數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性分析

于 彤

（1.山東濱州渤海活塞有限公司，山東濱州 256600；2.山東省發(fā)動機活塞摩擦副重點實驗室，山東濱州 256600）

0 引言

數(shù)控機床實現(xiàn)機電一體化自動化生產(chǎn)，根據(jù)程序編碼和指令遵循圖紙要求，在系統(tǒng)程序控制下自動完成零部件的加工制造。相比普通機床，其作業(yè)效率與精確度更高，可以避免人為失誤產(chǎn)生的問題，還可適用于多種產(chǎn)品生產(chǎn)。為確保數(shù)控機床優(yōu)勢得以有效發(fā)揮，需要針對常見的電氣系統(tǒng)可靠性問題進行研究，通過專業(yè)手段的應(yīng)用來提高數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性，為實際生產(chǎn)提供保障。

1 數(shù)控機床電氣系統(tǒng)分析

電氣系統(tǒng)可以說是數(shù)控機床可靠運行的關(guān)鍵，是整個設(shè)備的核心，主要負責程序指令的接收并識別解釋程序，完成結(jié)果邏輯數(shù)據(jù)的計算與判斷處理，最后發(fā)揮速度以及時間控制的操作指令。數(shù)控機床電氣系統(tǒng)比較復雜，可細分出伺服電機、檢測開關(guān)、伺服放大器、編碼器、數(shù)控單元、繼電器、變頻器等多個子系統(tǒng)[1]。電氣系統(tǒng)控制著數(shù)控機床的各個部件，通過控制程序和操作指令來保證機床始終維持一個良好的運行狀態(tài)。如果電氣系統(tǒng)出現(xiàn)任何異常，將會直接反映到數(shù)控機床的運行狀態(tài)上，關(guān)系著是否可以安全穩(wěn)定地完成生產(chǎn)制造作業(yè)，因此必須要提高對電氣系統(tǒng)的重視，總結(jié)并排除影響其狀態(tài)的各項因素，爭取進一步來提高電氣系統(tǒng)的可靠性，為數(shù)控機床的穩(wěn)定運行提供保障。

2 影響數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性因素

2.1 元器件質(zhì)量問題

數(shù)控機床現(xiàn)在已經(jīng)成為機械生產(chǎn)制造的重要設(shè)備，隨著應(yīng)用范圍越來越大，出現(xiàn)的數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障也就越來越多。據(jù)統(tǒng)計電氣系統(tǒng)故障是數(shù)控機床所有類型故障中的主要類型，并且在多數(shù)的數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障中，又以元器件質(zhì)量差為故障發(fā)生主要原因。設(shè)備生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)對元器件把控不到位，有質(zhì)量低劣的電元器件被應(yīng)用到數(shù)控機床的電氣系統(tǒng)，例如按鍵、開關(guān)、鍵盤、屏蔽電纜、接插器、電容、連接器等，導致機床電氣系統(tǒng)可靠性降低，在后期運行過程中產(chǎn)生故障的可能性越高[2]。

以接插件為例，其可使用壽命比較短，不拔插次數(shù)少，很容易出現(xiàn)接觸電阻增大、彈性差、插針插孔氧化腐蝕以及基礎(chǔ)不良等問題，然后導致數(shù)控系統(tǒng)突然停機，甚至是程序失控，程序數(shù)據(jù)丟失。接插件狀態(tài)受作業(yè)環(huán)境影響較大，日常檢修中面對接觸完全斷開的情況可以及時解決，但是運行噪聲卻難以有效發(fā)現(xiàn)，可降低整個數(shù)控系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計不合理

雖然數(shù)控機床相關(guān)技術(shù)均比較成熟，但是很多數(shù)控機床的電氣系統(tǒng)設(shè)計并不流暢，設(shè)計理念比較落后，再加上使用老部件，在實際運行中無法保證其可靠性可以滿足生產(chǎn)要求。如果電氣系統(tǒng)設(shè)計不合理，其對外部干擾因素的抵抗能力也會比較差，出現(xiàn)失控甚至失靈的情況。另外，電源也會對數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的可靠性存在一定影響，強電產(chǎn)生的脈沖噪聲通過各種途徑影響到電氣系統(tǒng)的元器件，導致系統(tǒng)整體穩(wěn)定性降低。但是很多情況下，對于電源系統(tǒng)噪聲抑制方面的設(shè)計并未得到重視，缺少高新技術(shù)支持，依然會對系統(tǒng)電源產(chǎn)生一定干擾。

2.3 檢修維護不到位

數(shù)控機床具有較高的自動化，解放了大量的人力資源，可以實現(xiàn)長時間的持續(xù)生產(chǎn)制造，具有較高的生產(chǎn)效率。但是如果日常檢修維護缺失，就會影響到機床的運行狀態(tài)，因為無法及時發(fā)現(xiàn)存在的隱患，而導致電氣系統(tǒng)可靠性降低。目前大部分的企業(yè)多數(shù)以提高生產(chǎn)效率為主要目的，放松了對生產(chǎn)規(guī)范的管控，時常會出現(xiàn)違規(guī)操作行為，導致系統(tǒng)元器件受損。尤其是長時間不檢修，對老化、損壞部件未及時更換，最終就會出現(xiàn)更大的運行故障，產(chǎn)生更多損失。

2.4 制造工藝不嚴格

數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)可靠性還與制造工藝技術(shù)有著直接聯(lián)系，例如虛接焊接工藝不合格。數(shù)控機床電氣安裝時，必須要壓緊導線端子的連接點，以免在后期運行過程中出現(xiàn)松脫問題而引起接觸不良、發(fā)熱、腐蝕與接觸電阻增大。如果異線端子連接不良，再加上有感染電流通過，就會在接觸電阻上產(chǎn)生非常大的電壓降。或者是部分電壓正好是放大器輸入電路的一部分，系統(tǒng)運行時機就會產(chǎn)生噪聲。另外，印刷線路板焊點控制不良存在虛焊，元器件管腳引線更容易生銹而導致接觸不良，即便是前期不會出現(xiàn)問題，在經(jīng)過一段時間的運行后也會產(chǎn)生噪聲，降低系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3 數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性優(yōu)化策略

3.1 電氣系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化

設(shè)計是否合理決定著數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的可靠性高低，基于以往實踐經(jīng)驗來看還有較大的優(yōu)化空間。電氣系統(tǒng)的可靠性設(shè)計即以提升設(shè)備運行可靠性水平為根本性目的，對設(shè)計流程進行優(yōu)化，對繁瑣的程序進行簡化，并提高設(shè)計高效性。同時，還應(yīng)選擇應(yīng)用穩(wěn)定性與可靠性高的零部件，避免系統(tǒng)元器件自身性能缺陷帶來的影響。對以往數(shù)控機床電氣系統(tǒng)故障模式進行分析，并判斷各類故障的影響程度，然后有針對性的做優(yōu)化、簡化以及環(huán)保設(shè)計，對電氣系統(tǒng)功能進行補充，使其可以更加精準的識別指令信息，提高操作準確性。尤其是現(xiàn)在PLC 技術(shù)的日趨成熟，可以將其應(yīng)用到數(shù)控機床電氣系統(tǒng)中，對位置控制、過程控制以及數(shù)據(jù)處理等多個方面進行優(yōu)化，提高機床生產(chǎn)過程控制可靠性[3]。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)備質(zhì)量

數(shù)控機床的應(yīng)用實現(xiàn)了機電一體化生產(chǎn)，對促使傳統(tǒng)機械制造模式的轉(zhuǎn)變具有重要意義，因此數(shù)控機床必定會更大范圍的得到應(yīng)用，以通過其高效化生產(chǎn)來獲取更多經(jīng)濟效益。面對此種情況，數(shù)控機床設(shè)計制造需要面臨的壓力更大，想要滿足實際生產(chǎn)需求，就必須要做好每個細節(jié)的把控，尤其是作為核心部分的電氣系統(tǒng)，更是質(zhì)量管理的重中之重。我國很多電元器件依然依賴進口，相比本土產(chǎn)品，進口的數(shù)控系統(tǒng)以及功能部件更有利于數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性的提高，但同時也存在著成本高的缺點。面對國內(nèi)市場與器件產(chǎn)品質(zhì)量的良莠不齊情況，為保障數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的可靠性，務(wù)必在設(shè)計制造環(huán)節(jié)就做好管控，盡量選擇高性能的元器件，并且不斷對設(shè)計生產(chǎn)進行改進，爭取提高元器件的應(yīng)用效率，對外界的干擾因素有更強的抵抗力，減少運行故障的發(fā)生[4]。

3.3 系統(tǒng)電源設(shè)計改造

對電源進行設(shè)計改造，也是提高數(shù)控機床電氣系統(tǒng)可靠性的重要策略之一，以供電電源為對象，通過高新技術(shù)的支持，進一步提高電源的電網(wǎng)適應(yīng)能力與電磁兼容性能力。例如可以選擇應(yīng)用降額設(shè)計方法，選擇功率器件與低通電源濾波器、電解電容等。降額設(shè)計的要點是實現(xiàn)電流、電壓以及功率等電學應(yīng)力的降額，例如溫度、振動、沖擊等環(huán)境應(yīng)力方面的降額。電源設(shè)計除了要考慮穩(wěn)態(tài)性能，還需要兼顧脈沖狀態(tài)與環(huán)境狀態(tài)發(fā)生變化后可能會帶來的浪涌、供電波動以及干擾等問題的處理，這樣就要求數(shù)控機床電氣系統(tǒng)設(shè)計時必須要留有足夠的余量。并且，環(huán)境設(shè)計時同樣需要考慮抗振設(shè)計與熱設(shè)計的加固，確保可以將干擾控制到最小。

3.4 電氣系統(tǒng)安裝調(diào)試

除了要做好前期設(shè)計以外，還需要對安裝調(diào)試以及后期維護做好管理。如果設(shè)備制造與安裝工藝低劣，將會從根本上影響電氣系統(tǒng)的可靠性，因此需要就制造與安裝工藝制定相應(yīng)的可靠性監(jiān)管體系。就我國數(shù)控機床零部件生產(chǎn)水平來講，很難保證所有硬件制造結(jié)果的可靠性，目前還需要依賴于國際產(chǎn)品，其完全實現(xiàn)全自動制造，減少了人為參與環(huán)節(jié)，所得產(chǎn)品性能參數(shù)更加精準。例如對安裝工藝進行控制，實際操作時要嚴格控制好總線長度，保證電氣系統(tǒng)具有優(yōu)良的抗靜電與抗電磁干擾能力。同時還應(yīng)現(xiàn)則先進的小型元器件作為支持，縮小電氣控制單元的體積。并搭配高級可靠的開關(guān)電源，以及對電路單元進行模塊化設(shè)計、線路板的PCB 設(shè)計與EMC 設(shè)計，提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性。另外，數(shù)控機床電氣系統(tǒng)并沒有完全統(tǒng)一的技術(shù)資料，如果系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)問題，其他人想要從源代碼解讀處理難度非常高，只有原編人員才可以解決。因此建立完善可靠性體保證體系，用于對電氣系統(tǒng)研制、開發(fā)、測試、運行以及維護等不同環(huán)節(jié)提供保障，通過專業(yè)性的組織與監(jiān)督指導，來提高數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的可靠性[5-6]。

4 結(jié)束語

電氣系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，針對其可靠性進行研究，可以確保機床實際生產(chǎn)制造的高效性。只有不斷地對實踐應(yīng)用效果進行總結(jié)，分析電氣系統(tǒng)故障原因并利用有效的專業(yè)技術(shù)手段進行修復、解決，才能全面提高電氣系統(tǒng)的可靠性，使其抵抗外部干擾的能力更強，減少各類故障的發(fā)生。