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淺析電火花數控機床之維修與保養技術（上）

    隨著電子技術和自動化技術的發展，數控電火花技術的應用越來越廣泛。以微處理器為基礎，以大規模集成電路為標志的數控設備，已在我國批量生產、大量引進和推廣應用，它們給機械制造業的發展創造了條件，并帶來很大的效益。但同時，由于它們的先進性、復雜性和智能化高的特點，在維修理論、技術和手段上都發生了飛躍的變化。 
　　數控維修技術不僅是保障正常運行的前提，對數控技術的發展和*也起到了巨大的推動作用，因此，目前它已經成為一門專門的學科。 
　　另外任何一臺數控電火花設備都是一種過程控制設備，這就要求它在實時控制的每一時刻都準確無誤地工作。任何部分的故障與失效，都會使機床停機，從而造成生產停頓。因而對數控系統這樣原理復雜、結構精密的裝置進行維修就顯得十分必要了。尤其對引進的CNC機床，大多花費了幾十萬到上千萬美元。在許多行業中，這些設備均處于關鍵的工作崗位，若在出現故障后不及時維修排除故障，就會造成較大的經濟損失。 

　　我們現有的維修狀況和水平，與國外進口設備的設計與制造技術水平還存在很大的差距。造成差距的原因在于：人員素質較差，缺乏數字測試分析手段，數域和數域與頻域綜合方面的測試分析技術等有待提高等等。 
　　下面我們從現代數控系統的基本構成入手，探討數控系統的診斷與維修。 
1　數控系統的構成與特點 
　　目前世界上的數控系統種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對于T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用于回轉體零件加工，后者適合于異形非回轉體的零件加工。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，美國Dynapath系統采用小板結構，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統則趨向大板結構，使之有利于系統工作的可靠性，促使系統的平均*率不斷提高。然而無論哪種系統，它們的基本原理和構成是十分相似的。一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。控制系統按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，并反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。 
　　控制系統主要由總線、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程序控制器邏輯控制單元以及數據輸入/輸出接口等組成。一代的數控系統還包括一個通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部數據通訊和外部高次網絡的連接。伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統主要是采用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。 
　　數控系統的主要特點是：可靠性要求高：因為一旦數控系統發生故障，即造成巨大經濟損失；有較高的環境適應能力，因為數控系統一般為工業控制機，其工作環境為車間環境，要求它具有在震動，高溫，潮濕以及各種工業干擾源的環境條件下工作的能力；接口電路復雜，數控系統要與各種數控設備及外部設備相配套，要隨時處理生產過程中的各種情況，適應設備的各種工藝要求，因而接口電路復雜，而且工作頻繁。 
2　現代數控系統維修工作的基本條件 
2.1　維修工作人員的基本條件 
　　維修工作開展得好壞首先取決于人員條件。維修工作人員必須具備以下要求： 
　　（1）高度的責任心與良好的職業道德； 
　　（2）知識面廣，掌握計算機技術、模擬與數字電路基礎、自動控制與電機拖動、檢測技術及機械加工工藝方面的基礎知識與一定的外語水平； 
　　（3）經過良好的技術培訓，掌握有關數控、驅動及PLC的工作原理，懂得CNC編程和編程語言； 
　　（4）熟悉結構，具有實驗技能和較強的動手操作能力； 
　　（5）掌握各種常用（尤其是現場）的測試儀器、儀表和各種工具。 
2.2　在維修手段方面應具備的條件 
　　（1）準備好常用備品、配件； 
　　（2）隨時可以得到微電子元器件的實際支援或供應； 
　　（3）必要的維修工具、儀器、儀表、接線、微機。有小型編程系統或編程器，用以支援設備調試； 
　　（4）完整資料、手冊、線路圖、維修說明書（包括CNC操作說明書）以及接口、調整與診斷、驅動說明書，PLC說明書（包括PLC用戶程序單），元器件表格等。 
2.3　維修前的準備 
　　接到用戶的直接要求后，應盡可能直接與用戶，以便盡快地獲取現場信息、現場情況及故障信息。如數控機床的進給與主軸驅動型號、報警指示或故障現象、用戶現場有無備件等。據此預先分析可能出現的故障原因與部位，而后在出發到現場之前，準備好有關的技術資料與維修服務工具、儀器備件等，做到有備而去。 
3　現場維修 
　　現場維修是對數控機床出現的故障（主要是數控部分）進行診斷，找出故障部位，以相應的正常備件更換，使機床恢復正常運行。這過程的關鍵是診斷，即對系統或外圍線路進行檢測，確定有*，并對故障定位指出故障的確切位置。從整機定位到插線板，在某些場合下甚至定位到元器件。這是整個維修工作的主要部分。 
3.1　數控系統的故障診斷 
　　（1）初步判別　通常在資料較全時，可通過資料分析判斷故障所在，或采取接口信號法根據故障現象判別可能發生故障的部位，而后再按照故障與這一部位的具體特點，逐個部位檢查，初步判別。在實際應用中，可能用一種方法即可查到故障并排除，有時需要多種方法并用。對各種判別故障點的方法的掌握程度主要取決于對故障設備原理與結構掌握的深度。 
　　（2）報警處理　①系統報警的處理：數控系統發生故障時，一般在顯示屏或操作面板上給出故障信號和相應的信息。通常系統的操作手冊或調整手冊中都有詳細的報警號，報警內容和處理方法。由于系統的報警設置單一、齊全、嚴密、明確、維修人員可根據每一警報后面給出的信息與處理辦法自行處理。②機床報警和操作信息的處理：機床制造廠根據機床的電氣特點，應用PLC程序，將一些能反映機床接口電氣控制方面的故障或操作信息以特定的標志，通過顯示器給出，并可通過特定鍵，看到更詳盡的報警說明。這類報警可以根據機床廠提供的排除故障手冊進行處理，也可以利用操作面板或編程器根據電路圖和PLC程序，查出相應的信號狀態，按邏輯關系找出故障點進行處理。 
　　（3）無報警或無法報警的故障處理　當系統的PLC無法運行，系統已停機或系統沒有報警但工作不正常時，需要根據故障發生前后的系統狀態信息，運用已掌握的理論基礎，進行分析，做出正確的判斷。下面闡述這種故障診斷和排除辦法。 
　　故障診斷方法 
　　常規檢查法 
　　目測　目測故障板，仔細檢查有無保險絲燒斷，元器件燒焦，煙熏，開裂現象，有無異物斷路現象。以此可判斷板內有無過流，過壓，短路等問題。 
　　手摸　用手摸并輕搖元器件，尤其是阻容，半導體器件有無松動之感，以此可檢查出一些斷腳，虛焊等問題。 
　　通電　首先用萬用表檢查各種電源之間有無斷路，如無即可接入相應的電源，目測有無冒煙，打火等現象，手摸元器件有無異常發熱，以此可發現一些較為明顯的故障，而縮小檢修范圍。 
　　例如：在哈爾濱某工廠排除故障時，機床的數控系統和PLC運行正常，但機床的液壓系統無法啟動，用編程器檢查PLC程序運行正常，各所需信號狀態均滿足開機條件。進一步檢查中發現，PLC信號狀態與圖紙和設備上的標記不一致，停機拔出電路板檢查，發現PLC兩塊輸出板編址不對，與另兩塊位置搞錯，經交換后，機床正常運轉。對于發生這個故障的機床所采用的SIMATIC S5—150K可編程控制器，只要編址正確，無論將線路板的位置怎樣排列，系統均能正常運轉，但相應地執行元件和信號源必須正確地對應，一旦對應錯誤就會發生故障，甚至毀壞機床。另外，根據用戶提供的故障現象，結合自己的現場觀察，運用系統工作原理亦可迅速做出正確判斷。 
儀器測量法　當系統發生故障后，采用常規電工檢測儀器，工具，按系統電路圖及機床電路圖對故障部分的電壓，電源，脈沖信號等進行實測判斷故障所在。如電源的輸入電壓超限，引起電源監控可用電壓表測網絡電壓，或用電壓測試儀實時監控以排除其它原因。如發生位置控制環故障可用示波器檢查測量回路的信號狀態，或用示波器觀察其信號輸出是否缺相，有無干擾。例如，上海某廠在排除故障中，系統報警，位置環硬件故障，用示波器檢查發現有干擾信號，我們在電路中用接電容的方法將其濾掉使系統工作正常。如出現系統無法回基準點的情況，可用示波器檢查是否有零標記脈沖，若沒有可考慮是測量系統損壞。 
　　用可編程控制器進行PLC中斷狀態分析：可編程序控制器發生故障時，其中斷原因以中斷堆棧的方式記憶。使用編程器可以在系統停止狀態下，調出中斷堆棧和塊堆棧，按其所指示的原因，查明故障所在。在可編程序控制器的維修中這是zui常用有效和快速的辦法。 
　　接口信號檢查：通過用可編程序控制器檢查機床控制系統的接口信號，并與接口手冊的正確信號相對比，亦可查出相應的故障點。 
　　診斷備件替換法：現代數控系統大都采用模塊化設計，按功能不同劃分不同模塊，隨著現代技術的發展，電路的集成規模越來越大技術也越來越復雜，按常規方法，很難把故障定位到一個很小的區域，而一旦系統發生故障，為了縮短停機時間，我們可以根據模塊的功能與故障現象，初步判斷出可能的故障模塊，用診斷備件將其替換，這樣可迅速判斷出有故障的模塊。在沒有診斷備件的情況下可以采用現場相同或相容的模塊進行替換檢查，對于現代數控的維修，越來越多的情況采用這種方法進行診斷，然后用備件替換損壞模塊，使系統正常工作。盡zui大可能縮短故障停機時間，使用這種方法在操作時注意一定要在停電狀態下進行，還要仔細檢查線路板的版本，型號，各種標記，跨接是否相同，對于有關的機床數據和電位計的位置應做好記錄，拆線時應做好標志。 
　　利用系統的自診斷功能判斷：現代數控系統尤其是全功能數控具有很強的自診斷能力，通過實施時監控系統各部分的工作，及時判斷故障，給出報警信息，并做出相應的動作，避免事故發生。然而有時當硬件發生故障時，就無法報警，有的數控系統可通過發光管不同的閃爍頻率或不同的組合做出相應的指示，這些指示配合使用就可幫助我們準確地診斷出故障模板的位置。如SINUMERIK 8系統根據MS100 CPU板上四個指示燈和操作面板上的FAULT燈的亮滅組合就可判斷出故障位置。 
　　上述診斷方法，在實際應用時并無嚴格的界限，可能用一種方法就能排除故障，亦可能需要多種方法同時進行。其效果主要取決于對系統原理與結構的理解與掌握的深度，以及維修經驗的多少。 


3.2　數控系統的常見故障分析 
　　根據數控系統的構成，工作原理和特點，結合我們在維修中的經驗，將常見的故障部位及故障現象分析如下。 
　　（1）位置環　這是數控系統發出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環節。它具有很高的工作頻度，并與外設相聯接，所以容易發生故障。 
　　常見的故障有：①位控環報警：可能是測量回路開路；測量系統損壞，位控單元內部損壞。②不發指令就運動，可能是漂移過高，正反饋，位控單元故障；測量元件損壞。③測量元件故障，一般表現為無反饋值；機床回不了基準點；高速時漏脈沖產生報警可能的原因是光柵或讀頭臟了；光柵壞了。 
　　（2）伺服驅動系統　伺服驅動系統與電源電網，機械系統等相關聯，而且在工作中一直處于頻繁的啟動和運行狀態，因而這也是故障較多的部分。 
　　其主要故障有：①系統損壞。一般由于網絡電壓波動太大，或電壓沖擊造成。我國大部分地區電網質量不好，會給機床帶來電壓超限，尤其是瞬間超限，如無專門的電壓監控儀，則很難測到，在查找故障原因時，要加以注意，還有一些是由于特殊原因造成的損壞。如華北某廠由于雷擊中工廠變電站并竄入電網而造成多臺機床伺服系統損壞。②無控制指令，而電機高速運轉。這種故障的原因是速度環開環或正反饋。如在東北某廠，引進的西德WOTAN公司轉子銑床在調試中，機床X軸在無指令的情況下，高速運轉，經分析我們認為是正反饋造成的。因為系統零點漂移，在正反饋情況下，就會迅速累加使電機在高速下運轉，而我們按標簽檢查線路后*正確，機床廠技術人員認為不可能接錯，在充分分析與檢測后我們將反饋線反接，結果機床運轉正常。機床廠技術人員不得不承認德方工作失誤。還有一例子，我們在天津某廠培訓講學時，應廠方要求對他們廠一臺自進廠后一直無法正常工作的精密磨床進行維修，其故障是：機床一啟動電機就運轉，而且越來越快，直至zui高轉速。我們分析認為是由于速度環開路，系統漂移無法抑制造成。經檢查其原因是速度反饋線接到了地線上造成。③加工時工件表面達不到要求，走圓弧插補軸換向時出現凸臺，或電機低速爬行或振動，這類故障一般是由于伺服系統調整不當，各軸增益系統不相等或與電機匹配不合適引起，解決辦法是進行*化調節。④保險燒斷，或電機過熱，以至燒壞，這類故障一般是機械負載過大或卡死。 
　　（3）電源部分　電源是維持系統正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統的停機或毀壞整個系統。一般在歐美國家，這類問題比較少，在設計上這方面的因素考慮的不多，但在中國由于電源波動較大，質量差，還隱藏有如高頻脈沖這一類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監控或損壞。另外，數控系統部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內，系統斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存貯器都可能造成數據丟失，使系統不能運行。 
　　（4）可編程序控制器邏輯接口　數控系統的邏輯控制，如刀庫管理，液壓啟動等，主要由PLC來實現，要完成這些控制就必須采集各控制點的狀態信息，如斷電器，伺服閥，指示燈等。因而它與外界種類繁多的各種信號源和執行元件相連接，變化頻繁，所以發生故障的可能性就比較多，而且故障類型亦千變萬化。 
　　（5）其他　由于環境條件，如干擾，溫度，濕度超過允許范圍，操作不當，參數設定不當，亦可能造成停機或故障。有一工廠的數控設備，開機后不久便失去數控準備好信號，系統無法工作，經檢查發現機體溫度很高，原因是通氣過濾網已堵死，引起溫度傳感器動作，更換濾網后，系統正常工作。不按操作規程拔插線路板，或無靜電防護措施等，都可能造成停機故障甚至毀壞系統。 
　　一般在數控系統的設計、使用和維修中，必須考慮對經常出現故障的部位給予報警，報警電路工作后，一方面在屏幕或操作面板上給出報警信息，另一方面發出保護性中斷指令，使系統停止工作，以便查清故障和進行維修。（未完，待續下篇）。

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