關(guān)于數(shù)控機(jī)床電氣維修技術(shù)研討（上）

駱駝草

關(guān)于數(shù)控機(jī)床電氣維修技術(shù)研討（上）

我國(guó)從事數(shù)控機(jī)床電氣設(shè)計(jì),、應(yīng)用與維修技術(shù)工作的工程技術(shù)人員數(shù)以萬(wàn)計(jì),，然而由于此項(xiàng)技術(shù)的復(fù)雜性,、多樣性和多變性以及一些客觀環(huán)境因素的制約,，在數(shù)控機(jī)床電氣維修技術(shù)方面還沒(méi)有形成一套成熟的,、完整的理論體系,。當(dāng)今控制理論與自動(dòng)化技術(shù)的高速發(fā)展,，尤其是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異,，使得數(shù)控技術(shù)也在同步飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上的PC基,、開放化和性能上的多樣化,、復(fù)雜化、高智能化不僅給其應(yīng)用從觀念到實(shí)踐帶來(lái)了巨大變化,，也在其維修理論,、技術(shù)和手段上帶來(lái)了很大的變化。因此,，一篇講座形式的文章不可能把已經(jīng)形成了一門專門學(xué)科的數(shù)控機(jī)床電氣維修技術(shù)理論完整地表述出來(lái),，本文僅是將多年的實(shí)踐探索及業(yè)內(nèi)眾同仁的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)加以適當(dāng)?shù)臍w納整理，以求對(duì)該學(xué)科理論的發(fā)展及工程技術(shù)人員的實(shí)踐有所裨益,。
　　
一,、數(shù)控技術(shù)

　　談到維修，首先必須從總體上了解我們的維修對(duì)象,。

　　1.數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)綜述

　　一臺(tái)典型的數(shù)控機(jī)床其全部的電氣控制系統(tǒng)如圖1所示,。




　　(1)數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置,。它可以是穿孔帶閱讀機(jī)(已很少使用)，3.5in軟盤驅(qū)動(dòng)器,，CNC鍵盤(一般輸入操作),，數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅(qū)動(dòng)裝置(用于大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)保護(hù))、磁帶機(jī)(較少使用),、PC計(jì)算機(jī)等等,。

　　(2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的中樞，它將接到的全部功能指令進(jìn)行解碼,、運(yùn)算,，然后有序地發(fā)出各種需要的運(yùn)動(dòng)指令和各種機(jī)床功能的控制指令，直至運(yùn)動(dòng)和功能結(jié)束,。

　　數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力,，日常使用中更多地是要注意嚴(yán)格按規(guī)定操作，而日常的維護(hù)則主要是對(duì)硬件使用環(huán)境的保護(hù)和防止系統(tǒng)軟件的破壞,。

　　(3)可編程邏輯控制器是機(jī)床各項(xiàng)功能的邏輯控制中心,。它將來(lái)自CNC的各種運(yùn)動(dòng)及功能指令進(jìn)行邏輯排序，使它們能夠準(zhǔn)確地,、協(xié)調(diào)有序地安全運(yùn)行,；同時(shí)將來(lái)自機(jī)床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)出進(jìn)一步的控制指令,，如此實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)機(jī)床的控制,。

　　當(dāng)代PLC多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化,，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu),。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實(shí)現(xiàn)的，一般系統(tǒng)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(tǒng)對(duì)所有地址的信息狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,，根據(jù)各接口信號(hào)的現(xiàn)時(shí)狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進(jìn)一步的控制命令,，完成對(duì)運(yùn)動(dòng)或功能的控制,。

　　不同廠商的PLC有不同的PLC語(yǔ)言和不同的語(yǔ)言表達(dá)形式，因此,，力求熟悉某一機(jī)床PLC程序的前提是先熟悉該機(jī)床的PLC語(yǔ)言,。

　　(4)主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)接受來(lái)自CNC的驅(qū)動(dòng)指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),，同時(shí)接受速度反饋實(shí)施速度閉環(huán)控制,。它還通過(guò)PLC將主軸的各種現(xiàn)實(shí)工作狀態(tài)通告CNC用以完成對(duì)主軸的各項(xiàng)功能控制。

　　主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自身有許多參數(shù)設(shè)定，這些參數(shù)直接影響主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)特性,，其中有些不可丟失或改變的,，例如指示電動(dòng)機(jī)規(guī)格的參數(shù)等，有些是可根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)加以調(diào)改的,，例
如零漂等,。通常CNC中也設(shè)有主軸相關(guān)的機(jī)床數(shù)據(jù)，并且與主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)作用相同,，因此要注意二者取一,，切勿沖突。

　　(5)進(jìn)給伺服系統(tǒng)接受來(lái)自CNC對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸分別提供的速度指令,，經(jīng)速度與電流(轉(zhuǎn)矩)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),，實(shí)現(xiàn)機(jī)床坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)，同時(shí)接受速度反饋信號(hào)實(shí)施速度閉環(huán)控制,。它也通過(guò)PLC與CNC通信,，通報(bào)現(xiàn)時(shí)工作狀態(tài)并接受CNC的控制。

　　進(jìn)給伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的正確調(diào)節(jié)是最重要的,，應(yīng)該在位置開環(huán)的條件下作最佳化調(diào)節(jié),，既不過(guò)沖又要保持一定的硬特性。它受機(jī)床坐標(biāo)軸機(jī)械特性的制約,，一旦導(dǎo)軌和機(jī)械傳動(dòng)鏈
的狀態(tài)發(fā)生變化,，就需重調(diào)速度環(huán)調(diào)節(jié)器。

　　(6)電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強(qiáng)大,，電器硬件電路主要任務(wù)是電源的生成與控制電路,、隔離繼電器部分及各類執(zhí)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(jìn)口機(jī)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(xiàn)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(duì)該專用電器的工作原理有清楚的了解,，還要對(duì)機(jī)床的PLC語(yǔ)言與程序深入掌握才行。

　　(7)機(jī)床(電器部分)包括所有的電動(dòng)機(jī),、電磁閥,、制動(dòng)器、各種開關(guān)等,。它們是實(shí)現(xiàn)機(jī)床
各種動(dòng)作的執(zhí)行者和機(jī)床各種現(xiàn)實(shí)狀態(tài)的報(bào)告員,。
這里可能的主要故障多數(shù)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(cè)量通常由集裝于主軸和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)中的測(cè)速機(jī)來(lái)完成,。它將電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速匹配成電壓值送回伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為速度反饋信號(hào),，與指令速度電壓值相比較，從而實(shí)現(xiàn)速度的精確控制,。

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

　　(9)位置測(cè)量較早期的機(jī)床使用直線或圓形同步感應(yīng)器或者旋轉(zhuǎn)變壓器,，而現(xiàn)代機(jī)床多采
用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測(cè)量元件。它們對(duì)機(jī)床坐標(biāo)軸在運(yùn)行中的實(shí)際位置進(jìn)行直接或間接的測(cè)量,，將測(cè)量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標(biāo)軸到達(dá)指令位置,，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)位置的精確控制。

　　位置環(huán)可能出現(xiàn)的故障多為硬件故障,，例如位置測(cè)量元件受到污染,，導(dǎo)線連接故障等。

　　(10)外部設(shè)備一般指PC計(jì)算機(jī),、打印機(jī)等輸出設(shè)備,，多數(shù)不屬于機(jī)床的基本配置。使用中的主要問(wèn)題與輸入裝置一樣,，是匹配問(wèn)題,。

　　2.數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制

　　數(shù)控機(jī)床一個(gè)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的電氣控制由電流(轉(zhuǎn)矩)控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)串聯(lián)組成
,。其控制框圖如圖2,。





　　(1)電流環(huán)是為伺服電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動(dòng)機(jī)的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù),，其反饋信號(hào)也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成,，因此不需接線與調(diào)整。

　　(2)速度環(huán)是控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速亦即坐標(biāo)軸運(yùn)行速度的電路,。速度調(diào)節(jié)器是比例積分(PI)調(diào)節(jié)器,，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動(dòng)坐標(biāo)軸的負(fù)載大小和機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)(導(dǎo)軌,、傳動(dòng)機(jī)構(gòu))的傳動(dòng)剛度與傳動(dòng)間隙等機(jī)械特性,，一旦這些特性發(fā)生明顯變化時(shí)，首先需要對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)工作,，然后重新調(diào)整速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器,。

　　速度環(huán)的最佳調(diào)節(jié)是在位置環(huán)開環(huán)的條件下才能完成的，這對(duì)于水平運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)軸和轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)軸較容易進(jìn)行,，而對(duì)于垂向運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)軸則位置開環(huán)時(shí)會(huì)自動(dòng)下落而發(fā)生危險(xiǎn),，可以采取先摘下電動(dòng)機(jī)空載調(diào)整,，然后再裝好電動(dòng)機(jī)與位置環(huán)一起調(diào)整或者直接帶位置環(huán)一起調(diào)整，這時(shí)需要有一定的經(jīng)驗(yàn)和細(xì)心,。

　　速度環(huán)的反饋環(huán)節(jié)見前面“速度測(cè)量”一節(jié),。

　　(3)位置環(huán)是控制各坐標(biāo)軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標(biāo)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(cè)量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的匹配問(wèn)題,。測(cè)量元件單位移動(dòng)距離發(fā)出的脈
沖數(shù)目經(jīng)過(guò)外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符。例如位置測(cè)量元件10脈沖/mm,，數(shù)控系統(tǒng)分辨率即脈沖當(dāng)量為0.001mm,，則測(cè)量元件送出的脈沖必須經(jīng)過(guò)100倍頻方可匹配。

　　二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié),。通常Kv值是作為機(jī)床數(shù)據(jù)設(shè)置的,，數(shù)控系統(tǒng)中對(duì)各個(gè)坐標(biāo)軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機(jī)床性能好壞,、影響最終精度的重要因素,。Kv值是機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個(gè)問(wèn)題,，首先要滿足下列公式：
Kv=v/Δ
式中v——坐標(biāo)運(yùn)行速度,，m/min
Δ——跟蹤誤差，mm

　　注意,，不同的數(shù)控系統(tǒng)采用的單位可能不同,，設(shè)置時(shí)要注意數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的單位。例如,，坐標(biāo)運(yùn)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(yīng)為mm/(mm·s),。

　　其次要滿足各聯(lián)動(dòng)坐標(biāo)軸的Kv值必須相同，以保證合成運(yùn)動(dòng)時(shí)的精度,。通常是以Kv值最低的坐標(biāo)軸為準(zhǔn),。
　　位置反饋(參見上節(jié)“位置測(cè)量”)有三種情況：一種是沒(méi)有位置測(cè)量元件，為位置開環(huán)控制即無(wú)位置反饋,，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般即為開環(huán),；一種是半閉環(huán)控制，即位置測(cè)量元件不在坐標(biāo)軸最終運(yùn)動(dòng)部件上,，也就是說(shuō)還有部分傳動(dòng)環(huán)節(jié)在位置閉環(huán)控制之外，這種情況要求環(huán)外傳動(dòng)部分應(yīng)有相當(dāng)?shù)膫鲃?dòng)剛度和傳動(dòng)精度,，加入反向間隙補(bǔ)償和螺距誤差補(bǔ)償之后,，可以得到很高的位置控制精度；第三種是全閉環(huán)控制，即位置測(cè)量元件安裝在坐標(biāo)軸的最終運(yùn)動(dòng)部件上,，理論上這種控制的位置精度情況最好,，但是它對(duì)整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求更高而不是低，如若不然,，則會(huì)嚴(yán)重影響兩坐標(biāo)的動(dòng)態(tài)精度,，而使得機(jī)床只能在降低速度環(huán)和位置精度的情況下工作。影響全閉環(huán)控制精度的另一個(gè)重要問(wèn)題是測(cè)量元件的精確安裝問(wèn)題,，千萬(wàn)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(yù)加到后面的調(diào)節(jié)電路,，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性從而提高位置控制精度,。因?yàn)槎鄶?shù)機(jī)床沒(méi)有設(shè)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(gè)控制環(huán)均最佳調(diào)試完畢后方可進(jìn)行。

二,、維修工作的基本條件

　　數(shù)控機(jī)床的身價(jià)從幾十萬(wàn)元到上千萬(wàn)元,，一般都是企業(yè)中關(guān)鍵產(chǎn)品關(guān)鍵工序的關(guān)鍵設(shè)備，一 旦故障停機(jī),，其影響和損失往往很大,。但是，人們對(duì)這樣的設(shè)備往往更多地是看重其效能,，而不僅對(duì)合理地使用不夠重視,，更對(duì)其保養(yǎng)及維修工作關(guān)注太少，日常不注意對(duì)保養(yǎng)與維修工作條件的創(chuàng)造和投入,，故障出現(xiàn)臨時(shí)抱佛腳的現(xiàn)象很是普遍,。因此，為了充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效益,，我們一定要重視維修工作,，創(chuàng)造出良好的維修條件。由于數(shù)控機(jī)床日常出現(xiàn)的多為電氣故障,，所以電氣維修更為重要,。
?
　　1.人員條件

　　數(shù)控機(jī)床電氣維修工作的快速性、優(yōu)質(zhì)性關(guān)鍵取決于電氣維修人員的素質(zhì)條件,。

　　(1)首先是有高度的責(zé)任心和良好的職業(yè)道德,。

　　(2)知識(shí)面要廣。要學(xué)習(xí)并基本掌握有關(guān)數(shù)控機(jī)床電氣控制的各學(xué)科知識(shí),，如計(jì)算機(jī)技術(shù),、模擬與數(shù)字電路技術(shù),、自動(dòng)控制與拖動(dòng)理論、控制技術(shù),、加工工藝以及機(jī)械傳動(dòng)技術(shù),，當(dāng)然還包括上節(jié)所講的基本數(shù)控知識(shí)。

　　(3)應(yīng)經(jīng)過(guò)良好的技術(shù)培訓(xùn),。數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)理論的學(xué)習(xí),，尤其是針對(duì)具體數(shù)控機(jī)床的技術(shù)培訓(xùn)，首先是參加相關(guān)的培訓(xùn)班和機(jī)床安裝現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際培訓(xùn),，然后向有經(jīng)驗(yàn)的維修人員學(xué)習(xí),，而更重要且更長(zhǎng)時(shí)間的是自學(xué)。

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

　　(5)掌握科學(xué)的方法,。要做好維修工作光有熱情是不夠的,，還必須在長(zhǎng)期的學(xué)習(xí)和實(shí)踐中總結(jié)提高，從中提煉出分析問(wèn)題,、解決問(wèn)題的科學(xué)的方法,。

　　(6)學(xué)習(xí)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(yǔ),，特別是英語(yǔ)。起碼應(yīng)做到能看懂技術(shù)資料,。

　　2.物質(zhì)條件

　　(1)準(zhǔn)備好通用的和某臺(tái)數(shù)控機(jī)床專用的電氣備件,。

　　(2)非必要的常備電器元件應(yīng)做到采購(gòu)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(tái)數(shù)控機(jī)床所配有的完整的技術(shù)圖樣和資料,。

　　(5)數(shù)控機(jī)床使用,、維修技術(shù)檔案材料。

　　3.關(guān)于預(yù)防性維護(hù)

　　預(yù)防性維護(hù)的目的是為了降低故障率,，其工作內(nèi)容主要包括下列幾方面的工作,。

　　(1)人員安排 為每臺(tái)數(shù)控機(jī)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(yè)務(wù)技術(shù)水平,。

　　(2)建規(guī)建檔 針對(duì)每臺(tái)機(jī)床的具體性能和加工對(duì)象制定操作規(guī)章，建立工作與維修檔案,，管理者要經(jīng)常檢查,、總結(jié),、改進(jìn)。

　　(3)日常保養(yǎng) 對(duì)每臺(tái)數(shù)控機(jī)床都應(yīng)建立日常維護(hù)保養(yǎng)計(jì)劃,，包括保養(yǎng)內(nèi)容(如坐標(biāo)軸傳動(dòng)系統(tǒng)的潤(rùn)滑、磨損情況,，主軸潤(rùn)滑等,，油、水氣路,，各項(xiàng)溫度控制,，平衡系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng),，傳動(dòng)帶的松緊,，繼電器、接觸器觸頭清潔,，各插頭,、接線端是否松動(dòng)，電氣柜通風(fēng)狀況等等)及各功能部件和元?dú)饧�的保養(yǎng)周期(每日,、每月,、半年或不定期)。

　　(4)提高利用率 數(shù)控機(jī)床如果較長(zhǎng)時(shí)間閑置不用,，當(dāng)需要使用時(shí),，首先機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)會(huì)由于油脂凝固、灰塵甚至生銹而影響其靜,、動(dòng)態(tài)傳動(dòng)性能,，降低機(jī)床精度，油路系統(tǒng)的 堵塞更是一大煩事,；從電氣方面來(lái)看,，由于一臺(tái)數(shù)控機(jī)床的整個(gè)電氣控制系統(tǒng)硬件是由數(shù)以 萬(wàn)計(jì)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(lái)看分三個(gè)階段：在一年之內(nèi)基本上處于所謂“磨合”階段,。在該階段故障率呈下降趨勢(shì)，如果在這期間不斷開動(dòng)機(jī)床則會(huì)較快完成“磨合”任務(wù),，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(fā)揮效能的階段,。在合理使用和良好的日常維護(hù)保養(yǎng)的條件下,，機(jī)床正常運(yùn)轉(zhuǎn)至少可在五年以上；第三階段為系統(tǒng)壽命衰老階段,，電器硬件故障會(huì)逐漸增多,，數(shù)控系統(tǒng)的使用壽命平均在8～10年左右,。

　　因此，在沒(méi)有加工任務(wù)的一段時(shí)間內(nèi),，最好較低速度下空運(yùn)行機(jī)床,，至少也要經(jīng)常給數(shù)控系統(tǒng)通電，甚至每天都應(yīng)通電,。