數控機床維修與維護

一、常用術語

ATC（Automatic tool changer)自動換刀裝置。由刀庫和換刀機械手等組成。

APC （Automatic pallter changer)工作臺自動交換裝置。

MC（Machining center)加工中心。

FMC（Flexible manufacturing cell )柔性制造單元，由加工中心（MC）和自動交換工件（AWC）組成。

FMS（Flexible manufacturing systems)柔性制造系統。由加工、物流、信息流子系統組成。

CIMS (Computer integrated maufacturing systems)計算機集成制造系統，是指零件設計到加工、裝配、檢驗、運輸等以及整個生產過程的計劃管理的計算機控制和管理系統。

DNC（Direct numercial control)計算機直接數控系統。用一臺通用計算機直接控制和管理一群數控機床進行零件加工或裝配，也稱群控系統。

二、數控機床分類

1.1.4  數控機床的分類

數控機床的種類繁多，功能各異，各行業都可從不同角度進行分類，為了便于了解和研究，一般按以下幾種方法進行分類。

一．按工藝用途分類

1．一般數控機床

一般數控機床是在普通通用機床的基礎上發展起來的，這種類型的數控機床工藝用途與普通機床相似，不同的是它適合加工單件、小批量和復雜形狀的零件，生產效率和自動化程度比普通機床高，其種類主要有數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控鏜床、數控磨床等。如下圖所示

二．按運動方式分類

1．點位控制系統

點位控制系統的數控機床，其數控裝置只能控制刀具從一點到另一點的位置，而不控制移動的軌跡，因為點位控制系統的數控機床只要求獲得準確的加工坐標點的位置，而對移動軌跡沒有嚴格要求，并且在移動和定位過程中不進行任何加工。為了減少移動部件的運動與定位時間，一般先以快速移動到終點附近位置，然后以低速準確移動到終點定位位置，以保證良好的定位精度。移動過程中刀具不進行切削。常見的點位數控機床有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控沖床、數控鉆床、數控點焊機和數控折彎機等，其相應的數控裝置稱為點位控制數控裝置。

2．直線控制系統

直線控制系統的數控機床，不但要求刀具或數控工作臺從起點坐標運動到終點坐標，而且要求刀具或數控工作臺以給定的速度沿平行于某坐標軸方向運動的過程中進行切削加工。該類系統也可以控制刀具或數控工作臺同時在兩個軸向以相同的速度運動，從而沿某坐標軸成45°的斜線進行加工。常見的直線數控機床有數控車床、數控鏜銑床、數控磨床、數控加工中心等。

3．輪廓控制系統

輪廓控制系統的數控機床，能夠對兩個或兩個以上的坐標軸同時進行控制，它不僅能夠控制機床移動部件的起點和終點坐標值，而且能夠控制整個加工過程的每一點的速度與位移，既能控制加工軌跡又能加工出符合要求的輪廓。其加工工件可以用直線插補或圓弧插補的方法進行切削加工。常見的輪廓數控機床有數控車床、數控銑床、數控磨床、數控加工中心、線切割等。輪廓數控裝置比點位、直線控制裝置結構復雜得多，功能齊全得多。

三 .  按進給伺服系統的類型分類

1．開環進給伺服系統數控機床

 開環進給伺服系統通常不帶有位置檢測元件，伺服驅動元件一般為步進電動機。

開環數控系統

沒有位置測量裝置，信號流是單向的（數控裝置→進給系統），故系統穩定性好。

2．閉環進給伺服系統數控機床

 閉環進給控制系統帶有位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移，并反饋給數控裝置，并與設定的指令值進行比較，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零為止。

 全閉環數控系統

全閉環數控系統的位置采樣點如圖的虛線所示，直接對運動部件的實際位置進行檢測。

3．半閉環進給伺服系統數控機床

 半閉環進給伺服系統是將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服機構的轉角，將此信號反饋給數控裝置進行指令值比較，用差值控制伺服電動機。

 半閉環數控系統

半閉環數控系統的位置采樣點如圖所示，是從驅動裝置(常用伺服電機)或絲杠引出，采樣旋轉角度進行檢測，不是直接檢測運動部件的實際位置。

閉環位置控制的概念與實現方法。

        閉環位置控制是由數控系統中的計算機完成的。安裝在工作臺上的位置傳感器將機械位移轉換為數字脈沖，該脈沖送至數控系統的位置測量接口，由計數器進行計數。計算機以固定的時間周期對該反饋值進行采樣，采樣值與插補程序輸出的結果進行比較，得到位置誤差。該誤差經軟件增益放大，輸出給數模轉換器(D／A)，從而為伺服裝置提供控制電壓，驅動工作臺向減少誤差的方向移動。如果插補程序不斷產生進給量，工作臺就不斷地跟隨該進給量運動。只有在位置誤差為零時，工作臺才停止(停在要求的位置上)。

三、主軸伺服系統的故障及表現形式

目前常采用的主軸控制方式大體上有兩種： 通用變頻器控制交流變頻電機、 采用伺服驅動控制交流伺服電動機 。

數控機床對主軸驅動的要求是什么？

 （1）數控機床主傳動要有較寬的調速范圍，以保證加工時選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。特別對多道工序自動換刀的數控機床（數控加工中心），為適應各種刀具、工序和各種材料的要求，對主軸的調速范圍要求更高。

    （2）要求主軸在整個范圍內均能提供切削所需功率，并盡可能在全速度范圍內提供主軸電動機的最大功率，即恒功率范圍要寬。由于主軸電動機與驅動的限制，其在低速段均為恒轉矩輸出，為滿足數控機床低速強力切削的需要常采用分段無級變速的方法，即在低速段采用機械減速裝置，以提高輸出轉矩。

    （3）要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加減速控制，即要求具有四象限驅動能力，并且加、減速時間要短。

    （4）為滿足加工中心自動換刀(ATC)以及某些加工工藝的需要，要求主軸具有高精度的準停控制。

（5）在車削中心上，還要求主軸具有旋轉進給軸(C軸)的控制功能。

位置檢測裝置有哪些種類？它們可分別安裝在機床的哪些部位？

1)旋轉編碼器是一種旋轉式測量裝置，通常安裝在被測軸上，隨被測軸一起轉動，

可將被測軸的角位移轉換成增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。

2)光柵尺或稱光柵，是一種高精度的直線位移傳感器，在數控機床上用于測量工作臺

的位移，屬直接測量，并組成位置閉環伺服系統。

3) 旋轉變壓器  旋轉變壓器屬于電磁式測量傳感器，可用于角位移測量。旋轉變壓

器在數控機床上的應用幾乎已經可以被新型旋轉編碼器所替代

4）感應同步器是一種電磁式的檢測傳感器，主要部件包括定尺和滑尺，感應同步器

在數控機床上的應用也已經被新型光柵尺和圓光柵所替代。

5）磁柵位置檢測裝置是由磁性標尺、磁頭和檢測電路組成，按其結構可分為直線磁

柵和圓型磁柵，分別用于直線位移和角度位移的測量。磁柵安裝調整方便，對使用環

境的條件要求較低，對周圍電磁場的抗干擾能力較強，在油污、粉塵較多的場合下使

用有較好的穩定性，但目前在數控機床上也很少使用。

數控機床對進給伺服的性能有何要求？

(1)精度高。伺服系統要具有較好的靜態特性和較高的伺服剛度，從而達到較高的定位精度，以保證機床具有較小的定位誤差與重復定位誤差,同時伺服系統還要具有較好的動態性能，以保證機床具有較高的輪廓跟隨精度。

(2)快速響應，無超調。為了提高生產率和保證加工質量，在啟、制動時，要求加、減加速度足夠大，以縮短伺服系統的過渡過程時間，減小輪廓過渡誤差。

 (3)調速范圍寬。在數控機床中，由于所用刀具、被加工材料、主軸轉速以及進給速度等加工：工藝要求各有不同,為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，要求進給驅動系統必須具有足夠寬的無級調速范圍.

4.4  檢測反饋系統的故障分析與排除

數控機床伺服系統最終是以位置控制為目的，對于閉環控制的伺服系統，位置檢測元件的精度將直接影響到機床的位置精度，目前，用于閉環控制的位置檢測元件多為光柵尺，用于半閉環控制的位置元件多為光電編碼器。

4.4.1 數控機床對位置檢測裝置的要求

1．數控機床對檢測元件的要求

檢測元件的主要作用是檢測位移和速度，發送反饋信號。是檢測裝置的重要部件，位移檢測系統能夠測量的最小位移量稱為分辨率。分辨率不僅取決于檢測元件本身，也取決于測量電路。

數控機床對檢測元件的主要要求如下：

①使用壽命長，可靠性高，抗干擾能力強；

②要有滿足精度和速度要求；

③要使用、維護方便，適合機床運行環境；

④成本低；       

⑤便于與計算機連接。

不同類型的數控機床對檢測系統的精度與速度的要求也不同：

①一般大型數控機床以滿足速度要求為主；

②中、小型和高精度數控機床以滿足精度要求為主；

③選擇測量系統的分辨率和脈沖當量時，一般要求比加工精度高一個數量級。

數控機床常用的位置檢測裝置有  旋轉編碼器 、 光柵尺  等。

五、關于數控機床的PLC

5.4 數控機床PLC的分類

PLC在CNC系統中是介于CNC裝置與機床之間的中間環節。其根據輸入的離散信息，在內部進行邏輯運算并完成輸出功能。數控機床PLC的結構形式可分為兩類：一類是專為實現數控機床順序控制而設計制造的“內置式”PLC，另一類是輸入/輸出接口技術規范、輸入/輸出點數、程序存儲容量以及運算和控制功能等均能滿足數控機床控制要求的“獨立式”PLC。

5.4.1 “內置式”PLC

“內置式”PLC從屬于CNC裝置，PLC與CNC間的信號傳送在CNC裝置內部即可實現。PLC與MT(機床側)則通過CNC的輸入/輸出接口電路實現信號傳送，如下圖所示。

內置式PLC有以下特點:

① 內置式PIC能獨立工作，只是CNC帶有PLC功能，兩者是不能分離的。

② 內置式PLC的性能指標(如：輸入輸出點數、程序最大步數、每步執行時間、程序掃描時間、功能指令數目等）是根據所從屬的CNC系統的規格、性能、適用機床的類型等確定的。其硬件和軟件部分是被作為CNC系統的基本功能或附加功能與CNC系統統一設計制造的，因此系統硬件和軟件整體結構十分緊湊。

③在硬件結構上，內置式PLC可與CNC共用一個CPU，也可單獨使用一個CPU；內置式PLC一般單獨制成一塊附加板，插裝到CNC主板的插座上，不單獨配備I/O接口，而是使用CNC系通本身的I/O接口；PLC控制部分及部分I/O電路所用電源(一般是輸入口電源，而輸出口電源是另匹配的)由CNC裝置提供，不另備電源。

④由于CNC的功能和PLC的功能在設計時就已經一同考慮，所以CNC和PLC之間沒有多余的連線，所以使得PLC信息可以通過CNC顯示器顯示，PLC編程更為方便，故障診斷功能和系統的可靠性也有提高。

5.4.2 “獨立式”PLC

獨立式PLC是獨立于CNC裝置，具有完備的硬件和軟件功能，能夠獨立完成規定控制任務置。采用獨立式PLC的數控機床系統框圖如下圖所示。

獨立式PLC有以下特點：

①獨立式PLC和CNC是通過輸入/輸出接口電路連接的。

②獨立式PLC在數控機床的應用中一般采用中型或大型PLC，I/O點數一般在200點以上，所以多采用積木式模塊化結構，具有安裝方便、功能易于擴展和變更等優點。

③獨立式PLC的輸入、輸出點數可以通過輸入、輸出模塊的增減靈活配置。有的獨立型PLC還可通過多個遠程終端連接器構成有大量輸入、輸出點的網絡，以實現大范圍的集中控制。

5.5 數控機床PLC的工作過程

PLC的工作過程基本上就是用戶程序的執行過程，是在系統軟件的控制下順次掃描各輸入點的狀態，按用戶邏輯解算控制邏輯，然后順序向各輸出點發出相應的控制信號。此外，為提高工作的可靠性和及時接收外來的控制命令，在每個掃描周期還要進行故障自診斷和處理以及編程器、計算機的通信請求等。

順序掃描的工作方式是PLC的基本工作方式，這種方式簡單直觀，而且方便用戶程序設計，為PLC的可靠運行提供了有力的保證。所掃描到的指令被執行后，其結果立刻就被后面將要掃描的指令所利用。可以通過CPU設置定時器來監視每次掃描時間是否超過規定時間，避免由于CPU內部故障使程序執行進入死循環。

對用戶程序的循環掃描執行過程，可分為輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段，如下圖所示：

1．輸入采樣階段

在輸入采樣階段，PLC以掃描方式將所有輸入端的輸入信號狀態(ON/OFF狀態)讀入到輸入映像寄存器中寄存起來，稱為對輸入信號的采樣。接著轉入程序執行階段，在程序執行期間，即使輸入狀態變化，輸入映像寄存器的內容也不會改變。輸入狀態的變化只能在下一個工作周期的輸入采樣階段才被重新讀入。

2．程序執行階段

在程序執行階段，PLC對程序按順序進行掃描。如程序用梯形圖表示，則總是按先上后下、先左后右的順序掃描。每掃描到一條指令時所需要的輸入狀態或其他元素的狀態，分別由輸入映像寄存器或輸出映像寄存器中讀入，然后進行相應的邏輯或算術運算，運算結果再存入專用寄存器。若執行程序輸出指令時，則將相應的運算結果存入輸出映像寄存器。

3．輸出刷新階段

在所有指令執行完畢后，輸出映像寄存器中的狀態就是欲輸出的狀態。在輸出刷新階段將其轉存到輸出鎖存電路，再經輸出端子輸出信號去驅動用戶輸出設備，這就是PLC的實際輸出。PLC重復地執行上述三個階段，每重復一次就是一個工作周期(或稱掃描周期)。工作周期的長短與程序的長短有關。

5、順序掃描 的工作方式是PLC的基本工作方式，這種方式簡單直觀，而且方便用戶程序設計，為PLC的可靠運行提供了有力的保證。

6 、PLC對用戶程序的循環掃描執行過程，可分為輸入采樣、程序執行、輸出刷新三個階段

7、數控機床的外圍故障比系統故障發生的幾率要高。故障表現形態各異，在作故障

診斷時，要充分利用系統的 外圍報警信息 ， 結合 PMC梯形圖 的邏輯關系，并且仔細觀察 I/O接口 的狀態

六、故障診斷原則和方法

2．簡述數控機床故障診斷及維修的一般方法

(1) 常規檢查法, 數控機床的檢修要求維修人員掌握先外部后內部的原則，即當數控機床發生故障后，維修人員應先用望、聽、聞等方法，由外向內逐一進行檢查。

(2) 參數檢查法，即根據故障特征，檢查和校對有關參數。

(3) 功能程序測試法，將所維修數控系統G、M、S、T、F、功能的全部使用指令編寫成一個試驗程序，并備份保存。在故障診斷時，運行此程序，用以判斷哪個功能不良或喪失。

 (4) 升降溫法，人為地將元件的溫度升降低，高或加速一些溫度特性較差的元件產生“病變”或使“病癥”消除來尋找故障原因。

 (5) 敲擊法，數控系統是由各種電路和連接插座所組成，每塊電路板上含有很多焊點，任何虛焊或接觸不良都可能出現故障。若用絕緣物輕輕敲打有接觸不良疑點的電路板、插件或元器件時機床出現故障，則故障點很可能在所敲擊的部位。

 (6)  拉偏電源法，有些不定期出現的軟故障與外界電網的波動有關。當機床出現此類故障時，可以把電源電壓人為地調高或調低，模擬惡劣的條件讓故障容易暴露。（7） 交換法，在數控系統中常有型號完全相同的電路板、模塊、集成電路和其他零部件。我們可將相同部分互相交換，觀察故障轉移情況，以快速確定故障部位。

（8） 備板置換法，利用備用電路板、模塊、集成電路和其他元器件，替換有疑點的部件，觀察故障現象是轉移還是依舊存在？，以此判斷故障點。

（9） 隔離法，有些故障，一時難以區分是數控部分、伺服部分還是機械部分造成的，可采用隔離法。就是將機電部分、數控部分、伺服部分分離，或將位置環分離作開環處理，從而達到縮小查找故障區域的目的。

（10）系統更新重置法，當CNC或PLC裝置由于電網干擾，或其他偶然原因發生異常情況或死機時，可將系統重新進行冷、熱啟動，并對CNC參數進行重新設置，便可排除故障。

（11） 對比法，本方法是利用印制電路板上預先設置的檢查用端子，確定該部分電路工作是否正常，通過實測這些端子的電壓值或波形與正常時的電壓值及波形比較，來分析故障原因和部位。有時還可以在正常部分的線路板上人為地制造一些故障（如斷開線路、拔去組件），以判斷真正的故障原因。

（12） 原理分析法，該法是排除故障的最基本方法之一。當其他方法難以奏效時，可以從CNC系統原理出發，運用萬用表、邏輯筆、示波器或邏輯分析儀等儀器，從前往后或從后往前檢查相關信號，并與正常情況相比較，分析判斷故障原因，再縮小故障范圍，直至最終查出故障原因。對上述故障診斷方法，有時要幾種方法同時應用，進行故障綜合分析，快速診斷出故障部位，從而排除故障。

在檢測和排除故障過程中還應掌握的原則。

(1) 先外部后內部, 數控機床的檢修要求維修人員掌握先外部后內部的原則，即當數控機床發生故障后，維修人員應先用望、聽、聞等方法，由外向內逐一進行檢查。

(2) 先機械后電氣，先機械后電氣就是在數控機床的維修中，首先檢查機械部分是否正常，行程開關是否靈活，氣動液壓部分是否正常等。在故障檢修之前，首先注意排除機械的故障。

(3)  先靜后動，維修人員本身要做到先靜后動，不可盲目動手，應先詢問機床操作人員故障發生的過程及狀態，閱讀機床說明書，圖紙資料，進行分析后，才可動手查找和處理故障。

(4)  公用后專用。只有先解決影響一大片的主要矛盾，局部的、次要的矛盾才可迎刃而解。

(5)  先簡單后復雜。應首先解決容易的問題，后解決難度較大的問題，常常在解決簡單故障過程中，難度大的問題也可變得容易，或者在排除簡易故障時受到啟發，對復雜的故障的認識更為清晰，從而也有了解決辦法。

(6)  先一般后特殊，在排除某一故障時，要首先考慮最常見的可能原因，然后在分析很少發生的特殊原因。

4、數控系統對報警是如何處理的?

一般來說，操作者應根據報警說明仔細檢查系統及機床的情況，然后排除故障出現的原因所在，并按照所說明的方法進行應答。

所有的“報警和信息”都是以符號來指出判據，并以文本的形式在數控系統的操作面板上顯示。報警文本儲存在數控系統中。機床的“報警和信息”可以通過可編程序控制器的程序以文本形式顯示，并可以按照狀態信息和故障信息進行區分。當相關的條件一被刪除，其對應的狀態就被清除。而故障信息總是首先要得到響應。

5、絕對式測量和增量式測量在檢測機床參考點時有何差異？

增量式測量的特點是只測位移增量，即工作臺每移動一個基本長度單位，檢測裝置便發出一個測量信號，此信號通常是脈沖形式，這樣，一個脈沖所代表的基本長度單位就是分辨力，而通過對脈沖計數便可得到位移量。

在采用相對位置編碼器、感應同步器或光柵作為位置反饋器件的數控機床中，數控系統一般將各進給軸的回零減速開關（或標記）之后由位置反饋器件產生的第一個零點標記信號作為基準點。這類機床在每次斷電或緊急停機后都必須重新作各進給軸的回零操作，否則，實際位置可能發生偏移，回零減速開關與其撞塊的相對位置調整不妥，也會引起機械原點位置的不穩定。

絕對式測量的特點是，被測的任一點的位置都從一個固定的零點算起，每一被測點都有一個對應的測量值，常以數據形式表示。

在采用絕對位置編碼器作為位置反饋器件的數控機床中，絕對位置編碼器能夠自動記憶各進給軸全行程內的每一點位置，不需回零開關，每次斷電或緊急停機后，都不必重新作基準點的設定操作?；鶞庶c位置設定后永久不變，并由專供絕對位置編碼器使用的存儲器記憶，特別適用于鼠牙盤定位的旋轉工作臺零點位置的設定，不僅穩定性好，而且給操作和調整帶來極大方便。

全閉環伺服系統與半閉環伺服系統的區別取決于運動部件上的檢測元件 。

數控機床的核心是數控系統 。不要認為是

伺服系統 、 反饋系統  、傳動系統

為了保證數控機床能滿足不同的工藝要求，并能夠獲得最佳切削速度，主傳動系統的要求是分段無級變速 。注意：不要認為是無級調速 、   變速范圍寬  、  變速范圍寬且能無級變速。

數控系統所規定的最小設定單位就是脈沖當量 。

“CNC”的含義是計算機數字控制 。

注意：不要理解為數字控制  更不要說成是網絡控制 。

1、數控機床電器控制系統由  數控裝置  、  進給伺服系統  、  主軸伺服系統  、  機床強電控制系統 等組成。

2、數控機床常用的位置檢測裝置有 旋轉編碼器 、 光柵尺 等。

3、將反饋元件安裝在伺服電機軸上或滾珠絲杠上,間接計算移動執行元件位移進行反饋的伺服系統，稱為  半閉  環伺服系統。

4、滾珠絲杠預緊的目的是 減小或消除反向間隙 。

5、數控機床的控制可分為二大部分：一部分是坐標軸運動的位置控制；另一部分是數控機床加工過程的順序控制。

在PLC開關量輸入輸出的控制中，應注意哪些問題？

1)開關量輸入電路中常使用觸點型行程開關，無觸點型感應開關或霍耳開關等，加之數控裝置的輸入電路有各種形式，所以要注意開關量信號檢測元件與CNC接口電路的配接。

    2)在開關量輸出電路中，當被控對象是電磁閥、電磁離合器等交流負載，或雖是直流負載，但工作電壓或電流超過輸出信號的最大允許值，應首先驅動24V中間繼電器，然后用其觸點控制強電線路中的功率接觸器或直接驅動負載。同時應注意，中間繼電器線圈一定要并聯保護二極管，并注意二極管的方向，以便當線圈切斷時，為電流提供釋放回路，否則極易損壞驅動電路。

    3)為提高整個系統的抗干擾能力，弱電信號與強電驅動信號在走線槽中要盡量分別走線。并且無觸點型在交流接觸器線圈兩端要就近并聯RC滅弧器。交流電動機每相之間也要用一個滅弧器，每個交流電動機用三個。

故障分析一

在一臺采用FANUC交流模擬主軸驅動單元的數控機床上，直流側保險絲燒斷報警（LED2，LED1 點亮）。試分析原因和解決辦法。故障原因：

三相200V交流電經整流橋整流到直流300V，經過一個保險后給晶體管模塊，控制板檢測此保險兩端的電壓，如果太大，則產生此報警。

解決辦法：

用萬用表檢查主軸伺服單元的直流保險是否斷開，如果是斷路，更換后再檢查后面的大電容和晶體管模塊，如果有短路的，必須解決后才能通電。

檢查主控板與單元的連接插座是否緊。

檢查控制板上的驅動部分元件，如二極管和電阻等有無短路燒毀，更換主控制板上的光耦。

故障分析二

在一臺采用FANUC交流數字主軸驅動單元的數控機床上，一上電就燒保險或檢測電阻R1或R2。試分析原因和解決辦法。故障原因：

接觸器還未吸合就燒元件，應該與控制板及電機無關，應查單元主回路。

解決辦法：

用萬用表檢查主回路的大電容阻值，如果有短路，則更換。

檢查整流橋是否有短路。

檢查接觸器的觸點是否正常。