學工業出版社，2011,（8）.