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)
三、維修與排故技術(shù)
1.常見電氣故障分類
數(shù)控機(jī)床的電氣故障可按故障的性質(zhì)、表象、原因或后果等分類。
(1)以故障發(fā)生的部位，分為硬件故障和軟件故障。硬件故障是指電子、電器件、印制電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態(tài)甚至損壞，這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟件故障一般是指plc邏輯控制程序中產(chǎn)生的故障，需要輸入或修改某些數(shù)據(jù)甚至修改plc程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬于軟件故障。最嚴(yán)重的軟件故障則是數(shù)控系統(tǒng)軟件的缺損甚至丟失，這就只有與生產(chǎn)廠商或其服務(wù)機(jī)構(gòu)聯(lián)系解決了。
(2)以故障出現(xiàn)時(shí)有無(wú)指示，分為有診斷指示故障和無(wú)診斷指示故障。當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)都設(shè)計(jì)有完美的自診斷程序，時(shí)實(shí)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的軟、硬件性能，一旦發(fā)現(xiàn)故障則會(huì)立即報(bào)警或者還有簡(jiǎn)要文字說(shuō)明在屏幕上顯示出來(lái)，結(jié)合系統(tǒng)配備的診斷手冊(cè)不僅可以找到故障發(fā)生的原因、部位，而且還有排除的方法提示。機(jī)床制造者也會(huì)針對(duì)具體機(jī)床設(shè)計(jì)有相關(guān)的故障指示及診斷說(shuō)明書。上述這兩部分有診斷指示的故障加上各電氣裝置上的各類指示燈使得絕大多數(shù)電氣故障的排除較為容易。無(wú)診斷指示的故障一部分是上述兩種診斷程序的不完整性所致(如開關(guān)不閉合、接插松動(dòng)等)。這類故障則要依靠對(duì)產(chǎn)生故障前的工作過(guò)程和故障現(xiàn)象及后果，并依靠維修人員對(duì)機(jī)床的熟悉程度和技術(shù)水平加以分析、排除。
(3)以故障出現(xiàn)時(shí)有無(wú)破壞性，分為破壞性故障和非破壞性故障。對(duì)于破壞性故障，損壞工 件甚至機(jī)床的故障，維修時(shí)不允許重演，這時(shí)只能根據(jù)產(chǎn)生故障時(shí)的現(xiàn)象進(jìn)行相應(yīng)的檢查、分析來(lái)排除之，技術(shù)難度較高且有一定風(fēng)險(xiǎn)。如果可能會(huì)損壞工件，則可卸下工件，試著重現(xiàn)故障過(guò)程，但應(yīng)十分小心。
(4)以故障出現(xiàn)的或然性，分為系統(tǒng)性故障和隨機(jī)性故障。系統(tǒng)性故障是指只要滿足一定的 條件則一定會(huì)產(chǎn)生的確定的故障；而隨機(jī)性故障是指在相同的條件下偶爾發(fā)生的故障，這類故障的分析較為困難，通常多與機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的局部松動(dòng)錯(cuò)位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內(nèi)部溫度過(guò)高有關(guān)。此類故障的分析需經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)、綜合判斷才可能排除。
(5)以機(jī)床的運(yùn)動(dòng)品質(zhì)特性來(lái)衡量，則是機(jī)床運(yùn)動(dòng)特性下降的故障。在這種情況下，機(jī)床雖 能正常運(yùn)轉(zhuǎn)卻加工不出合格的工件。例如機(jī)床定位精度超差、反向死區(qū)過(guò)大、坐標(biāo)運(yùn)行不平穩(wěn)等。這類故障必須使用檢測(cè)儀器確診產(chǎn)生誤差的機(jī)、電環(huán)節(jié)，然后通過(guò)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的最佳化調(diào)整來(lái)排除。
此處故障的分類是為了便于故障的分析排除，而一種故障的產(chǎn)生往往是多種類型的混合，這 就要求維修人員具體分析，參照上述分類采取相應(yīng)的分析、排除法。
2.故障的調(diào)查與分析
這是排故的第一階段，是非常關(guān)鍵的階段，主要應(yīng)作好下列工作：
①詢問(wèn)調(diào)查 在接到機(jī)床現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)故障要求排除的信息時(shí)，首先應(yīng)要求操作者盡量保持現(xiàn)場(chǎng) 故障狀態(tài)，不做任何處理，這樣有利于迅速精確地分析故障原因。同時(shí)仔細(xì)詢問(wèn)故障指示情況、故障表象及故障產(chǎn)生的背景情況，依此做出初步判斷，以便確定現(xiàn)場(chǎng)排故所應(yīng)攜帶的工具、儀表、圖紙資料、備件等，減少往返時(shí)間。
②現(xiàn)場(chǎng)檢查 到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，首先要驗(yàn)證操作者提供的各種情況的準(zhǔn)確性、完整性，從而核實(shí) 初步判斷的準(zhǔn)確度。由于操作者的水平，對(duì)故障狀況描述不清甚至完全不準(zhǔn)確的情況不乏其例，因此到現(xiàn)場(chǎng)后仍然不要急于動(dòng)手處理，重新仔細(xì)調(diào)查各種情況，以免破壞了現(xiàn)場(chǎng)，使排故增加難度。
③故障分析 根據(jù)已知的故障狀況按上節(jié)所述故障分類辦法分析故障類型，從而確定排故原 則。由于大多數(shù)故障是有指示的，所以一般情況下，對(duì)照機(jī)床配套的數(shù)控系統(tǒng)診斷手冊(cè)和使 用說(shuō)明書，可以列出產(chǎn)生該故障的多種可能的原因。
④確定原因 對(duì)多種可能的原因進(jìn)行排查從中找出本次故障的真正原因，這時(shí)對(duì)維修人員是 一種對(duì)該機(jī)床熟悉程度、知識(shí)水平、實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和分析判斷能力的綜合考驗(yàn)。
⑤排故準(zhǔn)備 有的故障的排除方法可能很簡(jiǎn)單，有些故障則往往較復(fù)雜，需要做一系列的準(zhǔn) 備工作，例如工具儀表的準(zhǔn)備、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采購(gòu)甚至排故計(jì)劃步驟的制定等等。
數(shù)控機(jī)床電氣系統(tǒng)故障的調(diào)查、分析與診斷的過(guò)程也就是故障的排除過(guò)程，一旦查明了原因 ，故障也就幾乎等于排除了。因此故障分析診斷的方法也就變得十分重要了。下面把電氣故障的常用診斷方法綜列于下。
(1)直觀檢查法 這是故障分析之初必用的方法，就是利用感官的檢查。
①詢問(wèn) 向故障現(xiàn)場(chǎng)人員仔細(xì)詢問(wèn)故障產(chǎn)生的過(guò)程、故障表象及故障后果，并且在整個(gè)分析 判斷過(guò)程中可能要多次詢問(wèn)。