數控機床電氣控制系統的故障診斷與維護分析

王熊

[摘? ? 要]數控機床作為機電設備的一種，囊括了電、機、氣，其電氣控制系統對其運行具有決定性影響，如果電氣控制系統發生故障，就會直接影響到數控機床的正常運行，降低生產效率。快速發展的數控技術，使得數控機床電氣控制系統涉及到的故障類型逐漸增多，復雜程度也不斷升高，所以現階段很有必要深入探究其故障診斷和維護問題。

[關鍵詞]數控機床;電氣控制系統;故障診斷

[中圖分類號]TG659 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–00–03

Analysis of Fault Diagnosis and Maintenance of Electrical

Control System of CNC Machine Tool

Wang Xiong

[Abstract]As a kind of electromechanical equipment， CNC machine tools include electricity， machinery and gas. Its electrical control system has a decisive impact on its operation. If the electrical control system fails， it will directly affect the normal operation of CNC machine tools and reduce the Productivity. With the rapid development of numerical control technology， the types of faults involved in the electrical control system of numerical control machine tools are gradually increasing， and the complexity is also increasing. Therefore， it is necessary to deeply explore its diagnosis and maintenance problems at this stage.

[Keywords]CNC machine tool; electrical control system; fault diagnosis

在改革開放不斷深入的背景下，我國社會經濟實現了較好的發展，使得電子和數控技術實現了全面的發展。在此形勢下，數控技術逐漸滲透到了我國機械制造行業中，并得到了廣泛運用，有利于電子和數控技術的良好發展。在此形勢下，數控技術在我國機械制造行業之中實現了廣泛運用，能夠促進生產結構柔性化、自動化以及數字化的提升。傳統車床因為以人力為主，所以便有諸多不足之處，不論是零件效率，還是質量均差強人意。同時，數控車床能夠推動生產過程順利達到自動化控制的目標，消除傳統工藝在性能方面存在的局限性。但即使如此，數控車床還是有部分故障問題存在，一旦解決不好，會影響電氣控制系統效率，進而需要對數控機床電氣控制系統故障診斷以及維護方式進行全面的探究。

1 電氣控制系統與數控機床概述

1.1 電氣控制系統組成

數控機床電氣控制系統，主要由數控裝置（CNC）、伺服系統（進給伺服與主軸伺服）以及機床強電控制系統（繼電器解除控制系統、可編程控制系統）構成。

在整個數控機床電氣控制系統中，占據中樞位置的是就是數控裝置，其能夠自動處理那些輸入到數控機床內部的每一個數控加工程序，并把這部分數控加工程序分成兩大類分別進行輸出。

伺服系統的構成分為進給伺服系統與主軸伺服系統。前者又分為進給伺服電機與進給伺服裝置，主要起到驅動數控機床各坐標軸切削的作用，并提供其切削時所需的轉矩與運轉速度給數控機床。而后者又分為主軸電路與主軸伺服裝置，用于調節與控制主軸轉速。

機床的強電控制系統，不僅擁有機床的輔助運動與輔助動作的控制功能，還能夠監控保護開關以及操作面板上的每一個器件等。

1.2 電氣控制系統故障原因分析

通常情況下，電氣控制系統故障的類型有3種，即電源、線路以及元器件故障。如果想正確處理、排除故障，就一定要將電氣控制系統的故障原因弄清楚。部分電氣控制系統的故障原因和排除方法如表1所示。

2 數控機床對電氣系統的基本要求

數控機床需要長時間維持在運轉狀態，對此應對其內部涉及到的相關電氣控制系統進行科學的控制，確保安全性、可靠性以及穩定性，并提高數控機床在生產方面的效率，防止出現安全事故。

2.1 可靠性強

由于數控機床需要長期連續運轉，對可靠性要求很高。因而在設計電氣系統，選用一些部件時便對可靠性、容錯技術和冗余技術等予以了采用。在部件的選用上必須滿足兩項條件，即最成熟以及與國際標準相符，并獲得了授權認證。

2.2 與新技術的發展保持同步

在保證電氣系統可靠性的基礎上，需加強其先進性，簡而言之指的是通過新型組合功能電器元件、電力電子功率器件以及新型電子電器。

2.3 穩定性高

需將諸多技術措施應用到電氣系統中，使之在較寬的環境條件下也能夠很好的適應，對交流供電系統電壓的波動可以很好的適應，并能夠有效抑制電網系統內的噪聲干擾，與電磁兼容的國標要求相符，系統內部不僅不會相互干擾，還可對外部干擾起到一定的抵抗作用。

2.4 具有安全性

應確保電氣系統的連鎖具有有效性以及電器裝置的良好性，做好防護工作，正確接地，讓操作人員能夠在安全的環境中工作。電器部件的防護外殼必須具備“三防”功能，即防塵、防水、防油污。電柜要擁有良好的封閉性，以免內部滲入外部的液體和切屑、導電塵埃。電柜之中的元件在正常運轉的過程中，不應被擊穿，且能夠預防外部雷電的突襲。針對移動頻率較高的電纜，需設置好護套以及拖鏈防護，以免纜線被磨斷或發生短路進而引發系統故障。就內部部件可能會產生的溫升狀況，應具備有效抑制措施，尤其是在夏季，強迫風冷和冷器冷卻必須要有一個。另外還應配備預防觸電和碰傷的相關設施。

2.5 便于維護

易損部件一定要方便更換或者替換，保護元器件的保護動作必須要有很高的靈敏度，同時也不得誤動作。在排除故障后可以恢復功能。

2.6 控制特性良好

一切被控制的電動機必須能夠平穩啟動，且響應非常快，沖擊、震動、振蕩以及異常噪聲和異常溫升均不能有。

3 數控機床電氣控制系統的故障診斷

3.1 直觀判斷方法

此法簡單來說就是當數控機床處于運行狀態時，應對設備外部特點進行仔細的觀察，根據各類信息的處理與研究過程，通過直觀的判斷得出結論。諸如有焦糊味、有電火花出現以及設備異常震動、設施某處發熱異常等都是常見的直觀判斷方法，一旦出現上述幾種情況便說明此區域已有故障發生。數控機床電氣系統在具體運轉方面，應分析該設備的運行狀態。比如在處理信息時，就要基于現階段的信息處理方法，并將設備的表現情況聯系起來，對當前的系統運行狀態代表的問題展開直接分析。

3.2 自診法

快速發展的科學技術，讓數控系統可以實現自診故障，并對數控系統軟硬件的工作狀態做到隨時監控，第一時間反映各方（硬件、用戶零件程序、標準循環、數控通道等）異常信息，極大地便利了故障處理。各部件上，如電子、電器裝置等安裝有指示燈，用于顯示狀態與故障，以便于準確判斷故障類型與未知，方便采取針對性解決措施。立足于信號以及報警指示分析，可第一時間把故障排除并展開維修，屬于可靠性較好的方法之一。

3.3 參數診斷

在數控機床處于運行狀態時，數控機床電氣控制系統中的參變量或許會有所改變，進而引發故障風險。故障診斷人員在分析診斷參數時，需參照電氣控制系統中的實際參變量，并將參變量的異常變化作為重點分析內容，基于參變量的異常信息展開分析，從而發現電氣控制系統存在的故障，對其中異變的參數做出合理調整，確保電氣控制系統能夠維持在正常工作狀態。比如，故障診斷工作人員通過參數診斷電氣控制系統的過程中，如果機械手在換到速度方面的參數有異常，同時換刀氣缸的壓力也不同于正常值，且換刀節流閥開口存在異常，那么就需對換刀啟動回路的壓力及參數做出相應的調整，如此就可排除機械手換刀的故障。所以，經分析可知，只有確保電氣控制系統參數設置的合理性，方可確保數控機床的平穩運行。且參數一旦設定，則系統的參變量便不能隨意更改，防止參變量數據有異常變化出現。

3.4 置換與轉移診斷

若數控機床電氣控制系統出現故障，那么最有效的措施就是置換與轉移診斷系統，即故障是否確定，均不會影響到故障診斷的有效性。①轉移診斷方法：此法主要用于不清楚電氣控制系統故障或者未有備用元件的情況下。如果在故障發生后，置換的元件功能相同，數量為兩個，且經檢測發現有轉移情況出現，便可準確判斷出系統故障所在位置。②置換診斷：此方式能夠對電氣控制系統故障原因進行明確，并在短時間內完成對故障維修的情況下。其主要通過把發生故障的設備或元件置換，可讓數控機床電氣控制系統的正常生產狀態不受影響，僅需單獨維修置換發生故障的設備即可。排除特殊情況，在數控機床電氣控制系統運行時，可提前把各種元件、設備準備好，待其發生故障時直接將故障設備置換。

3.5 儀器檢查診斷法

這一方法主要是為查出故障源，若可以把故障源定位到某個具體的元器件，那么就能夠將故障性質與原因知曉，進而采取針對性維修，把維修成本有效降低。比如，在檢測電路板時，可將電路板特性參數輸入到電路板故障測試儀中，接著展開測試，通過比較參數找到故障的源頭。

4 數控機床電氣控制系統的維護

4.1 遵守操作規程

不論是數控系統編程人員、維修人員，還是操作人員，均應接受專業的培訓，能夠熟練操作數控機床的控制系統、液壓、強調設備等，并可以根據使用說明書準確使用系統與機床，從而將因誤操作而導致的數控機床故障有效減少。很多時候，系統故障都是因為第一次使用數控機床或未熟練操作數控機床而引起的。因此就需根據相關制度展開維護工作，同時還要經常更換一些零件或進行加油。

4.2 初始化系統進行復位

在工業生產過程中，倘若數控機床機械突發故障，檢修人員需立即將機械暫停，初始化復位處理所有系統硬件，或者重新操作電源開關，利用單一的功能關閉對故障發生部位進行維護。但這樣做可能會清除系統已設定的參數，因此系統維護人員在維修系統之前，必須事先對系統中的全部數據進行備份，保證結束維護工作后不會對系統正常運行造成影響，不用再設置參數，進而有效提升生產效率。

4.3 參數調整工作

在調整參數時，必須保證系統中所有參數的處理狀態良好，在調整各類信息的過程中，可按照伺服驅動系統、被拖動的機械系統得到相關參數的最佳匹配調節方案。這一方法比較簡單，借助一臺多線記錄儀即可分析，然后再觀察整個系統的運行過程，就系統運行速度與質量，構建反饋工作機制，將電流反饋的各種管理參數掌握，之后借助調整此系統中的積分時間和速度調節器，同時將比例系數增大，如此便可以確保整個伺服系統處于最佳化的動態響應狀態。且在系統運行過程中，也能夠預防有預先性問題出現，在現場中沒有可以使用的記錄儀時，也可以借助操作人員的工作經驗，有效調節電機的運行參數，并反向調節處理該參數，最終消除系統運行中存在的故障性問題。

4.4 電源調整工作

在調整各類電源時，需要結合所有數控系統的運行參數，目的在于讓電源波動得以改善。就高頻干擾環境，可以借助電容濾波法，借助有效的預防措施最大化控制電源板帶來的電力沖擊，使故障發生概率顯著降低。針對電路控制系統而言，因其具有諸多故障，故在調整過程中應采取不同的維修方法，受控技術應滲透到各個工業部門，使其可以就數控機床的調度控制系統，建立健全監管工作機制。除此之外，還應就各類設置對專業的維修部門進行設立，各部門人員需做到長時間待命，以在整個系統發生警報或當操作人員不能正確管理這一設備時，能夠及時處理工作。

4.5 定期檢查控制系統備件

通常來說，數控機床電氣控制系統有很多零件構成，如此，“單個零件問題對整個系統運行造成影響”的問題出現率便很高。對此，就要求系統維護人員選擇固定時間全面檢修系統的每一個運行零部件，確保其有一個良好的使用狀態。同時，針對一些經常發生故障的零部件，可以適當地多開展檢修工作，及時對維護備件進行更換。而在完成備件的更換后，還要切實做好相應的初始化啟動工作，保證數控機床可正常使用，還要對更換的部件的線路進行維修，為之后的使用提供方便，有效控制零部件采購成本。

4.6 數控機床電氣控制系統電壓維護

為了實現數控機床電氣控制系統的穩定運行，就必須確保其電壓值與相關規定相符。就現階段的實際情況來說，大部分數控機床電氣控制系統的額定電壓值均不超過15%，如果電壓在響應范圍之上，那么勢必會破壞數控機床電氣控制系統的正常運行，增加運行過程中問題的出現幾率。所以在日常維護過程中，針對電氣控制系統的運行電壓值，應加大監控力度，竭盡全力確保此裝置運行電壓值符合相關要求。

5 結語

數控機床是機械生產中非常重要的一項設備，其使用壽命和性能直接影響著企業的生產、經濟效益。所以一定要把數控機床電氣系統的日常保養、維護做到位，如此方可使之運行狀態保持良好，將故障發生率最大程度地降低，實現安全生產。只有在診斷數控機床電氣控制系統的故障方面做進一步加強，方可把故障找準，并與預防性的維護相配合，確保數控機床運行的正常，以最少的設備實現企業經濟效益的最大化，促進核心競爭力的增強，讓企業朝著可持續的方向發展。

參考文獻

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