數(shù)控機床電氣系統(tǒng)維修方法及實例研究

馬 帥

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 山西 大同 037000）

引言

在當(dāng)前各行業(yè)對機械零部件需求日益增長的年代，我國對機床的需求量也隨之增加。與此同時，對機床的性能和加工效率也提出了更高的要求。經(jīng)統(tǒng)計可知，我國作為第一機床消耗大國，雖然擁有龐大的機床數(shù)量，但是所擁有機床的質(zhì)量和水平相對較慢[1]。近年來，雖然我國在機床數(shù)控化的方面得到飛速的發(fā)展，但是與發(fā)達(dá)國家仍存在一定的差距。

經(jīng)調(diào)研可知，當(dāng)前我國大部分制造企業(yè)所采用的數(shù)據(jù)機床存在機械部件可靠，但其對應(yīng)電氣元器件已經(jīng)出現(xiàn)老化，從而導(dǎo)致設(shè)備在生產(chǎn)過程中的故障率較高。為此，需結(jié)合我國當(dāng)前數(shù)控機床的現(xiàn)狀對其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行維修改造。

1 數(shù)控機床基本情況分析

本文以CK6140 數(shù)控機床為研究對象，該型數(shù)控機床由于使用年限相對較長，其中的部分元器件已經(jīng)出現(xiàn)老化，導(dǎo)致其在生產(chǎn)制造過程中的故障率較高，極大影響了制造廠的加工效率。為此，本節(jié)將針對CK6140 機床的基本情況進(jìn)行分析，并著重對其電氣控制系統(tǒng)（數(shù)控系統(tǒng)、控制柜、電機等）現(xiàn)狀進(jìn)行分析[2]。

1.1 電氣系統(tǒng)現(xiàn)狀

CK6140 數(shù)控機床各部分所采用驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)計如表1 所示。

其中，CK6140 數(shù)控機床的X、Z 軸方向的控制系統(tǒng)屬于開環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)對上述驅(qū)動器、步進(jìn)電機以及變頻調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場試運行后得知：步進(jìn)驅(qū)動器和步進(jìn)電機通電后不能正常工作，并發(fā)出報警；變頻調(diào)速控制系統(tǒng)中對應(yīng)的核心變頻器可正常運行工作；該機床對應(yīng)控制電柜雖然接地端等位置有鐵銹，但是其可正常運行。

表1 CK6140 數(shù)控機床驅(qū)動情況統(tǒng)計

目前，CK6140 主軸對應(yīng)的電機可正常工作，而其他各軸所采用的三項步進(jìn)電機的故障狀態(tài)還需進(jìn)一步監(jiān)測，主軸電機對應(yīng)的編碼器采用示波器進(jìn)行檢測后得知不能正常工作。

1.2 機械系統(tǒng)現(xiàn)狀

經(jīng)對Ck6140 數(shù)控機床機械部件進(jìn)行檢測后得知：該機床主軸可正常轉(zhuǎn)動；該機床雖然銹蝕情況嚴(yán)重，但是其軌道尚未被損壞；該機床軸承、螺母副以及導(dǎo)軌等位置需進(jìn)行全面潤滑保養(yǎng)。總的來說，CK6140 數(shù)控機床的機械部件在精度方面仍然滿足國標(biāo)16462.1 的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[3]。

綜上所述，本文所研究的CK6140 數(shù)控機床的機械部件情況還比較理想，其電氣系統(tǒng)的情況不理想。因此，本文將著重對CK6140 數(shù)控機床的電氣系統(tǒng)進(jìn)行維系改造。

2 數(shù)控機床的維修改造

經(jīng)第1 節(jié)中分析可知，僅需對CK6140 數(shù)控機床的機械部件進(jìn)行簡單維護(hù)即可，但需對該機床的電氣部分進(jìn)行深度的維修改造。本節(jié)將從機械和電氣兩個維度闡述數(shù)控機床的維修改造，其中以其電氣系統(tǒng)的維修改造為重點。

2.1 數(shù)控機床機械部分的維護(hù)

結(jié)合CK6140 數(shù)控機床機械部件的現(xiàn)狀，采用維護(hù)、調(diào)整、維修三個層面對其進(jìn)行改造。具體闡述如下：

1）維護(hù)。將數(shù)控機床各個部位的銹蝕和污垢全面清除，并將已損壞的零件進(jìn)行全部更換；對機床液壓回路中各個液壓元器件進(jìn)行清理等；

2）調(diào)整。對數(shù)控機床中發(fā)生偏移的零部件位置進(jìn)行調(diào)整。其中包括對主軸前后支撐軸承組、滾珠絲杠螺母副之間的間隙等；

3）維修。將數(shù)控機床中所配置的原進(jìn)給電機進(jìn)行更換，并對數(shù)控機床中的四方刀架進(jìn)行維修[4]。

2.2 數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的維修

針對數(shù)控機床電氣系統(tǒng)的現(xiàn)狀分析結(jié)果，其總體維修改造思路如下：采用伺服系統(tǒng)對X、Z 軸進(jìn)行優(yōu)化控制；將變頻器中的參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，以保證其適應(yīng)維修改造后機床的電氣控制系統(tǒng)；對數(shù)控機床涉及的控制電柜等位置進(jìn)行清洗，并根據(jù)維修改造方案對控制柜進(jìn)行重新設(shè)計和布置。

2.2.1 數(shù)控機床主軸驅(qū)動系統(tǒng)的維修改造

目前，CK6140 數(shù)控機床主軸所采用的驅(qū)動控制系統(tǒng)為開環(huán)控制系統(tǒng)，其無法適用高加工精度、高自動化的要求。為此，需實現(xiàn)對主軸驅(qū)動系統(tǒng)的無極調(diào)速控制。故，仍然沿用原數(shù)控機床的變頻調(diào)速原理實現(xiàn)對主軸的驅(qū)動控制。

綜合分析，針對數(shù)控機床主軸的驅(qū)動控制采用變頻器與變頻電機聯(lián)合應(yīng)用的方式進(jìn)行維修改造。與此同時，為保證主軸定位的準(zhǔn)確性，在上述基礎(chǔ)上為其配置電脈沖編碼器。鑒于Ck6140 數(shù)控機床的變頻器仍可正常使用[5]；以原變頻器為基礎(chǔ)完成主軸驅(qū)動系統(tǒng)的電路設(shè)計，電路連接如圖1 所示。

圖1 變頻調(diào)速電路圖

如圖1 所示，變頻調(diào)速電路中除了核心變頻器外，還包括有斷路器、接觸器、電抗器以及濾波器等器件。其中，基于接觸器可實現(xiàn)對系統(tǒng)的順序啟動，并保證系統(tǒng)在停電導(dǎo)致停機后可實現(xiàn)其自動啟動功能；基于電抗器可進(jìn)一步改善系統(tǒng)的功率因數(shù)。

為實現(xiàn)對系統(tǒng)主軸的精準(zhǔn)定位，在主軸上配置主軸編碼器。結(jié)合主軸定位功能的需求和主軸編碼器的產(chǎn)品系列，最終采用ZKKT6012 型主軸編碼器對主軸進(jìn)行精準(zhǔn)定位，其具體參數(shù)如表2 所示。

2.2.2 數(shù)控機床伺服驅(qū)動系統(tǒng)的改造

伺服控制系統(tǒng)為實現(xiàn)機床數(shù)控系統(tǒng)和機床執(zhí)行部件連接的環(huán)節(jié)，要求其具有高精度、高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)特性以及較寬的調(diào)速范圍等特點。根據(jù)伺服控制系統(tǒng)的反饋裝置，其包括有開環(huán)伺服控制系統(tǒng)、半閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)以及閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)。

數(shù)控機床所采用伺服控制系統(tǒng)的主要目的是減小機械部件之間傳動誤差對最終產(chǎn)品加工誤差的影響。因此，針對伺服控制系統(tǒng)的維修改造，需在對數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)傳動速度以及傳動比等參數(shù)計算的基礎(chǔ)上完成對伺服系統(tǒng)的選型；根據(jù)所選型的伺服系統(tǒng)完成對應(yīng)伺服電機的選型，并對電機選型結(jié)果進(jìn)行校驗；最終，完成伺服控制原理圖的設(shè)計，并完成調(diào)試任務(wù)。

表2 ZKKT6012 型主軸編碼器參數(shù)

伺服控制系統(tǒng)包括對縱向進(jìn)給系統(tǒng)和橫向進(jìn)給系統(tǒng)的控制。針對CK6140 數(shù)控機床的現(xiàn)狀，本節(jié)著重完成對伺服控制系統(tǒng)中對應(yīng)電機、驅(qū)動器的選型，并完成相關(guān)參數(shù)的設(shè)置工作。

結(jié)合CK6140 數(shù)控機床X 軸、Z 軸的進(jìn)給控制需求，分別為其配置對應(yīng)的伺服電機，具體如表3 所示。

表3 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)伺服電機選型及參數(shù)

3 結(jié)語

數(shù)控機床為機械制造加工的關(guān)鍵設(shè)備，其性能直接決定產(chǎn)品的加工質(zhì)量。我國作為機床消費第一大國，雖然擁有機床的數(shù)量龐大，但是機床更新迭代速度較慢。與此同時，對于年限較為久遠(yuǎn)的數(shù)控機床而言，除了其相關(guān)的電氣控制系統(tǒng)無法滿足實際加工需求外，其他機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)還可滿足實際加工需求。因此，為降低購買數(shù)控機床的成本，降低其實際加工生產(chǎn)的故障率，應(yīng)針對性地對其電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行維修改造。