數(shù)控機(jī)床的電器故障診斷及維修技術(shù)探究
2021-6-24 來源： 江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院 作者：吳鈞
摘要：數(shù)控機(jī)床現(xiàn)已成為現(xiàn)代自動化、電氣一體化生產(chǎn)發(fā)展的主力設(shè)備，如今也大量且廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造加工業(yè)中，數(shù)控機(jī)床中的電氣設(shè)備及其線路扮演著十分重要的角色，直接決定了數(shù)控機(jī)床的性能及運(yùn)行穩(wěn)定性，還影響了數(shù)控機(jī)床的操控、設(shè)備功能及安全性能。所以，數(shù)控機(jī)床操作人員務(wù)必加強(qiáng)對數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備及其線路的故障診斷及維修技術(shù)的分析與探究，全面深化對數(shù)控機(jī)床電器故障診斷及維修的能力，促進(jìn)數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造加工業(yè)中的穩(wěn)定發(fā)展。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；電氣故障；診斷；維修技術(shù)
0 引言
數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)成功實(shí)現(xiàn)將機(jī)器、電氣設(shè)備、液體進(jìn)行功能的集成，屬于機(jī)械制造加工業(yè)的高精尖生產(chǎn)設(shè)備，僅運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與安全性有所保障，還能提高加工精度且降低人工成本的投入，數(shù)控機(jī)床是否廣泛投入應(yīng)用已成為當(dāng)前機(jī)械制造加工業(yè)自動化、電氣一體化程度的評價標(biāo)準(zhǔn)。
數(shù)控機(jī)床的實(shí)際運(yùn)行中任一環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障且無法得到及時的解決，都將會對機(jī)械制造加工生產(chǎn)造成影響，降低生產(chǎn)質(zhì)量與效率，損害操作人員的安全與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。
1 、數(shù)控機(jī)床的組成及其主要電氣設(shè)備
1.1 數(shù)控機(jī)床的基本組成
數(shù)控機(jī)床的基本組成有加工程序載體、數(shù)控裝置系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)床主體、電氣系統(tǒng)設(shè)備及其管線與其它輔助裝置。以下是對各主要組成部分的結(jié)構(gòu)與工作原理的簡要概述說明。
1.1.1 加工程序載體
數(shù)控機(jī)床在設(shè)定好進(jìn)行工作時，正常情況下是不需要人工第二次介入的，完全由數(shù)控機(jī)床的加工程序電腦進(jìn)行操控，要求工作人員在前期做好加工件的數(shù)控機(jī)床編程工作。如機(jī)械加工制造中的零部件加工，前期設(shè)計編程程序就要包括刀具的使用、潤滑液與抗磨液壓油、切削油的使用、加工部件的相對運(yùn)動軌跡、刀頭刀具、油泵等加工設(shè)備的各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)等，將這些加工程序進(jìn)行編程工作使其轉(zhuǎn)化為數(shù)控機(jī)床的程序載體可接受的格式代碼，最后輸入數(shù)控機(jī)床的程序電腦中，執(zhí)行工作命令。
1.1.2 數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床運(yùn)行工作最重要的部件，現(xiàn)今的數(shù)控裝置大部分為 CNC（即 ComputerNumerical Control）技術(shù)。它主要通過多個微型處理器的共同處理工作，將數(shù)控裝置及其功能以程序化軟件的形式呈現(xiàn)，所以也叫作軟件數(shù)控。CNC 系統(tǒng)在數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用中準(zhǔn)確地來說是一種位置控制系統(tǒng)，它可以根據(jù)加工部件的設(shè)計程序進(jìn)行有效地補(bǔ)充理想的運(yùn)動軌跡，隨后輸出指令至數(shù)控機(jī)床加工設(shè)備進(jìn)行加工。所以說，數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置大概可以分成輸入、處理、分析和輸出這幾個部分，所有工作處理過程必須經(jīng)由計算機(jī)系統(tǒng)以及數(shù)控程序軟件進(jìn)行分析與處理，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。
數(shù)控裝置的輸入通常有鍵盤編程程序直接輸入、CAD系統(tǒng)直接導(dǎo)入和外接計算機(jī)直接數(shù)控輸入等。信息處理則是通過數(shù)控機(jī)床的輸入裝置將需要進(jìn)行加工的零部件的程序及各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳入 CNC 系統(tǒng)中，經(jīng) CNC 系統(tǒng)編譯成數(shù)控機(jī)床所能識別的格式代碼程序信息，再經(jīng)過逐步儲存、分析與運(yùn)行處理后，由輸出裝置輸出指令到伺服系統(tǒng)和主運(yùn)動控制系統(tǒng)。
控機(jī)床的輸出裝置與伺服機(jī)構(gòu)相連接，依據(jù)數(shù)控裝置的指令接受運(yùn)算系統(tǒng)的輸出信息，并將其轉(zhuǎn)送到各個數(shù)據(jù)對應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)，進(jìn)行伺服系統(tǒng)的驅(qū)動進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。
1.1.3 伺服與測量反饋系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的重要運(yùn)行操控系統(tǒng)，數(shù)控機(jī)床主要的進(jìn)給伺服控制與主軸伺服控制都由它來完成。伺服系統(tǒng)可以接受由數(shù)控機(jī)床控裝置輸出的指令程序信息，將其功率放大并進(jìn)行分析處理后，轉(zhuǎn)變成數(shù)控機(jī)床各加工部件的位移指令信息。伺服系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床最后一道工序，它的運(yùn)轉(zhuǎn)性能將直接決定數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量、加工精度與速度等性能指標(biāo)，所以，數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動裝置必須具有強(qiáng)大的接受、分與處理的性能，精準(zhǔn)而明確地進(jìn)行指令信息的讀取與處
理并驅(qū)動伺服系統(tǒng)，加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行穩(wěn)定性。
數(shù)控機(jī)床中的測量反饋系統(tǒng)還會把數(shù)控機(jī)床運(yùn)行過程中各加工部件的實(shí)際位移進(jìn)行檢測并換算成坐標(biāo)，通過反饋系統(tǒng)反饋回數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置中與設(shè)計編程程序值進(jìn)行對比，并實(shí)時向伺服系統(tǒng)輸出設(shè)計程序中的理想運(yùn)動軌跡與位移量指令。
1.1.4 數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)
數(shù)控機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)主要由床身、支撐底座、支撐立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱進(jìn)給系統(tǒng)、架等機(jī)械自動化部件組成。這些的組成將實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床自動化控制完成各項(xiàng)機(jī)械制造加工零部件的過程。數(shù)控機(jī)床的主體結(jié)構(gòu)通常采用高強(qiáng)度、防震功能好以及耐高溫性能好的鋼材，能有效提升數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的靜剛度，還能通過主體結(jié)構(gòu)加強(qiáng)阻尼設(shè)定與結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、提升固有頻率等辦法來提升數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與防震性能，能讓數(shù)控機(jī)床在更穩(wěn)定的工況下進(jìn)行自動化切削工作。
優(yōu)化數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)件的布局、增加數(shù)控機(jī)床散熱性能以達(dá)到數(shù)控機(jī)床主體結(jié)構(gòu)耐高溫性能的提升，可以有效防止高溫對數(shù)控機(jī)床運(yùn)行帶來的影響。
1.1.5 數(shù)控機(jī)床輔助裝置
輔助裝置是幫助數(shù)控機(jī)床在正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況下維持性能以及保持最大化性能輸出的系統(tǒng)，比較常見的有：氣動刀具更換系統(tǒng)、液壓升降系統(tǒng)、切削油泵、噴油系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排液與排屑系統(tǒng)、移動工作臺、防護(hù)及照明裝置等，輔助裝置的配備能為數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性提供保障，確保數(shù)控機(jī)床在自動化控制長時間運(yùn)轉(zhuǎn)加工情況下故障出現(xiàn)頻率減少。
1.2 主要電氣設(shè)備
1.2.1 空氣開關(guān)
空氣開關(guān)又叫做空氣斷路器，是電路斷路器的一種，可以在電路內(nèi)電流超過額定工作電流時自動斷開裝置以防止危險事故的發(fā)生。空氣開關(guān)的使用是數(shù)控機(jī)床低壓配電系統(tǒng)和電力拖動系統(tǒng)中必不可少的措施，不僅可以實(shí)現(xiàn)電流的控制還可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的功能，如完成接觸或是斷開電路、避免電路或是數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備出現(xiàn)短路現(xiàn)象、電路系統(tǒng)過載或是啟動電動機(jī)等功能。
1.2.2 電動機(jī)斷路器
電動機(jī)斷路器接入數(shù)控機(jī)床的電路系統(tǒng)后，可以讓其自行運(yùn)轉(zhuǎn)并且手動通過按鈕或是旋鈕進(jìn)行控制開關(guān)，連接電路接觸器工作時可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制電動機(jī)電路。電動機(jī)的電路保護(hù)繼承了熱繼電器與電磁設(shè)備斷路器，并將所有的帶電元件進(jìn)行了保護(hù)措施，防止人手直接觸碰。本身具有的欠壓脫扣模塊可以保證電動機(jī)斷路器在欠壓條件下斷開，分勵脫扣模塊可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控斷路器斷開與連接。
1.2.3 熔斷器
熔斷器也是一種保護(hù)電路的裝置，在電路通過超過額定工作電流值時，可以通過自身產(chǎn)熱對內(nèi)部熔體進(jìn)行熔斷，使得電路在此斷開實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路。熔斷器當(dāng)前已被廣泛應(yīng)用于高、低壓配電系統(tǒng)和控制系統(tǒng)或是數(shù)控機(jī)床控制電氣設(shè)備中，是最為普遍且成本較低的短路與電路過載保護(hù)器。熔斷器具有反時延的特性，當(dāng)電路內(nèi)過載電路較小時，熔斷器內(nèi)熔體的熔斷時間較長，過載電路較大時熔體熔斷時間隨機(jī)縮短，所以熔斷器在超出額定工作電流較小時或是快速恢復(fù)正常電流時并不會進(jìn)行熔體熔斷，達(dá)到保護(hù)電路的目的同時節(jié)省了電路維護(hù)成本。
1.2.4 接觸器
數(shù)控機(jī)床及其相關(guān)電氣設(shè)備中的接觸器有直流接觸器和交流接觸器，不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)、配電系統(tǒng)還在數(shù)控機(jī)床用電中廣泛運(yùn)用。它可以通過電流經(jīng)過內(nèi)部線圈產(chǎn)生電磁場，使得接觸觸頭閉合以控制電路負(fù)載。許多接觸器由于其可以頻繁與大電流相接并進(jìn)行電路控制這一特性，被廣泛使用于數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備，它不僅可以完成自身電路的切斷與接通、保護(hù)電路，還可以實(shí)現(xiàn)低電壓釋放保護(hù)。接觸器的控制容量大、涵蓋范圍廣，所以較為適用于頻繁開閉操作或是遠(yuǎn)距離控制電路設(shè)備，逐漸成為了電氣設(shè)備及自動化控制系統(tǒng)的重要電氣元件。
2 、常見的數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備故障
2.1 動作指令信號異常
動作指令信號的異常會導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床各動作執(zhí)行出現(xiàn)故障，其中動作執(zhí)行故障也分為零部件元件自身故障與機(jī)械相關(guān)部件故障。容易產(chǎn)生零部件元件自身故障的電氣設(shè)備有伺服電機(jī)系統(tǒng)、驅(qū)動軸控制器、機(jī)械定位系統(tǒng)、電磁閥的控制、電磁線圈、比例閥、電動機(jī)、高壓與低壓配電系統(tǒng)、油路管線等，這些零部件執(zhí)行元件一旦出現(xiàn)故障，都會導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床報錯停止運(yùn)行，甚至有可能引發(fā)安全事故。
所以，此類動作指令信號異常的電氣設(shè)備故障，務(wù)必進(jìn)行零部件執(zhí)行元件的動作信號是否正常，比如動作指令信號是否正確傳達(dá)、零部件元件是否通、信號電氣設(shè)備及電路系統(tǒng)電壓與電流是否正常等，此外與零部件元件電氣設(shè)備相連接的機(jī)械設(shè)備也要一并檢測。
2.2 中間控制故障
中間控制故障共有兩種常見故障方式，分別為數(shù)控系統(tǒng)故障和輔助裝置及電氣設(shè)備控制回路故障。此階段的中間控制故障在發(fā)生時都會及時反饋到數(shù)控裝置，及時作出報警警報，并立即停機(jī)，相較于其他難以發(fā)現(xiàn)的故障或是隱患比較容易解決。
2.3 信號檢測工作異常
信號檢測工作異常的出現(xiàn)，通常會在數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置中反映出來，通常有檢測設(shè)備自身故障與檢測設(shè)備相關(guān)機(jī)械加工部件信號故障兩種。檢測設(shè)備有刀具與工作臺的速度與位置信息檢測設(shè)備，測速電動機(jī)、位置編碼器、光柵感應(yīng)裝置與各種順序控制檢測設(shè)備，如空氣開關(guān)、電磁閥、壓力開關(guān)等。
上述所有檢測裝置都或多或少地與其控制的相關(guān)機(jī)械加工部件或是數(shù)控機(jī)床氣液管線相連接，所以在全面進(jìn)行檢測裝備自身信號檢測工作時，也不能忽略相關(guān)機(jī)械加工部部件的連接信號檢測。
3 、如何理解故障處理的思路與原則
系統(tǒng)，不同的數(shù)控系統(tǒng)由于其設(shè)計功能的不同，設(shè)計思想與配置也不同，但是所有數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)都有基礎(chǔ)的處理思路與基本結(jié)構(gòu)，所以在數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，維修人員需要有一套完備的故障處理思路及原則。維修工人到達(dá)現(xiàn)場后務(wù)必對數(shù)控機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)工況與環(huán)境等條件進(jìn)行考察與分析，對于故障出現(xiàn)的狀況做出全面的分析與研判，盡可能地做到全面掌握故障狀況與性質(zhì)，進(jìn)行故障處理的同時要保證自身專業(yè)技術(shù)水平過硬且小心謹(jǐn)慎，防止故障狀況進(jìn)一步惡化。
也可以通過數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中的程序代碼報錯檢測進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，幫助自己明白故障出現(xiàn)的原因與復(fù)雜程度，甚至在進(jìn)行維修前就將故障出現(xiàn)的部位與相關(guān)維修點(diǎn)規(guī)劃好，所有技術(shù)層面與維修工具準(zhǔn)備周全，設(shè)計好維修方案以便故障處理的有效進(jìn)行。故障出現(xiàn)時，應(yīng)按照以下故障處理原則進(jìn)行：先常用消耗部件后用特殊功能部件，對于數(shù)控機(jī)床的電氣設(shè)備故障檢測理應(yīng)從數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中常用、消耗量較大的部件開始，完成再進(jìn)行特殊功能實(shí)現(xiàn)部件的檢測，以此能有效加強(qiáng)數(shù)控機(jī)床電氣故障的處理水平與效率。先簡單后繁雜原則，數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)電氣設(shè)備系統(tǒng)的故障檢測與處理程序中，務(wù)必遵循先從電氣系統(tǒng)較為簡單的零部件與結(jié)構(gòu)起手，做好萬無一失的檢測與運(yùn)行測試后，再進(jìn)行電氣系統(tǒng)中相對復(fù)雜、難度較高的部件檢測，這樣的故障檢測與處理原則能大幅提高數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障成因的分析與處理效率。
先檢測公用部分后獨(dú)占部分原則，數(shù)控機(jī)床的電氣系統(tǒng)設(shè)備中，不同的設(shè)計與功能要求促使了許多電氣設(shè)備是聯(lián)合運(yùn)作的，這些公用部分模塊的故障檢測相對較為簡單，比如數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中的電路接地系統(tǒng)、可編程控制器、供電系統(tǒng)、位系統(tǒng)等，此類公用部分模塊的故障檢測完成后再對各種細(xì)分功能的特有零部件進(jìn)行檢測，有利故障原因的快速分析與查找、處理，提升數(shù)控機(jī)床故障處理水平。軟件后硬件設(shè)施的原則，數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的故障檢測，可以先利用自身自動化控制、軟件設(shè)施程度高的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)的故障檢測，如此一來可以更快地對數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)中的軟件設(shè)施與各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)信息進(jìn)行診斷，提升各項(xiàng)檢測診斷程序的檢測速度。
軟件檢測完成后但故障依然存在時，再進(jìn)行數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)的硬件設(shè)施層面的檢測，如此可以很大程度上降低數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備故障出現(xiàn)的判斷分析難度以及工作量，提升數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障的處理效率的同時促進(jìn)企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益最大化。
4 、數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備故障診斷及維修技術(shù)探究
4.1 信號指示分析處理法
數(shù)控機(jī)床在設(shè)計初期就已經(jīng)設(shè)置好了各數(shù)控系統(tǒng)、電氣設(shè)備、伺服系統(tǒng)的電子異常檢測報警系統(tǒng)，一旦檢測到異常或是出現(xiàn)故障都會及時反饋到數(shù)控系統(tǒng)中，并進(jìn)行硬件報警如頂部的警報故障指示燈，操作人員可以根據(jù)警報故障指示燈與數(shù)控系統(tǒng)中的報錯代碼進(jìn)行故障原因與部件位置的分析與研判，及時地進(jìn)行故障的處理與危險警報的排除。數(shù)控機(jī)床的電氣系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)的軟件也會進(jìn)行相應(yīng)的故障檢測與報錯，軟件加工程序、可編程控制器程序中存在的故障通常不會反應(yīng)到頂部硬件故障警報燈上，而是在計算機(jī)或是數(shù)控系統(tǒng)中出現(xiàn)相應(yīng)的報錯代碼供操作人員知曉并及時作出解決措施。
4.2 接口狀況自檢查看法
近些年的數(shù)控機(jī)床隨著科技水平的發(fā)展也在進(jìn)步，很多數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)都已集成了可編程控制器程序，CNC 控制系統(tǒng)與 PLC 程序的相連則是通過一系列信號傳遞，難免會有線材與接口的出現(xiàn)。數(shù)控機(jī)床的某些電氣設(shè)備故障即可通過接口端狀態(tài)自檢與查看的方法進(jìn)行故障排除，PLC 系統(tǒng)可以清晰明了地查看哪些端口出現(xiàn)故障，所以此項(xiàng)故障檢測處理方法對操作人員對 PLC 程序的掌握水平有一定的限制 。
4.3 使用相關(guān)檢測設(shè)備
對于數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備和管線來說，完全可以使用電力檢測儀表如萬用表、電流表、電壓表等，進(jìn)行電氣系統(tǒng)直流供電或是脈沖信號進(jìn)行檢測，從電路上找尋可能出現(xiàn)故障的原因。過萬用表檢測各電路、電源或是電路板上相關(guān)信號狀態(tài)進(jìn)行測量，示波器進(jìn)行脈沖信號的檢測、PLC 編程程序查找故障起因與大概部位等，都可以有效提升數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備的診斷、維修的水平與效率。
4.4 測試程序?qū)敕?/font>
此方法通過數(shù)控程序自行編譯功能測試程序或是外部手工編程進(jìn)行功能測試程序的編譯，然后將其導(dǎo)入到數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)中進(jìn)行各種運(yùn)行參數(shù)、數(shù)據(jù)的分析集成并進(jìn)行程序自檢與診斷，可以有效地對各項(xiàng)電氣設(shè)備及其管線進(jìn)行檢測與診斷，對于 PLC 相連接的機(jī)械加工工作部位進(jìn)行穩(wěn)定性與精度的檢測，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對數(shù)控機(jī)床故障出現(xiàn)的原因及可能部位的診斷與維修。
5 、結(jié)束語
綜上所述，數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障的出現(xiàn)勢必會影響整體運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性及穩(wěn)定性，相關(guān)行業(yè)及工作人員務(wù)必加強(qiáng)對數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)備故障的診斷以及維修能力，全力保障數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中發(fā)揮出最好的性能。
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