數(shù)控切割機CNC系統(tǒng)故障分析及改造方案

周海杰

摘 要：隨著工業(yè)自動化、信息化技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控（CNC）切割機的使用范圍越來越廣，具有加工精度高，生產(chǎn)效率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、勞動強度低等很多優(yōu)點。但由于其技術(shù)越來越先進，系統(tǒng)復(fù)雜，涉及專業(yè)范圍廣，對操作及維修人員的專業(yè)知識、理論及實際操作技術(shù)各方面的要求也越來越高。文章對此進行了分析。

關(guān)鍵詞：數(shù)控切割機；CNC系統(tǒng)；故障分析；改造方案

目前，企業(yè)往往注重具有較豐富的切割專業(yè)知識和機械維修經(jīng)驗的專業(yè)技術(shù)工人，而忽略了計算機、工業(yè)控制及PLC系統(tǒng)的專業(yè)技術(shù)人才，當數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，往往束手無策，故障排除效率低，導(dǎo)致因CNC系統(tǒng)出現(xiàn)軟、硬件的故障或損壞，使機器停機，造成整個設(shè)備無法工作，嚴重的影響了企業(yè)生產(chǎn)，對于這類故障的診斷，除了必須了解該數(shù)控系統(tǒng)的工作原理及各線路板的功能，然后根據(jù)故障現(xiàn)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(jīng)常性的故障還需要有針對性的對CNC系統(tǒng)進行部分改造，根據(jù)當前軟、硬件的進行更新，采用更為先進的技術(shù)。

目前，我廠使用的2臺某公司生產(chǎn)的數(shù)控切割機，其數(shù)控系統(tǒng)（CNC）采用個人計算機式結(jié)構(gòu)，由工業(yè)PC系統(tǒng)作為CNC的支持平臺，再由生產(chǎn)廠家根據(jù)控制需要插入控制卡和相應(yīng)軟件、驅(qū)動，完成具體的作業(yè)，具體由主板，CPU及散熱風扇，硬盤，顯卡，內(nèi)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(tǒng)，切割控制軟件及其他驅(qū)動程序。整個系統(tǒng)封裝在CNC控制箱內(nèi)；在幾年的使用過程中，針對CNC系統(tǒng)，存在如下問題：

（1）CNC系統(tǒng)穩(wěn)定性不高，2臺設(shè)備均存在夏季高溫季節(jié)數(shù)控系統(tǒng)過熱，出現(xiàn)系統(tǒng)死機、重啟等現(xiàn)象，不能穩(wěn)定運行；（2）CNC系統(tǒng)所采用的是PC構(gòu)架，其工作特點是對場地環(huán)境和溫度、電氣環(huán)境要求比較高，而在實際工作現(xiàn)場，尤其是夏季高溫潮濕季節(jié)，很難滿足這一要求，因此，PC系統(tǒng)中的關(guān)鍵零部件如硬盤、風扇和PC主板等，在1-2年內(nèi)總會發(fā)生故障，加速老化，嚴重影響切割作業(yè)；（3）由于該切割機的CNC系統(tǒng)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(gòu)架）機械硬盤高速旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生熱量，任何震動、意外掉電等均有可能導(dǎo)致磁道損壞，從而引起硬盤發(fā)生故障；普通風冷散熱器的風扇在高溫粉塵的工業(yè)環(huán)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(dǎo)致數(shù)控系統(tǒng)在夏季無法穩(wěn)定運行；（4）該切割機軟件系統(tǒng)設(shè)計是基于Microsoft.net技術(shù)開發(fā)的最新技術(shù)人機操作界面（HMI）及中文Windows XP平臺，決定了該系統(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定性帶來了更高要求。

鑒于上述原因和我們維修的經(jīng)歷，對現(xiàn)有的CNC系統(tǒng)進行改造，在保證該切割機的HMI技術(shù)特點的同時，盡量采用高端CPU平臺，對傳統(tǒng)散熱器件、存儲器件、防塵技術(shù)、安全及提高產(chǎn)品質(zhì)量等方面進行改造，以達到穩(wěn)定運行的目的，主要改造內(nèi)容：

（1）CNC數(shù)控系統(tǒng)采用Mini ITA構(gòu)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(tǒng)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(yè)粉塵、電磁輻射、機床抖動等惡劣工業(yè)環(huán)境，確保了數(shù)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其主要參數(shù)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(yīng)用環(huán)境；b.獨立的雙顯支持VGA+LVDS（24Bit），DDR2內(nèi)存和千兆網(wǎng)卡，穩(wěn)定，安全，抗震，適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境；支持4×COM，6×USB2.0，2×SATA 1×IDE和CF II和傳統(tǒng)的PCI+MINI-PCI+MINI-PCIE擴展槽；c.主要物理參數(shù)：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(gòu)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(shù)控系統(tǒng)的熱源，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。該產(chǎn)品采用Mini PCIe接口，512MCache，接口速度可達SATA 6Gbps，兼?zhèn)潴w積小，靜態(tài)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(tǒng)硬盤存儲的理想產(chǎn)品。

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

（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(nèi)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(shù)控箱內(nèi)。PCI 軟排線連接轉(zhuǎn)接卡是針對1U、2U服務(wù)器小機箱擴展設(shè)計，當PCI槽與其他的PCI設(shè)備受影響時，可通過軟PCI轉(zhuǎn)接線來轉(zhuǎn)接，使PCI槽能夠有效利用，該轉(zhuǎn)接卡采用高速高頻高抗阻設(shè)計，支持所有PCI設(shè)備，且安裝自由靈活。

（5）切割頭實時視頻監(jiān)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(jiān)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(nèi)查看，帶來了安全隱患，采用工業(yè)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(diào)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(chǎn)和保證產(chǎn)品質(zhì)量起較大作用。

耐高溫工業(yè)級近距攝像機主要參數(shù)：

變倍比： 15：1

放大倍數(shù)： 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(jiān)視器/多接口BNC/AV/VGA監(jiān)控顯示器

該產(chǎn)品支持BNC接口，可以連接監(jiān)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(jiān)視器上，清晰準確，一目了然。

經(jīng)過上述幾個方面的改造，該切割機的CNC系統(tǒng)穩(wěn)定性明顯提高，尤其在夏季高溫多雨季節(jié)，極少出現(xiàn)因為數(shù)控系統(tǒng)問題產(chǎn)生的停工現(xiàn)象，而且改造費用低、簡單易行，改造后系統(tǒng)運行速度及啟動速度大幅提高，提高了生產(chǎn)效率，減少了設(shè)備維護量，給企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。