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数控机床的电器故障诊断及维修技术探究
Jun 24, 2021  来源: 江苏联合职业技术学院镇江分院   作者:吴钧


     摘要:数控机床现已成为现代自动化、电气一体化生产发展的主力设备,如今也大量且广泛应用于机械制造加工业中,数控机床中的电气设备及其线路扮演着十分重要的角色,直接决定了数控机床的性能及运行稳定性,还影响了数控机床的操控、设备功能及安全性能。所以,数控机床操作人员务必加强对数控机床电气设备及其线路的故障诊断及维修技术的分析与探究,全面深化对数控机床电器故障诊断及维修的能力,促进数控机床在机械制造加工业中的稳定发展。

     关键词:数控机床;电气故障;诊断;维修技术

     0 引言
   
     数控机床的出现成功实现将机器、电气设备、液体进行功能的集成,属于机械制造加工业的高精尖生产设备,仅运转稳定性与安全性有所保障,还能提高加工精度且降低人工成本的投入,数控机床是否广泛投入应用已成为当前机械制造加工业自动化、电气一体化程度的评价标准。

     数控机床的实际运行中任一环节出现故障且无法得到及时的解决,都将会对机械制造加工生产造成影响,降低生产质量与效率,损害操作人员的安全与企业的经济效益。

     1 、数控机床的组成及其主要电气设备
  
     1.1 数控机床的基本组成
  
     数控机床的基本组成有加工程序载体、数控装置系统、伺服驱动装置、机床主体、电气系统设备及其管线与其它辅助装置。以下是对各主要组成部分的结构与工作原理的简要概述说明。

     1.1.1 加工程序载体 
  
     数控机床在设定好进行工作时,正常情况下是不需要人工第二次介入的,完全由数控机床的加工程序电脑进行操控,要求工作人员在前期做好加工件的数控机床编程工作。如机械加工制造中的零部件加工,前期设计编程程序就要包括刀具的使用、润滑液与抗磨液压油、切削油的使用、加工部件的相对运动轨迹、刀头刀具、油泵等加工设备的各项数据参数等,将这些加工程序进行编程工作使其转化为数控机床的程序载体可接受的格式代码,最后输入数控机床的程序电脑中,执行工作命令。
  
     1.1.2 数控装置 
  
     数控装置是数控机床运行工作最重要的部件,现今的数控装置大部分为 CNC(即 ComputerNumerical Control)技术。它主要通过多个微型处理器的共同处理工作,将数控装置及其功能以程序化软件的形式呈现,所以也叫作软件数控。CNC 系统在数控机床的应用中准确地来说是一种位置控制系统,它可以根据加工部件的设计程序进行有效地补充理想的运动轨迹,随后输出指令至数控机床加工设备进行加工。所以说,数控机床的数控装置大概可以分成输入、处理、分析和输出这几个部分,所有工作处理过程必须经由计算机系统以及数控程序软件进行分析与处理,最终实现数控机床的运转。
  
     数控装置的输入通常有键盘编程程序直接输入、CAD系统直接导入和外接计算机直接数控输入等。信息处理则是通过数控机床的输入装置将需要进行加工的零部件的程序及各项数据传入 CNC 系统中,经 CNC 系统编译成数控机床所能识别的格式代码程序信息,再经过逐步储存、分析与运行处理后,由输出装置输出指令到伺服系统和主运动控制系统。

     控机床的输出装置与伺服机构相连接,依据数控装置的指令接受运算系统的输出信息,并将其转送到各个数据对应的伺服控制系统,进行伺服系统的驱动进而实现数控机床的运转。

     1.1.3 伺服与测量反馈系统 
  
     伺服系统作为数控机床的重要运行操控系统,数控机床主要的进给伺服控制与主轴伺服控制都由它来完成。伺服系统可以接受由数控机床控装置输出的指令程序信息,将其功率放大并进行分析处理后,转变成数控机床各加工部件的位移指令信息。伺服系统作为数控机床最后一道工序,它的运转性能将直接决定数控机床的加工质量、加工精度与速度等性能指标,所以,数控机床的伺服驱动装置必须具有强大的接受、分与处理的性能,精准而明确地进行指令信息的读取与处
理并驱动伺服系统,加强数控机床的运行稳定性。

     数控机床中的测量反馈系统还会把数控机床运行过程中各加工部件的实际位移进行检测并换算成坐标,通过反馈系统反馈回数控机床数控装置中与设计编程程序值进行对比,并实时向伺服系统输出设计程序中的理想运动轨迹与位移量指令。

     1.1.4 数控机床主体结构 
  
     数控机床的主体结构主要由床身、支撑底座、支撑立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱进给系统、架等机械自动化部件组成。这些的组成将实现数控机床自动化控制完成各项机械制造加工零部件的过程。数控机床的主体结构通常采用高强度、防震功能好以及耐高温性能好的钢材,能有效提升数控机床主体结构的静刚度,还能通过主体结构加强阻尼设定与结构件强度、提升固有频率等办法来提升数控机床主体结构的强度与防震性能,能让数控机床在更稳定的工况下进行自动化切削工作。
  
    优化数控机床主体结构件的布局、增加数控机床散热性能以达到数控机床主体结构耐高温性能的提升,可以有效防止高温对数控机床运行带来的影响。

    1.1.5 数控机床辅助装置 
  
    辅助装置是帮助数控机床在正常运转工况下维持性能以及保持最大化性能输出的系统,比较常见的有:气动刀具更换系统、液压升降系统、切削油泵、喷油系统、冷却系统、排液与排屑系统、移动工作台、防护及照明装置等,辅助装置的配备能为数控机床的运转稳定性提供保障,确保数控机床在自动化控制长时间运转加工情况下故障出现频率减少。

    1.2 主要电气设备
  
    1.2.1 空气开关 
  
    空气开关又叫做空气断路器,是电路断路器的一种,可以在电路内电流超过额定工作电流时自动断开装置以防止危险事故的发生。空气开关的使用是数控机床低压配电系统和电力拖动系统中必不可少的措施,不仅可以实现电流的控制还可以实现保护电路的功能,如完成接触或是断开电路、避免电路或是数控机床电气设备出现短路现象、电路系统过载或是启动电动机等功能。

     1.2.2 电动机断路器 
  
     电动机断路器接入数控机床的电路系统后,可以让其自行运转并且手动通过按钮或是旋钮进行控制开关,连接电路接触器工作时可以实现远程控制电动机电路。电动机的电路保护继承了热继电器与电磁设备断路器,并将所有的带电元件进行了保护措施,防止人手直接触碰。本身具有的欠压脱扣模块可以保证电动机断路器在欠压条件下断开,分励脱扣模块可以实现远程操控断路器断开与连接。

     1.2.3 熔断器 
  
     熔断器也是一种保护电路的装置,在电路通过超过额定工作电流值时,可以通过自身产热对内部熔体进行熔断,使得电路在此断开实现保护电路。熔断器当前已被广泛应用于高、低压配电系统和控制系统或是数控机床控制电气设备中,是最为普遍且成本较低的短路与电路过载保护器。熔断器具有反时延的特性,当电路内过载电路较小时,熔断器内熔体的熔断时间较长,过载电路较大时熔体熔断时间随机缩短,所以熔断器在超出额定工作电流较小时或是快速恢复正常电流时并不会进行熔体熔断,达到保护电路的目的同时节省了电路维护成本。

     1.2.4 接触器 
  
     数控机床及其相关电气设备中的接触器有直流接触器和交流接触器,不仅应用于电力系统、配电系统还在数控机床用电中广泛运用。它可以通过电流经过内部线圈产生电磁场,使得接触触头闭合以控制电路负载。许多接触器由于其可以频繁与大电流相接并进行电路控制这一特性,被广泛使用于数控机床电气设备,它不仅可以完成自身电路的切断与接通、保护电路,还可以实现低电压释放保护。接触器的控制容量大、涵盖范围广,所以较为适用于频繁开闭操作或是远距离控制电路设备,逐渐成为了电气设备及自动化控制系统的重要电气元件。
  
     2 、常见的数控机床电气设备故障
  
     2.1 动作指令信号异常
  
     动作指令信号的异常会导致数控机床各动作执行出现故障,其中动作执行故障也分为零部件元件自身故障与机械相关部件故障。容易产生零部件元件自身故障的电气设备有伺服电机系统、驱动轴控制器、机械定位系统、电磁阀的控制、电磁线圈、比例阀、电动机、高压与低压配电系统、油路管线等,这些零部件执行元件一旦出现故障,都会导致数控机床报错停止运行,甚至有可能引发安全事故。


     所以,此类动作指令信号异常的电气设备故障,务必进行零部件执行元件的动作信号是否正常,比如动作指令信号是否正确传达、零部件元件是否通、信号电气设备及电路系统电压与电流是否正常等,此外与零部件元件电气设备相连接的机械设备也要一并检测。

     2.2 中间控制故障
  
     中间控制故障共有两种常见故障方式,分别为数控系统故障和辅助装置及电气设备控制回路故障。此阶段的中间控制故障在发生时都会及时反馈到数控装置,及时作出报警警报,并立即停机,相较于其他难以发现的故障或是隐患比较容易解决。
  
     2.3 信号检测工作异常
  
     信号检测工作异常的出现,通常会在数控机床的数控装置中反映出来,通常有检测设备自身故障与检测设备相关机械加工部件信号故障两种。检测设备有刀具与工作台的速度与位置信息检测设备,测速电动机、位置编码器、光栅感应装置与各种顺序控制检测设备,如空气开关、电磁阀、压力开关等。
  
     上述所有检测装置都或多或少地与其控制的相关机械加工部件或是数控机床气液管线相连接,所以在全面进行检测装备自身信号检测工作时,也不能忽略相关机械加工部部件的连接信号检测。
 
     3 、如何理解故障处理的思路与原则
  
    系统,不同的数控系统由于其设计功能的不同,设计思想与配置也不同,但是所有数控机床的数控系统都有基础的处理思路与基本结构,所以在数控机床的数控系统出现故障时,维修人员需要有一套完备的故障处理思路及原则。维修工人到达现场后务必对数控机床的运转工况与环境等条件进行考察与分析,对于故障出现的状况做出全面的分析与研判,尽可能地做到全面掌握故障状况与性质,进行故障处理的同时要保证自身专业技术水平过硬且小心谨慎,防止故障状况进一步恶化。
  
    也可以通过数控机床数控系统中的程序代码报错检测进行数据提取,帮助自己明白故障出现的原因与复杂程度,甚至在进行维修前就将故障出现的部位与相关维修点规划好,所有技术层面与维修工具准备周全,设计好维修方案以便故障处理的有效进行。故障出现时,应按照以下故障处理原则进行:先常用消耗部件后用特殊功能部件,对于数控机床的电气设备故障检测理应从数控机床电气系统中常用、消耗量较大的部件开始,完成再进行特殊功能实现部件的检测,以此能有效加强数控机床电气故障的处理水平与效率。先简单后繁杂原则,数控机床数控系统电气设备系统的故障检测与处理程序中,务必遵循先从电气系统较为简单的零部件与结构起手,做好万无一失的检测与运行测试后,再进行电气系统中相对复杂、难度较高的部件检测,这样的故障检测与处理原则能大幅提高数控机床电气系统故障成因的分析与处理效率。
  
    先检测公用部分后独占部分原则,数控机床的电气系统设备中,不同的设计与功能要求促使了许多电气设备是联合运作的,这些公用部分模块的故障检测相对较为简单,比如数控机床电气系统中的电路接地系统、可编程控制器、供电系统、位系统等,此类公用部分模块的故障检测完成后再对各种细分功能的特有零部件进行检测,有利故障原因的快速分析与查找、处理,提升数控机床故障处理水平。软件后硬件设施的原则,数控机床电气系统的故障检测,可以先利用自身自动化控制、软件设施程度高的优点进行数控系统的故障检测,如此一来可以更快地对数控机床电气系统中的软件设施与各项数据参数信息进行诊断,提升各项检测诊断程序的检测速度。

     软件检测完成后但故障依然存在时,再进行数控机床电气系统的硬件设施层面的检测,如此可以很大程度上降低数控机床电气设备故障出现的判断分析难度以及工作量,提升数控机床电气系统故障的处理效率的同时促进企业经济效益最大化。

     4 、数控机床电气设备故障诊断及维修技术探究
  
     4.1 信号指示分析处理法
  
     数控机床在设计初期就已经设置好了各数控系统、电气设备、伺服系统的电子异常检测报警系统,一旦检测到异常或是出现故障都会及时反馈到数控系统中,并进行硬件报警如顶部的警报故障指示灯,操作人员可以根据警报故障指示灯与数控系统中的报错代码进行故障原因与部件位置的分析与研判,及时地进行故障的处理与危险警报的排除。数控机床的电气系统与数控系统的软件也会进行相应的故障检测与报错,软件加工程序、可编程控制器程序中存在的故障通常不会反应到顶部硬件故障警报灯上,而是在计算机或是数控系统中出现相应的报错代码供操作人员知晓并及时作出解决措施。

     4.2 接口状况自检查看法
  
     近些年的数控机床随着科技水平的发展也在进步,很多数控机床的数控系统都已集成了可编程控制器程序,CNC 控制系统与 PLC 程序的相连则是通过一系列信号传递,难免会有线材与接口的出现。数控机床的某些电气设备故障即可通过接口端状态自检与查看的方法进行故障排除,PLC 系统可以清晰明了地查看哪些端口出现故障,所以此项故障检测处理方法对操作人员对 PLC 程序的掌握水平有一定的限制 。
  
     4.3 使用相关检测设备
  
    对于数控机床电气系统及相关设备和管线来说,完全可以使用电力检测仪表如万用表、电流表、电压表等,进行电气系统直流供电或是脉冲信号进行检测,从电路上找寻可能出现故障的原因。过万用表检测各电路、电源或是电路板上相关信号状态进行测量,示波器进行脉冲信号的检测、PLC 编程程序查找故障起因与大概部位等,都可以有效提升数控机床电气设备的诊断、维修的水平与效率。
   
     4.4 测试程序导入法
  
     此方法通过数控程序自行编译功能测试程序或是外部手工编程进行功能测试程序的编译,然后将其导入到数控机床数控系统中进行各种运行参数、数据的分析集成并进行程序自检与诊断,可以有效地对各项电气设备及其管线进行检测与诊断,对于 PLC 相连接的机械加工工作部位进行稳定性与精度的检测,进而实现对数控机床故障出现的原因及可能部位的诊断与维修。
 
     5 、结束语
  
     综上所述,数控机床电气系统故障的出现势必会影响整体运转的安全性及稳定性,相关行业及工作人员务必加强对数控机床电气设备故障的诊断以及维修能力,全力保障数控机床在运行过程中发挥出最好的性能。
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