數控機床維修及其改造技術

tags:    時間:2014-03-11 13:31:11
數控機床維修及其改造技術簡介
    關鍵詞:數控機床,維修,改造技術   沒有理論指導的實踐是盲目的實踐,沒有實踐的理論是空洞的理論。   我國從事數控機床電氣設計、應用與維修技術工作的工……
數控機床維修及其改造技術正文
    

關鍵詞:數控機床,維修,改造技術


沒有理論指導的實踐是盲目的實踐,沒有實踐的理論是空洞的理論。


我國從事數控機床電氣設計、應用與維修技術工作的工程技術人員數以萬計,然而由於此項技術的複雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環境因素的制約,在數控機床電氣維修技術方面還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。當今控制理論與自動化技術的高速發展,尤其是微電子技術和計算機技術的日新月異,使得數控技術也在同步飛速發展,數控系統結構形式上的PC基、開放化和性能上的多樣化、複雜化、高智能化不僅給其應用從觀念到實踐


帶來了巨大變化,也在其維修理論、技術和手段上帶來了很大的變化。因此,一篇講座形式的文章不可能把已經形成了一門專門學科的數控機床電氣維修技術理論完整地表述出來,本文僅是將多年的實踐探索及業內眾同仁的經驗總結加以適當的歸納整理,以求對該學科理論的發展及工程技術人員的實踐有所裨益。


一、數控技術


談到維修,首先必須從總體上了解我們的維修對象。


1.數控機床電氣控制系統綜述


一台典型的數控機床其全部的電氣控制系統如圖1所示。


(1)電流環是為伺服電機提供轉矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調節已由製造者作好了或者指定了相應的匹配參數,其反饋信號也在伺服系統內聯接完成,因此不需接線與調整。


(2)速度環是控制電動機轉速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調節器是比例積分(PI)調節器,其P、I調整值完全取決於所驅動坐標軸的負載大小和機械傳動系統(導軌、傳動機構)的傳動剛度與傳動間隙等機械特性,一旦這些特性發生明顯變化時,首先需要對機械傳動系統進行修復工作,然後重新調整速度環PI調節器。


速度環的最佳調節是在位置環開環的條件下才能完成的,這對於水平運動的坐標軸和轉動坐標軸較容易進行,而對於垂向運動坐標軸則位置開環時會自動下落而發生危險,可以採取先摘下電動機空載調整,然後再裝好電動機與位置環一起調整或者直接帶位置環一起調整,這時需要有一定的經驗和細心。


速度環的反饋環節見前面「速度測量」一節。


(3)位置環是控制各坐標軸按指令位置精確定位的控制環節。位置環將最終影響坐標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作:


一是位置測量元件的精度與CNC系統脈衝當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發出的脈衝數目經過外部倍頻電路和/或CNC內部倍頻係數的倍頻后要與數控系統規定的解析度相符。例如位置測量元件10脈衝/mm,數控系統解析度即脈衝當量為0.001mm,則測量元件送出的脈衝必須經過100倍頻方可匹配。


二是位置環增益係數Kv值的正確設定與調節。通常Kv值是作為機床數據設置的,數控系統中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設置地址和數值單位。在速度環最佳化調節后Kv值的設定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優劣的直接表現而並非可以任意放大。關於Kv值的設置要注意兩個問題,首先要滿足下列公式:Kv=v/Δ式中v——坐標運行速度,m/minΔ——跟蹤誤差,mm


注意,不同的數控系統採用的單位可能不同,設置時要注意數控系統規定的單位。例如,坐標運行速度的單位是m/min,則Kv值單位為m/(mm·min),若v的單位為mm/s,則Kv的單位應為mm/(mm·s)。


其次要滿足各聯動坐標軸的Kv值必須相同,以保證合成運動時的精度。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。


位置反饋(參見上節「位置測量」)有三種情況:一種是沒有位置測量元件,為位置開環控制即無位置反饋,步進電機驅動一般即為開環;一種是半閉環控制,即位置測量元件不在坐標軸最終運動部件上,也就是說還有部分傳動環節在位置閉環控制之外,這種情況要求環外傳動部分應有相當的傳動剛度和傳動精度,加入反向間隙補償和螺距誤差補償之後,可以得到很高的位置控制精度;第三種是全閉環控制,即位置測量元件安裝在坐標軸的最終運動部件上,理論上這種控制的位置精度情況最好,但是它對整個機械傳動系統的要求更高而不是低,如若不然,則會嚴重影響兩坐標的動態精度,而使得機床只能在降低速度環和位置精度的情況下工作。影響全閉環控制精度的另一個重要問題是測量元件的精確安裝問題,千萬不可輕視。


(4)前饋控制與反饋相反,它是將指令值取出部分預加到後面的調節電路,其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態響應特性從而提高位置控制精度。因為多數機床沒有設此功能,故本文不詳述,只是要注意,前饋的加入必須是在上述三個控制環均最佳調試完畢後方可進行。二、維修工作的基本條件


數控機床的身價從幾十萬元到上千萬元,一般都是企業中關鍵產品關鍵工序的關鍵設備,一旦故障停機,其影響和損失往往很大。但是,人們對這樣的設備往往更多地是看重其效能,而不僅對合理地使用不夠重視,更對其保養及維修工作關注太少,日常不注意對保養與維修工作條件的創造和投入,故障出現臨時抱佛腳的現象很是普遍。因此,為了充分發揮數控機床的效益,我們一定要重視維修工作,創造出良好的維修條件。由於數控機床日常出現的多為電氣故障,所以電氣維修更為重要。?


1.人員條件


數控機床電氣維修工作的快速性、優質性關鍵取決於電氣維修人員的素質條件。


(1)首先是有高度的責任心和良好的職業道德。


(2)知識面要廣。要學習並基本掌握有關數控機床電氣控制的各學科知識,如計算機技術、模擬與數字電路技術、自動控制與拖動理論、控制技術、加工工藝以及機械傳動技術,當然還包括上節所講的基本數控知識。


(3)應經過良好的技術培訓。數控技術基礎理論的學習,尤其是針對具體數控機床的技術培訓,首先是參加相關的培訓班和機床安裝現場的實際培訓,然後向有經驗的維修人員學習,而更重要且更長時間的是自學。


(4)勇於實踐。要積極投入數控機床的維修與操作的工作中去,在不斷的實踐中提高分析能力和動手能力。


(5)掌握科學的方法。要做好維修工作光有熱情是不夠的,還必須在長期的學習和實踐中總結提高,從中提煉出分析問題、解決問題的科學的方法。


(6)學習並掌握各種電氣維修中常用的儀器、儀錶和工具。


(7)掌握一門外語,特別是英語。起碼應做到能看懂技術資料。


2.物質條件


(1)準備好通用的和某台數控機床專用的電氣備件。


(2)非必要的常備電器元件應做到採購渠道快速暢通。


(3)必要的維修工具、儀器儀錶等,最好配有筆記本電腦並裝有必要的維修軟體。


(4)每台數控機床所配有的完整的技術圖樣和資料。


(5)數控機床使用、維修技術檔案材料。


3.關於預防性維護


預防性維護的目的是為了降低故障率,其工作內容主要包括下列幾方面的工作。


(1)人員安排為每台數控機床分配專門的操作人員、工藝人員和維修人員,所有人員都要不斷地努力提高自己的業務技術水平。


(2)建規建檔針對每台機床的具體性能和加工對象制定操作規章,建立工作與維修檔案,管理者要經常檢查、總結、改進。


(3)日常保養對每台數控機床都應建立日常維護保養計劃,包括保養內容(如坐標軸傳動系統的潤滑、磨損情況,主軸潤滑等,油、水氣路,各項溫度控制,平衡系統,冷卻系統,傳動帶的鬆緊,繼電器、接觸器觸頭清潔,各插頭、接線端是否鬆動,電氣櫃通風狀況等等)及各功能部件和元氣件的保養周期(每日、每月、半年或不定期)。


(4)提高利用率數控機床如果較長時間閑置不用,當需要使用時,首先機床的各運動環節會由於油脂凝固、灰塵甚至生鏽而影響其靜、動態傳動性能,降低機床精度,油路系統的堵塞更是一大煩事;從電氣方面來看,由於一台數控機床的整個電氣控制系統硬體是由數以萬計的電子元器件組成的,他們的性能和壽命具有很大離散性,從宏觀來看分三個階段:在一年之內基本上處於所謂「磨合」階段。在該階段故障率呈下降趨勢,如果在這期間不斷開動機床則會較快完成「磨合」任務,而且也可充分利用一年的維修期;第二階段為有效壽命階段,也就是充分發揮效能的階段。在合理使用和良好的日常維護保養的條件下,機床正常運轉至少可在五年以上;第三階段為系統壽命衰老階段,電器硬體故障會逐漸增多,數控系統的使用壽命平均在8~10年左右。


因此,在沒有加工任務的一段時間內,最好較低速度下空運行機床,至少也要經常給數控系統通電,甚至每天都應通電。


三、維修與排故技術


1.常見電氣故障分類


數控機床的電氣故障可按故障的性質、表象、原因或後果等分類。


(1)以故障發生的部位,分為硬體故障和軟體故障。硬體故障是指電子、電器件、印製電路板、電線電纜、接插件等的不正常狀態甚至損壞,這是需要修理甚至更換才可排除的故障。而軟體故障一般是指PLC邏輯控制程序中產生的故障,需要輸入或修改某些數據甚至修改PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也屬於軟體故障。最嚴重的軟體故障則是數控系統軟體的缺損甚至丟失,這就只有與生產廠商或其服務機構聯繫解決了。


(2)以故障出現時有無指示,分為有診斷指示故障和無診斷指示故障。當今的數控系統都設計有完美的自診斷程序,時實監控整個系統的軟、硬體性能,一旦發現故障則會立即報警或者還有簡要文字說明在屏幕上顯示出來,結合系統配備的診斷手冊不僅可以找到故障發生的原因、部位,而且還有排除的方法提示。機床製造者也會針對具體機床設計有相關的故障指示及診斷說明書。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電氣故障的排除較為容易。無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(如開關不閉合、接插鬆動等)。這類故障則要依靠對產生故障前的工作過程和故障現象及後果,並依靠維修人員對機床的熟悉程度和技術水平加以分析、排除。


(3)以故障出現時有無破壞性,分為破壞性故障和非破壞性故障。對於破壞性故障,損壞工件甚至機床的故障,維修時不允許重演,這時只能根據產生故障時的現象進行相應的檢查、分析來排除之,技術難度較高且有一定風險。如果可能會損壞工件,則可卸下工件,試著重現故障過程,但應十分小心。


(4)以故障出現的或然性,分為系統性故障和隨機性故障。系統性故障是指只要滿足一定的條件則一定會產生的確定的故障;而隨機性故障是指在相同的條件下偶爾發生的故障,這類故障的分析較為困難,通常多與機床機械結構的局部鬆動錯位、部分電氣工件特性漂移或可靠性降低、電氣裝置內部溫度過高有關。此類故障的分析需經反覆試驗、綜合判斷才可能排除。


(5)以機床的運動品質特性來衡量,則是機床運動特性下降的故障。在這種情況下,機床雖能正常運轉卻加工不出合格的工件。例如機床定位精度超差、反向死區過大、坐標運行不平穩等。這類故障必須使用檢測儀器確診產生誤差的機、電環節,然後通過對機械傳動系統、數控系統和伺服系統的最佳化調整來排除。


此處故障的分類是為了便於故障的分析排除,而一種故障的產生往往是多種類型的混合,這就要求維修人員具體分析,參照上述分類採取相應的分析、排除法。2.故障的調查與分析


這是排故的第一階段,是非常關鍵的階段,主要應作好下列工作:


①詢問調查在接到機床現場出現故障要求排除的信息時,首先應要求操作者盡量保持現場故障狀態,不做任何處理,這樣有利於迅速精確地分析故障原因。同時仔細詢問故障指示情況、故障表象及故障產生的背景情況,依此做出初步判斷,以便確定現場排故所應攜帶的工具、儀錶、圖紙資料、備件等,減少往返時間。


②現場檢查到達現場后,首先要驗證操作者提供的各種情況的準確性、完整性,從而核實初步判斷的準確度。由於操作者的水平,對故障狀況描述不清甚至完全不準確的情況不乏其例,因此到現場后仍然不要急於動手處理,重新仔細調查各種情況,以免破壞了現場,使排故增加難度。


③故障分析根據已知的故障狀況按上節所述故障分類辦法分析故障類型,從而確定排故原則。由於大多數故障是有指示的,所以一般情況下,對照機床配套的數控系統診斷手冊和使用說明書,可以列出產生該故障的多種可能的原因。


④確定原因對多種可能的原因進行排查從中找出本次故障的真正原因,這時對維修人員是一種對該機床熟悉程度、知識水平、實踐經驗和分析判斷能力的綜合考驗。


⑤排故準備有的故障的排除方法可能很簡單,有些故障則往往較複雜,需要做一系列的準備工作,例如工具儀錶的準備、局部的拆卸、零部件的修理,元器件的採購甚至排故計劃步驟的制定等等。


數控機床電氣系統故障的調查、分析與診斷的過程也就是故障的排除過程,一旦查明了原因,故障也就幾乎等於排除了。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於下。


(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詢問向故障現場人員仔細詢問故障產生的過程、故障表象及故障後果,並且在整個分析判斷過程中可能要多次詢問。


②目視總體查看機床各部分工作狀態是否處於正常狀態(例如各坐標軸位置、主軸狀態、刀庫、機械手位置等),各電控裝置(如數控系統、溫控裝置、潤滑裝置等)有無報警指示,局部查看有無保險燒煅,元器件燒焦、開裂、電線電纜脫落,各操作元件位置正確與否等等。


③觸摸在整機斷電條件下可以通過觸摸各主要電路板的安裝狀況、各插頭座的插接狀況、各功率及信號導線(如伺服與電機接觸器接線)的聯接狀況等來發現可能出現故障的原因。


④通電這是指為了檢查有無冒煙、打火、有無異常聲音、氣味以及觸摸有無過熱電動機和元件存在而通電,一旦發現立即斷電分析。


(2)儀器檢查法使用常規電工儀錶,對各組交、直流電源電壓,對相關直流及脈衝信號等進行測量,從中找尋可能的故障。例如用萬用表檢查各電源情況,及對某些電路板上設置的相關信號狀態測量點的測量,用示波器觀察相關的脈動信號的幅值、相位甚至有無,用PLC編程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。


(3)信號與報警指示分析法


①硬體報警指示這是指包括數控系統、伺服系統在內的各電子、電器裝置上的各種狀態和故障指示燈,結合指示燈狀態和相應的功能說明便可獲知指示內容及故障原因與排除方法。


②軟體報警指示如前所述的系統軟體、PLC程序與加工程序中的故障通常都設有報警顯示,依據顯示的報警號對照相應的診斷說明手冊便可獲知可能的故障原因及故障排除方法。


(4)介面狀態檢查法現代數控系統多將PLC集成於其中,而CNC與PLC之間則以一系列介面信號形式相互通訊聯接。有些故障是與介面信號錯誤或丟失相關的,這些介面信號有的可以在相應的介面板和輸入/輸出板上有指示燈顯示,有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示,而所有的介面信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機床的介面信號,又要熟悉PLC編程器的應用。


(5)參數調整法數控系統、PLC及伺服驅動系統都設置許多可修改的參數以適應不同機床、不同工作狀態的要求。這些參數不僅能使各電氣系統與具體機床相匹配,而且更是使機床各項功能達到最佳化所必需的。因此,任何參數的變化(尤其是模擬量參數)甚至丟失都是不允許的;而隨機床的長期運行所引起的機械或電氣性能的變化會打破最初的匹配狀態和最佳化狀態。此類故障多指故障分類一節中后一類故障,需要重新調整相關的一個或多個參數方可排除。這種方法對維修人員的要求是很高的,不僅要對具體系統主要參數十分了解,既知曉其地址熟悉其作用,而且要有較豐富的電氣調試經驗。


(6)備件置換法當故障分析結果集中於某一印製電路板上時,由於電路集成度的不斷擴大而要把故障落實於其上某一區域乃至某一元件是十分困難的,為了縮短停機時間,在有相同備件的條件下可以先將備件換上,然後再去檢查修復故障板。備件板的更換要注意以下問題。


①更換任何備件都必須在斷電情況下進行。


②許多印製電路板上都有一些開關或短路棒的設定以匹配實際需要,因此在更換備件板上一定要記錄下原有的開關位置和設定狀態,並將新板作好同樣的設定,否則會產生報警而不能工作。


③某些印製電路板的更換還需在更換後進行某些特定操作以完成其中軟體與參數的建立。這一點需要仔細閱讀相應電路板的使用說明。


④有些印製電路板是不能輕易拔出的,例如含有工作存儲器的板,或者備用電池板,它會丟失有用的參數或者程序。必須更換時也必須遵照有關說明操作。


鑒於以上條件,在拔出舊板更換新板之前一定要先仔細閱讀相關資料,弄懂要求和操作步驟之後再動手,以免造成更大的故障。


(7)交叉換位法當發現故障板或者不能確定是否故障板而又沒有備件的情況下,可以將系統中相同或相兼容的兩個板互換檢查,例如兩個坐標的指令板或伺服板的交換從中判斷故障板或故障部位。這種交叉換位法應特別注意,不僅硬體接線的正確交換,還要將一系列相應的參數交換,否則不僅達不到目的,反而會產生新的故障造成思維的混亂,一定要事先考慮周全,設計好軟、硬體交換方案,準確無誤再行交換檢查。


(8)特殊處理法當今的數控系統已進入PC基、開放化的發展階段,其中軟體含量越來越豐富,有系統軟體、機床製造者軟體、甚至還有使用者自己的軟體,由於軟體邏輯的設計中不可避免的一些問題,會使得有些故障狀態無從分析,例如死機現象。對於這種故障現象則可以採取特殊手段來處理,比如整機斷電,稍作停頓后再開機,有時則可能將故障消除。維修人員可以在自己的長期實踐中摸索其規律或者其他有效的方法。


3.電氣維修與故障的排除


這是排故的第二階段,是實施階段。


如前所述,電氣故障的分析過程也就是故障的排除過程,因此電氣故障的一些常用排除方法在上一節的分析方法中已綜合介紹過了,本節則列舉幾個常見電氣故障做一簡要介紹,供維修者參考。


(1)電源電源是維修系統乃至整個機床正常工作的能量來源,它的失效或者故障輕者會丟失數據、造成停機。重者會毀壞系統局部甚至全部。西方國家由於電力充足,電網質量高,因此其電氣系統的電源設計考慮較少,這對於我國有較大波動和高次諧波的電力供電網來說就略顯不足,再加上某些人為的因素,難免出現由電源而引起的故障。我們在設計數控機床的供電系統時應盡量做到:


①提供獨立的配電箱而不與其他設備串用。


②電網供電質量較差的地區應配備三相交流穩壓裝置。


③電源始端有良好的接地。


④進入數控機床的三相電源應採用三相五線制,中線(N)與接地(PE)嚴格分開。


⑤電櫃內電器件的布局和交、直流電線的敷設要相互隔離。


(2)數控系統位置環故障


①位置環報警。可能是位置測量迴路開路;測量元件損壞;位置控制建立的介面信號不存在等。


②坐標軸在沒有指令的情況下產生運動。可能是漂移過大;位置環或速度環接成正反饋;反饋接線開路;測量元件損壞。


(3)機床坐標找不到零點。可能是零方向在遠離零點;編碼器損壞或接線開路;光柵零點標記移位;回零減速開關失靈。


(4)機床動態特性變差,工件加工質量下降,甚至在一定速度下機床發生振動。這其中有很大一種可能是機械傳動系統間隙過大甚至磨損嚴重或者導軌潤滑不充分甚至磨損造成的;對於電氣控制系統來說則可能是速度環、位置環和相關參數已不在最佳匹配狀態,應在機械故障基本排除后重新進行最佳化調整。


(5)偶發性停機故障。這裡有兩種可能的情況:一種情況是如前所述的相關軟體設計中的問題造成在某些特定的操作與功能運行組合下的停機故障,一般情況下機床斷電后重新通電便會消失;另一種情況是由環境條件引起的,如強力干擾(電網或周邊設備)、溫度過高、濕度過大等。這種環境因素往往被人們所忽視,例如南方地區將機床置於普通廠房甚至靠近敞開的大門附近,電櫃長時間開門運行,附近有大量產生粉塵、金屬屑或水霧的設備等等。這些因素不僅會造成故障,嚴重的還會損壞系統與機床,務必注意改善。


本文由於篇幅所限不做更多的介紹,讀者可參閱數控機床的隨機資料及其他專門介紹各種故障的文章。


4.維修排故后的總結提高工作


對數控機床電氣故障進行維修和分析排除后的總結與提高工作是排故的第三階段,也是十分重要的階段,應引起足夠重視。


總結提高工作的主要內容包括:


①詳細記錄從故障的發生、分析判斷到排除全過程中出現的各種問題,採取的各種措施,涉及到的相關電路圖、相關參數和相關軟體,其間錯誤分析和排故方法也應記錄並記錄其無效的原因。除填入維修檔案外,內容較多者還要另文詳細書寫。


②有條件的維修人員應該從較典型的故障排除實踐中找出常有普遍意義的內容作為研究課題進行理論性探討,寫出論文,從而達到提高的目的。特別是在有些故障的排除中並未經由認真系統地分析判斷而是帶有一定地偶然性排除了故障,這種情況下的事後總結研究就更加必要。


③總結故障排除過程中所需要的各類圖樣、文字資料,若有不足應事後想辦法補濟,而且在隨後的日子裡研讀,以備將來之需。


④從排故過程中發現自己欠缺的知識,制定學習計劃,力爭儘快補課。


⑤找出工具、儀錶、備件之不足,條件允許時補齊。


總結提高工作的好處是:


①迅速提高維修者的理論水平和維修能力。


②提高重複性故障的維修速度。


③利於分析設備的故障率及可維修性,改進操作規程,提高機床壽命和利用率。


④可改進機床電氣原設計之不足。


⑤資源共享。總結資料可作為其他維修人員的參數資料、學習培訓教材。

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