我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作工程技术人员数以万计，此项技术复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素制约，数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟、完整理论体系。当今控制理论与自动化技术高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术日新月异，使数控技术也同步飞速发展，数控系统结构形式上PC基、开放化和性能上多样化、复杂化、高智能化给其应用从观念到实践带来了巨大变化，也其维修理论、技术和手段上带来了很大变化。，一篇讲座形式文章不可能把已经形成了一门专门学科数控机床电气维修技术理论完整表述出来，本文仅是将多年实践探索及业内众同仁经验总结加以适当归纳整理，对该学科理论发展及工程技术人员实践有所裨益。 谈到维修，首先必须从总体上了解我们维修对象。 1.数控机床电气控制系统综述 一台典型数控机床其全部电气控制系统如图1所示。
(2)数控系统数控机床中枢，它将接到全部功能指令进行解码、运算，然后有序发出各种需要运动指令和各种机床功能控制指令，直至运动和功能结束。 数控系统都有很完善自诊断能力，日常使用中更多是要注意严格按规定操作，而日常维护则主对硬件使用环境保护和防止系统软件破坏。 (3)可编程逻辑控制器是机床各项功能逻辑控制中心。它将来自CNC各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确、协调有序安全运行；同时将来自机床各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确发出进一步控制指令，如此实现对整个机床控制。 当代PLC多集成于数控系统中，这主指控制软件集成化，而PLC硬件则规模较大系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC集成是采取软件接口实现，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定存放址，由系统对所有址信息状态进行实时监控，各接口信号现时状态加以分析判断，据此作出进一步控制命令，完成对运动或功能控制。 不同厂商PLC有不同PLC语言和不同语言表达形式，，力求熟悉某一机床PLC程序前提是先熟悉该机床PLC语言。 (4)主轴驱动系统接受来自CNC驱动指令，经速度与转矩(功率)调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。它还PLC将主轴各种现实工作状态通告CNC完成对主轴各项功能控制。 主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴转动特性，其中有些不可丢失或改变，例如指示电动机规格参数等，有些是可运行状态加以调改，例 (5)进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供速度指令，经速度与电流(转矩)调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。它也PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC控制。 进给伺服系统速度调节器正确调节是最重要，应该位置开环条件下作{zj0}化调节，既冲又要保持一定硬特性。它受机床坐标轴机械特性制约，一旦导轨和机械传动链 (6)电器硬件电路PLC功能不断强大，电器硬件电路主要任务是电源生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器(继电器、接触器)，很少还有继电器逻辑电路存。一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制专用组合型继电器情况，一旦这类元件出现故障，更换之外，还可以将其去除而由PLC逻辑取而代之，这需要对该专用电器工作原理有清楚了解，还要对机床PLC语言与程序深入掌握才行。 (7)机床(电器部分)包括所有电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床 (8)速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中测速机来完成。它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，实现速度xx控制。 这里应注意测速反馈电压匹配联接，不要拆卸测速机。由此引起速度失控多是测速反馈线接反断线所致。 (9)位置测量较早期机床使用直线或圆形同步感应器旋转变压器，而现代机床多采 位置环可能出现故障多为硬件故障，例如位置测量元件受到污染，导线连接故障等。 (10)外部设备一般指PC计算机、打印机等输出设备，多数不属于机床基本配置。使用中主要问题与输入装置一样，是匹配问题。 2.数控机床运动坐标电气控制 数控机床一个运动坐标电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成
(1)电流环是为伺服电机提供转矩电路。一般情况下它与电动机匹配调节已由制造者作好了指定了相应匹配参数，其反馈信号也伺服系统内联接完成，不需接线与调整。 (2)速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其P、I调整值xx取决于所驱动坐标轴负载大小和机械传动系统(导轨、传动机构)传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。 速度环{zj0}调节是位置环开环条件下才能完成，这水平运动坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整直接带位置环一起调整，这时需要有一定经验和细心。 速度环反馈环节见前面“速度测量”一节。 (3)位置环是控制各坐标轴按指令位置xx定位控制环节。位置环将最终影响坐标轴位置精度及工作精度。这其中有两方面工作： 一是位置测量元件精度与CNC系统脉冲当量匹配问题。测量元件单位移动距离发出脉 二是位置环增益系数Kv值正确设定与调节。通常Kv值是作为机床数据设置，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值设置址和数值单位。速度环{zj0}化调节后Kv值设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度重要因素。Kv值是机床运动坐标自身性能优劣直接表现而并非可以任意放大。Kv值设置要注意两个问题，首先要满足下列公式： 注意，不同数控系统采用单位可能不同，设置时要注意数控系统规定单位。例如，坐标运行速度单位是m/min，则Kv值单位为m/(mm·min)，若v单位为mm/s，则Kv单位应为mm/(mm·s)。 其次要满足各联动坐标轴Kv值必须相同，以保证合成运动时精度。通常是以Kv值{zd1}坐标轴为准。 (4)前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性提高位置控制精度。多数机床没有设此功能，故本文不详述，要注意，前馈加入必须是上述三个控制环均{zj0}调试完毕后方可进行。 二、维修工作基本条件 数控机床身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序关键设备，一 旦故障停机，其影响和损失往往很大。，人们对这样设备往往更多是看重其效能，而对合理使用不够重视，更对其保养及维修工作xx太少，日常不注意对保养与维修工作条件创造和投入，故障出现临时抱佛脚现象很是普遍。，充分发挥数控机床效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好维修条件。数控机床日常出现多为电气故障，电气维修更为重要。 数控机床电气维修工作快速性、优质性关键取决于电气维修人员素质条件。 (1)首先是有高度责任心和良好职业道德。 (2)知识面要广。要学习并基本掌握有关数控机床电气控制各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲基本数控知识。 (3)应良好技术培训。数控技术基础理论学习，尤其是针对具体数控机床技术培训，首先是参加相关培训班和机床安装现场实际培训，然后向有经验维修人员学习，而更重要且更长时间是自学。 (4)勇于实践。要积极投入数控机床维修与操作工作中去，不断实践中提高分析能力和动手能力。 (5)掌握科学方法。要做好维修工作光有热情是不够，还必须长期学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题科学方法。 (6)学习并掌握各种电气维修中常用仪器、仪表和工具。 (7)掌握一门外语，特别是英语。起码应做到能看懂技术资料。 2.物质条件 (1)准备好通用和某台数控机床专用电气备件。 (2)非必要常备电器元件应做到采购渠道快速畅通。 (3)必要维修工具、仪器仪表等，{zh0}配有笔记本电脑并装有必要维修软件。 (4)每台数控机床所配有完整技术图样和资料。 (5)数控机床使用、维修技术档案材料。 3.预防性维护 预防性维护目是降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面工作。 (1)人员安排 为每台数控机床分配专门操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都要不断努力提高自己业务技术水平。 (2)建规建档 针对每台机床具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案，管理者要经常检查、总结、改进。 (3)日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，xxxx内容(如坐标轴传动系统润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统，传动带松紧，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等)及各功能部件和元气件保养周期(每日、每月、半年或不定期)。 (4)提高利用率 数控机床较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床各运动环节会油脂凝固、灰尘生锈而影响其静、动态传动性能，降低机床精度，油路系统 堵塞更是一大烦事；从电气方面来看，一台数控机床整个电气控制系统硬件是由数以 万计电子元器件组成，他们性能和寿命具有很大离散性，从宏观来看分三个阶段：一年之内基本上处于所谓“磨合”阶段。该阶段故障率呈下降趋势，这期间不断开动机床则会较快完成“磨合”任务，也可充分利用一年维修期；第二阶段为有效寿命 阶段，也就是充分发挥效能阶段。合理使用和良好日常维护保养条件下，机床正常运转至少可五年以上；第三阶段为系统寿命衰老阶段，电器硬件故障会逐渐增多，数控系统使用寿命平均8～10年左右。 ，没有加工任务一段时间内，{zh0}较低速度下空运行机床，至少也要经常给数控系统通电，每天都应通电。 三、维修与排故技术 1.常见电气故障分类 数控机床电气故障可按故障性质、表象、原因或后果等分类。 (1)以故障发生部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等不正常状态损坏，这是需要修理更换才可排除故障。而软件故障一般是指PLC逻辑控制程序中产生故障，需要输入或修改某些数据修改PLC程序方可排除故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重软件故障则是数控系统软件缺损丢失，这就与生产厂商或其服务机构联系解决了。 (2)以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今数控系统都设计有xx自诊断程序，时实监控整个系统软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警还有简要文字说明屏幕上显示出来，结合系统配备诊断手册可以找到故障发生原因、部位，还有排除方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关故障指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示故障加上各电气装置上各类指示灯使绝大多数电气故障排除较为容易。无诊断指示故障一部分是上述两种诊断程序不完整性所致(如开关不闭合、接插松动等)。这类故障则要依靠对产生故障前工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床熟悉程度和技术水平加以分析、排除。 (3)以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。破坏性故障，损坏工 件机床故障，维修时不允许重演，这时只能产生故障时现象进行相应检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。 (4)以故障出现或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指满足一定 条件则一定会产生确定故障；而随机性故障是指相同条件下偶尔发生故障，这类故障分析较为困难，通常多与机床机械结构局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障分析需经反复试验、综合判断才可能排除。 (5)以机床运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降故障。这种情况下，机床虽 能正常运转却加工不出合格工件。例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差机、电环节，然后对机械传动系统、数控系统和伺服系统{zj0}化调整来排除。 此处故障分类是便于故障分析排除，而一种故障产生往往是多种类型混合，这 就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应分析、排除法。 2.故障调查与分析 这是排故{dy}阶段，是非常关键阶段，主要应作好下列工作： ①询问调查 接到机床现场出现故障要求排除信息时，首先应要求操作者尽量保持现场 故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速xx分析故障原因。同时仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生背景情况，依此做出初步判断，确定现场排故所应携带工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。 ②现场检查 到达现场后，首先要验证操作者提供各种情况准确性、完整性，核实 初步判断准确度。操作者水平，对故障状况描述不清xx不准确情况不乏其例，到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，使排故增加难度。 ③故障分析 已知故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型，确定排故原 则。大多数故障是有指示，一般情况下，对照机床配套数控系统诊断手册和使 用说明书，可以列出产生该故障多种可能原因。 ④确定原因 对多种可能原因进行排查从中找出本次故障真正原因，这时对维修人员是 一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力综合考验。 ⑤排故准备 有故障排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一系列准 备工作，例如工具仪表准备、局部拆卸、零部件修理，元器件采购排故计划步骤制定等等。 数控机床电气系统故障调查、分析与诊断过程也就是故障排除过程，一旦查明了原因 ，故障也就几乎等于排。故障分析诊断方法也就变十分重要了。下面把电气故障常用诊断方法综列于下。 (1)直观检查法 这是故障分析之初必用方法，就是利用感官检查。 ①询问 向故障现场人员仔细询问故障产生过程、故障表象及故障后果，整个分析 判断过程中可能要多次询问。 ②目视 总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、 刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示，局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等 。 ③触摸 整机断电条件下可以触摸各主要电路板安装状况、各插头座插接状况、 各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)联接状况等来发现可能出现故障原因。 ④通电 这是指检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动机和元件存而通电，一旦发现立即断电分析。 (2)仪器检查法 使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号等 进行测量，从中找寻可能故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置 相关信号状态测量点测量，用示波器观察相关脉动信号幅值、相位有无，用PLC 编程器查找PLC程序中故障部位及原因等。 (3)信号与报警指示分析法 ①硬件报警指示 这是指包括数控系统、伺服系统内各电子、电器装置上各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方法。 ②软件报警指示 如前所述系统软件、PLC程序与加工程序中故障通常都设有报警显示，依据显示报警号对照相应诊断说明手册便可获知可能故障原因及故障排除方法。 (4)接口状态检查法 现代数控系统多将PLC集成于其中，而CNC与PLC之间则以一系列接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关，这些接口信号有可以相应接口板和输入/输出板上有指示灯显示，有可以简单操作CRT屏幕上显示，而所有接口信号都可以用PLC编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本机床接口信号，又要熟悉PLC编程器应用。 (5)参数调整法 数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改参数以适应不同机床、 不同工作状态要求。这些参数能使各电气系统与具体机床相匹配，更是使机床各项功能达到{zj0}化所必需。，任何参数变化(尤其是模拟量参数)丢失都是不允许；而随机床长期运行所引起机械或电气性能变化会打破最初匹配状态和{zj0}化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障，需要重新调整相关一个或多个参数方可排除。这种方法对维修人员要求是很高，要对具体系统主要参数十分了解，既知晓其址熟悉其作用，要有较丰富电气调试经验。 (6)备件置换法 当故障分析结果集中于某一印制电路板上时，电路集成度不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难，缩短停机时间，有相同备件条件下可以先将备件换上，然后再去检查修复故障板。备件板更换要注意以下问题。 ①更换任何备件都必须断电情况下进行。 ②许多印制电路板上都有一些开关或短路棒设定以匹配实际需要，更换备件板上一 定要记录下原有开关位置和设定状态，并将新板作好同样设定，否则会产生报警而不能工作。 ③某些印制电路板更换还需更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数建立。这 一点需要仔细阅读相应电路板使用说明。 ④有些印制电路板是不能轻易拔出，例如含有工作存储器板，备用电池板，它会丢 失有用参数程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。 鉴于以上条件，拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步骤 之后再动手，以免造成更大故障。 (7)交叉换位法 当发现故障板不能确定是否故障板而又没有备件情况下，可以将系统中相同或相兼容两个板互换检查，例如两个坐标指令板或伺服板交换从中判断故障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意，硬件接线正确交换，还要将一系列相应参数交换，否则达不到目，会产生新故障造成思维混乱，一定要事先考虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误再行交换检查。 (8)特殊处理法 当今数控系统已进入PC基、开放化发展阶段，其中软件含量越来越丰富，有系统软件、机床制造者软件、还有使用者自己软件，软件逻辑设计中不可避免一些问题，会使有些故障状态无从分析，例如死机现象。这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，则可能将故障xx。维修人员可以自己长期实践中摸索其规律其他有效方法。 3.电气维修与故障排除 这是排故第二阶段，是实施阶段。 如前所述，电气故障分析过程也就是故障排除过程，电气故障一些常用排除方法 上一节分析方法中已综合介绍过了，本节则列举几个常见电气故障做一简要介绍，供维修者参考。 (1)电源 电源是维修系统乃至整个机床正常工作能量来源，它失效故障轻者会丢 失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部全部。西方国家电力充足，电网质量高，其电气系统电源设计考虑较少，这我国有较大波动和高次谐波电力供电网来说就略显不足，再加上某些人为因素，难免出现由电源而引起故障。我们设计数控机床供电系统时应尽量做到： ①提供独立配电箱而不他设备串用。 ②电网供电质量较差区应配备三相交流稳压装置。
④进入数控机床三相电源应采用三相五线制，中线(N)与接(PE)严格分开。 ⑤电柜内电器件布局和交、直流电线敷设要相互隔离。
①位置环报警。可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立接口信号不存等。 ②坐标轴没有指令情况下产生运动。可能是漂移过大；位置环或速度环接成正反馈；反馈接线开路；测量元件损坏。 (3)机床坐标找不到零点。可能是零方向远离零点；编码器损坏或接线开路；光栅零点标 记移位；回零减速开关失灵。 (4)机床动态特性变差，工件加工质量下降，一定速度下机床发生振动。这其中有很 大一种可能是机械传动系统间隙过大磨损严重导轨润滑不充分磨损造成；电气控制系统来说则可能是速度环、位置环和相关参数已不{zj0}匹配状态，应机械故障基本排除后重新进行{zj0}化调整。 (5)偶发性停机故障。这里有两种可能情况：一种情况是如前所述相关软件设计中问 题造成某些特定操作与功能运行组合下停机故障，一般情况下机床断电后重新通电便会消失；另一种情况是由环境条件引起，如强力干扰(电网或周边设备)、温度过高、湿度过大等。这种环境因素往往被人们所忽视，例如南方区将机床置于普通厂房靠近敞开 大门附近，电柜长时间开门运行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾设备等等。这些因素会造成故障，严重还会损坏系统与机床，务必注意改善。 本文篇幅所限不做更多介绍，读者可参阅数控机床随机资料及其他专门介绍各种故 障文章。 4.维修排故后总结提高工作 对数控机床电气故障进行维修和分析排除后总结与提高工作是排故第三阶段，也是十分重要阶段，应引起足够重视。 总结提高工作主要内容包括： ①详细记录从故障发生、分析判断到排除全过程中出现各种问题，采取各种措施，涉 及到相关电路图、相关参数和相关软件，其间错误分析和排故方法也应记录并记录其无效原因。除填入维修档案外，内容较多者还要另文详细书写。 ②有条件维修人员应该从较典型故障排除实践中找出常有普遍意义内容作为研究课题 进行理论性探讨，写出论文，达到提高目。特别是有些故障排除中并未经由认真系统分析判断带有一定偶然性排故障，这种情况下事后总结研究就更加必要。 ③总结故障排除过程中所需要各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补济， 随后日子里研读，以备将来之需。 ④从排故过程中发现自己欠缺知识，制定学习计划，力争尽快补课。 ⑤找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。 总结提高工作好处是： ①迅速提高维修者理论水平和维修能力。 ②提高重复性故障维修速度。 ③利于分析设备故障率及可维修性，改进操作规程，提高机床寿命和利用率。 ⑤资源共享。总结资料可作为其他维修人员参数资料、学习培训教材 |
