基于“电气特征值分析”的数控机床维修技术.pdf

2 0 1 0年 1 1 月 中国制造业信息化第 3 9卷第 2 1 基于“ 电气特征值分析’ ’ 的数控机床维修技术 魏 东坡 ， 王忠 山东华宇职业技术学院 机械工程系， 山东 德州 2 5 3 0 0 0 摘要 从机床控制 系统的典型电气特征参数检查的角度出发， 举例说 明了基于“ 电气特征值分析” 的维修原理和方法。维修人 员可以根据 实际测得的机床控制 系统的相 关参数量 如 电压、 电流、 电阻及各类开关的状 态等数值 与系统特征值进行比对， 即可快速地找到故障原 因， 并排除故障， 其关键是对数控机床 电气特征值的恰当选取、 特征值库 的建立以及准确 获得特征值。有效地利 用这种方法对于提高维修人 员的． Y - 作效率有很大的帮助。 关键词 数控机床； 电气特征值； 维修 ； 故障； 参量 中图分类号 T H1 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 21 6 1 6 2 0 1 0 } 2 1 0 0 6 80 3 在数控机床的维修工作 中可 以采用的方法有 很多， 但实践证明要想快速准确地进行故障定位仍 然是不容易的， 往往要求维修人员具有扎实的数控 理论与设备知识和丰富的维修经验。理论与实践 都证明， 数控机床的绝大多数故障最终体现在电气 控制的相关参量值的变化上 ， 所以只要选择适当的 参量值 ， 建立正常工作状态时的关键参量值 特征 值 ， 在数控机床出现故障需要维修时通过测量这 些特征参量 ， 然后与特征值进行 比对分析， 根据分 析结果就可快速准确地确定故障部位 ， 这就是基于 “ 电气特征值分析” 的数控机床维修技术的基本思 想 。 这种基于“ 电气特征值分析” 的维修方法在故 障的快速定位上优势明显， 这种方法还可以有效弥 补数控设备维修人员数控理论与设备知识和维修 经验的不足， 只要参量值选择得当， 故 障的定位就 迅速快捷 ， 就可有效缩短维护检修 时间 ， 而且这种 基于“ 电气特征值分析 ” 的维修方法还 可以推广应 用于其他的电气与机 电设备 。当然， 这种方法的有 效应用应该建立在对数控机床电气特征值的恰当 选取、 特征值库的建立以及准确获得特征值 的基础 E。 1 常用 的电气特征参量 1 ． 1 电压 这是最普通 、 最常用 的特征参数 ， 数控机床绝 大多数的故障 ， 最终都会体现在电压的变化上。数 控机床上主要测量 的电压参量有 各个 电源电压 、 模拟主轴的指令 电压、 各个模块上的控制 电压 、 基 准电压等。电压测试比较方便 ， 一般从 电路的测试 端子上就可以获得 ， 因此常常选取一些对故障敏感 的关键点电压作为设备维修的重要特征参量， 为快 速检修提供了方便。例如 ， 旋转编码器的电源电压 正常时为5 5 ％ V， 但是当其值偏低时就会出现 回机床参考点错误故障。 1 ． 2 电流 这也是一个 比较常用的特征参数， 数控机床有 相当多的故障会体现在电流的变化上。数控机床 上需要测量的电流参量主要有 伺服控制中电流环 的采样电流、 各个模块 的工作电流、 伺服直流母线 电流等。例如 ， 某加工中心在运行加工程序时 ， 只 要主 轴在 1 5 0 r ／ mi n以上 直接启 动 ， 主轴 驱 动器 F RS E内的断路器就跳闸， 此故障一般是由主轴 驱动器主回路过 电流所引起的。 1 ． 3 电 阻 这个参数对维修至关重要， 尽管相关手册与说 明书中基本上没有提到这个参数值。这需要维修 人员自己根据需要进行测试建立数据， 电阻值参量 的获取既安全又方便 ， 它对某些类型的故障 特别 是短路型故障 的定位非常有用。例如 各个板卡 的电源正负间的阻值 、 伺服模块的开关管的阻值、 熔断器电阻值、 交直流电源模块 的输入输 出阻值 、 开关的通断等等。 收稿 日期 2 0 1 0 0 8 0 3 作者简介 魏东坡 1 9 7 8一 ， 男 ， 河北廊坊人 ， 山东华宇 职业技术学院副教授 ， 主要研究方向为先进制造技术、 机 电设备维修。 应用研究 魏东坡王忠基于“ 电气特征值分析” 的数控机床维修技术 6 9 1 ． 4状 态 机床正常工作的状态 ， 主要包括中间继 电器的 状态、 交流接触器的状态 、 限位开关 接近开关 的 状态 、 各种电机指示灯 的状态等 ， 另外可编程控制 器的梯形图中开关量 的状态也是维修 中最常用的。 1 ． 5 波 形 数控机床上 的许多参量表现为一定规格 的脉 冲， 其波形可 以通过示波器获取。波形也是在数控 机床故障检测中应用较多的一种参量 ， 特别是在板 级维修 中经常使用。例如 ， 数字 主轴 的指令脉冲、 旋转编码器的反馈相位信号 ， 图 1所示就是步进 电 机的工作脉冲。 图 1步进 电机工作脉冲 1 ． 6 系统设置参数 、 压 力、 时 间 除了上述 5个电气参量外 ， 实际维修中还可能 需要建立一些相关的非直接电气参量 也可以称为 辅助． 陛特征参量 ， 如系统设置参数、 压力 、 时间等 ， 这些参量在某些故障维修 中非常有用 。 2 电气特征 值分析的应用方法 a ． 第一个环节 建立数控机床正常工作的特征 值库。 1 特征值的选取。 特征值的选取特别重要 ， 因为数控机床上电气 参量非常多 ， 但并不是设备所有的电气参量都可以 作为设备维修的 电气特征值 。这里的电气 特征值 参量是指能明显表征数控机床正常工作状态 ， 而且 在故障状态时能敏感反映工作状态变化 ， 又便于测 量比对分析的电气参量。 恰 当选择特征值对故障的定位是至关重要的， 应尽可能地选取对故 障维修最有价值 的参 量特征 值。选 取的主要原则 ①根据故 障率来选取 ， 其思 想是对故障率高发部件 位 的特征值进行精心选 取 ； ②根据数控设备组成连接 图选取 ， 因为从 连接 图中容易选择关键点 ， 也方便获取数据。 2 特征值的获得。 特征值 的获得有多种途径 ， 常用 的有 ①查 阅 手册 、 说明书 、 研究论 文等资料 ， 这是最常规 的途 径。②现场测量 ， 这条途径往往容易被忽视。这需 要维修者用仪器仪表测量各个端子、 各测量点 尤 其是板级测量点 的波形 、 电压及 电阻值等。③现 场查阅。对一些状 态参量可 以直接从 现场观察或 在显示器上查看 ， 如 I ／ 0状态 、 参数 、 P L C状态值 、 不同工作方式下 AUT O、 MD I 、E DI T、 HA N DL E、 J O G 各个继电器 和接触器 的通断 电情况 中间继 电器上有通断指示灯 ， 接触器吸合有明显的标识 ， 对于 G信号 与 F信 号也 可以直接从 显示器 上查 看 。 这里需要注意的是， 特征参量值的测试环境要 与特征值的获取条件一致。例如 ， 电阻值的测试 ， 不同型号的万用表 ， 不同的测试档位 ， 其测试结果 是有差别的。再如 ， 静态与动态测试 ， 其测试结果 也是有差别 的。 3 特征值库的建立 。 建立特征值库的 目的是便于进行故障诊断 ， 在 基于“ 电气特征值分析” 的数控机床维修方法 中具 有重要地位。常用的方法有 ①图纸标注法。这种 方法是在现有的图纸上标注特 征值 ， 如 ， 对 于 P L C 可以直接在梯形 图上标注相关的信息 ， 在图纸上标 注电压特征值等 ， 这种方式在维修时可以提高维修 速度 。②专门记录法。建立相应的数据库 ， 格式有 多种 ， 表 1 为广州数控设备有限公司 G S K 生产的 伺服器的特征值格式。 表 1 D A 9 8型伺服驱动器主要端子特征值选择 端子记号 特 征值 R ， S， T R． T S 0N F RS TP I NH S RDY AUⅥ O0I N SCⅣ PULS S I GN 十 5 V A ， B， Z 伺服驱动器电源输入 ， ～3 8 0 V 5 0 H z 控制电源 ， 单相 ～2 2 O V 5 0 Hz 伺服使能 ， 工作为 1 ， 停 止 0 1 0 C L - W 驱动允许 禁止 1 0 C W 驱动允许 禁止 0 指令脉冲输入有效 控制电源和主电源正常输出 1 伺服报警输 出 1 伺服报警输出 0 定位完成输出 1 速度到达输 出 1 外部指令脉 冲输入端子波形 伺服 电机光 电编码器用 5 V电源 波形 b ． 第二个环节 确定故障范围， 测量特征参量。 出现故障时 ， 首先要进行初步故 障分析 ， 确定 故障的大体范 围 是 主轴故 障、 伺服故 障、 电源故 障 ， 还是控制系统或其他部分的故障 ， 然后有针对 7 0 2 0 1 0年 1 1月 中国制造业信息化第 3 9卷第 2 l 期 性地选择相关 的特征参量进行测量。这样可以更 快 、 更有效地确定具体故障部位 点 。 C ． 第三个环节 特征值的分析与故障定位。 1 电压参量分析。①对于 电源电压 ， 若与特 征值不符 ， 应检查熔断器、 线路等 ， 也可根据状态指 示灯 如 P R DY、 VI Y 进行分析 。②对于信号电 压异常 ， 要检查电容漏电情况 、 集成电路的好坏 、 参 数的设置等。 例 1 一 台 F S 0系统 机 床 x 轴 运 动时 出现 A L M 4 0 1报警。检查 报警 时 x 轴伺 服 驱动 板 P R D Y指示灯不亮 ， O V、 T G两报警指示灯同时亮 ， 检查制动器电源， 发现制动器 D C 9 0 V 电压为零 ， 经检查后发现熔断器断路， 造成制动器不能松开而 造成负载过重。 例 2 一台立式加 工中心 ， 主轴在低速时， S指 令无效。测量主轴驱动器的 D A转换输 出 测量端 C H 2 ， 发现即使是在 S为 0时 ， D／ A输 出仍然有 0 ． 2 6 V左右的电压。查找表 2后 ， 断定是 D／ A损 坏 。 表 2 指令、 电压及转速对应表 S模拟输 出／ 、 ， 电动机转速／ r rai n 0 0． 3 3 3 3 0 6 6 6 6 9． 9 9 9 9 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 2 电阻参量分析。这是最常用也是最有效的 参量 ， 例如 某机床 F S系统 发生 HC AL报警 ， 测 量轴伺服电动机的电枢绕组的阻值正常， 但是伺服 驱动器 内部 的开关 管阻值异常， 特征值见表 3 ， 更 换后正常。 3 波形。主要用示波器完成 ， 在维修 中效果 较好， 如一台卧式加工 中心 ，y轴发生周期性 振 动。 用示波器检查 y轴脉 冲编码器脉 冲， 发 现异 常 ， 更换后正常。 表 3 逆变晶体管组件的正 常电阻值 4 参数。对于参数的故障诊断较难 ， 一般将 参数按特征值恢复就能解 决问题。一 台配有华中 世纪星的车床， 开机后 x 轴总是向负方 向移动， 该 系统的伺服也是华 中 H S V1 6系列的， 为确定故 障 范围 ， 将指令线断开， 但是故障依 旧， 说明是伺服本 身的问题 ， 这时故障显得非常复杂 ， 但是核对伺服 系统参数 ， 发现 3 1号参数值为 6 2 5 3 该参数为秘 密级参数 ， 而特征值应为 4 0 9 6 ， 修改后正常。 5 状态参量分析。当状态与特征值不符 时， 故障就基本能定位。如某机床 配华 中系统 开机 后， C NC正常 ， 但是伺服驱动器无法起动。经检查 中间继电器 K A2未吸合， 伺服电源断路 ， 经检查是 插头松动。 3 结束语 电气特征值参量的选取 ， 需要重点考虑选取能 表征设备处于故障状态时参量变化敏感 的电气参 量 ， 并建立数据准确 、 规范的特征值库 ， 这是有效应 用基于“ 电气特征值分析” 的数控机床维修技术 的 前提条件。利用这种基于“ 电气特征值分析” 的维 修技术与方法， 再结合其他的维修方法， 如外观检 查法 、 交换法、 敲击法、 状态法等 ， 可使维修的速度 得到明显提 高。除上述应用 ， 还 可利用 这种基 于 “ 电气特征值分析” 的数控机床维修技术与方法和 平时积累的故障检修经验， 建立起 “ 故障字典” ， 从 而可以降低对维修人员的理论与技术要求。 NC M a c h i n e To o l M a i n t e n a nc e Te c hn o l o g y Ba s e d o n An a l y s i s o f El ec t r i c Ch a r a c t e r i s t i c s W EI Do n gp O ，WANG Zh 0 n g S h a n d o n g Hu a y u I n s t i t u t e o f Bu s i n e s s Te c h n o l o g y，S h a n d o n g De z h o u，2 5 3 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n a n a l y s i s o f t y p i c a l e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s o f ma c h i n e t o o I c o n t r o l s y s t e m，i t p r o p o s e s t h e m a i n t e n a n c e pr i n c i p l e a nd m e t h o d．By c o mp a r i n g t he me a s u r i n g v a l u e s s u c h a s v o l t a g e ，c u r r e n t a n d r e s i s t a n c e wi t h t h e c o n t r o l s y s t e m c h a r a c t e r i s t i c s ，t h i s me h o d c a n f l e e t l y r e a l i z e f a u l t d i a g n o s i s ．Th e k e y i t e rn o f t h i s me t h o d i S t h e c h o i c e o f e l e c t r i c c h a r a c t e r i s t i c s f o r ma c h i n e t o o l c o n t r o l s y s t e m a n d d a t a b a s e c o n s t r u c t i o n ．Th i s c a n e f f e c t i v e l y a d v a n c e t h e ma i n t e n a n c e p r o c e s s ． Ke y wo r d s NC Ma c h i n e To o l ；El e c t r i c Ch a r a c t e r i s t i c ；Ma i n t e n a n c e ；F a u l t ；Pa r a me t e r