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数控机床电气系统的技术特点分析
Feb 25, 2021  来源: 衡水学院   作者:郭向荣

     摘要:在当今的工业生产与制造领域中,数控机床得到了越来越广泛的应用。电气系统是数控机床的一个重要组成部分,电气系统的稳定运行是保障数控机床生产效率与生产质量的关键。为保障数控机床电气系统的良好稳定运行,文章对数控机床电气系统的结构组成、系统设计、故障特点及典型故障进行了分析,旨在为数控机床电气系统的合理应用提供参考。

     关键词:数控机床;电气系统;技术特点

     数控机床的电气系统比较复杂,在具体应用过程中很容易出现故障,这些故障不仅会降低数控机床的生产效率与生产质量,同时也会对其使用寿命造成不利影响。因此,在数控机床具体的应用过程中,工业生产企业一定要明确其技术特点与系统设计,并对其故障特点及其典型故障进行分析,提升数控机床的使用效果,延长其使用寿命。
  
     1 、数控机床的组成

     1.1   机械传动机构
  
    机械传动机构可以直接对数控机床的具体运动进行控制,它的精度会对零件加工精度造成直接影响。通常情况下,数控机床中的机械传动机构主要由两个部分组成,其一是主轴传动机构,其二是进给轴传动机构,前者与主轴电动机相配合,对主轴运动进行控制;后者主要和进给电动机相配合,对进给轴的运动进行控制。

    通过这两个传动机构的相互配合,可以在三维坐标所指定的区域之内实现相应轨迹的控制,以实现毛坯件加工。在此过程中,电气系统可以对其开关量进行控制,以保障每一个机械运动部件动作的顺序性,进而实现机床工作效率的显著提升,并较普通机床实现人力成本的大量节约。
  
     1.2  电气系统
  
     在数控机床的应用过程中,电气系统扮演着执行者的角色,它的主要组成部分包括电源、电机以及继电器等模块。电源可以为数控机床提供电流,其电流供给共有两种性质,第一种是直流电,第二种是交流电,前者主要为电机和继电器这两个模块供电,后者主要为传动机构供电。电机可以实现交流电到机械力的转变,然后借助传导功能对机械传动形式进行控制。直流电主要用作三相交流异步电动机中,为其制动提供电能;同时,CNC 系统启动和停止按钮和都需要直流电。在整个电气系统中,继电器是一个重要的执行者,该模块主要用来实施电气系统中的动作逻辑,以实现机床各种生产动作的统一规划和控制。
  
     1.3   可编程控制器
  
     可编程控制器就是 PLC 系统,它在数控机床中起到核心性的控制作用。具体运行中,数控机床的控制任务有三个,第一个是主轴控制,第二个是位置控制,第三个是辅助控制,而 PLC 系统可以借助插补程序的分析与应用来行辅助指令的识别,并以控制数控机床的辅助动作。在数控机床的具体应用中,PC 端或编程人员输入的相应插补程序会被翻译为机械语言的形式,然后传输到伺服控制模块,这一模块在接收到了相应的脉冲信息后,会根据信息控制电机驱动,以实现主轴以及位置的同步控制。在此过程中,位置检测装置会对电动机的状态等数据进行检测,并将所有采集到的数据都转换成二进制形式的数据传输到数控系统,以保障数控机床控制的精准度。

     1.4  保护机制
  
     在数控机床具体的工作中,可能会有一些紧急情况发生,基于此,就需要设计一种相应的保护措施,以避免紧急情况对机床生产的不利影响。在具体设计中,应该设置一个故障急停按钮。在发生故障或误操作时,操作人员只需按下急停按钮,就可以让机床的工作立即停止,有效避免事故。
  
     2  、数控机床电气控统设计
  
     2.1   PLC 对外控制设计
  
     在数控机床处在手动操作或者是自动操作状态下,借助操作界面上的相应按钮,或者是 M、T 指令的执行,就可以让 PLC 实现开关信号对外输出的有效控制,以运行数控机床的辅助功能,如冷却开关、机械手换刀以及刀库选刀等的各项操作。另外,机床侧的每一类检测开关都将会把当前的机床状态输入 PLC 系统,然后借助 PLC 系统对其进行逻辑运算。
  
     2.2   PLC 对内控制设计
  
     在数控机床的应用过程中,每一个 PLC 控制动作的完成都要和 CNC 之间交换数据,这个数据交换信号也叫作接口信号,每个接口信号的功能都是由数控系统进行规定。具体应用中,数控系统可以按照接口信号进行主轴以及伺服轴等的控制。
  
     2.3   数控机床中 PLC 和机床侧的 I/O 接口设计
  
     在对数控机床的电气系统进行设计中,PLC 和机床侧的 I/O 接口的布置示意图如图 1 所示。
 
 
  

图 1 PLC 和机床侧的 I/O 输入接口(a)和输出接口(b)布置示意图
  
     3 、数控机床电气系统故障的特点、分类及其分析
  
     3.1  数控机床电气系统故障的特点
  
     第一,在电缆经过长时间的磨损之后,可能会存在短路或断线情况,橡胶电线有时会出现膨胀、黏化,直接引起绝缘系统的故障,进而导致短路。第二,由于环境温度过高、电柜温升过快等外界环境对电气系统的影响,一些电气元件很容易损坏。第三,在明确故障原因的情况下,检修人员通常习惯采取最简便的方法进行故障维修,这样也就很容易遗漏一些问题。第四,异步电机进水,排削器、冷却泵以及电动道等设备很容易被损坏,进而引起轴承的超负荷运行情况,这样的情况也将引起电机故障。

     3.2  数控机床电气系统故障的分类
  
     在对数控机床电气系统故障进行分类的过程中,通常可以按照以下几个类别进行划分:第一,根据故障位置,可以将其划分为软件故障以及硬件故障。第二,根据故障发生的频率,可以将其划分为系统性故障以及随机性故障。第三,根据是否有指示,可以分为有诊断指示类型的故障和无诊断指示类型的故障。第四,根据是否具有破坏性,可以分为有破坏性的故障和无破坏性的故障。
  
      3.3  数控机床电气系统故障的分析
  
     在发现数控机床电气系统出现了故障之后,可以通过三个步骤进行故障分析,第一步是调查,第二步是分析,第三步是诊断。在接收到来自 PLC 的故障警告信息之后,首先应保持好故障现场,同时对出现故障时的具体指示情况进行全面检查,通过故障现象的观察找出引起故障的外部原因。在检查者来到故障现场后,应该向现场的当事人全面了解故障发生时的情况,以更准确地判断。然后是对故障进行分析,应该通过现场的已知故障情况,并通过个人经验对可能导致该故障产生的原因进行判断,最终实现故障信息的有效获取。在完成了故障分析和故障原因之后,应根据实际选择合理的处理方法,并根据故障的大小做好处理之前的准备工作,以保障故障处理效果。
  
     4  、数控机床电气系统典型问题及解决方式
  
     4.1   四方刀架换刀故障
  
    在数控机的应用过程中,四方刀架换刀故障是一个典型的电气系统故障。比如,通过手动以及自动换刀功能进行 CK6140 数控车床换刀的过程中发现无反应,系统所显示的信息是“换刀时间过长”。在出现此类故障时,应先对时间参数进行检查,看时间参数是否被修改;若时间参数正常,应该对控制状态的正确性进行检查,看电器柜内的电器工作是否正常。在此次故障检查中,经检查发现,继电器停止工作,该故障的主要原因是继电器元件被损坏,经进一步的检查发现,继电器保险丝已经被烧毁,在通过仪器检测的过程中发现,电动机两相之间有着非常小的电阻,最后在接线盒上发现了很多铁屑,由此可判断,这些铁屑是导致此次故障的主要原因。具体维修过程中,将这些铁屑清理干净,并为继电器更换了新的保险丝,故障便得到了有效排除。
  
     4.2  无法回到参考点故障
  
     在某企业进行 XK841 数控铣床的应用过程中,电气控制系统出现了无法回到参考点的故障,其主要故障现象是X 轴不能回到参考点。具体诊断过程中,首先进入电气控制系统的 I/O 诊断界面,将 X 轴的轴向开关按下,发现 X轴无动作,由此可以初步做出判断:X 轴限位开关存在故障。这时,可以打开行程限位开关,目测发现其内部存在少许液体,由此可判断是这些液体导致的开关短路。此时,可以将形成限位开关换掉,让这一问题得以解决。但是在解决了该问题之后,还需要进一步确认开关内出现液体的原因,经进一步的检查发现,进行切削液传输的塑料管已经损坏,导致切屑液渗漏,进而造成了开关积液短路。因此,在下一步的维修中,将损坏的塑料管更换掉,该问题就得到了彻底解决。
  
     5 、结束语
  
     在数控机床中,电气系统的应用是保障机床控制效果,提升机床生产效率、生产质量和节约成本的关键。但是因为电气系统的结构比较复杂,且很多外部因素都会对系统运行造成不利影响,所以在具体的应用过程中,数控机床的电气系统也就很容易出现一些问题,进而对机床的正常运行造成不利影响。基于此,技术人员应全面了解数控机床的组成及其电气系统的设计,这样才能有效掌握数控机床电气系统的技术特点,以实现科学、合理、准确的故障分析和故障处理。
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