試論數控機床電氣系統可靠性

于福來

摘要：數控機床不斷的發展，國外依靠成熟的技術以及制造水平，技術水平不斷提高，我國的機床面臨的競爭越來越激烈，作為數控機床的核心，不斷的提高電氣系統的可靠性，讓電氣系統保持長久穩定，舒適人機界面，安全可靠的可持續狀態，是制造出高精度經濟型的數控機床的基礎。

關鍵詞：數控機床；電氣系統；可靠性

數控系統的可靠性設計值，要通過制造和裝配過程予以保證和實現。低劣的制造和裝配工藝，可靠性設計值就成為根本不能兌現的空話，因此對關鍵的制造工序和裝配工序要建立可靠性保證體系。制造和裝配工藝水平落后，過多的手工操作和人為參與是國產數控系統可靠性的軟肋。對于國產數控系統這種小批量生產的產品，現有的工藝水準，很難從硬件制造的角度保證系統的可靠性。國際名牌數控系統的大批生產，采用機器人焊接，實現全自動制造，減少人為參與，避免了由于人為不慎所造成的失誤。數控機床電氣系統一般沒有齊全的技術資料，系統一旦出現故障，別人很難從源代碼解讀，只有原編者才能修改。因此要加緊建立軟件可靠性保證體系，對軟件的研制、測試、運行和維護各階段進行計劃、組織、監督控制和指導。對開發的數控機床電氣系統軟件要進行可靠性論證，制定軟件的可靠性考核辦法，以便有效提高軟件可靠性。

一、數控系統可靠性低的原因

近幾年來數控機床企業界有了一些新的認識，數控機床毛病最多的是電氣控制部分，其次才是機械部分。電氣部分故障率高的是數控系統部分，其他部分出現故障的概率很少。通過對數控機床的故障統計分析得知，電氣系統故障絕大多數是國產機電元件質量差所引起的。其中國產元件存在質量問題最多的包含機械觸點繼電器、開關、按鍵、鍵盤、接插器、屏蔽電纜、電容、連接器、交流插座等。根據一項國外的統計，計算機的故障中90%是電源本身的故障和來自電源對干擾的傳導，往往強電設備對電源系統是存在一定的影響的，強電在使用中會產生很強的脈沖噪聲，通過各種途徑傳導影響電子設備的正常運行。根據電磁兼容性（EMC）原理，首先把電源搞好，從電源系統抑制干擾更有效。因為電源系統往往是噪聲的“媒體”通過饋線傳播干擾。近年來，雖然電網供電質量有較大提高，但是各地工廠的具體情況差別很大，部分工廠電壓波動超過士15%，這時往往伴隨著種種噪聲干擾，系統會時好時壞，故障率明顯增加。

二、數控機床電氣系統可靠性問題分析

現階段數控機床電氣系統可靠性問題突出，展開相應的可靠性問題分析研究具有積極的現實意義與價值。數控機床電氣系統正如上文所述是機床的核心，電氣系統可靠性屬于綜合性問題，造成可靠性下降的問題因素較多。隨著數控機床越發普及，數控機床電氣系統故障問題也日益凸顯。電氣系統故障在數控機床故障中占比超過70%，而在多數的數控機床電氣系統故障原因當中，元器件質量低等相關原因較為突出。我國國產的數控機床設備，因機電元器件質量差直接導致了機床電氣系統控制效能下降，影響著數控機床運行效率和生產質量。總體來看國產數控機床機械觸點繼電器、開關、按鍵、鍵盤、接插器、屏蔽電纜、電容、連接器、交流插座等元器件的故障率高。數控機床電氣系統受外部電源干擾而失靈或失控的情況時有發生。通常情況下強電設備對電源系統都有影響，強電會產生較強的脈沖噪音，噪音通過一些途徑對電氣系統各部件造成影響，使電氣系統穩定性下降。做好電源系統噪音抑制早已經成為機床設計的一項基礎工作，但目前電源干擾問題并沒有因為技術創新和設計完善而徹底解決，避免電源干擾還需要電網優化等其他措施加以輔助，目前來看困難較大。數控機床的日常使用規范性和維保工作到位率也是影響電氣系統可靠性的關鍵因素。目前個別企業在數控機床使用過程中，注重生產效率而輕視了使用規范性，違規操作情況突出，同時企業在設備維保方面的投入也不到位，發現問題解決問題成為常態，缺乏維保的及時性和有效性。

三、數控機床電氣系統可靠性的策略

數控機床電氣系統的可靠性水平從根本上說是在設計階段決定的，是通過實際的制造和生產管理實現的。凡是為提高產品可靠性水平而采取的設計技術都稱為可靠性設計。目前由于數控機床電氣系統產品缺乏真實可用的可靠性數據，無法實現在真正意義上進行可靠性的預計和分配。但我們可以采取多種實用的可靠性設計措施，如制訂可靠性設計準則、可靠性設計檢查表，實行可靠性設計評審，在故障分析基礎上進行可靠性改進設計等。可靠性設計準則，被日本的企業界認為是產品可靠性設計的三大法寶之一。它是在對產品進行故障模式、危害度和影響分析的基礎上，選用更加可靠的零件、元器件，采用簡化設計、優化設計、降額設計、熱設計、冗余設計、環境設計、人機工程設計等技術，從而保證產品的可靠性。經過大量的研究實驗和實踐，我們必須認識到要想把CNC做好，首要問題是解決電源的問題，確定提高數控機床電氣系統可靠性要以供電電源為突破口，切實提高電源的電網適應能力和電磁兼容性能力。首先大膽采用降額設計技術，重點是選擇功率器件（大功率三極管、快恢復二極管等）以及低通電源濾波器，電解電容等。降額設計的使用應包括電流、電壓和功率等電學應力降額，也應包括像振動、溫度、沖擊等環境應力方面的降額。在進行設計時不僅要充分考慮穩態性能，還要兼顧脈沖狀態以及環境變化時所引起的供電波動、浪涌和干擾等情況。因此，在進行數控機床電氣系統的設計階段要留有足夠的余量。當進行環境設計時也應考慮抗振設計和熱設計的加固技術。數控機床電氣系統的安裝好壞對數控機床的可靠性和穩定運行是至關重要的。

參考文獻：

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[2]周國平.數控機床電氣系統的特點及維修實例[J].中國新技術新產品，2017.

（作者單位：沈陽機床股份有限公司）endprint