數(shù)控機床控制及故障診斷系統(tǒng)分析與實現(xiàn)

【摘要】數(shù)控機床是典型的機電一體化系統(tǒng)，隨著數(shù)控技術的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的普及逐漸成為機械行業(yè)的潮流。文章首先介紹了數(shù)控機床的發(fā)展及特點，分析了數(shù)控機床的控制系統(tǒng)，最后提出數(shù)控機床的故障診斷系統(tǒng)，希冀能夠幫助維修人員診斷故障、豐富故障診斷知識庫，提高維修人員的診斷效率。

【關鍵詞】數(shù)控機床；控制系統(tǒng)；故障；診斷系統(tǒng)

數(shù)控機床是典型的機電一體化系統(tǒng)，隨著數(shù)控技術的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的普及逐漸成為機械行業(yè)的潮流。這對數(shù)控機床制造行業(yè)在研發(fā)、生產(chǎn)、維護等方面以及如何提高效率、提高質量提出了越來越高的要求。因此，對數(shù)控機床的控制系統(tǒng)和故障診斷系統(tǒng)的研究和分析就顯得尤為必要。通過對數(shù)控機床的控制系統(tǒng)的分析以及對其故障診斷系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)能有效提高數(shù)控機床的運行效率。

一、數(shù)控機床的發(fā)展及特點

早在20世紀40年代的機械工程師就提出用數(shù)字控制技術進行機械加工的思想，1970年前后，美國英特爾公司開發(fā)和使用了微處理器。1974年美、日等國首先研制出以微處理器為核心的數(shù)控系統(tǒng)。近40年來，微處理機數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機床得到了飛速發(fā)展和廣泛應用，第五代數(shù)控系統(tǒng)也應運而生。隨著計算機以及科學技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出網(wǎng)絡化和智能化的新特點：一、數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡化方向發(fā)展。新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結構，利用PC機豐富的軟硬件資源，使數(shù)控系統(tǒng)具有更好的通用性、柔性、適應性和擴展性，并向智能化和網(wǎng)絡化方向大大發(fā)展，新一代數(shù)控系統(tǒng)技術水平大大提高，促進了數(shù)控機床性能向高精度、高速度、高柔性化方向發(fā)展，使柔性自動化加工技術水平不斷提高。二、數(shù)控系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展。隨著人工智能在計算機領域的滲透發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學習控制、自適應控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面更加友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并優(yōu)化調整參數(shù)。

二、數(shù)控機床的控制系統(tǒng)分析

數(shù)控機床的控制系統(tǒng)分為三個部分：機床的電氣控制、機床的PMC順序控制和機床的運動伺服控制。

（一）機床的電氣控制

機床利用數(shù)控CNC系統(tǒng)，配置數(shù)控伺服放大器組合模塊，控制數(shù)控交流主軸和伺服電機，利用電機編碼器實現(xiàn)了閉環(huán)和半閉環(huán)控制；在主水箱配置自動排屑機和大功率送水泵，在紙帶過濾水箱配置主軸中心出水、機床沖洗、切削沖洗、排屑機沖洗水粟和液位、壓力控制系統(tǒng)，通過PMC實現(xiàn)了順序控制。對于刀臂旋轉馬達，采用變頻器驅動，利用數(shù)控256位絕對式編碼器檢測旋轉位置，通過PMC程序控制換刀動作。對于各油壓泵、水泵等的控制均采用接觸器通過PMC程序控制。各電磁閥、繼電器和傳感器、按鈕開關等的信號線經(jīng)過I/O Link系統(tǒng)連接到CNC，通過PMC程序控制機床的各個動作。

（二）機床的PMC順序控制

對機床的PMC一級程序的控制：首先對潤滑油的壓力和液位以及氣壓進行檢測，并借助計時器和計數(shù)器給出相應報警，接下來對程序類別和門開請求進行設置，并設置主軸暫停轉動和恢復轉動的條件和命令，再對急停信號、伺服就緒、節(jié)能模式和各軸正、負方向運動等進行處理。接著對ATC刀臂位置編碼器信號進行譯碼、處理，判斷刀臂在不同運動模式下的位置區(qū)域，從而給出相應的動作指令，并對刀臂的運動狀態(tài)進行判斷，給出相應的報警信。對機床的PMC二級程序的控制主要包括工作模式設置、M/S/T指令處理、加工程序運行處理、安全保護設置、主軸運動處理、進給軸運動處理、刀庫和ATC動作處理、附加裝置處理等子程序段。

（三）機床的運動伺服控制

進給伺服系統(tǒng)的設置首先要進行伺服參數(shù)的初始設定，需確認以下信息：NC的機型名稱，伺服電機的型號名稱，電機內(nèi)置的脈沖編碼器的種類，分離式位置檢測器的有無，電機每轉一圈的機床移動量，機床的檢測單位，NC的指令單位等。對于主軸伺服系統(tǒng)的設置，首先進行與主軸相關的CNC型號、主軸電機、共用電源、主軸放大器、檢測器系統(tǒng)等的規(guī)格確認，進行電氣連接的確認，進行PMC梯形程序的準備和確認；接著確認在使用a i系列串行主軸時的CNC參數(shù)設定，進行a i系列串行主軸參數(shù)的自動初始設定處理；最后設定與檢測器相關的參數(shù)，確認檢測器的反饋信號波形。

三、數(shù)控機床的故障診斷系統(tǒng)分析

數(shù)控機床是綜合應用微電子、計算機、自動控制、自動檢測、液壓傳動和精密機械等技術的最新成果而發(fā)展起來的新型機械加工設備。它的發(fā)展趨勢是工序集中、高速、高效、高精度以及使用方便、可靠性高。要達到這些要求，就需要對機床的維護保養(yǎng)、日常檢查、故障診斷等復雜、有效的工作。在生產(chǎn)過程中，數(shù)控機床頻繁地發(fā)生故障，必然影響產(chǎn)品的加工質量和生產(chǎn)效率，影響數(shù)控機床效益的發(fā)揮。因此，必須對出現(xiàn)的故障進行廣泛深入的研究，找出其原因和規(guī)律，不斷積累經(jīng)驗，采取有效措施，對故障進行預防、預測，建立一套排除故障的有效方法。數(shù)控機床的有些故障可以根據(jù)故障現(xiàn)象和機床電氣原理圖，查看PLC的相關輸入輸出狀態(tài)即可診斷故障。但這需要有關人員對于設備的電氣控制等比較熟悉，而且很多故障也不能完全根據(jù)順序控制程序加以診斷排除，這就對相關人員提出了比較高的要求，需要維修的相關人員具備多方面的故障診斷知識，做出合適的診斷故障，并采取相應的故障排除措施。通過利用數(shù)據(jù)庫技術和面向對象編程技術，將設備故障診斷和維修等知識系統(tǒng)的組織成知識庫，通過數(shù)據(jù)庫應用程序實現(xiàn)了故障的診斷查詢、故障樹分析、故障樹管理等功能，幫助維修人員不斷提高維修水平，豐富完善知識庫。

參考文獻

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作者簡介

王虞錦（1988-），男，福建福州人，福建理工學校機械專業(yè)教學部教師，主要從事機械原理、數(shù)控編程、數(shù)控機床維修等相關知識的教學研究。