skwjz数控机床维修改造系列讲座

1、数控机床维修改造系列讲座数控机床维修改造系列讲座机床作为工作母机和维修工具， 早已成为各个工业领域不可或缺的必要装备。 数控机床 的产生与发展， 更是制造高质量、高效率、高一致性产品的有力保障。 随着人类社会的飞速 发展与进步，各种新材料、新技术、新工艺、新结构、新配件不断涌现，各个领域不断提出 新的要求， 这一切都使得机床的结构、 性能千变万化。 计算机技术的高速发展又使得机床数 控系统正在以更短的周期更新。面对如此的形势，机床制造者在不断努力跟踪时代的步伐， 机床的使用者、 维修者也要努力跟上。 为使读者及时了解数控机床的技术与知识， 加深数控 机床使用与维修理念上的认识，组织了此讲座，力

2、图对读者有所帮助。第 1 讲 一个新兴的工业领域机床大修与数控化改造机械制造业在世界经济发展中， 作为基础产业，具有重要的地位。 为此， 各国的经济学 家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。 作为制造业核心 的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。一、产生与发展的社会、经济基础(1) 我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现 实基 础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、 技术落后、 设备 陈旧， 极大地制约着国民经济的发展。 为尽快改变我国机械制造业的落后状态， 近二十多年 来，我们在艰难地发展

3、民族机床制造业的同时， 积极地引进了世界先进技术与设备。 一方面 与世界先进机床制造厂合作， 不断生产出具有世界先进水平的各类机床； 另一方面直接购进 了大量的各类机床。这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。但是， 机床长期运转甚至超负荷使用， 同时又缺少认真的维修与保养， 造成机床严重磨 损，丧失了精度； 有些机床则由于企业人员及产品结构的改变， 或由于技术力量不足而被长 期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动；由于新产品制造的需要，原 有机床性能已不能满足使用要求， 急需更新升级改造； 由于世界计算机及网络技术的飞速发 展，造成数控系统、 驱动系统厂的产品更新加

4、快， 原有产品过早停产， 给备件更换与维修带 来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在510年，而我国大多数机床都在超期服役。这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。(2) 新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床， 虽然有一部分尚能满足使用要求， 但是多数由于缺 少经验、 技术、 资料及备件等因素， 造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局 面。其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。(3) 显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业

5、的发展动力对于机床拥有者来说， 只需花费购买相同新机床 30%以下的费用即可获得相同的使用效果。根据国际该行业的记载， 即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。对于机床大修改造业内公司来说， 这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益， 而 且也是他们自身生存和发展的根本动力。(4) 机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件 旧机床的大修、翻 新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势： 交货期短。尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。 性能更稳定。 各基础件经长期时效， 几乎不会产生应力变形而影响精度； 各功能部件 经长期磨合。功能稳定

6、性可靠性好。 设计风险小。新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。 可以更充分地体现用户的意愿。 用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进(包括增、改 )意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。 更有利于使用与维护。 由于用户、 维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定， 而且 可以参与改造的全过程， 可以直接获取各种技术信息， 更深入地掌握机床的结构及性能特点， 从而增强使用与维修的主动能力。 可以更快地获取最新的更实用的备件。 节省大量投资。 降低投资风险。(5) 社会化、专业化趋势是机床大

7、修及数控化改造行业的必由之路旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措 施。当前， 21 世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经 济，迅速融入国际竞争。 这就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。 企业集团化 和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、虚拟制 造技术、 可持续制造技术、 绿色制造技术等等一系列新的技术理论， 都需要下大力量去研究， 以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力；集中人力、财力、物力以提高本企业的 市场竞争力， 充分发挥自身的优势以最快速度创造出

8、尽可能多的价值。因此， 企业自身不可能再像过去计划经济体制下拥有大而全的维修队伍。 而设备维修改造的社会化、 专业化也就 不可避免地成为了大趋势。国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业， 在先进国家已经形成了一定的 规模和市场。而在我国， 这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。但是业内有识之士正在努力塑造自己、 完善自己， 相信不久的将来， 一批具备一定条件和一定规 模的机床改造、翻新的专业化企业会成长起来。二、大修改造方案的选择 此项工作如果能争得大修改造企业的技术支持可能会更好、更快些。1. 前期立项准备工作(1) 技术可行性分析 主要是瞄准改造目标及加工对象，对

9、被改造机床进行结构、性能、 精度等技术现状的全面分析。 其中包括机床原来的结构设计是否合理； 机床的基础部件和结 构件是否仍然完好； 普通机床改为数控机床， 要考察各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形 式等是否适用； 测量机床目前的各项精度与出厂精度进行对比， 是否存在差距； 综合总结目 前机床存在的一切故障和历史上出现过的重大故障。 针对上述问题， 对照改造目标和典型工 件，编写改造任务书，做到改造后的机床达到一定的先进性和实用性。(2) 经济可行性分析 从实际可操作性出发列出几种应考虑的情况：从机床自身的价值考 虑，分析要达到改造目标所需投入是否偏高； 从该机床在本单位产品制造中的地位和重要

10、程 度来分析改造价值； 从该机床的投入产出率估算， 是否能较快收回投资， 然后迅速产生较好 效益； 机床改造后提高了机床精度， 增加了功能， 是否能使本单位产品提高水平， 或者能有 利于开发新产品，从而获得附加效益。改造资金来源可靠。(3) 选择机床改造者 这是一个很关键的问题。选择得好，则能顺利完成改造任务，达到 改 造目标；选择不好，不仅是机床改造的失败，而且浪费了资金和时间，影响生产。用户可根 据后面讨论的机床改造应具备的条件来慎重选择。2. 技术方案准备(1) 机械及液压系统 作为机床的最终用户，厂方必须首先要确认，该机床机械及液压系 统的状况。 如：目前机床的精度， 机械传动链的状况

11、， 丝杠、 导轨的状况， 有无重大故障等， 以确定机床是大修、 项修。 如果是非数控机床要改为数控机床， 首先要考虑机械改装的可行 性，最重要的是导轨的形式及滚珠丝杠的安装。 再有就是机械传动机构的传动间隙与传动刚 度是否符合数控机床的要求。(2) 电气系统 在做数控机床改造方案时，用户可以根据机床的状态及工艺要求来选择数 控系统。其一，是选择数控制造厂商，目前世界上性能及信誉较好的有：西门子(德国 )、发那科(日本)、三菱(日本)、NUM(法国)、FAGOR(西班牙)等。用户可在详细了解上述厂商数 控系统的特点及性能价格比等指标的基础上， 与实施改造的工程公司一道， 选择一个比较适 合的数控

12、系统。 其 二，是根据机床的功能要求选择相应控制系统的类型， 做到既能满足 机床全部功能要求又不提高标准。我们建议， 在选择数控系统方面， 要特别注意： 一要尽量向一个著名厂家的型号系列靠 拢。这样既有利于维修和管理， 也利于备件的购买。 千万不要把企业的数控系统搞成万国牌。 二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。数控系统选定之后，用户根据机床实际状况，决定更换或不更换驱动系统。若不更换， 则必须确认老驱动系统与数控系统是否可以匹配。对于机床测量系统， 目前数控系统的要求是增量式脉冲编码输入， 所以老机床所配的感 应同步尺或旋转变压器等测量元件均需用增量式脉冲编码器、光栅尺代

13、替。对于外围电路， 改造可采取的方案有两种： “接口型改造” ，即保留外围继电器电路， 只 对 NC、 PLC 进行改造，新 PLC 不参与外围电路控制，只处理 NC 所需的指令信号。此方案 改造设计、调试工作量较小。另一种是“彻底改造” ，在继电器逻辑较复杂，故障率较高， 用户又能提供清楚逻辑图的情况下，可用新 NC 所带的 PLC 将外围电路全部改造，简化了 外围电路，又合理利用了 PLC 的控制能力。此方案可大大简化硬件电路，大大提高可靠性， 但改造设计、调试工作量较大。(3) 各部分安装形式的确定 其一，控制系统的安装常见的有悬挂式、柜式、台式等。安 装方式的选定， 直接决定各种连接电

14、缆的走线方式和电缆长度， 也关系到操作与维修的方便 性。其二， 驱动系统的安装，原则上只能采取电气柜内安装这一种方式，应考虑的因素有通 风冷却，电缆走线方式及长度，对其他电器的干扰等。其三，电动机的安装，根据机床的实 际，确定电动机的安装方式：法兰式，底座式，带底座法兰式，再加上轴伸方向、电 动机接线盒的位置等，这些由电动机的订货辅助参数确定。其四， 测量系统的安装，如选择 电动机内装编码器的结构方式， 电动机安装一确定， 它也就确定了； 外装式需要有弹性联轴 节、安装卡子、电缆走线方向及长度等的考虑；对于光栅尺，安装的问题则应重视，除安装 可行性外，定尺、动尺的安装配合、安装精度、温度影响等

15、均需考虑。三、项目的实施1.施工队伍的选择机床大修改造方案设计的好坏， 大修改造成果的优劣， 除了经济因素外， 很大程度上依 赖于施工队伍的素质。这是一项很重要的工作，参与项目施工的公司应具备下列条件。(1) 完整、高效的技术支持体系 关键是人的因素。该公司应具备一支包括机械、电气、 液压、工艺工装等全方位的、具有多年丰富的设计、制造、装配、调试工作经验的工程师队 伍，同时还应有一支能打硬仗的现场施工队伍。 这种工作模式是当今市场的经济条件下的流 行模式。(2) 适应市场经济条件下的经营管理模式关键还是人的因素。摈弃计划经济条件下企业管理中的一切阻碍发挥每个人积极性的组织形式和管理方法， 组建

16、起能快速响应市场需求的 企业结构， 并在市场经济的发展中不断改进、 完善，同时还要考虑该公司的规模、 资金状况 等诸多因素。2.硬件定货经过如上的全面考虑，施工队伍已选定， 技术方案的细节确定，订货清单即可列出。用 户和工程公司可本着相互信任的态度， 从降低成本和保证可靠性两方面综合考虑， 确定国内 外定货清单， 并签订正式改造合同。 在定货进行的同时， 工程人员即可开始着手进行系统机 械大修、项修及电气软件编制、实验室调试工作。3. 现场调试 这是改造能否成功的关键环节， 工程人员在这一阶段完成机、 电联调， 数控系统的最终 调试、驱动系统的参数最佳化调节等工作，并为验收作准备。4. 试加工

17、验收通常有两个内容： 标准样件的试切削， 按照国际标准， 不同类型的机床都有相应的标准 试切削程序；机床精度的校验， 根据各厂测量水平的高低，采用相应手段， 有条件的用户可 采用激光干涉仪进行测量， 这样机床位置测量系统的补偿可采用得到的数据， 从而提高机床 精度。5. 资料、培训及保修在验收工作结束之后， 还需要进行技术资料整理、 归档并提供给用户， 还要对用户进行 技术 培训及保修工作。旧机床的数控化改造事业方兴未艾， 在我国目前形势下将大批故障机床尤其是一大批进 口的数控机床、 精密机床和二手设备进行改造、 升级， 以较小的投入尽快使这些设备在经济 发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企

18、业的一项不可忽视的课题。 没有理论指导的实践是盲目的实践，没有实践的理论是空洞的理论。我国从事数控机床电气设计、 应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计， 然而由于 此项技术的复杂性、 多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约， 在数控机床电气维修技 术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速发展， 尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异， 使得数控技术也在同步飞速发展， 数控系统结 构形式上的 PC 基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实 践 带来了巨大变化，也在其维修理论、 技术和手段上带来了很大的变化。 因此， 一篇讲座 形式

19、的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出 来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理， 以求对该学 科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。一、数控技术 谈到维修，首先必须从总体上了解我们的维修对象。1.数控机床电气控制系统综述 一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图 1 所示。 k站鑒动系统一一，二*编鶴子逻口 i卩IX&&系统(NrInpr【电器茹分】话斗据横人貲E图1数控机床电气控制系统（1）数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。它可以是穿孔带阅读机（已很少使用），3.5in软盘驱动器

20、，CNC键盘（一般输入操作），数控系统配备的硬盘 及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机（较少使用卜PC计算机等等。（2）数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地 发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。（3）可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序， 使它们能够准确地、 协调有序地安全运行； 同时将来自机床的各种信 息及工作状态传送给 CNC，

21、使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令， 如此实现对整个 机床的控制。当代PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一机床 PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。（4）主轴驱动系统接受来自 CNC的驱动指令，经速度与转矩 （功率

22、）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。它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。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的转动特性，其中有些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调改的，例 如零漂等。通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。（5）进给伺服系统接受来自 CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，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

23、通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链的状态发生变化，就需重调速度环调节器。(6) 电器硬件电路随着 PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控 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的存在。但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由PLC逻辑取而代之，但是这不仅需要对该专用电器

24、的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。机床(电器部分)包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。它们是实现机床 各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。(8) 速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。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，从而实现速度的精确控制。这里应注意测速反馈电压的匹配联接，并且不要拆卸测速机。由此引起的速度失控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。(9) 位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋

25、转变压器，而现代机床多 采用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。位置环可能出现的故障多为硬件故障，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，多数不属于机床的基本配置。使 用中的主要问题与输入装置一样，是匹配问题。2数控机床运动坐标的电气控制数控机床一个运动坐标的电气控制由电流(转矩)控制环、速度控制环和位置控制环串联组成。其控制框图如图 2。调节髀调苹器圈2运劫聖标电吒控制系统(1) 电流环是

26、为伺服电机提供转矩的电路。一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造 者作好了或者指定了相应的匹配参数， 其反馈信号也在伺服系统内联接完成， 因此不需接线 与调整。(2) 速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。速度调节器是比例积分(PI)调节器，其 P、I 调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统 (导轨、传动机 构)的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。速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的， 这对于水平运动的坐标轴和转 动坐标轴较容易进行， 而对于垂向运动坐标轴则位置开

27、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或者直接带位置环一起调 整，这时需要有一定的经验和细心。速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。(3) 位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。位置环将最终影响坐标轴 的位置精度及工作精度。这其中有两方面的工作：一是位置测量元件的精度与 CNC 系统脉冲当量的匹配问题。测量元件单位移动距离发 出的脉冲数目经过外部倍频电路和 /或 CNC 内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相 符。例如位置测量元件 10 脉冲 /mm ，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm ，则测量元件送出的脉冲必

28、须经过 100 倍频方可匹配。二是位置环增益系数 Kv 值的正确设定与调节。通常 Kv 值是作为机床数据设置的，数 控系统中对各个坐标轴分别指定了 Kv 值的设置地址和数值单位。在速度环最佳化调节后 Kv 值的设定则成为反映机床性能好坏、 影响最终精度的重要因素。 Kv 值是机床运动坐标自 身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。关于 Kv 值的设置要注意两个问题，首先要满 足下列公式：Kv=v/ 式中v坐标运行速度，m/min跟踪误差，mm注意，不同的数控系统采用的单位可能不同， 设置时要注意数控系统规定的单位。 例如， 坐标运行速度的单位是 m/min，则Kv值单位为 m/(mm min)

29、,若v的单位为 mm/s，则Kv 的单位应为 mm/(mm s)。其次要满足各联动坐标轴的 Kv 值必须相同，以保证合成运动时的精度。通常是以 Kv 值最低的坐标轴为准。位置反馈 (参见上节“位置测量” )有三种情况：一种是没有位置测量元件，为位置开环 控制即无位置反馈， 步进电机驱动一般即为开环； 一种是半闭环控制， 即位置测量元件不在 坐标轴最终运动部件上， 也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外， 这种情况要求环 外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度， 加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后， 可以 得到很高的位置控制精度； 第三种是全闭环控制， 即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动

30、部件上， 理论上这种控制的位置精度情况最好， 但是它对整个机械传动系统的要求更高而不 是低， 如若不然， 则会严重影响两坐标的动态精度， 而使得机床只能在降低速度环和位置精 度的情况下工作。 影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题，千万不可轻视。(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的调节电路，其主要作用 是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。因为多数机床没有设此功能， 故本文不详述，只是要注意，前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进 行第3讲 数控机床电气维修技术(中)二、维修工作的基本条件数控机床的身价从几十万元到上千

31、万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设 备，一旦故障停机，其影响和损失往往很大。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重 其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作， 创造出良好的维修条件。 由于数控机床日常 出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要。1人员条件数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。(1) 首先是有高度的责任心和良好的职业道德。(2) 知识面要广。要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各

32、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的基本数控知识。(3) 应经过良好的技术培训。数控技术基础理论的学习，尤其是针对具体数控机床的技术培训，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。(4) 勇于实践。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分 析能力和动手能力。(5) 掌握科学的方法。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践 中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。(6) 学习并掌握各种电气维修中常

33、用的仪器、仪表和工具。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) 准备好通用的和某台数控机床专用的电气备件。(2) 非必要的常备电器元件应做到采购渠道快速畅通。(3) 必要的维修工具、仪器仪表等，最好配有笔记本电脑并装有必要的维修软件。(4) 每台数控机床所配有的完整的技术图样和资料。(5) 数控机床使用、维修技术档案材料。3关于预防性维护预防性维护的目的是为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。(1) 人员安排为每台数控机床分配专门的操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都 要不断地努力提高自己的业务技术水平。(2) 建规建档针对每台机床的具体性能和加工

34、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，包括保养内容(如坐标轴传动 系统的润滑、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,传动带的松紧， 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的保养周期(每日、每月、半年或不定期 )。(4) 提高利用率 数控机床如果较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床的各运动环 节会由于油脂凝固、 灰尘甚至生锈而影响其静、动态传动性能，降低机床精度，油路系统的 堵塞更是一大烦事； 从电气方面来看，

35、由于一台数控机床的整个电气控制系统硬件是由数以 万计的电子元器件组成的， 他们的性能和寿命具有很大离散性， 从宏观来看分三个阶段： 在 一年之内基本上处于所谓 “磨合”阶段。在该阶段故障率呈下降趋势，如果在这期间不断开 动机床则会较快完成 “磨合”任务， 而且也可充分利用一年的维修期； 第二阶段为有效寿命 阶段， 也就是充分发挥效能的阶段。 在合理使用和良好的日常维护保养的条件下， 机床正常 运转至少可在五年以上； 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 统的使用寿命平均在 810年左右。因此，在没有加工任务的一段时间内， 最好较低速度下空运行机床， 至少也要经常给数

36、控系统通电，甚至每天都应通电。三、维修与排故技术1. 常见电气故障分类 数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。(1) 以故障发生的部位，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、 接插件等的不正常状态甚至损坏， 这是需要修理甚至更换才可排除的故 障。而软件故障一般是指 PLC 逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至 修改 PLC 程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则 是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只有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

37、指示故障。当今的数控系统 都设计有完美的自诊断程序， 时实监控整个系统的软、 硬件性能， 一旦发现故障则会立即报 警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来， 结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发 生的原因、 部位，而且还有排除的方法提示。 机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故 障指示及诊断说明书。 上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得 绝大多数电气故障的排除较为容易。 无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整 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的工作过程和故障现 象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、

38、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。对于破坏性故障，损 坏工 件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的 检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。如果可能会损坏工件，则可卸下工件， 试着重现故障过程，但应十分小心。(4) 以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一 定的 条件则一定会产生的确定的故障； 而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障， 这类故障的分析较为困难， 通常多与机床机械结构的局部松动错位、 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。 此类故障的分析需经

39、反复试验、 综合判断才可 能排除。(5) 以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故障。在这种情况下，机 床虽 能正常运转却加工不出合格的工件。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的机、 电环节， 然后通过对机械传动 系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。此处故障的分类是为了便于故障的分析排除，而一种故障的产生往往是多种类型的混合，这 就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应的分析、排除法。第 4 讲 数控机床电气维修技术 （ 下 ）2. 故障的调查与分析这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作： 询

40、问调查 在接到机床现场出现故障要求排除的信息时， 首先应要求操作者尽量保持 现场 故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细询问故障 指示情况、 故障表象及故障产生的背景情况， 依此做出初步判断， 以便确定现场排故所应携 带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。 现场检查 到达现场后， 首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、 完整性， 从而 核实 初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况 不乏其例， 因此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。 故障分析 根据已知的故障状况按上

41、节所述故障分类办法分析故障类型， 从而确定排 故原 则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手 册和使 用说明书，可以列出产生该故障的多种可能的原因。 确定原因 对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因， 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的综合考验。 排故准备 有的故障的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 的准 备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排故 计划步骤的制定等等。数控机床电气系统故障的调查、 分析与诊断的过程也就是故障的排除过程， 一旦查明了

42、原因 ，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。下面把 电气故障的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的方法，就是利用感官的检查。 询问 向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个 分析 判断过程中可能要多次询问。 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 触摸 在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、 各

43、插头座的插接状 况、 各功率及信号导线 (如伺服与电机接触器接线 )的联接状况等来发现可能出现故障的原 因。 通电 这是指为了检查有无冒烟、 打火、 有无异常声音、 气味以及触摸有无过热电动 机和元件存在而通电，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，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设 置的 相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无， 用 PLC 编程器查找 PLC 程序中的故障部位及原因等。(3) 信号与报警指示分析法 硬件报警指示 这是指包括数控系

44、统、 伺服系统在内的各电子、 电器装置上的各种状 态和故障指示灯， 结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方 法。 软件报警指示 如前所述的系统软件、 PLC 程序与加工程序中的故障通常都设有报 警显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的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的， 这些接口信号 有的可以在相应的接口板和输入 / 输出板上有指示灯显示， 有的可以通过简单操作在 CRT 屏 幕上显示，而所有

45、的接口信号都可以用 PLC 编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要 熟悉本机床的接口信号，又要熟悉 PLC 编程器的应用。(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的参数以适应不同 机床、 不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气系统与具体机床相匹配，而且更是 使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此，任何参数的变化(尤其是模拟量参数 )甚至丢失都是不允许的； 而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态 和最佳化状态。 此类故障多指故障分类一节中后一类故障， 需要重新调整相关的一个或多个 参数方可排除。 这种方法对维修人员的要求是很高的，

46、不仅要对具体系统主要参数十分了解， 既知晓其地址熟悉其作用，而且要有较丰富的电气调试经验。(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，由于电路集成度的不断 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的， 为了缩短停机时间， 在有 相同备件的条件下可以先将备件换上， 然后再去检查修复故障板。 备件板的更换要注意以下 问题。 更换任何备件都必须在断电情况下进行。因此在更换备件板 许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要， 上一 定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警 而不能工作。 某些印制电路板的更换还需在更换后进行某

47、些特定操作以完成其中软件与参数的建 立。这 一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。 有些印制电路板是不能轻易拔出的， 例如含有工作存储器的板， 或者备用电池板， 它 会丢 失有用的参数或者程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。鉴于以上条件， 在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，以免造成更大的故障。(7) 交* 换位法 当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下， 可以将 系统中相同或相兼容的两个板互换检查， 例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故 障板或故障部位。这种交 * 换位法应特别注意，不仅硬件接线的正确交换，还要将一系

48、列相 应的参数交换， 否则不仅达不到目的， 反而会产生新的故障造成思维的混乱， 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) 特殊处理法当今的数控系统已进入 PC 基、开放化的发展阶段， 其中软件含量越来越丰富，有系统软件、机床制造者软件、 甚至还有使用者自己的软件， 由于软件逻辑的设计 中不可避免的一些问题， 会使得有些故障状态无从分析， 例如死机现象。 对于这种故障现象 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，有时则可能将故障消除。 维修人员可以在自己的长期实践中摸索其规律或者其他有效的方法。3. 电气维修与故障的排除这是排故的第二阶段，是实

49、施阶段。如前所述， 电气故障的分析过程也就是故障的排除过程， 因此电气故障的一些常用排除 方法 在上一节的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的能量来源，它的失效或者故障轻者 会丢 失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电力充足，电网质 量高，因此其电气系统的电源设计考虑较少， 这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电 网来说就略显不足， 再加上某些人为的因素， 难免出现由电源而引起的故障。 我们在设计数 控机床的供电系统时应尽量做到： 提供独立的配电箱而不与其他设备串用。 电网

50、供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置。 电源始端有良好的接地。 进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线(N)与接地(PE)严格分开。 电柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。(2) 数控系统位置环故障 位置环报警。 可能是位置测量回路开路； 测量元件损坏； 位置控制建立的接口信号不 存在等。 坐标轴在没有指令的情况下产生运动。 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。可能是零方向在远离零点；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，甚至在一定速度下机

51、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甚至磨损严重或者导轨润滑不充分甚至磨损造成 的；对于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在最佳匹配状态， 应在 机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。(5) 偶发性停机故障。这里有两种可能的情况：一种情况是如前所述的相关软件设计中 的问 题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，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的， 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， 例如南方地区将机床置于普通厂房甚至靠近 敞开 的大门附近， 电柜长时间

52、开门运行， 附近有大量产生粉尘、 金属屑或水雾的设备等等。 这些因素不仅会造成故障，严重的还会损坏系统与机床，务必注意改善。本文由于篇幅所限不做更多的介绍， 读者可参阅数控机床的随机资料及其他专门介绍各 种故 障的文章。4. 维修排故后的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的总结与提高工作是排故的第三阶段， 也是 十分重要的阶段，应引起足够重视。总结提高工作的主要内容包括： 详细记录从故障的发生、 分析判断到排除全过程中出现的各种问题， 采取的各种措施， 涉 及到的相关电路图、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 无效的原因。除填入维修档案外，内容较多者还要

53、另文详细书写。 有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出常有普遍意义的内容作为研 究课题 进行理论性探讨，写出论文，从而达到提高的目的。特别是在有些故障的排除中并 未经由认真系统地分析判断而是带有一定地偶然性排除了故障， 这种情况下的事后总结研究 就更加必要。 总结故障排除过程中所需要的各类图样、 文字资料， 若有不足应事后想办法补济， 而 且在 随后的日子里研读，以备将来之需。 从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定学习计划，力争尽快补课。 找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。总结提高工作的好处是：迅速提高维修者的理论水平和维修能力。提高重复性故障的维修速度。 利于分析设备的故

54、障率及可维修性，改进操作规程，提高机床寿命和利用率。 可改进机床电气原设计之不足。 资源共享。总结资料可作为其他维修人员的参数资料、学习培训教材。第 5 讲 SINUMERIK 810 T/M 的维修 （上 ）一、 SINUMERIK 810T/M 的结构SINUMERIK 810T/M 是西门子的一个中档数控系统。为了使用户更好地了解和使用该 系统，首先从维修的角度向用户介绍其硬件及软件构成， 再结合维修实例向用户讲解如何排 除一些常见故障。1.810T/M 的硬件构成SINUMERIK 810T/M 数控系统的主要部件如图 1 所示。swvMiam显示器.键盘及LED显示机床控制面板OCQ

55、OO 口口口口 DO QQoao oaoctBOOO DOO OO OOQ口口 口口ODD OOD 口QODOQO pg -CPU板存储板电池电源图I硬件构成其主要模块有：带协处理器的 CPU板(6FX1138-5BB*)，是数控系统的核心。其中主要包括NC与PC的CPU、实际值寄存器、工件程序存储器、引导指令输入器(启动芯片)及两个串行通用接口。系统只有一片中央处理器(Intel 80186)，为NC与PC的CPU所共用，从而降低了成本，简化了整机结构。(2) 位置控制模块(6FX1121-4BA*)，是数控系统对机床的进给轴与主轴实现位置反馈闭环控制的接口。它对每个控制轴的位置反馈信号进行

56、拾取、监控、计数与缓冲，通过总线到CPU模块的实际值寄存器，同时将数控系统对各轴的控制指令模拟量(0+/-10V,2mA)及相应轴的调节释放信号到相应的待服单元。系统要求的位置反馈元件是数字式的增量位移传感器。(3) 系统程序存储板(6FX1121-1BA)基主要功能是插接系统程序，存储 器子模块 (EPROM)。6F X11218-1BA模块还可带有32kB静态RAM存储器作为工件程序存储器的扩展，扩充容量相当于80m穿孔带。接口板(6FX1121-2BA*)，有下述功能:实现与系统操作面板和机床控制面板的接口。通过 I/O 总线输入 /输出模块以及手轮控制模块实现接口。 可以连接两个快速测量头 (用于工件和刀具的检测 )。 插接用户数据存储器 (带电池的 6kB RAM 存储器子模块 )。(5) 文字、图形处理器板 (6FX1151-1BA*) ，其主要功能是进行文字和图形显示处理 输出高分辨率的隔行扫描信号，给CRT 显示器的适配单元。(6) 单元模块 (6EV3055-OBC) ，包括电源启动逻辑控制，输入滤波，开关式稳压电源 (24V/5V ) 及风扇监控等。2.数据结构