1-1 数控机床电气系统概述

第一节数控机床电气系统概述一、数控机床电气系统的组成数控机床是集、电（气）、液（压气动）、光（学器件）及微电子为一体的自动化设备。其组成框图如下图所示。图

数控机床的组成

数控机床电气系统的电气组成如图所示：图1—2数控机床电气系统的组成图

数控机床电气系统的组成操作装置是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，一方面，操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态，它是数控机床特有的一个输入输出部件。操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板、状态灯、手持单元等部分组成。如图为FANUC系统的操作装置，其他数控系统的操作装置布局与之相比大同小异。1．操作装置图FANUC系统操作装置2．计算机数控装置（CNC装置或CNC单元）计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心（如图所示）。其主要作用是根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（如运动轨迹处理、机床输入输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（伺服单元、驱动装置和PLC等），控制其动作，加工出需要的零件。所有这些工作是由CNC装置内的系统程序（亦称控制程序）进行合理的组织，在CNC装置硬件的协调配合下，有条不紊地进行的。图

计算机数控装置3．伺服机构伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成，如图所示。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量。常用的脉冲当量为0.001mm～0.01mm。目前数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。a)b)图伺服机构a)伺服电动机b）驱动装置4．检测装置检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动部件的位置及速度进行检测，通常安装在机床的工作台、丝杠或驱动电动机转轴上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移或速度转变成电信号反馈给CNC装置或伺服驱动系统，与指令信号进行比较，以实现位置或速度的闭环控制。按有无检测装置，CNC机床可分为开环（无检测装置）与闭环（有检测装置）数控机床。开环数控机床的控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控机床的精度取决于检测装置的精度。因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。数控机床上常用的检测装置有光栅、编码器（光电式或接触式）、感应同步器、旋转变压器、磁栅、磁尺、双频激光干涉仪等（如图所示）。

a)b)图

检测装置a）光栅b）光电编码器5．可编程控制器可编程控制器（ProgrammableController，简称PC）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置（如图所示），专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的，是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制，故被称为可编程逻辑控制器（ProgrammableLogicController，简称PLC）。当PLC用于控制机床顺序动作时，也被称为可编程机床控制器（ProgrammableMachineController，简称PMC）。图可编程控制器二、数控机床电气系统的故障特点1．电气系统故障的维修特点是故障原因明了，诊断也比较好做，但是故障率相对比较高。2．电器元件有使用寿命限制，非正常使用下会大大降低寿命，如开关触头经常过电流使用而烧损、粘连，提前造成开关损坏。3．电气系统容易受外界影响造成故障，如环境温度过热，电柜温升过高致使有些电器损坏。甚至鼠害也会造成许多电气故障。4．操作人员非正常操作，能造成开关手柄损坏、限位开关被撞坏的人为故障。5．电线、电缆磨损会造成断线或短路，蛇皮线管进冷却水、油液而长期浸泡，橡胶电线膨胀、粘化，会使绝缘性能下降造成短路。6．冷却泵、排屑器、电动刀架等的异步电动机进水，轴承损坏会造成电动机故障。二、数控机床电气系统的故障特点三、数控机床电气系统的维护1．数控系统的维护数控系统经过一段较长时间的使用，元器件总要老化甚至损坏。为了尽量延长元器件的使用寿命和零部件的磨损周期，防止各种故障，特别是恶性事故的发生，就必须对数控系统进行日常的维护工作。具体的日常维护保养要求，在数控系统的使用、维修说明书中有明确的规定。概括起来，要注意以下几个方面。（1）严格遵守操作规程和日常维护制度数控系统的编程、操作和维修人员必须经过专门的技术培训，熟悉所用数控机床的数控系统的使用环境、条件等，能按机床和系统的使用说明书的要求正确、合理地使用，应尽量避免因操作不当引起的故障。应根据操作规程要求，针对数控系统各个部件的特点确定各自保养条例，进行日常维护工作。（2）清洁机床电气箱热交换器过滤网每周清洁机床电气箱热交换器过滤网，车间环境较差时需要2-3天清洁一次，如图所示。图

清洁过滤网（3）防止灰尘进入数控装置内机械加工车间内空气中漂浮的灰尘和金属粉末落在印制电路板和电器插件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至损坏元器件。因此，除非进行调整和维修，否则不允许随意开启数控柜门，更不允许在使用时敞开柜门。已经受外部尘埃、油雾污染的电路板、接插件等，可采用专用电子清洁剂喷洗。（4）定时清扫数控柜的散热通风系统及电机为防止数控装置过热，应经常检查数控柜、数控装置上各冷却风扇工作是否正常。应根据车间环境状况，按照数控机床使用说明书中的规定，每半年或一个季度清扫检查一次。如果环境温度过高，造成数控柜内的温度超过55～60℃时，应及时加装空调装置，并定期清洁数控机床上的各种电机，如图所示。图

定期清洁数控机床上的各种电机（5）经常监视数控系统的电网电压通常，数控系统允许的电网电压范围在额定值的85％～110％，如果超出此范围，轻则使数控系统不能稳定工作，重则会造成重要电子部件的损坏。因此，要经常注意电网电压的波动，对于电网质量比较差的地区，应配置交流稳压装置。

（6）定期更换存储器用电池数控系统中部分CMOS存储器中的存储内容在关机时靠电池供电保持(如图所示)，一般采用锂电池或可充电的镍镉电池，电池电压降到一定值就会造成参数丢失。因此，要定期检查电池电压，当电池电压降到限定值时，机床就会报警提示操作人员及时更换电池。更换电池时一定要在数控系统通电状态下进行，这样才不会造成存储参数丢失。图

数控机床用电池（7）数控系统长期不用时的维护数控机床应尽量避免长期不用。数控机床长期不用时，为了避免数控系统的损坏，应对数控系统进行定期维护保养。应经常给数控系统通电或让数控机床运行温机程序，在空气湿度大的雨季，应该2～3天开机一次，运行1～2h，利用电气元件本身发热驱走数控柜内的潮气，以保证电子元器件的性能稳定可靠。而且，温机程序可使油膜均匀地覆盖在丝杠、导轨等部件上，达到保护目的。（8）备用电路板的维护印制电路板长期不用也容易出现故障，因此，数控机床中的备用电路板(如图所示)，应定期装到数控系统中通电运行一段时间，以防损坏。图

备用电路板

2．电气部分的维护电气部分包括动力电源输入线路、继电器、接触器、控制电路等，其维护保养主要包括以下几点：（1）检查三相电源的电压值是否正常，有无偏相，如果输入的电压超出允许范围则进行相应调整。（2）检查所有电气连接是否良好。（3）检查各类开关是否有效，可借助于数控系统屏幕显示的诊断画面及可编程机床控制器(PMC)、输入／输出模块上的LED指示灯检查确认，若工作状态不良应更换。（4）检查各继电器、接触器是否工作正常，触点是否完好，可利用功能试验程序，通过运行该程序确认各控制器件是否完好、有效。（5）检验热继电器、电弧抑制器等保护器件是否有效。以上电气保养每年检查、调整一次。3．数控系统维护中应特别关注的器件

数控系统维护中要特别关注定期检查那些会因失修或维护不当而引发故障的元器件，这样的元件有以下几种类型。（1）易污染件，常见的有：传感器(光栅／光电头／电动机整流子／编码器)、接触器的铁芯截面、过滤器、风道、低压控制电器。（2）易击穿件，常见的有：电容器、大功率管(晶闸管)。（3）易老化与有寿命问题元件，常见的有：存储器电池及其电路、光电池、光电阅读器的读带、继电器以及高频接触器等。（4）易氧化与腐蚀件，常见的有：电动／电磁开关、继电器与接触器触头、接插件接头、保险丝卡座、接地点等。（5）易磨损件，常见的有：测速发电动机的炭刷、电动机的电刷、离合器的摩擦片、轴承、齿轮副、高频动作的接触器。（6）易疲劳失效件，常见的有：含有弹簧元器件(多见于低压电器中)的弹性失效、常拖动弯曲的电缆断线等。（7）易松动移位件，常见的有：机械手的传感器、定位机构、位置开关、编码器、测速发电动机等。（8）易造成卡死件，常见的有：因润滑不良等而造成不能到位接触器／热继电器／位置开关／电磁开关/电磁阀。（9）易温升件，常见的有：伺服放大回路中的大功率元器件，诸如稳压器与稳压电源、变压器、继电器、接触器、电动机等具有线圈的元器件。（10）易泄漏件，常见的有：冷却液、润滑油、液压回路等的泄漏不仅使本身工作故障，还会流入电器引发电器故障。

四、数控机床电气部件的更换1．更换电路板及模块的注意事项1）如果不能确定故障元件，不要随意拆卸。更换故障元件时，避免在同一焊点长时间加热和对故障元件的硬取，以免损坏元件。2）更换PMC控制模块、存储器、主轴模块和伺服模块会造成静态随机存储器（SRAM）资料丢失，更换前需备份SRAM数据。3）使用分离型绝对脉冲编码器保存电动机的绝对位置，更换印制电路板上模块时，将不再保存电动机的绝对位置。更换后需执行返回原点的操作。

四、数控机床电气部件的更换2．更换主板操作1）松开控制单元固定框架的四个螺钉，拆下框架，不要拔下风扇和电池的电缆。如果控制单元带有触摸屏，触摸屏安装在从控制单元后面看的左边，在拆下框架前要先拆下连接触摸屏控制板的电缆。2）从主板上拔下插座CNMIA（PCMCIA接口用插座）、CN8（视频信号接口用插座）、CN2（软键电缆用插座）的所有电缆；然后松开所有固定主板的螺钉、插座CN3（连接转换板插座）直接连接主板和转换板，最后向下轻拉主板，将主板拆下。3）安装主板，按照与上述步骤相反的顺序操作，将主板安装到框架上。

四、数控机床电气部件的更换3．更换模块操作更换双列直插式内存组件（DIMM）模块或模块板时，不要用手触摸模块或模块板上的部件，以免因放电等因素造成元件的损坏。（1）从CNC主机上取出模块的方法（2）往CNC主机上安装模块的方法图更换模块的方法

四、数控机床电气部件的更换1．更换电路板及模块的注意事项风扇装配在框架上部的风扇盒中，独立式机箱如图1-14所示，分离式机箱如图所示。更换风扇时，不要触摸高压电路部分，以防受到电击。（1）独立式机箱更换风扇的步骤（2）分离式机箱更换风扇的步骤

四、数控机床电气部件的更换5．更换保险管操作更换电源保险管前，先要排除引起保险管熔断的原因，同时确认保险管规格，更换时要使用相