机床数控系统范文

导语：如何才能写好一篇机床数控系统，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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为了提高电路板焊接质量和焊接效率，改善焊接工人劳动条件，实现小批量电路板的自动化焊接，研制开发了一种智能三坐标台式自动焊接机。该系统具有智能化程度高、精度高、焊接速度快等特点，能够完成电路板上元器件的自动焊接；主要由滚珠丝杠三坐标运动机构、自动送锡机构、控制系统和上位机软件组成；通过电机与丝杠的相互配合，上下位机的相互通信，使得焊接过程操作简便，焊接质量优良，满足了实际使用要求。

关键词：

三坐标；自动；焊接机床；数控系统

一直以来，各个电子制造厂焊接电路板时运用的大多都是传统的手工艺焊接的办法，也就是人工手持电烙铁来进行焊接的办法，这样对焊接工人技能需求就很高，且存在许多缺点。首先是速度慢，由于人太过于自由灵活，稍微受点影响就会导致焊接位置偏移，带来焊接误差，还非常容易出操作事端，发生较多的工伤事故。因而这种焊接办法也在逐渐地被企业淘汰，与此对应的自动化焊接技术优势凸显，逐渐时兴起来。

1系统总体实现过程

本系统是将三坐标移动精确定位思想灵活应用到电路板焊点定位上，被固定在轴上的焊枪可在空间中X、Y、Z三个方向自由移动，从而实现焊点的精确定位并依照命令执行焊接动作。X、Y、Z的具体坐标移动的位置也就是电路板的焊点位置，从AltiumDesigner软件导出至Excel表格中，再由上位机采集通过串口传送给下位机，单片机接收到定位坐标后给定细分器脉冲来控制电机驱动器，驱动步进电机转动一定的角度，步进电机带动丝杠上的滑块实现三坐标的运动，通过焊枪的二维运动和焊台的一维运动相互组合，定位至要焊接的焊点。焊枪由x、z方向的两个步进电机来驱动丝杠，待x、z平面内定位完毕，y方向的步进电机开始运动，将载有电路板的焊台运送到焊接位置，再由步进电机组成的送丝机构向高频加热器的线圈内送焊丝，焊丝通过加热融化再加上烙铁头与焊锡的接触来进一步加热，即可对所需加工零件进行焊接，焊接时，温度由非接触式温度传感器检测，保证工作过程中的温度要求，当温度过高或过低时便可进行手动调节，使整个系统的操作更加人性化。焊接完成后，x、y、z轴方向的步进电机反转，并回到起始位置待命。

2控制系统设计

控制系统利用上位机导入电路板焊点位置的坐标数据，上位机和下位机通过串口通信，主要完成焊点坐标的信号传输，下位机接到上位机的焊点坐标后发出程序指令，电机驱动器接到指令后开始控制步进电机转动，进而控制丝杠滑动平台移动、通过坐标与步进电机的步距角还有丝杠的螺距之间的关系，设定相应的算法，使得三坐标准确定位。控制系统主要由步进驱动器、主控芯片、液晶显示屏等组成。主控芯片选用的单片机是Freescale公司的16位单片机MC9S12XS128。为了使步进电机移动的精度更高，从而使丝杠的传动更加平稳，我们选择了最大可16细分的ZD-6560-V4高性能步进驱动器。

3机械结构设计

机械部分主要是以实现x、y、z三个方向上的运动为主，此外还有对送丝系统的设计。焊枪固定在z轴方向的丝杠滑块上，同时z轴丝杠又被固定在x轴丝杠滑块上，并能自由移动，这样就实现了焊枪的二维移动。带有工件的焊台则固定在y轴丝杠滑块上，可实现焊台的前后移动。此机械结构各部分的相互结合实现了三个坐标上的运动，焊枪可在工件上的任何一个位置进行焊接。

4下位机程序设计

单片机在接到上位机传来的坐标信号后，发出终端，这时各个步进电机开始按指令执行，x，y，z三轴开始运动，定位至焊接点，等准备就绪之后送丝机构开始往下输送焊锡丝，同时给焊锡和烙铁头加热，二者温度都达到要求之后便开始焊接电路板，某焊孔焊接完毕后，x，y，z三轴复位，等待下一次中断信号，继续焊接电路板上的其他焊孔。

5上位机设计

上位机采用C#可视化语言编写，上位机软件可与单片机进行串口通信，在上位机中输入控件输入焊点坐标位置，通过串口将数据发送给下位机，下位机接到信号后再处理并控制烙铁头的运动。

6结束语

该三坐标自动焊接机床的数控系统借鉴三坐标测量机的设计原理，为焊接机能够实现精确定位焊点提供了较强的理论性依据。焊接精度高，系统采用丝杠传动系统实现焊枪在空间X、Y、Z方向的移动，在最大程度上保证了丝杠的直线性和分辨率微小化，从而保证了加工的精确性，提高了焊接的精度。该系统整体结构稳定，外形美观，制造成本低，软件结构开放，编程操作和维修简单，应用前景较好。

作者：王楠 俞双懋 单位：山东科技大学机械电子工程学院

参考文献

[1]张国雄.三坐标测量机的发展趋势[J].中国机械工程，2000，Z1：231-235+9.

[2]荣烈润.三坐标测量机的现状和发展动向[J].机电一体化，2001，6：8-11.

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关键词：数控；控制器；系统；效率；质量

我国是一个机床生产和应用大国，但数控技术的应用水平还不高，严重制约着我国制造业水平的提高。国际上的相关开发计划对我国的数控技术的发展提出了严峻的挑战，同时也带来了机遇。只有选择合适的PLC才能使定位达到预期的效果。采用了PLC控制，使电气部分的抗干扰能力增加，提高了机床的运行可靠性，因而增加了设备的柔性，提高了设备的使用效率。

1 数控机床组成结构及工作过程

1.1 数控机床的组成

数控机床由输入、输出装置、数控装置、可编程控制器、伺服系统、检测反馈装置和机床本体等组成。如图1。

1.2 装置过程

输入设备是将不同的加工信息传输给计算机处理。由于数控机床发展早期阶段，输入设备是一个简单的穿孔纸带，目的是记录信息数据，现已淘汰。目前，使用键盘，硬盘等的使用，大大方便了信息的输入工作，也解决了存储带来的麻烦。输出指的是输出参数值的内部运作，一般在机器时，我们作为一个纪录的工作，将这些参数保存，等过了一段时间，然后只需输入参数并比较原始数据，可以确定是否正常运行。数控机床设备是机床本体的核心，核心时的数据处理全部完工后，可以运行命令指挥数据的工作。其功能是接收送来的脉冲信号的，通过系统软件或逻辑的过程中，执行各个部分进行规定的、有序的动作。主轴控制可编程控制器是通过命令处理控制转速，控制主轴正反转和停止，进给保持，切削液开关，卡盘夹紧松开等动作；还涉及了关于机床开关外部控制。测试反馈装置，主要是检测速度和位移，并将信息传递给数控设备，实现闭环控制的反馈，以确保数控加工精度。

1.3 合理的安排

数控加工的准备过程较复杂，内容多，含对零件的结构认识、工艺分析、工艺方案的制订、加工程序编制及使用方法等。首先要由编程人员或操作人员通过对零件图作深入分析，特别是工艺分析，确定合适的加工工艺，其中也包含了装夹方法的确定、工序划分、走刀路线及其切削用量的选择等。为了提高工作效率，进给保持不应该持续性的利用，应该合理性的利用机床。这项指标直接导致对机床利用率的评价。

2 机床数控系统需要解决的几个问题

机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。机床控制系统选件、装配、程序编制及操作都应该比较合理，精度和稳定性都必须满足使用要求。同时为便于调试和检修，各项操作均设手动功能，如手动各轴快慢移动、主轴高低速旋转、切削液及开关等。PLC按照逻辑条件进行顺序动作或按照时序动作，另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行联锁保护动作的控制，PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制的主要产品，在机床的电气控制中应用也比较普遍。

在实际控制中如何既能提高定位速度，同时又能保证定位精度是一项需要认真考虑并切实加以解决的问题。精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。因为在闭环控制系统中，对于检测元件本身的误差和被检测量的偏差是很难区分出来的，反馈检测元件的精度对系统的精度常常起着决定性的作用。高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。当现场条件发生变化时，系统的某些控制参数必须能作相应的修改，为满足生产的连续性，要求对控制系统可变参数的修改应在线进行。尽管使用编程器可以方便快速地改变原设定参数，但编程器一般不能交现场操作人员使用；所以，应考虑开发其他简便有效的方法实现PLC的可变控制参数的在线修改。另外为了防止电压过高损坏PLC，电源输入端加上压敏电阻。为了防止过热。

PLC不许安装在变压器等发热元件的正上方，变频器与PLC、伺服驱动器等保持一定距离。在元件间留有适当的空隙，以便散热，并且在配电箱上安装风扇降温。此外，为保证控制系统的安全与稳定运行，还应解决控制系统的安全保护问题，如系统的行程保护、故障元件的自动检测等。

3 机床定位伺服控制系统分析

3.1 浅谈数控机床

数控机床是一种高效率，高精度的自动化现代化设备，提高数控机床的可靠性，安全性已变得非常重要。可靠性评估主要指标之一是可靠性。机床功能部件对数控机床的性能和功能有拥有开拓的非常重要的作用。所以它与不同的零部件和配件，不仅要有结构的协调合作，一般使用，而且它具有最优越的性能，而且还可以证明机床的个性化功能。用于高速数控系统不能仅可以提高数据处理能力，而且应该有加速和减速控制功能，平稳控制等先进技术。因此，我们必须选择一个稳定，可靠的控制单元，以确保正常和有效的机床运行。

3.2 单步功能

单步动作为一种辅助工作方式常常在工作台的调整中使用。机床的机械允许界限和实际加工要求的选择决定于伺服系统最高速度，速度提高生产率也提高，但对驱动设施要求也就提高了。此外，从系统控制的角度来看，也有测试和反馈的问题，特别是在计算机控制系统里，我们必须考虑有足够的时间进行软件处理。在全闭环伺服控制系统，部件和位置检测元件选择的反馈是必不可少的。数控机床应具有稳定性，快速性和高精度。在大型数控机床中，机械传动的时刻拥有较大的惯性，固有低频率。全闭环包括了进给系统轴的不稳定因素，当不正确的调整，会使机器很容易出现抖动现象。因此，全闭环数控机床伺服系统的速度比在稳定的情况下半闭环伺服系统，定位精度高。伺服电机编码器将检测信号反馈到伺服驱动器，伺服电机的速度和输入脉冲频率信号成正比，但是电机编码器则是由脉冲数决定

4 相关程序设计与操作

PLC通过编程器输入程序，达到控制目的。由于PLC的工作过程是循环性的，因此会快速的执行程序。另外针对软件故障，必须在设计上采用直接导入程序，执行自动停止运行，这时机器会停止运作程序，有效地减少事故的发生。

5 小结

我国目前对数控技床的需求日益增加，国内市场的需求量很大，所以我国机床企业必须奋发图强，不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外技术的先进科学技术，以便早日赶上世界先进水平。

参考文献

[1] 戴 同.CAD/CAPP/CAM基本教程.机械工业出版社.1997.4

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关键词：数控机床控制；故障诊断系统；设计；实现；措施

引言

数控机床对于当前时代的发展具有重要的意义，特别是在时展速度不断提升的今天，对于我国经济发展的重要性也是在不断的提升。数控机床是一种典型的机电一体化的系统，并在实际的制造行业发展中发挥了重要的作用。但是，数控机床控制系统在当前的情况下还存在较多的问题，尤其是故障诊断的不及时，以及发生频率较高的故障问题，都是会对制造业的进一步发展产生较大的影响。因此，数控机床的控制系统设计，故障诊断系统的有效实施，对于数控机床运行效率的显著提升，对于当前经济的进一步发展都是具有重要的意义，需要在数控机床应用的过程中，不断进行故障诊断系统的设计与完善，才能保证数控机床控制系统实现原有的功能。

1数控机床发展的现状

（1）数控机床的内涵。所谓数控机床，主要是指在使用数控技术基础上的机床，更为简单的来说，就是在机床中安装了数控系统。根据国际信息处理联盟技术委员会对于其定义，主要是指机床中安装有程序控制系统，借助于这些系统的存在能够实现机床的绝大多数的功能。（2）数控机床的发展历程。数控机床的发展是在二十世纪四十年代中开始，当时的机械工程师已经是提出了在机械加工中应用数字控制技术的思想。具体应用的时间实在1970年左右，当时英特尔公司开发出了相应的微处理器，正式实现了在机械加工中应用数字控制的目的。不仅如此，在近半个世纪的发展中，数字化处理技术的不断完善，计算机的普及，以及机械加工行业的有序发展，都是促进了数字化控制在机械加工行业中的应用，不仅是提高了生产效率，还在一定程度上促进了社会经济的有效增长。当前，数控机床发展出现了两个趋势，一方面，是数控系统逐渐向着网络化的方向发展。随着计算机技术的普遍应用，对于各行各业都是产生了巨大的影响，特别是在数控系统开放程度不断提升的过程中，实现了数控系统的通用性和适应性的提升。同时，利用PC机还能够丰富数控系统的硬件资源，对于数控系统的柔性和扩展性的提升也是具有重要的意义。另一方面，是数控系统出现了智能化的发展趋势。当前的时代，是一个智能的时代，人工智能的出现，并且伴随着在计算机领域的渗透不断提升，对于数控系统的影响也是在不断地提升。在这样的背景下，数控系统已经是逐步引入了神经网络控制机理、自适应控制机理以及模糊系统的控制机理，实现了数控系统的自动编程，前馈控制以及自适应控制等，在工艺上也是实现工艺参数的自动生成以及三维刀具补偿等，这些技术的有效利用提升了机械加工的质量，还能够改善人机之间的关系，使之朝着人机互动更加友好的方向发展。值得注意的是，在智能化发展的过程中，私服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，还能够实现自动识别负载并进行参数优化的目的。（3）数控机床发展的现状。数控机床具有较高的生产能力，在制造业中发挥了巨大的功能，因此，数控机床一经面世，就是收到了较高的关注，获得了较大的市场。但是，在数控机床应用的过程中，还是存在着一些问题，这些数控机床中存在的故障，不仅是难以保证其生产进度和生产效率，还会在一定程度上造成社会经济的损失。对于数控机床中存在的故障，具体可以归纳为以下几类：首先，数控机床的驱动部件存在的问题。数控机床中的驱动部件主要是指伺服电动机，主要发生故障的驱动部件就是异步型交流伺服电动机。在这种伺服电动机中由于轴承、转子以及定子等各个部位的不同，发生故障的严重程度和影响程度也是会有所不同。在轴承中经常发生的故障是轴承的脱落或者是磨损，并且由于转子和定子之间的气隙存在的不均衡问题，不仅是会造成机床的振动超速，还会造成倒条和端环承受力分布的涣散。其次，数控机床支承部件存在的问题。在数控机床中的支承部件主要是指其轴承。轴承对于数控机床的正常运转具有重要的作用，在多数情况下是有内外圈、保护架以及滚动体等部分组成的。在数控机床支承部件中最为重要的轴承是滚动轴承，该轴承有着弹簧性和非弹簧性两种性质，并且在使用的过程中能够实现各个部件之间的振动。由于非线性弹簧性质的存在，极为容易造成滚动轴承的磨损，一旦出现磨损甚至会威胁到整个设备的正常使用。最后，数控机床传动设备存在的问题。数控机床的传动设备只要是指机床导轨、工作台以及溜板和滑座，在这些部件中机床导轨的对于整个产生的意义最为重大，几乎是影响到了数控机床加工的精密程度以及机床的使用寿命。因此，机床导轨与数控机床之间的关系最为紧密。在传动设备中最常见的问题就是在于导轨表面出现变形的问题，这种变形会使得整个导轨表面的摩擦阻力发生变化，会在机床运行的过程中影响到问题，以及受力面积不均衡问题。

2对数控机床故障诊断系统的设计

在数控机床中可能出现的问题不仅是会影响到数控机床的实际生产，还会对企业以及社会的产生不利的影响。因此，针对于在数控机床中存在的问题，应该设计出相应的数控机床故障诊断系统，尽可能保证在最高效的时间内解决问题。（1）设计出数控机床自我诊断功能。目前，数控机床对于我国的制造业的发展具有重要的意义，因此，在实际的应用中的范围较大，应用数量也是相对较多，需要在数控机床研发的过程中，借助于先进的检测设备，尤其是精密水平仪、精密方箱以及测微仪等，实现直接对于故障源的测量，并且结合人工智能检测的方法，对在电气系统中存在的问题进行诊断和解决。不仅是如此，一旦发生多台机床同时运作的过程中出现问题，就需要进行信号处理和逻辑推断的方式，才能实现故障的诊断和解决。在对多台数控机床进行问题诊断的过程中可以采用信号分析的方法，这种方法能够更为精确的判断机床的振动以及温度变化的情况，精确的找到故障源。信号分析方法主要是有两种，一种是时域分析法，另外一种是频域分析法，前者主要是在分析的过程中使用原有确定的数学模型，并针对数控机床在实际操作中的信号的波形在时间变化中的规律，应用典型数据抽样的方式进行相关的分析和计算。其实质是借助于数学函数计算信号的峰值与标准偏差。相对于前者来说，频域分析法是一种以非正弦周转性电路为基础，并且能够实现子啊动态数据分析的基础上，对信号进行更为深层次的分析和处理。（2）数控机床控制诊断系统的设计。在诊断数控机床诊断的基础上，应该设计出相应的数控机床解决系统，才能保证尽可能降低问题产生的后续影响。一方面，应该建立起相应的硬件控制系统。建立这样一个系统的主要目的是，能够在这个系统平台中实现为用户搭建电路的目的不仅是如此，还能够实现各个相关的硬件仪器之间的有效连接。当收集到一定得数控机床操作数据之后，还需要将相应的图像输送到数据库中，在传递的过程中要保证传递的信息具有较高的真实性和准确性。为了达到这个目的，需要选择一些精度较高，分辨率高的数据采集卡，并且配置高质量的数据电线电缆，只有只有这样才能保证传输信号的质量较高。另一方面，制定出数控机床控制的网络化结构。在现在社会中，由于计算机的普遍使用，各行各业之间的联系愈加紧密，已经是形成了网络化的社会结构。这种结构的形成在数控机床控制中也是具有重要的作用，需要在诊断数控机床问题的过程中，实现与网络技术，通信技术等进行联系，保证在前端诊断出相应问题的基础上，在后台控制中能够尽可能实时的解决问题。这就需要将互联网设备与数控机床有机的连接起来，在系统分析问题的基础上，有维修工程师实时的对问题进行计算，制定出最佳的或者是最优的解决方案，实现数控机床问题的快速解决。

3结论

数控机床是一种典型的机电一体化的系统，数控机床故障诊断系统的设计与实现，对于提升数控机床生产的效率具有重要的意义。不仅如此，数控机床故障的及时诊断，不仅是可以降低问题带来的损失，还可以借助于前馈诊断技术，消灭一些尚未出现的问题，进一步提升其生产效率。在当前时展的过程中，由于市场以及消费者对于机械加工提出了更多新的要求，对于机械加工产品的质量要求也是在不断地提升，在这样的情况下，需要对于数控机床的控制系统和诊断系统进行深入的研究，并且借助于现代化的技术手段，实现有效提升数控机床的运行效率，改善数控机床中存在的问题。

参考文献：

[1]杜娟,阎献国,韩建华,兰国生.基于混合神经网络的数控机床故障诊断技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011(12).

[2]韦清等.数控加工过程质量控制的关键环节研究[J].现代制造工程,2014(06):58-63.

[3]杜国臣,王士军.机床数控技术[M].背景：北京大学出版社,2006.

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关键词：数控技术 故障分析与维修

中图分类号：TG695 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2012）09-0197-01

1、数控机床电气系统具备的基本特性

1.1 比较高的可靠性

数控机床的运行时间都比较长，生产任务大，这就要求数控机床要有稳定的可靠性。所以，现在很多高可靠性，容错，冗余技术都被嵌入了数控电气系统的设计之中。机床上面的电气零部件都是选用符合国家标准的技术过硬的零件。

1.2 系统的维护要具有系统性

系统电气元件中有部分元件是容易损坏的元件，这些元件在设计时要利于更换，并且这些元件的工作环境要相对简单，动作可靠，稳定，不会出现错误的动作等。

1.3 要与时俱进

在电气系统稳定，可靠的基础上，技术还要有先进性性，在元器件发展过程中，要采用比较新型的电子元器件，比较选用技术先进的，稳定使用的电子元器件。

1.4 要有较舒适的人家交换操作模式

数控机床的电气系统在设计的时候要符合人体力学的原理，比如说，控制面板的高度要符合人的平均高度，并且在操作的时候要能够使操作者操作方便，舒服，并且操作平台要放在显眼的位置。比如说急停开关，这个元件必须放在比较明显的位置，让操作者方便使用。

1.5 要具有比较好的稳定性

数控机床工作环境在不同的企业都不尽相同，这就需要数控机床能够工作在比较宽的环境下。首先最重要的就是电压的波动问题，第二是目前电网中的噪声干扰的问题，这就需要电气系统要有一定的抗干扰能力，但是还不能影响外部系统的稳定，不能相互干扰。

1.6 要有比较好的控制特性

机床中所有的伺服电机必须要具有较高的平稳，快速，无电压波动，温度异常升高等现象发生。

1.7 电气系统的安全性要有保证

电器装置的绝缘装置要保证完整性，电气系统在发生问题时要有一个互锁功能，要有比较可靠的接地，防护装置要完善，同时操作人员的安全性要得到保证，这些电气部件的防护罩要具有防尘，防油污，防水的功能，移动比较频繁的的电缆线要有拖链防护或者是安装保护套，防止缆线折断或短路而造成漏电故障，特别是在温度和湿度较高的季节，要有防触电，强迫风冷，防碰伤的保护设施。

1.8 状态显示要及时显示

对于电气系统的故障，要有及时的屏幕显示，同时指示灯指示要能准确反映各项安全操作指示。

2、数控机床电气系统的基本故障特点

（1）电缆线的长期磨损造成断线或者短路，有的时候橡胶电线粘化，膨胀，直接导致绝缘系统故障导致短路。（2）电气系统在受到外界影响造成故障，如电柜温度升高过快，环境温度比较高致使有些电器元件发生损坏。（3）故障原因明了，诊断方便是电气系统故障的维修特点，但是出问题的概率比较高。（4）异步电动机进水导致冷却泵、排屑器、电动刀架等的损坏，轴承超负荷运行造成电机故障。（5）数控机床电气系统的故障可分为以下几类：1）从发生的部位分为硬件故障和软件故障；2）从故障出现的偶尔性可以分为系统性故障和随机性故障；3）从故障有无指示可以分为有诊断指示故障和无诊断指示故障；4）从故障出现时有无破坏可以分为破坏性故障和非破坏性故障。

3、掌握和分析数控系统电气故障

数控机床电气系统故障出现后，我们可以从调查、分析与诊断这三个步骤出发，对故障展开排查，找出故障的原因，具体表现为：（1）询问检测，当故障发生后，现场要先保持，同时查看故障出现时的指示情况，观察故障现象及故障产生的外部因素有哪些。（2）当检查者到达现场之后，首先需要要求当事人叙述当时的情况，通过当事人的描述，可以提高判断故障的准确性。（3）故障分析，从现场已知的故障展开分析，根据个人的经验分析故障肯可能产生的原因，最终获得故障相关信息。（4）故障分析完后需确定原因，必须通过诊断维护书籍和个人经验来判断故障发生的点和如何排除故障的方法。（5）排除故障，有些故障可能是一个很小原因导致的，有些故障则往往较复杂，需要在排除故障之前做一系列的准备工作。

4、典型机床电气系统故障分析。

4.1 数控机床电动四方刀架换刀故障分析

典型的CK6140数控车床，出现以下故障现象：当使用手动和自动换刀功能时刀架出现不换刀现象，数控系统显示报警信息“换刀时间过长”。此时应该先检查时间参数没有被修改，此时的控制状态是否正确，检查电气柜中的继电器是否处于正常工作状态，发现继电器的触点没有工作，由此可以判断是继电器元件损坏，经过检查发现是继电器保险丝烧坏，经过仪器检测，发现电动机的两相续间电阻很小，最后发现接线盒上有很多铁屑，故障问题就出现在这里，而避免此问题的主要方法就是操作工清扫机床时要将机床的各个角落打扫干净。

4.2 无法回参考点故障的原因和分析

数控机床名称XK8140数控铣床，故障现象：X轴回参考点失败。通过系统进入I/O诊断页面，按动X轴轴向开关，轴没有任何动作，初步判断有可能是X轴限位开关发生了故障，此时可以选择将行程限位开关打开，通过目测可以发现里面有少量液体，造成开关短路，此时可以通过更换行程限位开关来解决这个故障，但是同时还要解决好液体停留在里面的原因，此时发现传输切削液的塑料管发生了破裂，那么只有将这个破裂的塑料管修复好就可以解决故障了。

数控机床的电气系统故障，主要是由于这些硬件触点和开关发生了故障而导致的报警等问题的出现，其实我们在平时的养护过程中只要多注意对这些触点的保养和定期的检测更换，就可以避免这些问题的出现。

参考文献

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关键词：数控机床；CNC PLC

1.前言

数控机床主要由程序介质、数控装置、伺服系统和机床主体四部分组成。随着电力电子技术的发展使得微处理器等硬件性能有了较大的飞跃，使得数控机床在通用性、柔性、适应性和扩展性上有了较大的提升，随着计算机软件的发展，推动了数控机床向智能化和网络化的发展。

2.Fanuc 机床控制系统的设计

2.1机床整体设计

双工位立式加工中心系统主要由机床主体、数控系统、电器防护装置、气动装置、液压装置和辅助装置等几部分组成。

通过控系统控制机床主体。采用伺服电机通过高精度的滚珠丝杠来实现对X、Y、Z轴的驱动；通过减速机构来驱动A、B轴；通过减速机构来驱动ATC刀库的旋转；

采用主轴电机通过V形带来驱动主轴旋转；采用液压装置和电磁阀来控制APC设备。采用液压装置和气动装置来实现对夹具装置的控制。

2.2 机床电气控制系统的要求

机床电气控制系统作为机床的重要组成部直接影响机床的加工精度和效率。通常对电气控制系统要求如下：

（1）可以通过按钮对机床各各部件进行单独的控制，以便于调整和对故障的恢复

（2）通过单独控制进给轴来实现手轮模式、快速移动模式和回零模式。

（3）通过在输入介质上输入程序来实现程序编辑模式和远程控制模式，进而控制机床的运动。

（4）根据实际工件设置循环启动模式来实现机床周期性循环动作完成自动上料加工，直到系统收到停止信号。

2.3机床控制系统设计

控制系统应采用控制方式简单、开放程度高、成本低的控制技术以实现项目成本低、易用性和可靠性高的要求。

为保证工作台的定位精度，在驱动电机上应用高精度的编码器作为反馈器件，实现了半闭环控制。

Fanuc 0i-MD具有良好的人机交互界面，以达到易用性和直观性；同时配用Fanuc α系列主轴伺服驱动系统及相应的伺服放大器以实现精度1μm超高精度并且有效保证了设备加工的稳定性、快速性和准确性，同时兼顾了经济性和可移植的特性。

双工位立式加工中心控制系统的硬件配置如图2.1控制系统示意图所示。采用了集成可编程机器控制器（PMC）和运动控制的一体式结构的计算机控制系统（CNC）。

图2.1控制系统示意图

Fanuc 0i-MD系统在液晶显示器背面集成了一体化的控制单元，使系统结构紧凑，便于安装。

PMC模块的作用是依据控制软件，协调机床运动部件的动作过程。如在主轴位置控制过程中，PMC模块程序指令向主轴伺服定位单元发出信号，信号经过定位单元、信号放大器和伺服电机来实现精确的位置控制。

计算机控制系统（CNC）通过高速串行伺服总线（FSSB）与主轴伺服放大器通信，进而实现控制主轴伺服电机的运行的目的。

计算机控制系统通过集成的伺服轴卡与各进给轴、旋转轴的伺服放大器通信，实现了对各进给轴、旋转轴伺服电机的控制。提高了大控制的效率和可靠性，高度集成化减少了机床内部排线降低了故障率。

Fanuc I/O Link通常用来可将机床部的输入输出和刀库电机伺服放大器等器件与CNC连接起来；借助以太网功能，可与PC进行数据交换、远程监控诊断。

Fanuc 0i-MD系统采用中断型结构模式，共有10级中断优先级，其中0级为最低优先级，9级为最高优先级，2、3级为软件中断外，其余为硬件中断。

Fanuc 0i系统依据如下顺序运行：输入零件加工程序、通用译码、大数据处理、进给速度控制、插补运算、伺服输出。Fanuc 0i系统采用软件粗插补和硬件精插补的方法，节约CPU运算时间。提高运动部件的线速度，达到提高加工效率的目的。

3.机床电气控制设计

3.1 强电电路结构

图3.1 强电电路结构图

机床总电源通过变压稳压器提供，通过电源开关NFB1进入机床主电柜后分成数路：

（1）通过溶断开关NFB3给油压电磁阀回路供电并受空气开关CB3控制；给油冷机电气回路供电并受空气开关CB3控制；给交流电机电气回路控制并受空气开关CB4控制；给直流电源模块P1和P2供电，并分别受空气开关CB5和CB6控制；

（2）直接给风扇供电并受空气开关CB2控制；

（3）通过主接触器MC0和相匹配的交流适配器给主伺服放大器电源模块和β伺服模块供电，并通过 CX3开关给主接触器MC0线圈供电。

3.2 强电控制电路

机床电气的控制三个部分如下：

（1）操作箱上部为CNC本体和液晶显示器，下部为带有按钮、开关和指示灯的操作面板；

（2）电气柜内部的伺服放大器电路、以及β伺服模块、I/O模块、变频器、空气开关、继电器、接触器、直流电源模块、端子台等；

（3）设置在床身上的电机、电磁阀、行程开关、传感器和照明电路。

除以上强电电路和强电控制电路外还设有交流电机控制电路。PMC信号通过接触器或继电器控制交流电的通断，经过热保护或电涌吸收器保护电路，进而控制电机的运转。

4.结论

对机床控制系统整体进行设计，采用Fanuc 0i-MD控制系统，设计了强电电路强电控制电路和交流电机控制电路，实现了对机床的控制。

篇6

Abstract： The NC machine tool using ratio is defined in this paper. The importance of machine using ratio in equipment management should not be disregarded. A distributed data acquisition system which is made up of PLC， HMI and host computer is well researched. The system is proved out by a test unit and it can totally meets the requirements.

关键词： 数控机床；利用率；采集系统

Key words： NC machine tool；using ratio；data acquisition system

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）11-0081-02

0 引言

近几年科研生产任务量逐年增加，然而设备和人员却不可能无限制的增加。如何提高现有机床设备的利用率来提高产量并且满足精益生产的要求，已成为一个棘手的问题。对所有机床利用率进行分析，寻找影响机床使用效率的原因并采取针对性措施是解决这一问题的重要方法。但是机床利用率的统计工作目前只能通过粗略的人工统计方式进行，实时性、准确性均难以满足要求。

随着网络技术、信息技术和大数据技术在商业及工业领域的大量使用，这些技术的应用效果越来越显著，对提高销量或产量有着极大的推动作用。因此应当将这些技术应用到数控加工生产中去，建立起一套基于MDC（生产数据采集）技术的数字化、网络化的加工中心运行监控管理系统来辅助管理和决策部门合理安排生产，最终实现生产效率提升。鉴于目前市场上仍然缺乏此类成熟产品，而且难以给出适应西安飞行自动控制研究所实际情况的解决方案来，因此本文主要以机床运行时间采集系统作为研究对象，对相关技术进行应用试验和验证，尝试开发适合所内现状的数控机床运行时间采集管理系统。

1 数控加工中心运行时间自动采集方法

机床利用率数据是由机床运行时长与开机时长的比值确定，比值越小就说明机床真正用于加工的时间越短。开机时长是指机床通电后的持续时间长度，反映出机床是否可用。包含了准备时间、等待时间、运行时间等。运行时长为机床实际加工所用时间长度，可等效为执行自动程序所用时间。

针对这两个时间的自动采集方法主要有两种，一种是通过与加工中心数控系统通信的方式直接采集，另一种是通过外部仪器设备捕捉机床运行时产生的特征信息间接采集。

直接采集需要通过数控系统提供的通信端口并结合相应的软件或硬件才能实现。由于数控系统一般都不是开放的，通信协议也不同，想要通过一个平台直接访问多个品牌的数控系统内的变量是很困难的。据调研，国内很少有成熟的解决方案。国外也非常少，盖勒普公司有一套完整的MDC系统解决方案，但是价格高昂，并且不一定能满足我所实际需求。与数控系统通信会带来信息泄露和数控系统被恶意破坏的安全风险，另外，由于直接采集要使用数控系统通信端口，使用中有可能会因为雷、电网波动等原因烧坏通信端口甚至是数控系统（已有此类故障发生）。其次，直接采集方式对于没有数控系统或类似控制器的普通机床、特种设备和其它科研生产设备都无法应用，使用范围有限。因此本文不倾向于直接采集方式。

间接采集可以不受数控系统软件和硬件的限制，不会对机床及控制系统产生任何影响。通过附加的装置采集能够反映机床运行状态的信号，这些装置又可以连接成网络，并由上位机统一记录数据和监控管理。该方法的优势在于成本低，容易实现，通用性、扩展性强。国内已经有多个企业在尝试用该方法研发设备运行时间采集系统。据悉，有公司通过采集机床加工时的负载电流这一特征信号实现对机床运行时间的采集。因此本文最终选择间接采集方式。

要实现间接采集，最关键的一点就是找到能够反映机床运行状态的特征信号，这个信号能够在机床开始加工零件的时候出现，还能在加工完毕时消失。总结日常维修改造的经验，本文认为采用机床加工负载电流作为机床运行特征信号存在较多缺陷，比如每台机床的电流阀值都不相同，需要逐台进行标定；模拟量采集有误差；存在较多干扰因素等。

为了寻找并确定合适的特征信号，本文选取了所内30余台典型的数控加工中心作为研究对象（见表1）。经过逐台对比分析，发现机床内部的直流电源的输出端或者通电时间计时器可以反映出机床是否通电，而机床自带的自动程序运行时间计时器或者指示自动程序正在运行的指示灯可以反映出机床是否处在运行状态，以这些开关量信号作为特征信号，不需要模数转换，因此更易实现且可靠性高。

2 数控加工中心运行时间采集系统组成及实现

本次研究采用目前较为成熟的技术和产品来构建该采集系统。由图1可见，采用西门子S7-200型PLC采集机床运行特征信号，再由人机界面显示、记录该信号并传送至上位机。人机界面可以查询对应机床一个月内的通电和运行记录，还可进行操作人员登陆和注销操作。通过上位机可以浏览所有接入系统的机床的开机时长、运行时长和其他状态信息。人机界面和上位机中运行界面均使用昆仑通态的MCGS组态软件进行开发。

该采集系y在工作状态下能够自动判断和记录机床状态的变化情况，无需人工干预。信号通过硬接线方式从机床电气柜中适当的节点取出，接入PLC输入端口，必要时可使用继电器进行隔离转换。当机床通电后，PLC就能捕捉到相应的信号并反馈给人机界面，人机界面会记录通电的时间并以此为起点开始累计通电时长。当机床开始执行自动程序时，PLC又会捕捉到相应信号并反馈给人机界面，人机界面以自动程序启动时间为起点开始计时，直到该程序执行完毕。当执行完下一个自动程序后，执行该程序所用的时间会累加计入当日的机床运行时长当中。

3 试验验证

3.1 制作信号采集箱 为了安全可靠地完成现场信号采集和记录，将PLC和人机界面及相关装置集成在一个采集箱中。对PLC和人机界面进行编程和相应设置，使其具备自动采集和记录的功能。

3.2 单机采集试验 选择一台DMU 60P镗铣加工中心作为试验对象，将采集箱布置在合适位置（见图3）。查阅该机床电路图，找到合适的电气节点，用电缆将特征信号采集节点接入采集箱中。接通采集箱内PLC和人机界面的电源，验证采集箱能否正确采集和记录机床状态变化。采集箱接通电源后就自动进入工作状态。

开机时长的记录。开机时长每日统计一次，最大值1440分钟。当机床通电时，试验箱捕捉到了上电信号，人机界面上显示机床上电的指示灯点亮，并以此时刻作为起点开始计时。当机床断电时，指示灯熄灭，计时结束，这段时间就作为当日的开机时长被记录下来。

运行时长的记录。运行时长也是按日统计，该时间不大于开机时长。当机床操作者按下“NC Start”按钮开始执行自动程序时，采集箱捕捉到程序启动信号，人机界面上点亮相对应的指示灯，并从此刻开始计时。当该段程序执行完毕，机床停止时，计时也自动停止，机床刚才运行的这段时长被自动记录下来。同样，机床执行其它程序所消耗的时间也被记录下来，并与之前的计时进行累加。

每日结束时，系统将当日的开机时长和运行时长进行统计并将结果存入数据库，方便日后查询。经过一个月的采集，可以在人机界面中查看到该机床运行时长的所有记录。从记录的结果来看，记录的数据与机床实际运行情况是完全相符的。

3.3 联网试验 用一个采集箱、一台人机界面（模拟一个采集箱）和一台计算机组成一个采集系统，进行编程和设置后进行联网测试，验证上位机的监视和控制功能。从图4可以看出上位机接收并显示了设备1和设备2的运行状态信息，具备了远程集中监控管理功能。

4 研究结论

经过前期调研和多项试验验证，证明了通过采集能够反映机床运行状态的开关量特征信号，可以实现对机床是否运行进行判断。以此方法建立的数控加工中心运行时间采集系统能够实现机床运行时间的采集和记录，并且可以进行联网和集中监控。优势：投入成本低，容易实现；每台机床都是一个独立子系统，可以按需配置、灵活调整，不受机床自身软硬件条件限制；PLC和人机界面功能丰富，可以扩展多种监视和控制功能，还能够扩展应用到普通机床和其它科研生产设备中；通过以太网可实现大规模集中监控。不足：采集精度仍需提高。自动程序运行中包含了换刀、测量和其他非加工时间，目前采集到的时间仍然不能完全反映纯粹的加工时间，因此还需要作进一步研究；对于没有计时器或运行指示灯的机床不适用，还要寻找新的解决办法。总之，经过后期的改进完善，该采集系统即可投入使用。如果全面应用，将成为生产管理部门和决策层的重要管理工具。

参考文献：

[1]李斌，李培根.数控技术和装备发展趋势及对策[J].机电产品开发与创新，2002（05）.

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关键词：PLC；冷却；；照明

PLC（programmable logic controller），通常用于设备的自动控制，其工作原理是循环扫描工作方式，工作过程大致分为 3 个阶段：输入采样、程序执行、输出刷新。PLC用于数控机床，主要是用于机床的辅助电气控制，叫可编程序机床控制器，也可称之为PMC（programmable machine tool controller）。在数控机床的电气控制系统内PLC模块主要用于实现机床辅助设备的控制，包括冷却系统、系统、照明系统、换刀系统、自动对刀等。本文将着重讲述PLC在冷却、系统和照明系统的设计。

1.PLC发展历程

它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字量、模拟量的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。在可预见的将来，PLC在工业自动化控制特别是顺序控制中将占据主导地位。

2.PLC 的总体外部接线设计

本系统的辅助电气控制系统的系统有两个输入，两个报警输出；冷却系统也有两个输入，两个报警输出；照明和信号灯系统有一个输入，四个输出。

3.与冷却控制系统设计

机床和冷却系统的较好设计，是非常重要的。对于各种机械设施的保养、维修、使用都有着十分重要的作用。但是在与冷却系统的电气控制方面，依然存在一些问题：一是和冷却系统的工作状态监控，这方面也是很重要的；二是设置的与冷却的循环和补给容易造成浪费，所以我们要较好地设计，这样才能达到节约资源，不浪费的目的，一方面为自己的企业，另一方面也为了国家的能源。

与冷却系统的电气控制原理分为两部分：电机控制和 PLC 控制。

当系统准备好之后，计算机数字控制（CNC）系统发出信号，使得系统开始工作，首次15s后，电机停止工作。

当压力开关接通时，开始计时 25min，计时完成后，压力开关断开，冷却电机在此工作15s，并循环工作。同时设定X7 为电机过载，X10为冷却电机过载，X9为油不足，X11 为冷却液不足开关信号。当这些信号有效时则系统会发出报警信号。

工作过程可以这样描述：首先通过两个相互作用的时间继电器T，实现冷却的工作时的间隙工作；再使用PLC 准备好信号，使特殊继电器 M8001为1，开始首次冷却；首次冷却结束后，当压力开关闭合时，中间继电器 M1开始工作，使得系统再次工作；15s后使得时间继电器T2为1，当压力开关断开时，中间继电器T3为1，M1停止工作，延时25min后，再次运转。由此完成系统的周期动作。然后再通过X7，X8，X10，X11实现冷却系统的报警和手动控制。

4.照明与信号灯系统设计

数控机床要求照明系统在开机的时候立即打开，并且在控制柜里面的照明系统是在打开控制柜的时候开启，关上电柜箱门的时候关闭。而信号指示灯主要是开机时亮黄灯（表示系统准备好），系统紧急停止，或者报警的时候亮红灯，而系统正常运行的时候是亮绿灯。

5.总结

数控机床是现在制造工业的核心母机，数控系统又是数控机床的核心，而数控机床的电气控制系统是数控系统可靠性能的保障，可以说数控机床电气控制系统的优劣，决定了控制系统的性能。机床电气控制系统包括机床供配电系统、主轴控制系统、进给轴控制系统及其他的辅助设备控制系统。机床辅助设备的控制，包括冷却系统、系统、照明系统、换刀系统、自动对刀等。另外，机床在工作过程中无可避免地都会发生磨损，为提高机床的加工精度，延长机床的使用寿命，机床和冷却系统的设计，调试和保养至关重要。本文着重讲述了 PLC在冷却、系统和照明系统的设计。

参考文献：

[1]谢 宇，皮佑国，梁佑彬.永磁同步伺服电机监测与调试系统研究[J]计算技术与自动化，2009（03）：36―40.

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关键词：数控机床；PLC；应用

1 概述

数控机床在机械制造产业中起到了关键作用，通过数控机床的合理化应用，使机械零件的生产效率和质量得以保障，从而使整个生产的流程能顺畅的进行，提高生产企业的经济效益。在传统的控制系统应用中，在某些方面还存在着不足，现将PLC技术应用于数控机床控制系统中，提高了机床的整体生产效率。

2 PLC特征体现及应用流程分析

2.1 PLC特征体现分析

PLC是可编程控制器的简称，它采用可以编制程序的存储器，可用来在执行逻辑运算和顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的设备，通过输入输出接口电路，控制各种类型的机械设备或生产过程。其特点是体积小、重量轻[1]、抗干扰能力强。这些特征使得PLC在机械设备中易于装配，能有效地实现机电一体化。

随着PLC控制技术的不断普及，能够将其在多样化电气控制场合当中加以应用，在当前的可编辑控制器的应用上，其自身的数据运算能力愈来愈强，并在整个数字控制的领域当中都能得以有效应用，发展至今已经在位置和温度控制等多个领域得到广泛应用。

另外，PLC技术在实际的应用中，有着比较强的抗干扰能力。这一技术的应用主要是通过大规模集成电路技术，通过抗干扰处理技术的应用使得其工作可靠性较强。同时这一技术在硬件故障的自动检测功能上也比较突出，PLC检测到故障之后就能够发出警报，这样就使得控制系统的效率水平得到了有效提升。

除此之外，PLC技术在实际的应用中，其维护以及改造都相对比较方便，只需要简单地调整程序设计，就能实现生产工艺的改变。在这些优势的作用下就使得这一技术的应用愈来愈普遍化。

2.2 PLC的应用流程分析

在PLC技术的实际应用过程中，按照相应的工艺流程编写控制程序，使控制系统发挥积极的作用。对控制系统的分析，既要对被控对象的相关要求得以有效满足，还要加强对工作现场的理论研究等，才能制定有效的控制方案。在PLC技术的具体应用中，首先进行现场信息的输入，这就要求能在系统软件的控制作用基础上，依照着相应的顺序对输入点实施扫描，对其输入点状态进行读取[2]。然后就是执行程序，对输入点的状态进行逻辑运算。最后将逻辑运算结果送到输出端进行输出控制。通过PLC循环扫描的工作特性，能确保设备高效运行。

3 PLC在数控机床控制系统的应用及发展趋势

3.1 PLC在数控机床控制系统的应用

将PLC在数控机床控制系统当中加以应用，就要注重几个方面的问题。首先要对数控机床控制系统有充分的了解。数控机床主要是通过机械和电气部分所构成，所以在进行PLC技术应用的时候，要对这些层面加以详细考虑，使得PLC控制能按照逻辑条件实施顺序动作[3]。由于数控机床是高效率、高精度的机械控制设备，故此，在对PLC技术的应用最为重要的目标就是其稳定性要能得以保障。

在具体的应用过程中PLC是控制系统的核心，在其硬件方面主要是通过分布式结构所构成。在系统控制中通过人机界面对程序参数加以修改或设定等。将PLC和数控机床进行连接过程中，可通过外电路连接的方法，在数控机床控制系统I/O口发出控制指令，这样就使得PLC输入端无触点开关通断，从而就能实现强电控制逻辑。在对相关的程序进行设计操作过程中，PLC通过编程器来输入相应的程序，这样就能有效实现控制目的，这一控制系统的工作由于是循环性的，在对程序的执行效率上也比较强。还有是在软件故障检测的设计过程中，主要是在硬件设计的基础上采取软件检测外部形成的开关状态，在行程开关失效之后也能在相应的程序下执行对机床的运行起到控制作用。

PLC的梯形图编程法在数控系统中的应用比较突出，主要体现在检测功能以及显示功能上。梯形图编程法能够对数控机床的工作情况、坐标位置和机床的参数等信息加以传递[4]。也能把数控机床的接口电路状态以及内部继电器的工作状态等直观地显示出来，并能根据梯形图对控制逻辑设施故障进行分析，极大地提高了控制系统的运行及维护效率。

PLC技术能够和数控系统和数控机床间进行信息的交换。数控机床可编程控制器在数控机床间的信息交换主要是在编程控制器PLC以及CNC之间实现的信息交换，在这一过程中就分成几个方面：从机床到PLC的信息交换，主要是将机床侧的I/O接口单元的信号传递给PLC，通过PLC的逻辑运算功能实现机床的运动控制；从机床到机床间的信息交换，通过现场总线的数据传输方式，实现机床间的数据共享并形成多机床联合加工。

3.2 PLC在数控机床控制系统的应用发展趋势

我国是机械制造大国，在对数控机床的应用规模上也比较大，只有充分的注重数控机床的控制系统优化，对新技术的应用进行加强，就能保障整体的生产效率水平的提升。从目前我国对数控技术的应用情况来看，在诸多方面还需要进一步加强，在对PLC的技术应用方面，要注重对其选择的科学性，这样才能起到积极的作用，才能在高精度的控制上得以保障，对自动化生产水平才能有效的提升。

进入到新的发展时代，PLC技术在数控机床控制系统的应用将会得到进一步的提升。随着PLC技术的不断发展，对多任务功能、互联网+、小型化、模块化、功能化提出了更新的要求。PLC技术在高速处理能力会进一步的加强，对集成化的软件应用将得到大力的发展，信息技术在可编程序控制器中的应用会愈来愈强，一些微型的可编程序控制器将会在未来的发展中占据主导地位。

4 结束语

总而言之，对于当前我国的数控机床控制系统的现状，要能从多方面加以重视，将PLC技术应用在数控机床控制系统中，能将整体的控制效率和控制质量有效提高。数字技术在机械制造领域的应用比较广泛，而PLC技术的应用使得其应用空间有了进一步的提升，只有充分注重对新技术的科学应用，才能对社会发展起到积极促进作用，才能将其生产效率以及竞争力得到有效提升。

参考文献

[1]吴钢琴.PLC逻辑层用于数控机床自动化控制[J].山东工业技术，2016（11）.

[2]饶伟.小议PLC与单片机之间的串行通信及应用[J].电子制作，2016（10）.

[3]冷长城.PLC控制系统在油田生产中的应用探析[J].智能城市，

2016（5）.

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Abstract: NC machine is typical mechatronics product. Its fault types and causes are many. Especially the fault of feed servo system accounts for a large proportion. The article analyzed the typical fault of feed servo system, and summarized the causes and proposed resolutions.

关键词：伺服系统；闭环；反馈

Key words: servo systems；closed loop；feedback

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2011）25-0036-01

0 引言

近年来，随着我国制造业规模的不断扩大，数控机床应用越来越广，而机床故障诊断与排除工作也日益成为从业人员的主要工作内容之一。数控机床是典型的机、电、液、光、计算机一体化的产品，故障种类和出现故障的原因复杂多变，其中又以进给伺服系统的故障相对较多。故本文以典型的进给伺服系统故障为例，总结、分析引起伺服系统故障的原因，并提出解决的思路和办法。

1 数控机床进给伺服系统的工作原理

数控机床所采用进给伺服系统按控制系统的结构可以分为开环控制、闭环控制、半闭环控制、以及混合控制。控制原理框图如下。

从原理上说，数控机床的伺服系统应包括从位置指令脉冲给定到实际位置输出的全部环节，即包括位置控制、速度控制、驱动电机、检测元件、机械传动部件等部分。但在很多系统中，为了制造方便，通常将伺服系统的位置控制部分与CNC装置制成一体，所以，人们平时习惯上所说的机床伺服进给系统，一般是指伺服进给系统的速度控制单元、伺服电动机、检测元器件部分，而不包括位置控制部分。

按照伺服进给系统使用的伺服电动机的类型，半闭环、闭环数控机床常用的伺服进给系统可以分为起直流伺服驱动和交流伺服驱动两大类。20世纪70年代至80年代的数控机床一般采用直流伺驱动；从90年代初期起，半闭环、闭环的数控机床上多采用交流伺服驱动。

2 进给伺服系统典型的故障现象及诊断

数控机床进给伺服系统包含的环节多，是数控机床故障发生率较高的部分，但总结起来，常见的进给伺服故障有以下几种：

2.1 过载 通常当进给运动的负载过大，频繁正、反向运动以及传动链不良或楔铁、导轨有研伤，电机动力线接地等原因时，均会引起伺服电机电流大，电机温度过高或电机过载报警。有时机床运行的过程中驱动控制单元、驱动元件、电机本身故障也会引起过载报警。一般会在数控系统的显示器上或者进给驱动单元上、指示灯或数码管会提示驱动单元过热、过载、过电流等信息。

2.2 超程 当进给运动超过由软件设定的软限位或者硬限位开关位置时，就会发生超程报警，一般会在数控系统的显示器上显示报警内容。若报警显示硬超程，则根据数控系统的说明书及电气原理图，确认数控机床回参考点的方式，进而确认减速行程开关是否失效、编码器是否正常、电机与丝杠连接的联轴器是否工作正常，从而解除超程。若是软超程，则进入数控系统修改软超程参数设置，使之生效后即可解除超程报警。

2.3 爬行 所谓爬行，是指运动部件周而复始的忽停忽跳、忽慢忽快的运动现象。一般在起动加速段或低速进给时，机床产生爬行现象。爬行出现的原因主要是机械部分故障，如伺服电动机和滚珠丝杠联接用的联轴器，由于联接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠与伺服电动机的转动不同步；或者是导轨副运动出现问题（是否有杂质或异物堵塞）。其次是由于进给传动链的状态不良、伺服系统增益低或者外加负载过大等因素也会导致爬行。

2.4 振动 在进给（尤其是低速）时，机床某轴出现振动现象通常是由于测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等；速度控制信号不稳定或受到干扰；接线端子接触不良，如螺钉松动等。当振动发生在由正方向运动与反向运动的换向瞬间时，一般是由于进给传动链的反向间隙或伺服系统增益过大所致。机床以高速运行时，可能产生振动，这时就会出现过流报警。机床振动问题一般属于速度问题，所以首先应去查找速度环；而机床速度的整个调节过程是由速度调节器来完成的，即凡是与速度有关的问题，应该去查找速度调节器，因此振动问题应查找速度调节器。主要从给定信号、反馈信号及速度调节器本身这三方面去查找故障。

2.5 伺服电动机不转 数控系统至进给驱动单元除了速度控制信号外，还有使能控制信号，一般为DC+24V直流电压。伺服电动机不转，首先检查数控系统是否有速度控制信号输出；检查使能信号是否接通。通过数控系统的显示器观察I/O状态，分析机床的PLC梯形图（或流程图）以确定进给轴的起动条件，如、冷却等是否满足；对带电磁制动的伺服电动机，应检查电磁制动是否释放；检查进给驱动单元故障，伺服电动机是否故障。

2.6 位置误差过大 当伺服轴运动超过位置允差范围时，数控系统就会产生位置误差过大的报警，包括跟随误差、轮廓误差和定位误差等。产生这种故障的主要原因有：系统设定的允许范围小；伺服系统增益设置不当；位置检测装置有污染或调整不当；进给传动链累积误差过大：主轴箱垂直运动时平衡装置（如平衡液压缸等）不稳。

2.7 失动量 机械传动部件的间隙与松动在数控机床的进给传动链中，常常由于传动元件的键槽与键之间的间隙使传动受到破坏，因此，除了在设计时慎重选择键联结机构外，对加工和装配必须进行严查。在装配滚珠丝杠时应当检查轴承的预紧情况，以防止滚珠丝杠的轴向窜动，因为游隙也是产生明显传动间隙的另一个原因。

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1.1比较高的可靠性数控机床的运行时间都比较长，生产任务大，这就要求数控机床要有稳定的可靠性

所以，现在很多能够提高机床运行可靠性的技术被嵌入了数控电气系统的设计之中。机床上面的电气零部件都是选用符合国家标准的技术过硬的零件。

1.2系统的维护要具有系统

系统电气元件中有部分元件是容易损坏的元件，这些元件在设计时要利于更换，并且这些元件的工作环境要相对简单，动作可靠，稳定，不会出现错误的动作等。

1.3在电气系统稳定，可靠的基础上

技术还要有先进性，在元器件发展过程中，要采用比较新型的电子元器件，比较选用技术先进的，稳定使用的电子元器件。

1.4要有较舒适的人机交换操作模式

数控机床的电气系统在设计的时候要符合人体力学的原理，比如说，控制面板的高度要符合人的平均高度，并且在操作的时候要能够使操作者操作方便，舒服，并且操作平台要放在显眼的位置。比如说急停开关，这个元件必须放在比较明显的位置，让操作者方便使用。

1.5要具有比较好的稳定性

数控机床工作环境在不同的企业都不尽相同，这就需要数控机床能够工作在比较宽的环境下。首先最重要的就是电压要稳定，二是目前电网中的噪声干扰的问题，这就需要电气系统要有一定的抗干扰能力，但是还不能影响外部系统的稳定，不能相互干扰。

1.6电气系统的安全性要有保证

电器装置的绝缘装置要保证完整性，电气系统在发生问题时要有一个互锁功能，要有比较可靠的接地，防护装置要完善，同时操作人员的安全性要得到保证，这些电气部件的防护罩要具有防尘，防油污，防水的功能，移动比较频繁的的电缆线要有拖链防护或者是安装保护套，防止缆线折断或短路而造成漏电故障，特别是在温度和湿度较高的季节，要有防触电，强迫风冷，防碰伤的保护设施。

2.数控机床电气系统的基本故障特点

(1)电气系统在受到外界影响造成故障，如电柜温度升高过快，环境温度比较高致使有些电器元件发生损坏。

(2)故障原因明了，诊断方便是电气系统故障的维修特点，但是出问题的概率比较高。

(3)异步电动机进水导致冷却泵、排屑器、电动刀架等的损坏，轴承超负荷运行造成电机故障

(4)数控机床电气系统的故障可分为以下几类：

1)从发生的部位分为硬件故障和软件故障；

2)从故障出现的偶尔性可以分为系统性故障和随机性故障；

3)从故障有无指示可以分为有诊断指示故障和无诊断指示故障；

4)从故障出现时有无破坏可以分为破坏性故障和非破坏性故障。掌握和分析数控系统电气故障数控机床电气系统故障出现后，我们可以从调查、分析与诊断这三个步骤出发，对故障展开排查，找出故障的原因，具体表现为：

(1)询问检测，当故障发生后，现场要先保持，同时查看故障出现时的指示情况，观察故障现象及故障产生的外部因素有哪些。

(2)当检查者到达现场之后，首先需要要求当事人叙述当时的情况，通过当事人的描述，可以提高判断故障的准确性。

(3)故障分析，从现场已知的故障展开分析，根据个人的经验分析故障肯可能产生的原因，最终获得故障相关信息。

(4)故障分析完后需确定原因，必须通过诊断维护书籍和个人经验来判断故障发生的点和如何排除故障的方法。