關于數控機床電氣維修技術研討（上）

駱駝草

關于數控機床電氣維修技術研討（上）

我國從事數控機床電氣設計、應用與維修技術工作的工程技術人員數以萬計，然而由于此項技術的復雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環境因素的制約，在數控機床電氣維修技術方面還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。當今控制理論與自動化技術的高速發展，尤其是微電子技術和計算機技術的日新月異，使得數控技術也在同步飛速發展，數控系統結構形式上的PC基、開放化和性能上的多樣化、復雜化、高智能化不僅給其應用從觀念到實踐帶來了巨大變化，也在其維修理論、技術和手段上帶來了很大的變化。因此，一篇講座形式的文章不可能把已經形成了一門專門學科的數控機床電氣維修技術理論完整地表述出來，本文僅是將多年的實踐探索及業內眾同仁的經驗總結加以適當的歸納整理，以求對該學科理論的發展及工程技術人員的實踐有所裨益。
　　
一、數控技術

　　談到維修，首先必須從總體上了解我們的維修對象。

　　1.數控機床電氣控制系統綜述

　　一臺典型的數控機床其全部的電氣控制系統如圖1所示。




　　(1)數據輸入裝置將指令信息和各種應用數據輸入數控系統的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(已很少使用)，3.5in軟盤驅動器，CNC鍵盤(一般輸入操作)，數控系統配備的硬盤及驅動裝置(用于大量數據的存儲保護)、磁帶機(較少使用)、PC計算機等等。

　　(2)數控系統數控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結束。

　　數控系統都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按規定操作，而日常的維護則主要是對硬件使用環境的保護和防止系統軟件的破壞。

　　(3)可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協調有序地安全運行；同時將來自機床的各種信息及工作狀態傳送給CNC，使CNC能及時準確地發出進一步的控制指令，如此實現對整個機床的控制。

　　當代PLC多集成于數控系統中，這主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規模較大的系統中往往采取分布式結構。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實現的，一般系統都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統對所有地址的信息狀態進行實時監控，根據各接口信號的現時狀態加以分析判斷，據此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。

　　不同廠商的PLC有不同的PLC語言和不同的語言表達形式，因此，力求熟悉某一機床PLC程序的前提是先熟悉該機床的PLC語言。

　　(4)主軸驅動系統接受來自CNC的驅動指令，經速度與轉矩(功率)調節輸出驅動信號驅動主電動機轉動，同時接受速度反饋實施速度閉環控制。它還通過PLC將主軸的各種現實工作狀態通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。

　　主軸驅動系統自身有許多參數設定，這些參數直接影響主軸的轉動特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動機規格的參數等，有些是可根據運行狀態加以調改的，例
如零漂等。通常CNC中也設有主軸相關的機床數據，并且與主軸驅動系統的參數作用相同，因此要注意二者取一，切勿沖突。

　　(5)進給伺服系統接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經速度與電流(轉矩)調節輸出驅動信號驅動伺服電機轉動，實現機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現時工作狀態并接受CNC的控制。

　　進給伺服系統速度調節器的正確調節是最重要的，應該在位置開環的條件下作最佳化調節，既不過沖又要保持一定的硬特性。它受機床坐標軸機械特性的制約，一旦導軌和機械傳動鏈
的狀態發生變化，就需重調速度環調節器。

　　(6)電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強大，電器硬件電路主要任務是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進口機床柜中還有使用自含一定邏輯控制的專用組合型繼電器的情況，一旦這類元件出現故障，除了更換之外，還可以將其去除而由PLC邏輯取而代之，但是這不僅需要對該專用電器的工作原理有清楚的了解，還要對機床的PLC語言與程序深入掌握才行。

　　(7)機床(電器部分)包括所有的電動機、電磁閥、制動器、各種開關等。它們是實現機床
各種動作的執行者和機床各種現實狀態的報告員。
這里可能的主要故障多數屬于電器件自身的損壞和連接電線、電纜的脫開或斷裂。

　　(8)速度測量通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉速匹配成電壓值送回伺服驅動系統作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現速度的精確控制。

　　這里應注意測速反饋電壓的匹配聯接，并且不要拆卸測速機。由此引起的速度失控多是由于測速反饋線接反或者斷線所致。

　　(9)位置測量較早期的機床使用直線或圓形同步感應器或者旋轉變壓器，而現代機床多采
用光柵尺和數字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機床坐標軸在運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標軸到達指令位置，從而實現對位置的精確控制。

　　位置環可能出現的故障多為硬件故障，例如位置測量元件受到污染，導線連接故障等。

　　(10)外部設備一般指PC計算機、打印機等輸出設備，多數不屬于機床的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。

　　2.數控機床運動坐標的電氣控制

　　數控機床一個運動坐標的電氣控制由電流(轉矩)控制環、速度控制環和位置控制環串聯組成
。其控制框圖如圖2。





　　(1)電流環是為伺服電機提供轉矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調節已由制造者作好了或者指定了相應的匹配參數，其反饋信號也在伺服系統內聯接完成，因此不需接線與調整。

　　(2)速度環是控制電動機轉速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調節器是比例積分(PI)調節器，其P、I調整值完全取決于所驅動坐標軸的負載大小和機械傳動系統(導軌、傳動機構)的傳動剛度與傳動間隙等機械特性，一旦這些特性發生明顯變化時，首先需要對機械傳動系統進行修復工作，然后重新調整速度環PI調節器。

　　速度環的最佳調節是在位置環開環的條件下才能完成的，這對于水平運動的坐標軸和轉動坐標軸較容易進行，而對于垂向運動坐標軸則位置開環時會自動下落而發生危險，可以采取先摘下電動機空載調整，然后再裝好電動機與位置環一起調整或者直接帶位置環一起調整，這時需要有一定的經驗和細心。

　　速度環的反饋環節見前面“速度測量”一節。

　　(3)位置環是控制各坐標軸按指令位置精確定位的控制環節。位置環將最終影響坐標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：

　　一是位置測量元件的精度與CNC系統脈沖當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發出的脈
沖數目經過外部倍頻電路和/或CNC內部倍頻系數的倍頻后要與數控系統規定的分辨率相符。例如位置測量元件10脈沖/mm，數控系統分辨率即脈沖當量為0.001mm，則測量元件送出的脈沖必須經過100倍頻方可匹配。

　　二是位置環增益系數Kv值的正確設定與調節。通常Kv值是作為機床數據設置的，數控系統中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設置地址和數值單位。在速度環最佳化調節后Kv值的設定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優劣的直接表現而并非可以任意放大。關于Kv值的設置要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：
Kv=v/Δ
式中v——坐標運行速度，m/min
Δ——跟蹤誤差，mm

　　注意，不同的數控系統采用的單位可能不同，設置時要注意數控系統規定的單位。例如，坐標運行速度的單位是m/min，則Kv值單位為m/(mm·min)，若v的單位為mm/s，則Kv的單位應為mm/(mm·s)。

　　其次要滿足各聯動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。
　　位置反饋(參見上節“位置測量”)有三種情況：一種是沒有位置測量元件，為位置開環控制即無位置反饋，步進電機驅動一般即為開環；一種是半閉環控制，即位置測量元件不在坐標軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環節在位置閉環控制之外，這種情況要求環外傳動部分應有相當的傳動剛度和傳動精度，加入反向間隙補償和螺距誤差補償之后，可以得到很高的位置控制精度；第三種是全閉環控制，即位置測量元件安裝在坐標軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機械傳動系統的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴重影響兩坐標的動態精度，而使得機床只能在降低速度環和位置精度的情況下工作。影響全閉環控制精度的另一個重要問題是測量元件的精確安裝問題，千萬不可輕視。

　　(4)前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預加到后面的調節電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態響應特性從而提高位置控制精度。因為多數機床沒有設此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個控制環均最佳調試完畢后方可進行。

二、維修工作的基本條件

　　數控機床的身價從幾十萬元到上千萬元，一般都是企業中關鍵產品關鍵工序的關鍵設備，一 旦故障停機，其影響和損失往往很大。但是，人們對這樣的設備往往更多地是看重其效能，而不僅對合理地使用不夠重視，更對其保養及維修工作關注太少，日常不注意對保養與維修工作條件的創造和投入，故障出現臨時抱佛腳的現象很是普遍。因此，為了充分發揮數控機床的效益，我們一定要重視維修工作，創造出良好的維修條件。由于數控機床日常出現的多為電氣故障，所以電氣維修更為重要。
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　　1.人員條件

　　數控機床電氣維修工作的快速性、優質性關鍵取決于電氣維修人員的素質條件。

　　(1)首先是有高度的責任心和良好的職業道德。

　　(2)知識面要廣。要學習并基本掌握有關數控機床電氣控制的各學科知識，如計算機技術、模擬與數字電路技術、自動控制與拖動理論、控制技術、加工工藝以及機械傳動技術，當然還包括上節所講的基本數控知識。

　　(3)應經過良好的技術培訓。數控技術基礎理論的學習，尤其是針對具體數控機床的技術培訓，首先是參加相關的培訓班和機床安裝現場的實際培訓，然后向有經驗的維修人員學習，而更重要且更長時間的是自學。

　　(4)勇于實踐。要積極投入數控機床的維修與操作的工作中去，在不斷的實踐中提高分析能力和動手能力。

　　(5)掌握科學的方法。要做好維修工作光有熱情是不夠的，還必須在長期的學習和實踐中總結提高，從中提煉出分析問題、解決問題的科學的方法。

　　(6)學習并掌握各種電氣維修中常用的儀器、儀表和工具。

　　(7)掌握一門外語，特別是英語。起碼應做到能看懂技術資料。

　　2.物質條件

　　(1)準備好通用的和某臺數控機床專用的電氣備件。

　　(2)非必要的常備電器元件應做到采購渠道快速暢通。

　　(3)必要的維修工具、儀器儀表等，最好配有筆記本電腦并裝有必要的維修軟件。

　　(4)每臺數控機床所配有的完整的技術圖樣和資料。

　　(5)數控機床使用、維修技術檔案材料。

　　3.關于預防性維護

　　預防性維護的目的是為了降低故障率，其工作內容主要包括下列幾方面的工作。

　　(1)人員安排 為每臺數控機床分配專門的操作人員、工藝人員和維修人員，所有人員都要不斷地努力提高自己的業務技術水平。

　　(2)建規建檔 針對每臺機床的具體性能和加工對象制定操作規章，建立工作與維修檔案，管理者要經常檢查、總結、改進。

　　(3)日常保養 對每臺數控機床都應建立日常維護保養計劃，包括保養內容(如坐標軸傳動系統的潤滑、磨損情況，主軸潤滑等，油、水氣路，各項溫度控制，平衡系統，冷卻系統，傳動帶的松緊，繼電器、接觸器觸頭清潔，各插頭、接線端是否松動，電氣柜通風狀況等等)及各功能部件和元氣件的保養周期(每日、每月、半年或不定期)。

　　(4)提高利用率 數控機床如果較長時間閑置不用，當需要使用時，首先機床的各運動環節會由于油脂凝固、灰塵甚至生銹而影響其靜、動態傳動性能，降低機床精度，油路系統的 堵塞更是一大煩事；從電氣方面來看，由于一臺數控機床的整個電氣控制系統硬件是由數以 萬計的電子元器件組成的，他們的性能和壽命具有很大離散性，從宏觀來看分三個階段：在一年之內基本上處于所謂“磨合”階段。在該階段故障率呈下降趨勢，如果在這期間不斷開動機床則會較快完成“磨合”任務，而且也可充分利用一年的維修期；第二階段為有效壽命 階段，也就是充分發揮效能的階段。在合理使用和良好的日常維護保養的條件下，機床正常運轉至少可在五年以上；第三階段為系統壽命衰老階段，電器硬件故障會逐漸增多，數控系統的使用壽命平均在8～10年左右。

　　因此，在沒有加工任務的一段時間內，最好較低速度下空運行機床，至少也要經常給數控系統通電，甚至每天都應通電。