■華北機(jī)電學(xué)校 （山西長(zhǎng)治 046000） 焦連岷■山西澳瑞特健康產(chǎn)業(yè)股份有限公司 （長(zhǎng)治 046000） 畢長(zhǎng)平

數(shù)控車床電氣控制原理解析及維修實(shí)例

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摘要：詳細(xì)闡述了沈陽(yáng)華中數(shù)控CAK36S型數(shù)控車床主要電路的電氣控制原理，包括整機(jī)框圖控制原理、系統(tǒng)啟動(dòng)控制電路、急?？刂齐娐?、伺服驅(qū)動(dòng)控制電路、輸入輸出端口控制電路和系統(tǒng)整機(jī)上電過(guò)程等；列舉了“急?！焙汀八欧?qū)動(dòng)器不能上電”兩種故障實(shí)例，詳盡論述了故障排除的思路與過(guò)程。

隨著制造業(yè)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床日益普及，然而，維修人員的緊缺成為制約數(shù)控技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”，特別是數(shù)控機(jī)床的維修涉及機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)及計(jì)算機(jī)等多門學(xué)科知識(shí)，令初學(xué)者“望而卻步”。數(shù)控機(jī)床故障發(fā)生率較高的還是“電氣故障”，筆者結(jié)合自己多年從事數(shù)控機(jī)床維修和教學(xué)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，以沈陽(yáng)“華中”數(shù)控車床為例，對(duì)其控制原理做一些剖析與講解，并列舉兩例維修實(shí)例加以說(shuō)明，以便維修初學(xué)者快速入門。

1. 數(shù)控機(jī)床電氣控制組成框圖及工作原理

數(shù)控機(jī)床電氣控制組成框圖如圖1所示，主要由CNC數(shù)控系統(tǒng)，X、Z及主軸驅(qū)動(dòng)模塊與其反饋檢測(cè)裝置，PLC控制模塊，輸入輸出（I/O）信號(hào)接口模塊，相關(guān)的鍵盤、顯示與通信控制等電路組成。

工作過(guò)程：用戶首先通過(guò)手工或自動(dòng)編程的方式，將工件的幾何、工藝信息編制成機(jī)床所能識(shí)別的加工程序，然后由輸入裝

置將其輸入至數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)將指令經(jīng)過(guò)譯碼運(yùn)算、處理，根據(jù)指令描述輪廓的信息，把其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)主軸、伺服軸位置輪廓的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，隨后再經(jīng)過(guò)各軸的伺服驅(qū)動(dòng)、放大，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置（電動(dòng)機(jī)），轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)的檢測(cè)，配合“現(xiàn)場(chǎng)”信號(hào)的狀態(tài)，對(duì)輸出控制信號(hào)不斷加以及時(shí)調(diào)整、修正，最終使刀具與工件及其他輔助裝置嚴(yán)格地按照程序規(guī)定的加工順序、軌跡和參數(shù)有條不紊地工作，從而加工出零件的預(yù)定輪廓。

圖1　數(shù)控機(jī)床電氣控制組成框圖

2. 機(jī)床電氣控制電路組成與原理

本文以沈陽(yáng)華中數(shù)控系統(tǒng)CAK36S型數(shù)控車床為例，詳細(xì)介紹其主要部分電路的控制原理（限于篇幅，主軸控制電路、刀架控制電路等，將在后續(xù)的文章中陸續(xù)介紹）。

（1）系統(tǒng)啟動(dòng)控制電路。啟動(dòng)電路主要完成數(shù)控系統(tǒng)及外圍電路的自檢與上電工作。數(shù)控機(jī)床的啟動(dòng)電路如圖2所示，主要由啟動(dòng)按鈕SB2，停止按鈕SB1，啟動(dòng)繼電器KA0等組成。

工作過(guò)程：當(dāng)機(jī)床總電源的空氣開關(guān)閉合后，24V電源將有輸出，此時(shí)按下啟動(dòng)按鈕SB2，KA0通過(guò)SB1常閉觸點(diǎn)通電并自鎖，同時(shí)KA0主觸點(diǎn)接通數(shù)控系統(tǒng)的24V電源，I/O端子板、伺服驅(qū)動(dòng)等24V所需電源，為后續(xù)的啟動(dòng)做必要的條件準(zhǔn)備。其中，并接在KA0兩端的二極管是在KA0斷開的瞬間提供感應(yīng)高壓的泄放回路，即起到“續(xù)流”的作用，從而保護(hù)了與KA0繼電器線圈相連的外圍電路（尤其是數(shù)控系統(tǒng)，后續(xù)電路同）。

（2）急停控制電路。急?；芈返脑O(shè)置是當(dāng)機(jī)床處于“緊急”狀況下，系統(tǒng)能夠立即處于“急?！睜顟B(tài)，以防事故進(jìn)一步擴(kuò)大，操作人員按下“急?！卑粹o和系統(tǒng)根據(jù)“現(xiàn)場(chǎng)”情況可以進(jìn)入“急停”狀態(tài)。進(jìn)入“急停”狀態(tài)后，數(shù)控機(jī)床的主軸、伺服軸立即緊急制動(dòng)并迅速斷電，且處于“鎖死”狀態(tài)，直到故障排除或“急?！睜顟B(tài)解除。

急?？刂齐娐啡鐖D3所示，其中，SB7為“超程解除”按鈕，Q3～Q6分別為Z軸+Z向、-Z向，X軸+X向、-X向超程限位開關(guān)，QF0為主軸電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的空氣開關(guān)輔助觸點(diǎn)，以確保主電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇通電的情況下才可正常啟動(dòng)系統(tǒng)。另ES1和ES3引腳之間是外接“急停按鈕”。

圖2　啟動(dòng)電路

圖3　急?？刂苹芈?/p>

工作原理：當(dāng)X、Z軸的行程在規(guī)定的“有效區(qū)域”，即Q3～Q6任意一個(gè)行程開關(guān)沒(méi)有被壓下，致使其斷開，操作面板的“急停按鈕”未被按下（按下后斷開），同時(shí)主電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇通電（電動(dòng)機(jī)可以很好的散熱，不會(huì)被燒毀），此時(shí)，KA28繼電器方可通電，主觸點(diǎn)閉合（連接至圖5輸入端口板的X2.4），“允許運(yùn)行”信號(hào)有效。

當(dāng)Q3～Q6其中任意一個(gè)行程開關(guān)一旦被壓下（即X、Z軸在任意一個(gè)方向超程）或QF0斷開，KA28繼電器都會(huì)斷電，“允許運(yùn)行”信號(hào)無(wú)效，系統(tǒng)處于“急?！睜顟B(tài)。

“超程解除”按鈕是當(dāng)X、Z軸在任意一個(gè)方向超程時(shí)，為了使系統(tǒng)“解除急?！睜顟B(tài)，可以通過(guò)手動(dòng)按下操作面板上的“超程解除”按鈕，強(qiáng)制使KA28通電，“允許運(yùn)行”信號(hào)有效，機(jī)床處于“臨時(shí)正?！睜顟B(tài)，而此時(shí)按下對(duì)應(yīng)超程軸的反方向運(yùn)動(dòng)手動(dòng)按鈕，可使超程軸移動(dòng)至“有效區(qū)域”，行程開關(guān)被“松開”后，系統(tǒng)的“急停”狀態(tài)被解除（即使松開“超程解除”按鈕）。

（3）伺服驅(qū)動(dòng)電路。伺服驅(qū)動(dòng)的主要功能是接受數(shù)控系統(tǒng)的基本指令信息，并對(duì)功率進(jìn)行提升，從而通過(guò)進(jìn)給機(jī)構(gòu)，把數(shù)控系統(tǒng)的“基本命令”轉(zhuǎn)換成“對(duì)

應(yīng)的動(dòng)作”。對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的基本要求是“穩(wěn)定性”、“準(zhǔn)確性”和“快速性”，即系統(tǒng)首先應(yīng)該是“穩(wěn)定”的系統(tǒng)，其次是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要短，動(dòng)作速度要快，且要保證足夠的控制精度。

伺服驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示（限于篇幅，編碼器的反饋信號(hào)及與數(shù)控系統(tǒng)連接的命令信號(hào)線并未畫出），“復(fù)位”、“使能”信號(hào)分別來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)PLC的Y0.1 和Y0.2（線號(hào)593和595），X軸的“READY”信號(hào)與Z軸的“故障”輸入信號(hào)相連，形成“級(jí)聯(lián)連鎖”控制，最后連接至數(shù)控系統(tǒng)PLC的X2.5，即作為“伺服準(zhǔn)備”信號(hào)（線號(hào)443）輸入系統(tǒng)；24V直流電源在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)加載，為后續(xù)加載三相220V強(qiáng)電做準(zhǔn)備；伺服上電完成的必要條件除了內(nèi)部檢測(cè)“無(wú)故障”，“使能”信號(hào)有效外，另外一個(gè)重要的條件是KA20繼電器通電，主觸點(diǎn)閉合，KM0接觸器線圈通電，主觸點(diǎn)接通三相交流220V電源（KA20繼電器通電的過(guò)程后面詳細(xì)敘述）。

（4）輸入輸出端口控制電路。I/O接口電路是連接數(shù)控系統(tǒng)與外圍電路的橋梁，主要起信號(hào)“轉(zhuǎn)換”、“匹配”、“隔離”、“信號(hào)線延伸”和“轉(zhuǎn)接”等作用。CAK36S型數(shù)控車床采用專門為華中數(shù)控系統(tǒng)配套設(shè)計(jì)開發(fā)的20路輸入16路輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)接板，其端口類型分P型和N型，圖5是輸入端子接口板電路圖，圖6是輸出端子接口板電路圖，電源（直流電壓24V，標(biāo)號(hào)為“24VE”）采用集中供電，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)接通。其中的“允許運(yùn)行”、“伺服復(fù)位”和“刀架、主軸、冷卻”等信號(hào)，其對(duì)應(yīng)的輸入輸出點(diǎn)如圖5、圖6所示（P型為高電平有效，N型為低電平有效）。

圖4　伺服驅(qū)動(dòng)控制電路

圖5　輸入端子接口板

（5）系統(tǒng)整機(jī)上電過(guò)程。機(jī)床總電源開關(guān)閉合——啟動(dòng)電路的24V直流電源接通，同時(shí)三相220V、110V電源變壓器接入——按下數(shù)控系統(tǒng)“啟動(dòng)”按鈕——K A0繼電器線圈通電并自鎖——主觸點(diǎn)接通24VE電源——數(shù)控系統(tǒng)啟動(dòng)及輸入輸出（I/O）端口板與伺服系統(tǒng)模塊24VE電源上電——伺服系統(tǒng)自檢無(wú)故障時(shí)將“READY”信號(hào)（線號(hào)443）通過(guò)PLC X2.5送入CNC系統(tǒng)，CNC系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)主軸報(bào)警信號(hào)（PLC X3.0）是否正常，外部“允許運(yùn)行”信號(hào)是否正常（±X、±Z開關(guān)未被按下，操作面板上的“急停”按鈕未被按下，主電動(dòng)機(jī)的散熱風(fēng)扇正常接入，此時(shí)的KA28繼電器線圈通電且主觸點(diǎn)閉合，即“急?；芈锋湣闭＃嘈盘?hào)確認(rèn)無(wú)誤——CNC系統(tǒng)向伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)PLC Y0.2發(fā)送“使能信號(hào)”，同時(shí)通過(guò)PLC Y0.0發(fā)送“允許運(yùn)行”信號(hào)有效——KA20繼電器線圈通電——KM0接觸器通電并自鎖——伺服系統(tǒng)三相220V交流電

源接入，同時(shí)刀架、冷卻電路所需的110V交流電源接通——啟動(dòng)完畢。

圖6　輸出端子接口板

3. 維修實(shí)例

下面結(jié)合兩例具體實(shí)例，闡述如何根據(jù)電氣控制原理進(jìn)行排除故障的過(guò)程。

（1）事例1：“急?！惫收?。

故障現(xiàn)象：沈陽(yáng)華中數(shù)控系統(tǒng)CAK36S型數(shù)控車床，打開機(jī)床電源，啟動(dòng)系統(tǒng)后，出現(xiàn)“急?！眻?bào)警，如圖7所示。

故障分析：“急?！惫收峡梢杂捎布穑部梢杂绍浖?，硬件往往會(huì)發(fā)生在“急?；芈锋湣鄙?，而軟件引起一般是因?yàn)镻LC配置文件損壞、丟失，或者是人為誤操作，修改了與實(shí)際硬件不符的配置等。經(jīng)過(guò)詢問(wèn)機(jī)床操作人員，并未有其他人員接觸過(guò)該機(jī)床，通過(guò)查看PLC配置文件，確定配置正確無(wú)誤，與實(shí)際硬件設(shè)置相符一致，因此，此故障定性為“硬件”故障。

圖7　“急?！惫收袭嬅?/p>

故障診斷：由“急停”控制電路原理分析得知，硬件“急停回路鏈”主要由X軸與Z軸的正負(fù)限位行程開關(guān)、操作面板的“急停”按鈕、接通主軸電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇電源的空氣開關(guān)輔助觸點(diǎn)QF0和KA28中間繼電器的線圈與觸點(diǎn)等組成。為了盡快判斷故障部位，先按下“超程解除”按鈕SB7，結(jié)果機(jī)床“急停”狀態(tài)時(shí)而“有效”，時(shí)而“解除”，很不穩(wěn)定，說(shuō)明±X、±Z的限位行程開關(guān)及連線存在故障，且其他相關(guān)電路存在“接觸不良”問(wèn)題。

首先檢測(cè)±X、±Z的限位行程開關(guān)，通過(guò)觀察，發(fā)現(xiàn)X軸正向限位行程開關(guān)按鈕被加工過(guò)的切屑卡住，使其不能復(fù)位彈起，對(duì)其清除后，行程開關(guān)工作正常。

然后再根據(jù)“急?；芈锋湣钡慕M成繼續(xù)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在QF0觸點(diǎn)閉合、KA28繼電器線圈正常通電的情況下，查看PLC的“輸入輸出”菜單項(xiàng)卻發(fā)現(xiàn)“允許運(yùn)行 ”（X2.4）信號(hào)“無(wú)效”，至此，可以判斷在KA28繼電器的觸點(diǎn)與PLC的輸入端口之間存在“接觸不良”的故障。

就此電路逐一檢查，最終發(fā)現(xiàn)是連接至系統(tǒng)輸入端子板的“圓柱形”導(dǎo)線插頭（線號(hào)441，即X2.4的輸入信號(hào)線）松動(dòng)，且表面已經(jīng)出現(xiàn)銹跡，屬于“接觸不良”所致，更換同型號(hào)的新插頭，重新安裝、旋緊螺釘，開機(jī)后一切正常，故障排除。

心得體會(huì)：維修的依據(jù)是電氣原理圖，本事例中采用的是“逐一排查”的方法，這種方法對(duì)于初學(xué)者非常值得推薦，而且效果良好，唯一不足之處是比較“耗時(shí)”。當(dāng)然，如果有了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，可以首先查看PLC的“輸入狀態(tài)”，然后再結(jié)合判斷KA28中間繼電器是否通電（可以通過(guò)指示燈是否點(diǎn)亮判斷）、觸點(diǎn)是否閉合及按下“超程解除”按鈕后故障是否能夠解除，很快判斷出故障部位。

（2）事例2：伺服驅(qū)動(dòng)器不能上電故障。

故障現(xiàn)象：沈陽(yáng)華中數(shù)控系統(tǒng)CAK36S型數(shù)控車床，打開機(jī)床電源，啟動(dòng)系統(tǒng)后，出現(xiàn)“急?！眻?bào)警，且顯示報(bào)警信息：“P L C提示：伺服電源模塊報(bào)警”。

故障分析：“急?！惫收习l(fā)生的原因在事例1中已經(jīng)詳細(xì)闡述，結(jié)合當(dāng)前的報(bào)警提示信息，此故障應(yīng)當(dāng)是伺服驅(qū)動(dòng)器沒(méi)能正確上電，不滿足運(yùn)行條件所致，如果系統(tǒng)正常啟動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)器工作正常了，“急停”故障可能

會(huì)隨之“消失”。據(jù)此分析，“急?！惫收虾芸赡苁恰氨砻婕傧蟆?，真正的故障原因是伺服上電沒(méi)能完成，導(dǎo)致“急?！?。所以，排查的重點(diǎn)應(yīng)該放在“伺服上電”及其相關(guān)的電路上。

圖8　伺服驅(qū)動(dòng)器不能正常工作故障檢查流程圖

故障診斷：系統(tǒng)整機(jī)上電的原理過(guò)程前已述及，伺服驅(qū)動(dòng)器不能正常工作故障的檢查流程如圖8所示。

按圖8所示流程進(jìn)行檢查（因?yàn)橐延刑崾拘畔ⅲ八欧娫茨K報(bào)警”，所以可以直接從第2個(gè)菱形框開始。），當(dāng)檢查到KA20中間繼電器時(shí)，發(fā)現(xiàn)其線圈通電情況良好，但其觸點(diǎn)并未閉合，關(guān)閉數(shù)控系統(tǒng)及機(jī)床電源，把KA20中間繼電器從繼電器插座中拔出，進(jìn)行單獨(dú)檢查，發(fā)現(xiàn)觸點(diǎn)已經(jīng)燒毀、變形，這樣導(dǎo)致KA20中間繼電器線圈雖已經(jīng)通電，但控制信號(hào)并未能得到很好地傳遞，KM0接觸器的觸點(diǎn)并未閉合，伺服驅(qū)動(dòng)器的三相220V電源也不會(huì)被接通，最終導(dǎo)致“上電失敗”。

更換同型號(hào)的KA20中間繼電器，重新插入繼電器插座，接通機(jī)床電源，啟動(dòng)系統(tǒng)，一切正常，故障排除。

心得體會(huì)：此類故障現(xiàn)象往往給人的感覺是“綜合故障”，實(shí)際上也確實(shí)存在“綜合故障”的可能，但維修的一個(gè)重要原則之一是：“由簡(jiǎn)單到復(fù)雜，由表及里”。本事例中，伺服上電問(wèn)題解決了，“急?！惫收弦蚕?。在維修前，如果多注意觀察一下KA20繼電器的線圈通電指示燈情況、KM0接觸器吸合情況及PLC的輸入輸出信號(hào)狀態(tài)，就可以很快地鎖定故障部位的范圍。

4. 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床中一種結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的機(jī)床，同時(shí)也是維修初學(xué)者首選的“入門級(jí)”機(jī)床。本文雖是以華中數(shù)控為例，但“基本思路”是相通的，對(duì)于其他系統(tǒng)也同樣適用，通過(guò)本文的敘述，旨在使初學(xué)者能夠掌握其基本“理念”，盡快入門：即首先必須掌握宏觀整體概念，比如數(shù)控機(jī)床的整體組成框圖，各組成部分的功能與意義等；其次要對(duì)各部分組成電路進(jìn)行仔細(xì)地研讀，了解各信號(hào)的“來(lái)龍去脈”，意義與作用。

對(duì)于數(shù)控機(jī)床的工作過(guò)程，不但要“知其然”，而且還要“知其所以然”，只有“熟知”了“工作原理”，才有可能對(duì)機(jī)床進(jìn)行維修，當(dāng)然，要真正達(dá)到其目的，還要我們不斷地在實(shí)踐中進(jìn)行多觀察、多記錄，勤于思考，善于實(shí)踐，只有這樣，才可能對(duì)機(jī)床的工作過(guò)程 “了如指掌”，為以后能夠從事數(shù)控機(jī)床的維修、維護(hù)工作奠定必要的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 沈陽(yáng)第一機(jī)床廠技術(shù)中心. 沈陽(yáng)華中數(shù)控系統(tǒng)CAK36S型數(shù)控車床電氣原理圖[E]. 沈陽(yáng)：沈陽(yáng)第一機(jī)床廠，2012.

[2] 華中數(shù)控有限公司. 世紀(jì)星數(shù)控裝置連接說(shuō)明書[E]. 武漢：華中數(shù)控有限公司，2010.

[3] 華中數(shù)控有限公司. HSV-16交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)說(shuō)明書[E]. 武漢：華中數(shù)控有限公司，2010.

收稿日期：（20150227）