數控切割機CNC系統故障分析及改造方案

周海杰

摘 要：隨著工業自動化、信息化技術的不斷發展，數控（CNC）切割機的使用范圍越來越廣，具有加工精度高，生產效率高，產品質量穩定、勞動強度低等很多優點。但由于其技術越來越先進，系統復雜，涉及專業范圍廣，對操作及維修人員的專業知識、理論及實際操作技術各方面的要求也越來越高。文章對此進行了分析。

關鍵詞：數控切割機；CNC系統；故障分析；改造方案

目前，企業往往注重具有較豐富的切割專業知識和機械維修經驗的專業技術工人，而忽略了計算機、工業控制及PLC系統的專業技術人才，當數控系統出現問題時，往往束手無策，故障排除效率低，導致因CNC系統出現軟、硬件的故障或損壞，使機器停機，造成整個設備無法工作，嚴重的影響了企業生產，對于這類故障的診斷，除了必須了解該數控系統的工作原理及各線路板的功能，然后根據故障現象進行分析，在有條件的情況下利用交換法準確定位故障點外，對于經常性的故障還需要有針對性的對CNC系統進行部分改造，根據當前軟、硬件的進行更新，采用更為先進的技術。

目前，我廠使用的2臺某公司生產的數控切割機，其數控系統（CNC）采用個人計算機式結構，由工業PC系統作為CNC的支持平臺，再由生產廠家根據控制需要插入控制卡和相應軟件、驅動，完成具體的作業，具體由主板，CPU及散熱風扇，硬盤，顯卡，內存條，LCD顯示器，電源，鍵盤，加密狗，運動卡，I/O卡等組成；配合中文Windows XP操作系統，切割控制軟件及其他驅動程序。整個系統封裝在CNC控制箱內；在幾年的使用過程中，針對CNC系統，存在如下問題：

（1）CNC系統穩定性不高，2臺設備均存在夏季高溫季節數控系統過熱，出現系統死機、重啟等現象，不能穩定運行；（2）CNC系統所采用的是PC構架，其工作特點是對場地環境和溫度、電氣環境要求比較高，而在實際工作現場，尤其是夏季高溫潮濕季節，很難滿足這一要求，因此，PC系統中的關鍵零部件如硬盤、風扇和PC主板等，在1-2年內總會發生故障，加速老化，嚴重影響切割作業；（3）由于該切割機的CNC系統配備和使用的是2.5' 普通筆記本硬盤（容量40-80G，4200rpm/min）和普通風冷CPU扇熱器，該類型（溫氏硬盤構架）機械硬盤高速旋轉會產生熱量，任何震動、意外掉電等均有可能導致磁道損壞，從而引起硬盤發生故障；普通風冷散熱器的風扇在高溫粉塵的工業環境使用，壽命大大縮短，更嚴重的會引起扇葉堵塞，失去散熱作用，造成CPU或主板過熱，而這些因素將直接導致數控系統在夏季無法穩定運行；（4）該切割機軟件系統設計是基于Microsoft.net技術開發的最新技術人機操作界面（HMI）及中文Windows XP平臺，決定了該系統無法采用普通的NC模式，必須采用相對高端的CPU和大容量的存儲空間，這樣，就給系統的穩定性帶來了更高要求。

鑒于上述原因和我們維修的經歷，對現有的CNC系統進行改造，在保證該切割機的HMI技術特點的同時，盡量采用高端CPU平臺，對傳統散熱器件、存儲器件、防塵技術、安全及提高產品質量等方面進行改造，以達到穩定運行的目的，主要改造內容：

（1）CNC數控系統采用Mini ITA構架工控機主板，集成度高，尺寸小，接口豐富，并集成低功耗CPU，采用無風扇散熱方式，并且易于將PC系統集成安裝為固化單元，有效的減少熱源，抗震動，適用于高溫、潮濕、工業粉塵、電磁輻射、機床抖動等惡劣工業環境，確保了數控系統的穩定性。其主要參數如下：a.高性能的英特爾凌動無風扇低功耗平臺，其處理器功耗只有2.5W，Intel 945GSE+ICH7M的芯片組搭配提供的性能要遠高于英特爾其他的低功耗方案，屬于新一代的硬件應用環境；b.獨立的雙顯支持VGA+LVDS（24Bit），DDR2內存和千兆網卡，穩定，安全，抗震，適應惡劣的工作環境；支持4×COM，6×USB2.0，2×SATA 1×IDE和CF II和傳統的PCI+MINI-PCI+MINI-PCIE擴展槽；c.主要物理參數：尺寸：170mm×170mm；功耗：DDR266+5V1.2A，+12V 0.5A；工作溫度：-20°C～80°C；相對濕度：10%～90%。

（2）淘汰原有的60G普通硬盤（溫氏硬盤構架），使用先進的抗震動、免維護電子硬盤替代普通的機械硬盤，最大限度的減少數控系統的熱源，保證系統的穩定。該產品采用Mini PCIe接口，512MCache，接口速度可達SATA 6Gbps，兼備體積小，靜態功耗僅為0.087W，工作溫度為0℃-75℃，使用壽命（MTBF）可達1.5M，是替代傳統硬盤存儲的理想產品。

（3）專用機箱：支持Mini-ITX結構主板，插板式DC12V Mini電源板，全鋁外殼，帶散熱齒，本體散熱，根據實際情況，可以選配風扇（強制散熱），增強散熱效果，內置防塵濾紙，尺寸小，可安置在切割機數控箱內。

（4）運動控制卡的處理：由于本機的PC可考慮獨立封裝的一個單元，因此，全尺寸的運動控制卡（PCI）無法在Mini-ITX內安裝，可采用PCI-PCI延長線方式，將運動控制卡外接，接口封裝后固定于切割機數控箱內。PCI 軟排線連接轉接卡是針對1U、2U服務器小機箱擴展設計，當PCI槽與其他的PCI設備受影響時，可通過軟PCI轉接線來轉接，使PCI槽能夠有效利用，該轉接卡采用高速高頻高抗阻設計，支持所有PCI設備，且安裝自由靈活。

（5）切割頭實時視頻監控：實際操作中，對于切割頭與鋼板之間的距離、火焰狀況、運行軌跡需要進行實時監測，因龍門切割機外形尺寸較大，操作人員需要進入行程范圍內查看，帶來了安全隱患，采用工業耐高溫、防塵攝像頭進行同步跟蹤，實時將圖像傳回操作者或車間辦公室。該攝像機安裝于割炬上，通過調整攝像機角度、位置，使當前的火焰情況、切割軌跡清楚了然，安全生產和保證產品質量起較大作用。

耐高溫工業級近距攝像機主要參數：

變倍比： 15：1

放大倍數： 100倍

工作距離： 55mm-285mm

CCD芯片： 1/3"SONY COLOR CCD

有效像素：NTSC：510 （H）X492 （V）PAL： 500 （H） X582 （V）

水平清晰度： NTSC： 525線， 60 fields/秒PAL： 625線， 50 fields/秒

視屏輸出： 1vp-p75Ω；Negative

白平衡： 自動

信噪比： >46db

Gamma特性： 0.45

最低照度： 0.5Lux

功率消耗： 12v+_10%DC，100mA

工作溫度： -10～+50

8寸液晶監視器/多接口BNC/AV/VGA監控顯示器

該產品支持BNC接口，可以連接監控攝像頭，支持AV接口，可以連接DVD或者VCD影碟機，支持VGA接口，可以連接硬盤錄像機；通過近距攝像機采集的實時圖像，由AV接口顯示在液晶監視器上，清晰準確，一目了然。

經過上述幾個方面的改造，該切割機的CNC系統穩定性明顯提高，尤其在夏季高溫多雨季節，極少出現因為數控系統問題產生的停工現象，而且改造費用低、簡單易行，改造后系統運行速度及啟動速度大幅提高，提高了生產效率，減少了設備維護量，給企業帶來了顯著的經濟效益。