數控機床運行原理與故障維修探討

摘要：主要介紹數控機床的組成、特點、工作原理和在日常工作中常出現的故障及其維修。數控機床集微電子技術、計算機技術、自動控制技術及伺服驅動技術、精密機械技術于一體，是高度機電一體化的典型產品，是衡量機械制造工藝水平的重要指標，在柔性生產和計算機集成制造等先進制造技術中起著重要的基礎核心作用。

關鍵詞：數控機床；工作原理；故障維修；特點；組成

中圖分類號：TP24 文獻標志碼：A 文章編號：1000-8772（2013）05-0192-02

數控機床是數字控制機床（Computernumericalcontrolmachinetools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號，控制機床的動作。按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。

1 數控機床的組成及原理

數控機床是機電一體化的典型產品，是集機床、計算機、電動機及拖動、動控制、檢測等技術為一體的自動化設備。數控機床的基本組成包括控制介質、數控裝置、伺服系統、反饋裝置及機床本體，見下圖。

1.1 控制介質

數控機床工作時，不用人去直接操作機床，但又要執行人的意圖，這就必須在任何數控機床之間建立某種聯系，這種聯系的中間媒介物稱之為控制介質。在普通機床上加工零件時，由工人按圖樣和工藝要求進行加工。在數控機床加工時，控制介質是存儲數控加工所需要的全部動作和刀具相對于工件位置等信息的信息載體，它記載著零件的加工工序。數控機床中，常用的控制介質有穿孔紙帶、穿孔卡片、磁帶和磁盤或其他可存儲代碼的載體，至于采用哪一種，則取決于數控裝置的類型。早期時，使用的是8單位（8孔）穿孔紙帶，并規定了標準信息代碼ISO（國際標準化組織制定）和EIA（美國電子工業協會制定）兩種代碼。

1.2 數控裝置

數控裝置是數控機床的核心。其功能是接受輸入裝置輸入的數控程序中的加工信息，經過數控KghmvMyvAgI0RexvlHV6Ot3GHXzfZemYjYJlyMLHAdw=裝置的系統軟件或邏輯電路進行譯碼、運算和邏輯處理后，發出相應的脈沖送給伺服系統，使伺服系統帶動機床的各個運動部件按數控程序預定要求動作。一般由輸入輸出裝置、控制器、運算器、各種接口電路、CRT顯示器等硬件以及相應的軟件組成。數控裝置作為數控機床“指揮系統”，能完成信息的輸入、存儲、變換、插補運算以及實現各種控制功能。

1.3 伺服系統

機床上的執行部件和機械傳動部件組成數控機床的進給系統，它根據數控裝置發來的速度和位移指令控制執行部件的進給速度、方向和位移量。每個進給運動的執行部件都配有一套伺服系統。伺服系統的作用是把來自數控裝置的脈沖信號轉換為機床移動部件的運動，它相當于手工操作人員的手，使工作臺（或溜板）精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖樣要求的零件。

1.4 反饋裝置

反饋裝置是閉環（半閉環）數控機床的檢測環節，該裝置可以包括在伺服系統中，它由檢測元件和相應的電路組成，其作用是檢測數控機床坐標軸的實際移動速度和位移，并將信息反饋到數控裝置或伺服驅動中，構成閉環控制系統。檢測裝置的安裝、檢測信號反饋的位置，決定于數控系統的結構形式。無測量反饋裝置的系統稱為開環系統。由于先進的伺服系統都采用了數字式伺服驅動技術（稱為數字伺服），伺服驅動和數控裝置間一般都采用總線進行連接。反饋信號在大多數場合都是與伺服驅動進行連接，并通過總線傳送到數控裝置，只有在少數場合或采用模擬量控制的伺服驅動（稱為模擬伺服）時，反饋裝置才需要直接和數控裝置進行連接。伺服電動機內裝式脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、測速機、光柵和磁尺等都是NC機床常用的檢測器件。

2 數控機床主要故障分析及維修

2.1 數控機床主軸伺服系統故障檢查及維修

在維修主回路采用錯位選觸無環流可逆調速驅動系統的數控車床中所遇到的部分故障及處理方法。

（1）故障現象：1.8m臥車在點動時，花盤來回擺動。

檢查：測量驅動控制系統中的±20V直流穩壓電源的紋波為4V峰峰值，大大超過了規定的范圍。

處理：將電壓板中的100MF和1000MF濾波電容換下焊上新電容，并測量紋波只有幾個毫伏后將電源板安裝好，開機試運行，故障消除。

（2）故障現象：配套某系統的數控車床，當主軸在高速（3000r/min以上），機床出現異常振動。

處理：檢查機床的主軸驅動是否連接，發現機床的主軸驅動器的接地線連接不良后，將接地線重新連接，機床可恢復正常。

2.2 機床PLC初始故障的診斷

機床PLC初始故障的診斷為了保護機床和維修方便，PLC有顯示和檢測機床故障的能力。一旦發生故障，維修人員就能根據機床的故障顯示號去確定故障類別，予以排除。但在實際加工過程中，我們發現有時PLC同時顯示幾個故障，它們是由某一個故障引起的連鎖故障，排除了初始的引發故障，其他故障報警就消失了。可是從機床PLC顯示的所有報警故障中，維修人員并不知道哪個故障是初始引發故障，維修人員只能逐個故障去查，這就增加了維修難度。機床PLC初始故障診斷功能，通過PLC程序，準確判斷出初始故障的報警號。維修中，首先排除初始故障，其他引發故障自行消失，這樣就極大地方便了機床的維修，提高了機床維修的快速性和準確性。初始故障診斷原理設計的PLC程序不單單是把各個故障都能檢測和顯示出來，還能把最關鍵的初始故障自動判斷出來。

2.3 數控設備檢測元件故障及維修

檢測元件是數控機床伺服系統的重要組成部分，它起著檢測各控制軸的位移和速度的作用，它把檢測到的信號反饋回去，構成閉環系統。測量方式可分為直接測量和間接測量：直接測量就是對機床的直線位移采用直線型檢測元件測量，直接測量常用的檢測元件一般包括：直線感應同步器、計量光柵、磁尺激光干涉儀。間接測量就是對機床的直線位移采用回轉型檢測元件測量，間接測量常用的檢測元件一般包括：脈沖編碼器、旋轉變壓器、圓感應同步器、圓光柵和圓磁柵。

在數控設備的故障中，檢測元件的故障比例是比較高的，只要正確的使用并加強維護保養，對出現的問題進行深入分析。就一定能降低故障率，并能迅速解決故障，保證設備的正常運行。

2.4 數控機床主傳動系統故障診斷與維修

在數控機床在加工時，可能由于斷續切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以切削過程中的自振動等原因引起沖擊力和交變力，使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至可能破壞刀具主軸系統中的零件，使其無法工作。主軸系統的發熱使其中所有零件產生熱變形，降低傳動效率，破壞零部件之間的相對位置精度和運動精度，從而造成加工誤差。因此，主軸部件組要具有較高的固有頻率，較好的動平衡，且要保持合適的配合精度，并要進行循環潤滑。

主軸發熱主軸軸承預緊力過大，造成主軸回轉時摩擦過大，引起主軸溫度急劇升高。可以通過重新調整主軸軸承預緊力加以排除；主軸軸承磨損或損壞，也會造成主軸回轉時摩擦過大，引起主軸溫度急劇升高。可以通過更換新軸承加以排除；主軸潤滑油臟或有雜質，也會造成主軸回轉時阻力過大，引起主軸溫度升高。通過清洗主軸箱，重新換油加以排除；主軸軸承潤滑油脂耗盡或潤滑油脂過多，也會造成主軸回轉時阻力、摩擦過大，引起主軸溫度升高。通過重新涂抹潤滑脂加以排除。主軸強力切削時停轉主軸電動機與主軸連接的傳動帶過松，造成主軸傳動轉矩過小，強力切削時主軸轉矩不足，產生報警，數控機床自動停機。通過重新調整主軸傳動帶的張緊力，加以排除；主軸電動機與主軸連接的傳動帶表面有油，造成主軸傳動時傳動帶打滑，強力切削時主軸轉矩不足，產生報警，數控機床自動停機。通過用汽油或酒精清洗后擦干凈加以排除。

主軸工作時噪聲過大是主軸部件動平衡不良，使主軸回轉時振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產廠家的專業人員對所有主軸部件重新進行動平衡檢查與調試；主軸傳動齒輪磨損，使齒輪嚙合間隙過大，主軸回轉時沖擊振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產廠家的專業人員對主軸傳動齒輪進行檢查、維修或更換；主軸支承軸承拉毛或損壞，使主軸回轉間隙過大，回轉時沖擊、振動過大，引起工作噪聲。需要機床生產廠家的專業人員對軸承進行檢查、維修或更換；主軸傳動帶松弛或磨損，使主軸回轉時摩擦過大，引起工作噪聲。通過調整或更換傳動帶加以排除。

數控機床故障產生的原因是多種多樣的，有機械問題、數控系統的問題、傳感元件的問題、驅動元件的問題、強電部分的問題、線路連接的問題等。在檢修過程中，要分析故障產生的可能原因和范圍，然后逐步排除，直到找出故障點，切勿盲目的亂動，否則，不但不能解決問題。還可能使故障范圍進一步擴大。總之，在面對數控機床故障和維修問題時，首先要防患于未然，不能在數控機床出現問題后才去解決問題，要做好日常的維護工作和了解機床本身的結構和工作原理，這樣才能做到有的放矢

3 結論

在數控機床維修中推廣應用新技術、新工藝、新材料，做好數控的技術改造和局部改裝設計管理工作，搞好數控機床維修用工、檢、量具的管理，搞好數控設備維修的質量管理等工作。只有這樣，才能做好數控機床的維修工作，保障數控機床的正常運行，從而保障企業生產的順利運行。所以，無論是CNC系統，機床強電，還是機械、液壓、氣路等，只要有可能引起該故障的原因，都要盡可能全面地列出來，進行綜合判斷和篩選，然后通過必要的實驗達到確診和最終排除故障的目的。

（責任編輯：陳喜輝）