数控机床电气系统的技术特点分析
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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