數控機床電氣系統可靠性分析

于 彤

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

0 引言

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

1 數控機床電氣系統分析

電氣系統可以說是數控機床可靠運行的關鍵，是整個設備的核心，主要負責程序指令的接收并識別解釋程序，完成結果邏輯數據的計算與判斷處理，最后發揮速度以及時間控制的操作指令。數控機床電氣系統比較復雜，可細分出伺服電機、檢測開關、伺服放大器、編碼器、數控單元、繼電器、變頻器等多個子系統[1]。電氣系統控制著數控機床的各個部件，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。如果電氣系統出現任何異常，將會直接反映到數控機床的運行狀態上，關系著是否可以安全穩定地完成生產制造作業，因此必須要提高對電氣系統的重視，總結并排除影響其狀態的各項因素，爭取進一步來提高電氣系統的可靠性，為數控機床的穩定運行提供保障。

2 影響數控機床電氣系統可靠性因素

2.1 元器件質量問題

數控機床現在已經成為機械生產制造的重要設備，隨著應用范圍越來越大，出現的數控機床電氣系統故障也就越來越多。據統計電氣系統故障是數控機床所有類型故障中的主要類型，并且在多數的數控機床電氣系統故障中，又以元器件質量差為故障發生主要原因。設備生產制造環節對元器件把控不到位，有質量低劣的電元器件被應用到數控機床的電氣系統，例如按鍵、開關、鍵盤、屏蔽電纜、接插器、電容、連接器等，導致機床電氣系統可靠性降低，在后期運行過程中產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，不拔插次數少，很容易出現接觸電阻增大、彈性差、插針插孔氧化腐蝕以及基礎不良等問題，然后導致數控系統突然停機，甚至是程序失控，程序數據丟失。接插件狀態受作業環境影響較大，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現，可降低整個數控系統的運行穩定性。

2.2 系統設計不合理

雖然數控機床相關技術均比較成熟，但是很多數控機床的電氣系統設計并不流暢，設計理念比較落后，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要求。如果電氣系統設計不合理，其對外部干擾因素的抵抗能力也會比較差，出現失控甚至失靈的情況。另外，電源也會對數控機床電氣系統的可靠性存在一定影響，強電產生的脈沖噪聲通過各種途徑影響到電氣系統的元器件，導致系統整體穩定性降低。但是很多情況下，對于電源系統噪聲抑制方面的設計并未得到重視，缺少高新技術支持，依然會對系統電源產生一定干擾。

2.3 檢修維護不到位

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

2.4 制造工藝不嚴格

數控機床電氣控制系統可靠性還與制造工藝技術有著直接聯系，例如虛接焊接工藝不合格。數控機床電氣安裝時，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松脫問題而引起接觸不良、發熱、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，系統運行時機就會產生噪聲。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問題，在經過一段時間的運行后也會產生噪聲，降低系統運行的穩定性。

3 數控機床電氣系統可靠性優化策略

3.1 電氣系統設計優化

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

3.2 系統硬件設備質量

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

3.3 系統電源設計改造

對電源進行設計改造，也是提高數控機床電氣系統可靠性的重要策略之一，以供電電源為對象，通過高新技術的支持，進一步提高電源的電網適應能力與電磁兼容性能力。例如可以選擇應用降額設計方法，選擇功率器件與低通電源濾波器、電解電容等。降額設計的要點是實現電流、電壓以及功率等電學應力的降額，例如溫度、振動、沖擊等環境應力方面的降額。電源設計除了要考慮穩態性能，還需要兼顧脈沖狀態與環境狀態發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，這樣就要求數控機床電氣系統設計時必須要留有足夠的余量。并且，環境設計時同樣需要考慮抗振設計與熱設計的加固，確保可以將干擾控制到最小。

3.4 電氣系統安裝調試

除了要做好前期設計以外，還需要對安裝調試以及后期維護做好管理。如果設備制造與安裝工藝低劣，將會從根本上影響電氣系統的可靠性，因此需要就制造與安裝工藝制定相應的可靠性監管體系。就我國數控機床零部件生產水平來講，很難保證所有硬件制造結果的可靠性，目前還需要依賴于國際產品，其完全實現全自動制造，減少了人為參與環節，所得產品性能參數更加精準。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，保證電氣系統具有優良的抗靜電與抗電磁干擾能力。同時還應現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電源，以及對電路單元進行模塊化設計、線路板的PCB 設計與EMC 設計，提高數控系統的可靠性。另外，數控機床電氣系統并沒有完全統一的技術資料，如果系統在運行過程中出現問題，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，用于對電氣系統研制、開發、測試、運行以及維護等不同環節提供保障，通過專業性的組織與監督指導，來提高數控機床電氣系統的可靠性[5-6]。

4 結束語

電氣系統是數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制造的高效性。只有不斷地對實踐應用效果進行總結，分析電氣系統故障原因并利用有效的專業技術手段進行修復、解決，才能全面提高電氣系統的可靠性，使其抵抗外部干擾的能力更強，減少各類故障的發生。