淺析數控機床電氣控制系統故障與診斷

劉力巖

【摘要】數控（Numerical Control，NC）技術是用數字化信息進行控制的自動控制技術;采用數控技術控制的機床，稱為數控機床。數控機床是現代制造業的基礎裝備，其質量如何及機床可靠性能的高低直接影響著一個國家先進制造業的發展水平。隨著先進制造技術的發展，不僅要求機床具有優越的性能和高度的自動化功能，更要求具有性能與功能的維持性、可靠性、維修性和維修保障性，即要求機床具有可信性。隨著機床使用時間的延長，數控機床會出現這樣或那樣的故障，本文就以數控機床電氣系統故障為主進行分析。

【關鍵詞】機床;數控機床;電氣故障;分析診斷

一、數控機床及電氣系統概述

1.數控機床

數控機床集機械、液壓、氣動、伺服驅動、精密測量、電氣自動控制、現代控制、計算機控制和網絡通信等技術于一體，是一種高效率、高精度、能保證加工質量、解決工藝難題和具有柔性加工特點的生產設備。數控機床具有加工精度高、生產率較高、減輕勞動強度，數控機床的操作由體力型轉為智力型、改善勞動條件，可有效保持工作環境的清潔、有利于生產管理等優點。

2.數控機床電氣系統的基本要求

（1）高可靠性;

（2）緊跟新技術的發展;

（3）穩定性;

（4）安全性;

（5）方便的可維護性;

（6）良好的控制特性;

（7）運行狀態明顯的信息顯示;

（8）操作的宜人性。

二、數控機床電氣控制系統的組成

數控機床電氣控制系統由數控裝置、進給伺服系統、主軸伺服系統、數控機床強電控制系統等組成，如圖1所示：

圖1

由圖1中所示，電源及保護電路由數控機床強電線路中的電源控制電路構成，強電線路由電源變壓器、控制變壓器、各種斷路器、保護開關、接觸器及熔斷器等連接而成，以便為輔助交流電動機（如冷卻泵電動機、潤滑泵電動機等）、電磁鐵、離合器及電磁閥等功率執行元件供電。強電線路發生故障將會影響數控系統直至整機。

三、數控機床電氣故障特點及診斷

數控機床故障的發生頻率高低，故障原因等可以評定數控機床質量的好壞，通過多年來對全國汽車、航天、兵工、動力和通用機械等行業數十家機床用戶進行調查發現：裝有國外數控系統的數控機床。電氣控制系統故障數占整臺機床故障總數的21.8%，配備國外數控系統的加工中心，其數控電氣控制系統（含伺服單元）故障數占故障總數的18.2%，國產數控機床最頻繁的故障模式也集中在電氣控制系統。由此可見，無論是國外數控機床還是國產數控機床，電氣控制系統故障都是數控機床的重要故障源之一，都會對機床整機造成停機損。

1.數控機床電氣故障的類型

（1）按故障引起的結果可分為致命性故障和非致命性故障;（2）按故障的統計特性又可分為獨立故障和從屬故障;（3）按照數控機床故障頻率的高低又可分為早期故障、偶然故障和耗損故障;（4）按引起故障的機床部件分為軟故障和硬故障。

2.數控機床電氣控制系統故障的特點

數控機床的結構復雜性使其故障具有復雜性和特殊性，引起數控機床故障的因素有很多，不能只看故障的現象，要結合電氣故障特點透過現象去檢查引起故障的綜合因素，找到引起故障的根源，采取合理的方法給予排除。電氣控制系統故障的特點有：

（1）電器元件有使用壽命限制，非正常使用下會大大降低壽命。

（2）電氣系統容易受外界影響造成故障，如環境溫度過高，電柜溫升過高致使有些電器損壞。甚至鼠害也會造成許多電氣故障。

（3）操作人員非正常操作，能造成人為故障。

（4）電線、電纜磨損造成斷線或者短路，蛇皮線管進冷卻水、油液而長期浸泡，橡膠電線膨脹、黏化，式絕緣性能下降造成短路。

（5）冷卻泵、排屑器、電動刀架等的異步電動機進水，軸承損壞而造成電動機故障。

3.數控機床電氣故障診斷

（1）經驗機械診斷法。a直觀法（望聞問切）：問-機床的故障現象、加工狀況等;看-CRT報警信息、報警指示燈、電容器等元件變形煙熏燒焦、保護器脫扣等;聽-異常聲響;聞-電氣元件焦糊味及其它異味摸-發熱、振動、接觸不良等。b參數檢查法：根據故障特征檢查和校對有關參數;c隔離法：難以區分故障是哪部分造成時，常采用隔離法;d功能程序測試法：將G、M、S、T、功能的全部指令編寫一些小程序，在診斷故障時運行這些程序，即可判斷功能的缺失。

（2）程序系統診斷法。a開機自診斷：數控系統在通電開機后，都要運行開機自診斷程序，對系統中關鍵的硬件和控制軟件進行檢測，并將檢測結果在CRT上顯示出來;b運行自診斷：數控系統正常工作時，運行內部診斷程序，現代數控系統多將PLC集成于其中，而CNC與PLC之間則以一系列接口信號形式相互通訊聯接。對系統本身、PLC、位置伺服單元以及與數控裝置相連的其他外部裝置進行自動測試、檢查，并顯示有關狀態信息和故障信息;c在線診斷：是指通過數控系統的控制程序，在系統處于正常運行狀態下，實時自動地對輸入輸出和其他外部裝置進行自檢，并顯示狀態信息、故障信息;d脫機診斷：當數控系統出現故障時，需要停機進行脫機診斷;e遠程診斷：是近幾年發展起來的一種新型的診斷技術。數控機床利用數控系統的網絡功能通過互聯網連接到機床制造廠家，數控機床出現故障后，通過機床廠家的專業人員遠程診斷，快速確診故障。

（3）參數調整法。數控參數能直接影響數控機床的性能。數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同機床、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配，而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此，任何參數的變化甚至丟失都是不允許的，而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障多需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的，不僅要對具體系統主要參數十分了解，既知曉其地址熟悉其作用，而且要有較豐富的電氣調試經驗。

（4）交換法。一種簡單易行的方法。當發現故障或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下，可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查。

4.故障診斷應遵循的原則

第一，先外部后內部。數控機床的檢修要求維修人員掌握先外部后內部的原則，由外向內逐一進行檢查排除。

第二，先機械后電氣。首先檢查機械是否正常，在故障檢修之前，首先注意排除機械的故障;

第三，先靜后動。維修人員首先詢問機床操作人員故障發生的過程及狀態，查閱機床說明書、圖紙資料進行分析后，才可動手查找和處理故障。

5.故障處理

（1）故障處理對策

除非出現影響設備或人身安全的緊急情況，不要立即切斷機床的電源，應保持故障現場。從機床外觀、CRT顯示的內容、主板或驅動裝置報警燈等方面進行檢查。可按系統復位鍵，觀察系統的變化，報警是否消失。如消失，說明是隨機性故障或是由操作錯誤引起的。如不能消失，把可能引起該故障的原因羅列出來，進行綜合分析、判斷，必要時進行一些檢測或試驗，達到確診故障的目的。如表1所示。

（2）數控線切割機床的故障診斷處理

工具車間的一臺SHT-320快速走絲線切割機床，平時很少發生故障，性能很好。但有一次使用中連續發生斷絲，經詢問操作工及初步檢查，排除機械及其它方面原因，著手檢查電氣系統。1）目測無明顯故障點及故障元件，檢查未發現接觸不良情況，電源正常。測量空載輸出波形，看似正常，試機切割，火花正常，但幾分鐘后鉬絲斷了。2）再測量輸出波形，發現脈沖下降沿底部有下沖現象。分析功放板的問題，空載時，將功放板逐一拔下，插上觀察波形。在將第四塊板拔下插入時，發現輸出波形中有幅度不一的直流波形，再拔下，波形恢復正常，再測量振蕩輸出波形，脈沖下降沿下沖消失。3）檢查該板，發現三極管的bc結擊穿，更換后試機，一直五個小時未斷絲。

經分析，該三極管不是插拔是損壞，是在故障出現時，其PN結就已損壞，這時電阻值大，直流電源電壓通過PN結與電阻分壓后加至其它同類作用的三極管的基極，使得輸出脈沖中含有一直流分量，或是脈沖電源運行段時間后三極管發熱，特性變壞，發生斷絲。但由于示波器或測量原因，波形中觀察不到，有直流成分后即斷絲。

參考文獻

[1]王貴成.數控機床故障診斷技術[M].北京：化學工業出版社，2005（第1版）.

[2]龔忠華.數控機床故障診斷與維修500例[M].北京：機械工業出版社，2004.