1 概述
多年的數(shù)控機(jī)床維修經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，在故障總數(shù)中，由電源引發(fā)的故障占了相當(dāng)大的比例。數(shù)控機(jī)床電源故障中很多屬于機(jī)床用戶(hù)有能力自行排除的器件損壞故障，其領(lǐng)域已屬于片級(jí)修理[1]。
2 數(shù)控機(jī)床電源
把數(shù)控機(jī)床所使用的電源分成了三級(jí)，從一次電源到三次電源，依次為派生關(guān)系，其造成的故障頻次和難度也依次增加。具體分級(jí)如下：
?。?）一次電源。一次電源即由車(chē)間中國(guó)臺(tái)灣加工中心電網(wǎng)供給的三相380 V電源，它是數(shù)控機(jī)床工作的總能源供給。要求該電源要穩(wěn)定，一般電壓波動(dòng)范圍要控制在5％ ～10％ ，并且要無(wú)高頻干擾。
（2）二次電源。由三相電源經(jīng)變壓器從一次電源派生。其用途主要有：
1）派生的單相交流220 V、交流1l0 V，供電給CNC單元及顯示器單元，做為熱交換器、機(jī)床控制回路和開(kāi)關(guān)電源的電源。
2）有的數(shù)控機(jī)床派生的三相低電壓做直流24 V整流橋塊的電源。有的數(shù)控機(jī)床由三相變壓器產(chǎn)生三相交流220 V，供給伺服放大器電源組件作為其工作電源。
?。?）三次電源。三次電源是數(shù)控機(jī)床使用的各種直流電源，它是由二次電源轉(zhuǎn)化來(lái)的。主要有這樣幾種：
1）由伺服放大器電源組件提供的直流電壓、由伺服放大器組件逆變成頻率和電壓幅值可變的三相交流電以控制交流伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2）整流橋塊提供的交流24 V，作為液壓系統(tǒng)電磁閥，電動(dòng)機(jī)閘電磁鐵電源和伺服放大器單元的"ready"和"controller enable"信號(hào)源。
3）由開(kāi)關(guān)電源或DC／DC電源模塊提供的低壓直流電壓，這些電壓有：+5 V、±12 V、±15 V，分別做為測(cè)量光柵、數(shù)控單元和伺服單元電氣板的電源。
3 數(shù)控機(jī)床電源回路使用的器件
數(shù)控機(jī)床從一次電源到三次電源使用的器件分別有：
（1）車(chē)間配電裝置，一般包括：與車(chē)間電網(wǎng)連接的三相交流穩(wěn)壓器和斷路器（又稱(chēng)空氣開(kāi)關(guān)，或閘刀開(kāi)關(guān)）。
（2）機(jī)床元器件，包括：濾波器、電抗器、三相交流變壓器、斷路器、整流器、熔斷器、伺服電源組件、DC／DC模塊和開(kāi)關(guān)電源。
4 電源故障實(shí)例分析
?。?）電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)大PLC不工作。表現(xiàn)為PLC無(wú)輸出。先查輸入信號(hào)（電源信號(hào)、干擾信號(hào)、指令信號(hào)與反饋信號(hào)）。例如，采用SINUMERIK 3G-4B系統(tǒng)的數(shù)控車(chē)床，其內(nèi)置式PLC無(wú)法工作。采用觀察法，先用示波器檢查電網(wǎng)電壓波形，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)波動(dòng)過(guò)大，欠壓噪聲跳變持續(xù)時(shí)間>1s（外因）。由于該機(jī)床處于調(diào)試階段，電源系統(tǒng)內(nèi)組件故障應(yīng)當(dāng)排除在外，由內(nèi)部抗電網(wǎng)干擾措施（濾波、隔離與穩(wěn)壓）可知，常規(guī)的電源系統(tǒng)已無(wú)法隔斷或?yàn)V去持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的電網(wǎng)欠壓噪聲，這是抗電網(wǎng)措施不足所致（內(nèi)因），導(dǎo)致PLC不能獲得正常電源輸入而無(wú)法工作。在系統(tǒng)電源輸入端加入一個(gè)交流穩(wěn)壓器，PLC工作正常。
?。?）電源故障。某雙工位數(shù)控車(chē)床，每個(gè)工位都由單獨(dú)的NC系統(tǒng)控制，NC系統(tǒng)采用西門(mén)子公司的SINUMERIK810/T系統(tǒng)。右工位的NC系統(tǒng)經(jīng)常在零件自動(dòng)加工中斷電停機(jī)，重新啟動(dòng)系統(tǒng)后，NC系統(tǒng)仍可自動(dòng)工作。檢查24 V供電電源負(fù)載，并無(wú)短路問(wèn)題。對(duì)圖樣進(jìn)行分析，兩臺(tái)NC系統(tǒng)，共用一個(gè)24 V整流電源。引起這個(gè)故障可能有兩個(gè)原因：
1）供電質(zhì)量不高，電源波動(dòng)，而出故障的NC系統(tǒng)對(duì)電源的要求較靈敏。
2）NC系統(tǒng)本身的問(wèn)題，系統(tǒng)不穩(wěn)定。
根據(jù)這個(gè)判斷，首先對(duì)24V電源電壓進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)其電壓幅值較低，只有21V左右。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在出故障的瞬間，這個(gè)電壓向下浮動(dòng)，而NC系統(tǒng)斷電后，電壓馬上回升到22V左右。故障一般都發(fā)生在主軸啟動(dòng)時(shí)，其原因可能是24V整流變壓器有問(wèn)題，容量不夠，或匝間短路，使整流電壓偏低，電網(wǎng)電壓波動(dòng)，影響NC系統(tǒng)的正常工作。為確定這個(gè)故障的原因，用交流穩(wěn)壓電源將交流380V供電電壓提高到400 V，這個(gè)故障就沒(méi)有再出現(xiàn)。為此更換24V整流變壓器，問(wèn)題*解決。
（3）一臺(tái)VDF.BOEHRINGER公司（德國(guó)）生產(chǎn)的PNE480L數(shù)控車(chē)床，合上主開(kāi)關(guān)啟動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，在顯示面板上除READY（準(zhǔn)備好）燈不亮外，其余指示燈全亮。該機(jī)數(shù)控系統(tǒng)為西門(mén)子SYSTEM5T系統(tǒng)。因?yàn)?a href="http://baidetools.cn/">CNC加工中心故障發(fā)生于開(kāi)機(jī)的瞬間， 因此應(yīng)檢查開(kāi)機(jī)清零信號(hào)RESET是否異常。又因?yàn)橹靼迳系腄P6燈亮，而且DP6是監(jiān)視有關(guān)直流電源的，因此需要對(duì)驅(qū)動(dòng)DP6的相關(guān)電路及有關(guān)直流電源進(jìn)行檢查。其步驟如下：
因?yàn)镈P6燈亮屬報(bào)警顯示，故首先對(duì)DP6的相關(guān)電路進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，確認(rèn)驅(qū)動(dòng)DP6的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器LA10邏輯狀態(tài)不對(duì)，已損壞。用新件更換后，雖然DP6指示燈不亮了，但故障現(xiàn)象仍然存在，數(shù)控箱還是不能啟動(dòng)。檢查*RESET信號(hào)及數(shù)控箱內(nèi)各連接器的連接情況良好，但*RESET信號(hào)不正常，并發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)的A38位置上的LA01與非門(mén)電路邏輯關(guān)系不正確。于是對(duì)各直流電流進(jìn)行檢查。
檢查±15V、±5V、±12V、+24V，發(fā)現(xiàn)電壓為-5V～4.0V，誤差超過(guò)±5％。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)該電路整流橋后有一濾波大電容C19的焊腳處印制電路板銅箔斷裂。將其焊好后，電壓正常，LA01電路邏輯關(guān)系及*RESET信號(hào)正確，故障排除，數(shù)控箱能正常啟動(dòng)。
?。?）返回參考點(diǎn)異常。這是由于返回參考點(diǎn)時(shí)沒(méi)有滿(mǎn)足"必須沿返回參考點(diǎn)方向，并距參考點(diǎn)不能過(guò)近（128個(gè)脈沖以上）及返回參考點(diǎn)進(jìn)度不能過(guò)低"的條件。對(duì)這類(lèi)故障的處理步驟是[2,3]：
1）距參考點(diǎn)位置>128個(gè)脈沖，返回參考點(diǎn)過(guò)程中。①電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)了不到1轉(zhuǎn)（即沒(méi)有接收到1轉(zhuǎn)信號(hào)），此時(shí)首先變更返回時(shí)的開(kāi)始位置，在位置偏差量>128個(gè)脈沖的狀態(tài)下，在返回參考點(diǎn)方向上進(jìn)行1轉(zhuǎn)以上的快速進(jìn)給，檢測(cè)是否輸入過(guò)1轉(zhuǎn)信號(hào)。②電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)了1轉(zhuǎn)以上，這是使用了分離型的脈沖編碼器。此時(shí)，檢查位置返回時(shí)脈沖編碼器的1轉(zhuǎn)信號(hào)是否輸入到了軸卡中，如果是，則是軸卡不良；如果未輸入，則先檢查編碼器用的電源電壓是否偏低（允許電壓波動(dòng)在0.2V以?xún)?nèi)），否則是脈沖編碼器不良。
2）距參考點(diǎn)位置<128個(gè)脈沖。①檢查進(jìn)給速度指令值，快速進(jìn)給倍率信號(hào)，返回參考點(diǎn)減速信號(hào)及外部減速信號(hào)是否正常。②變更返回時(shí)的開(kāi)始位置，使其位置偏差量超過(guò)128個(gè)脈沖。③返回參考點(diǎn)速度過(guò)低。速度必須為位置偏差量超過(guò)128個(gè)脈沖的速度，如果速度過(guò)低，電動(dòng)機(jī)1轉(zhuǎn)信號(hào)散亂，不可能進(jìn)行正確的位置檢測(cè)。
?。?）某加工中心，配置F-0M系統(tǒng)，在自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)突然出現(xiàn)刀庫(kù)、工作臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)。經(jīng)復(fù)位、調(diào)整刀庫(kù)、工作臺(tái)后中國(guó)臺(tái)灣車(chē)床工作正常。但在斷電重新啟動(dòng)機(jī)床時(shí)，CRT上出現(xiàn)410號(hào)伺服報(bào)警。查L(zhǎng)／M軸伺服PRDY、VRDY兩指示燈均亮；進(jìn)給軸伺服電源AC100V、AC18V正常；x、y、z伺服單元上的PRDY指示燈均不亮，三個(gè)MCC也未吸合；測(cè)量其上電壓發(fā)現(xiàn)24V、±15V異常；軸伺服單元上電源熔斷器電阻太大，經(jīng)更換后，直流電壓恢復(fù)正常，重新運(yùn)行機(jī)床，401號(hào)報(bào)警消失。
?。?）故障現(xiàn)象：某公司產(chǎn)VF2型立式銑加工中心。機(jī)床運(yùn)行一年零七個(gè)月以后，加工中出現(xiàn)161號(hào)報(bào)警（x- axis over current or drive fault），機(jī)床停止運(yùn)行。使用"RESET"鍵報(bào)警可以清除，機(jī)床可恢復(fù)運(yùn)行。此故障現(xiàn)象偶爾發(fā)生，機(jī)床帶病運(yùn)行兩年后，故障發(fā)生頻次增加，而且出現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移現(xiàn)象：即使用復(fù)位鍵清除161號(hào)報(bào)警時(shí)，報(bào)警信息轉(zhuǎn)報(bào)162號(hào)（Y-axis over current or drive fault），如果再次清除，則再次轉(zhuǎn)報(bào)z軸，以此類(lèi)推。機(jī)床已無(wú)法維持運(yùn)行。
故障分析及檢查：根據(jù)故障報(bào)警信息在幾伺服軸之間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，不難看出故障發(fā)生在與各伺服軸都相關(guān)的公共環(huán)節(jié)，也就是說(shuō)，是數(shù)控單元的"位置控制板"或伺服單元的電源組件出現(xiàn)了故障。位控板是數(shù)控單元組件之一，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分析，數(shù)控單元電氣板出現(xiàn)故障的概率很低，所以分析檢查伺服電源組件是比較可行的排故切入點(diǎn)。檢查發(fā)現(xiàn)此機(jī)床伺服電源分成兩部分，其中輸出低壓直流±12 V兩路的是開(kāi)關(guān)電源。測(cè)量結(jié)果分別是：+11.73 V，-11.98 V。分析此結(jié)果，正電壓輸出低了0.27 V，電壓降低幅度2.3％。由于缺乏量化概念，在暫時(shí)找不到其它故障源的情況下，假定此開(kāi)關(guān)電源有故障。
故障排除：為驗(yàn)證輸出電壓偏差是造成機(jī)床故障的根源，用一臺(tái)WYJ型雙路晶體管直流穩(wěn)壓器替代原電源，將兩路輸出電壓調(diào)節(jié)對(duì)稱(chēng)，幅值調(diào)到12V，開(kāi)機(jī)后，機(jī)床報(bào)警消失。在接下來(lái)的20個(gè)工作日的考驗(yàn)運(yùn)行中，故障不再?gòu)?fù)現(xiàn)。*證實(shí)了故障是由于此伺服電源組件損壞引起的。
理論分析[4]：運(yùn)算放大器CNC車(chē)床和比較器，有些用單電源供電，有些用雙電源供電，用雙電源的運(yùn)放要求正負(fù)供電對(duì)稱(chēng)，其差值一般不能大于0.2 V（具有調(diào)節(jié)功能的運(yùn)放除外），否則將無(wú)法正常工作。而此故障電源，兩路輸出電壓相差了0.25 V，超出了誤差允許范圍，這是故障發(fā)生的根本原因。
5 結(jié)語(yǔ)
通過(guò)以上故障實(shí)例，我們不難看到，數(shù)控機(jī)床電源的異常有時(shí)很不明顯，有時(shí)只是偏差了不到0.3 V，但卻引起了機(jī)床故障。因此，在維修中我們要總結(jié)這方面的維修經(jīng)驗(yàn)，提高機(jī)床故障維修的效率。