1、4.1数控机床电气控制系统概述4.1.1电气控制系统的特点数控机床自动化程度高,而电气控制系统的功能也是实现自动化的基础。电气控制系统出现故障会给数控机床正常运行带来较大影响。为保证数控机床长时间连续运转,对电气控制系统在运行中的任何不良现象都应及时发现、及时维护,对出现的故障要及时维修解决。数控机床对电气控制系统的基本要求有以下几点1.电气控制系统应有很高的可靠性2.电气控制系统要能适应较宽的工作条件 3.电气控制系统要有安全性 4.电气控制系统要具有可维护性 5.电气控制系统应具有良好的控制特性 6.电气控制系统要体现操作的宜人性 4.1.2电气控制系统常见的故障现象1)电气控制系统电路的
2、复杂程度相对于数控系统的电子控制电路要低,故障现象相对比较明显,因此故障诊断也相对容易。但由于其工作电压高、负载电流大、操作动作频繁等原因,故障率略显高一些。2)电器元件有机械寿命与电气寿命的技术指标,如果非正常使用,其寿命会大大降低。如接触器触点经常过电流使用会烧损、粘连,提前造成失效。3)电气控制系统容易受外界影响造成故障,如环境温度过高、电柜内温升过高可能导致有些电器损坏,甚至鼠害也会造成一些电气故障。4)机床使用过程中的非正常操作能造成意外损坏,如按钮脱落、开关手柄断损、限位开关被撞坏等人为故障。5)电线、电缆磨损能造成断线或短路,蛇皮线管进冷却水、油液之后长期浸泡,橡胶电线膨胀、粘化
3、,使绝缘性能下降而造成短路、甚至连电放炮。6)冷却泵、排屑器、电动刀架等使用的异步电动机容易被水浸泡,或者因轴承损坏而造成电动机故障。4.2数控机床电气控制系统电路与元件4.2.1数控机床交流主电路1.数控机床对使用电源的要求电源是维持数控系统正常工作的能源支持部分,电源失效或故障的直接结果是造成系统的停机或毁坏整个系统。国内工厂供电电源是三相交流380V电源,电网电压波动应该在-15%10%,频率为501Hz,国产数控机床都应符合这一条件。有些企业因为电压偏低且不稳定,用电高峰期间电压甚至降低20%以上,还隐藏有高频脉冲等一些干扰,对数控系统具有潜在危害,因此建议在数控机床较集中的车间配置具
4、有自动补偿调节功能的交流稳压供电系统,单台数控机床可单独配置交流稳压器,以确保机床的安全运行。目前大功率电子调整式三相交流稳压器有较高的稳压精度和响应速度,而且价格不高,数控机床可单独选用。图4-1数控车床电气柜内部结构图有些数控机床使用以晶闸管为驱动器件的电子控制装置,因此供电电源要按正确相序连接,如果相序接错,晶闸管电路就会失去同步关系造成逆变颠覆故障,此时必须经过辨别相序并改变电源连接来解决。数控机床使用的是三相交流380V电源,因此安全性也是重要的一环。车间配电柜电源开关的手柄应容易操作,安装位置上限值建议为1.7m,这样可以在发生紧急情况下迅速断电,减少人员伤害和损失。三相交流电引入
5、数控机床电气柜内,经总开关后成为母线,其分支有的经保护开关和接触器控制交流异步电动机,给液压系统、冷却系统、润滑系统等提供动力;有的经过三相变压器降压供给主轴或进给伺服系统;也有许多要单相使用,经降压、整流、稳压或经开关电源供给某些电子电器装置使用。2.数控机床交流主电路图4-1所示为数控车床电气柜内部结构图,其上部是数控系统,中部左边是主轴变频器,其余是低压电器元件。图4-2所示为TK1640数控车床电气系统原理图,图4-2a为主电路,图4-2b为电源电路。在电气原理图中,三相交流电源引入线用L1、L2、L3来标记,接地线以PE表示。图4-2TK1640数控车床电气系统原理图a)主电路b)电
6、源电路3.交流主电路电器元件交流主电路使用的主要低压电器元件通常有低压断路器和交流接触器等.图4-3交流主电路使用的主要低压电器元件a)空气断路器与操作机构b)空气断路器c)交流接触器 4.交流主电路电器元件的故障维修交流主电路的一些电器元件具有工作状态指示,故障特征比较明显,可以直接观察到,诊断相对比较容易,对不能直接观察到的故障用万用表等常规仪表辅助检查,可以快速测定故障。交流主电路的电器都属于有触点的开关,因此出现的故障多与触点有关,如触点氧化、触点烧损、触点接触压力不足、触点发热等,接线螺钉松动也会造成局部发热。此外,电动机过载造成热继电器或断路器脱扣动作,熔断器熔体熔断,接触器线圈烧
7、毁,操作机构失灵等故障也常见。4.2.2数控机床控制电路1.数控机床控制电路数控机床控制电路包括以下部分。1)交流主电路电器被控制的有关电路。2)数控系统发出辅助功能控制命令,经可编程序控制器(简称PLC)进行逻辑控制,对机床电器进行控制的电路。3)经过机床操作盘的操作,数控系统接受控制命令的控制电路。2.控制电路的电器元件数控机床控制电路中使用的电器元件主要有各种按键、按钮、波段开关、带操作手柄的开关、电源开关、保护开关、微动开关、行程开关、继电器、指示器、指示灯等。此外,也有一些无触点的开关,如电感式接近开关、霍尔式接近开关、光电开关、固态继电器等。这些元件的共同特点是额定电流都不超过10
8、A。控制电路如图4-4所示,图4-4a为交流控制电路,图4-4b为直流控制电路,操作盘外形如图4-5所示,操作盘电路原理图如图4-6所示。图4-4控制电路a)交流控制电路b)直流控制电路3.控制电路的主要电器元件结构、作用、使用与维护 4.控制电路的主要电器元件维修数控机床控制电路的故障中,主要是有触点开关的触点氧化或开关疲劳损坏,而无触点开关寿命长、故障率较低、使用较可靠,但也有少量的是使用中出现特性蜕变或由于引线短路而造成的损坏故障。图4-5操作盘外形 图4-6操作盘电路原理图为了使电器元件长期稳定工作,务必要定期维护,如检测接近开关与物体的安装位置是否有移动或松动,接线和连接部位是否接触
9、不良,是否有粘附切屑及金属粉尘。图4-7控制电路的元件a)继电器b)辅助按钮站c)开关稳压电源d)电柜空调机4.2.3数控机床电气控制系统的直流电源数控机床电气控制系统内需要几组工作电源,直流电源是重要的组成部分,也是容易出现问题的部分。对直流电源的要求一是电压稳定,二是过载能力强,三是具有抗干扰能力。1.直流工作电源数控系统用的直流电源现在多采用开关稳压电源,而早年使用的变压器降压-整流-滤波-稳压式电源,维修时偶尔也能遇见。数控系统所需的直流电源有5V、12V、15V、24V等电压,系统内不同的部位使用的电源电压、电流情况不尽相同,表4-3为数控系统中的各种常用直流电压等级。对伺服系统供电
10、的直流电压,大多数是经伺服变压器及整流装置所获得的,一般称中压,而实际电压很高,断电后大容量电容还残存有电荷,在维修、检测时一定要用合适的电阻对其泄放,防止电击或烧损器件。2.电池数控系统中有些环节在断电情况下需要电池保持延续供电,如有一部分记录加工程序或系统参数的RAM器件;或记录坐标位置信息的绝对值编码器等。不同的数控系统选用的电池不一样,有的采用普通1号电池,有的采用普通5号电池,也有的采用锂电池。根据系统的要求,应按机床说明书规定定期更换。数控系统电池必须在通电情况下进行更换,否则程序及参数就会丢失,这一点与要求断电维修电器的常规不同,同时操作过程中还要注意不能产生瞬间短路现象。3.直
11、流电源的检查直流电源检查是非常重要的环节。首先要检查电源电压是否正常,这是数控机床正常工作最重要的条件。倘若直流电压不正常,必然造成故障停机,甚至造成系统工作状态紊乱。其次要检查电源的供电电路,也要检查由它供电的负载部分,核准是否都是正常的电压,同时还要检查那些不该得电的部分是否也带了电。要注意检查时的安全操作,一定不要让故障扩大。不同的电器需要不同的供电电压,这是非常重要的一点,一旦出错会造成不可弥补的损失。例如有的CRT内部没有电源电路,需要外接直流12V供电。有的CRT内部有电源电路而需要由交流110V或220V供电,二者不能直接替换。4.3数控机床电控系统的抗电磁干扰为提高数控机床整机
12、的工作可靠性,必须按照电磁兼容的原则,严格地实施接地、屏蔽等各种抗干扰措施,提高电气系统的抗干扰能力。4.3.1干扰源干扰是指有用信号与噪声信号两者之比小到一定程度时,噪声信号影响到数控系统正常工作这一物理现象。干扰源分为内部干扰源和外部干扰源两种。1.内部干扰源内部干扰源主要来自电控系统的设计、结构布局及生产工艺缺陷,主要有直流电源滤波不良造成的谐波干扰(俗称交流声)、接地不良或多点接地造成的公共阻抗而引起的耦合干扰、寄生振荡引起的干扰、不同信号的互相感应干扰、分布电容及长线传输造成的干扰、内部放电造成的干扰。2.外部干扰源外部干扰源主要来自使用条件和外界环境因素,与电控系统内部结构和工艺无
13、关,如来自交流电源的工频干扰,数控机床周围有电加工机床、电焊机、其他大型设备产生的电磁干 扰,空中雷电及其他各种电磁场干扰。内部干扰和外部干扰具有相同的性质,在消除和抑制的方法上没有本质的区别。数控机床电控系统干扰的抑制主要采用接地与屏蔽以及隔离等方法。在电控系统设计和施工中如能正确地采用接地与屏蔽措施,可以解决大部分的干扰问题。但实际上有些问题却被忽视,给以后的系统调试和运行带来极大的隐患。4.3.2系统的接地1.接地装置为了减少系统与大地基准电位之间电位差造成的干扰,措施之一就是尽量减小接地电阻,消除各电路电流流经具有一定阻抗的公共地线时所产生的电压,因此对数控机床电控系统的接地装置有以下
14、要求。接地装置有三种,分别用于电力系统、避雷针以及电子设备。数控机床电气控制系统属电子设备,只有良好的接地才能抑制和降低各种干扰,保证数控系统可靠地工作。接地装置应按特殊要求专门设置,以满足上述要求。绝不能把电力系统的中性线和避雷针上用的地线作为数控机床控制系统的接地装置。常见的接地装置是一组成辐射状深埋的铜板、铜管或铁棒,每个车间最好设一个。2.对各类信号的接地要求在数控机床电控系统中,根据数控系统、伺服驱动系统以及测量系统等不同的控制要求,分为信号地和屏蔽地(或称保护地)两种。1)信号地,包括数字信号地、模拟信号地、直流地、交流地等。在数字电路中,由于数字信号仅取“1”和“0”两个状态,分
15、别以5V和0V电平信号出现,相对于几十毫伏的噪声电平,其有效信号和噪声之比很大,因此抗干扰能力较强。2)屏蔽地。屏蔽地(也称保护地或机壳地),是为了防止静电感应和电磁场感应而设的,根据不同的屏蔽要求其接法有两种。一种是为了抑制电磁感应源对外界的影响,可采用高导磁材料制作的屏蔽盒,并将其接地。这类感应源有电磁铁、电动机、变压器、电感线圈等。另一种是对信号线抑制外界高频电磁场辐射影响(除上述电磁感应源外,还有无线电台、电视、雷达、雷电等高频电磁场)采用的信号屏蔽方法。在制作工艺上,每条屏蔽电缆信号线与屏蔽层之间不能暴露太长,一般要求屏蔽层剥离段长度不能超过1015mm。屏蔽层外面要有绝缘层,以防止
16、与其他电器有电部分接触相连,引起意外故障。图4-8电气系统的主接地排信号地和屏蔽地与接地线的连接要求如下:1)不能把电力系统的中性线作为地线。3.信号地和屏蔽地的接法 2)一点接地。数控机床的控制系统按一点接地原则,避免接地电路形成环路产生较大干扰。图4-9系统的一点接地a)一个主接地点b)主、次接地点3)信号地、屏蔽地与大地地的连接。信号地一般包括逻如果将信号地与大地分开,称之为悬浮地。这种方法有一定的抗干扰能力,但工艺较复杂,并要求其绝缘电阻不能小于50 M,否则会随着绝缘下降而带来其他噪声干扰。4.3.3干扰的隔离1.干扰的隔离措施数控机床的电控系统除控制主轴和进给等执行机构外,还有大量
17、外部控制对象,如行程开关、操作开关、感应开关、电磁阀等。这些外部电器由于分布很散,距离主控制器又远,各类外部电磁干扰很容易通过它们进入系统内部,给控制系统带来不稳定。1)继电器隔离。在输入、输出回路中,继电器隔离电路比较简单,但缺点是体积大,响应速度低。2)光耦合器隔离。光耦合器的输入/输出之间有良好的隔离作用,其性能比前者优越得多。2.电控系统内部干扰的抑制措施1)机床电控系统内部的放电干扰现象主要有:弧光放电以及火花放电。这是由电路中很多感性负载造成的,例如电动机、电磁铁、继电器、接触器等。抑制火花放电干扰的措施是在断开感性负载时提供由于电路断开而放电的回路,就能避免触点打火,也就消除了干
18、扰。2)对于直流电路中的感性负载,例如直流电磁铁、直流继电器等,在负载上并联一个放电二极管,极性与直流电源相反,如图4-10a所示。3)对于交流电路中的感性负载,例如交流接触器、交流电磁阀、电动机等,为消除其通断操作中的接点火花干扰,在负载两端不能采用并联二极管的方法,而是采用阻容吸收回路。单相阻容吸收回路,用于单相交流感性负载,如交流接触器等,如图4-10b所示。三相阻容吸收回路,用于三相交流感性负载,如三相交流电动机,如图4-10c所示。R、C吸收回路作为一个负载并联在感性负载上,在交流回路中有一定的损耗,因此R、C的数值选定满足以下条件:R2+1/(C)2(L)2+(一般取10倍左右),
19、其中RL为电感负载的直流电阻。R的额定功率要大于U2R/R2+1/(C)2,其中U为UC的有效值。图4-10抵制火花放电干扰的措施a)直流电路b)单相交流电路c)三相交流电路3.抑制长线传输的干扰长线传输中的干扰源种类很多,要消除或抑制干扰有以下三种方式。1)消除或抑制静电耦合干扰。两根导线之间存在分布参数耦合电容,两根平行导线与地之间也存在分布参数电容。2)消除或抑制互感耦合干扰。任何载流电路,只要有交变电流通过,周围空间就会产生交变电磁场,这种交变电磁场对其周围闭合电路会产生交变感应电动势,这就是很普遍的干扰源。3)公共阻抗耦合干扰。公共阻抗耦合干扰是指两个以上的电路有一个公共阻抗时,当一
20、个电路的电流流经该公共阻抗时,会在该公共阻抗上产生电压降,该电压降会影响到另一电路,该电路工作不正常4.抑制供电系统的干扰车间供电系统中的干扰包括电压和频率的波动,大电流的冲击,以及其他瞬变过程,这些强电干扰通过电源的传输线以传导和辐射两种形式传给数控系统,对数控系统的工作稳定性带来很大影响,为抑制这些干扰,可采用以下方法。1)采用隔离变压器。隔离变压器将电网与控制系统进行电气隔离,使其不共地,从而大大减少电网的杂电干扰。2)采用低通滤波器。电网频率为低频50Hz,而电网干扰多数为电网上的谐波分量或外界的高频射频干扰。因此可用低通滤波器对谐波或高频干扰进行滤除。3)采用交流稳压器。比较理想和实
21、用的供电系统抗干扰的措施是:先通过交流稳压器,再经过隔离变压器和低通滤波器供给数控系统。4.4数控机床电气控制系统维修4.4.1数控机床电气控制系统维修要点1)数控机床电气系统的维修涉及“强电”,安全作业十分重要。2)采用低通滤波器。电网频率为低频50Hz,而电网干扰多数为电网上的谐波分量或外界的高频射频干扰。因此可用低通滤波器对谐波或高频干扰进行滤除。3)维修工具使用要得当,大、小工具不要代用。用仪表测量时要注意随时调整在合适的挡位,千万不能用测电阻挡测高电压,以免损坏仪表。4)电气系统故障诊断与维修工作结束,合闸上电前必须再行仔细检查,要与操作人员呼应后逐级通电,在大型数控机床维修后尤其要
22、注意。5)对于电气系统故障维修更换的电器元件,一定要观察其初期的运行状态,验证其更换的合理性。4.4.2数控机床电气控制系统维修案例1.热继电器失效导致电动刀架不换刀故障的排除机床名称:CK6140I数控车床故障现象与诊断过程:机床运行中出现电动刀架不换刀现象,数控系统CRT提示“换刀时间过长”。经诊断时间参数没有更改,控制状态位也都正确。2.行程开关失效导致不能回参考点的故障排除机床名称:XK8140数控铣床,FAGOR-8025M系统故障现象与诊断过程:X轴不能回参考点。通过系统工作方式9进入I/O诊断页面,按动X轴行程开关相关诊断位无反应,初步判定是X轴行程开关损坏。拆开开关发现里面全是
23、切削液,因而造成开关腐蚀损坏。那么切削液是从哪里来的呢?经检查原来工作台下的接水塑料管随X轴的运动摇动而造成一小裂口,切削液从裂口渗出并沿工作台浸入开关。故障排除:更换同型号新的行程开关,开机试验机床回参考点正常。为防止切削液的浸入,更换已裂的塑料管,并用金属管卡固定,使其不再摇动。3.电感式接近开关失效导致主轴齿轮不能变挡故障的排除机床名称:卧式加工中心故障现象与诊断过程:系统CRT报警提示为“主轴齿轮变挡故障”。该机床主轴为三挡齿轮变速,在变速液压缸后装有三个电感式接近开关,分别对应三个变挡位置。在CRT上观察这三个开关对应的PLC输入地址状态时,发现1挡的开关状态始终为0,因此可以肯定故
24、障出在此开关的电路上。图4-11电源显示部分故障排除:更换同型号新的电感式接近开关后,检测输出电压 能达到24V,机床恢复了正常。4.MTC-1T数控系统电源故障的排除MTC-1T数控系统是国产数控车床控制系统,初期故障为显示屏无显示,查电源输入220V正常,打开系统后盖检查,见图4-11电源显示部分,5V电源指示发光二极管不亮,其他四个发光二极管正常发亮。查3A玻璃管熔断器已熔断,该部分电路图如图4-12所示。图4-12电源部分电路图(1)故障现象数控系统显示器无显示,测开关电源输出端无输出。(2)工作原理该电源为三组直流输出的并联式开关电源,整个电路由一块集成电路(I901)和一只开关晶体
25、管(VT901)控制,开关晶体管采用他励形式工作,由I901提供导通激励和截止激励,该电源单独装在一个铁盒内,与外部连接采用接插件。图4-13所示为该开关电源的原理框图,整个电路由交流滤波5.开关稳压电源的维修 电路、整流滤波电路、开关控制电路及开关调整电路和低压整流电器等组成。图4-13开关电源的原理框图 图4-14开关电源交流滤波及整流滤波电路 图4-15开关电源原理图3)开关调整电路。开关调整电路主要由开关管VT901组成,C916的作用一方面是吸收VT901的集电极尖峰电压,另一方面是延迟VT901管的集电极电压上升时间,以减少VT901的截止功耗。电源的稳压过程:当二次电压上升时,C913两端的负电压也会上升,这样TDA4601的3脚上的比较电压就要下降,通过控制放大器和逻辑控制电路使开关管VT901的基极驱动脉冲占空比发生相应变化,从而使输出电压下降,达到稳压输出的目的。(3)故障排除测开关电源输出端无输出,VT901发黑烧毁,测直 流300V对地电阻为零,进一步测得VT901击穿短路,I901(TDA4601)与好的集成电路相比电阻差别较大,也要一并更换(如没有TDA4601,可以用TDA4600代换),用BU208A更换损坏的VT901,换上好的延时熔断器。
