數控車床電氣控制原理解析及維修實例

■華北機電學校 （山西長治 046000） 焦連岷■山西澳瑞特健康產業股份有限公司 （長治 046000） 畢長平

數控車床電氣控制原理解析及維修實例

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摘要：詳細闡述了沈陽華中數控CAK36S型數控車床主要電路的電氣控制原理，包括整機框圖控制原理、系統啟動控制電路、急?？刂齐娐?、伺服驅動控制電路、輸入輸出端口控制電路和系統整機上電過程等；列舉了“急?！焙汀八欧寗悠鞑荒苌想姟眱煞N故障實例，詳盡論述了故障排除的思路與過程。

隨著制造業的發展，數控機床日益普及，然而，維修人員的緊缺成為制約數控技術發展的“瓶頸”，特別是數控機床的維修涉及機械、電氣、液壓、氣動及計算機等多門學科知識，令初學者“望而卻步”。數控機床故障發生率較高的還是“電氣故障”，筆者結合自己多年從事數控機床維修和教學的實際經驗，以沈陽“華中”數控車床為例，對其控制原理做一些剖析與講解，并列舉兩例維修實例加以說明，以便維修初學者快速入門。

1. 數控機床電氣控制組成框圖及工作原理

數控機床電氣控制組成框圖如圖1所示，主要由CNC數控系統，X、Z及主軸驅動模塊與其反饋檢測裝置，PLC控制模塊，輸入輸出（I/O）信號接口模塊，相關的鍵盤、顯示與通信控制等電路組成。

工作過程：用戶首先通過手工或自動編程的方式，將工件的幾何、工藝信息編制成機床所能識別的加工程序，然后由輸入裝

置將其輸入至數控系統，數控系統將指令經過譯碼運算、處理，根據指令描述輪廓的信息，把其轉換成相應主軸、伺服軸位置輪廓的驅動信號，隨后再經過各軸的伺服驅動、放大，驅動執行裝置（電動機），轉換成對應的旋轉或直線運動，同時通過反饋檢測環節的檢測，配合“現場”信號的狀態，對輸出控制信號不斷加以及時調整、修正，最終使刀具與工件及其他輔助裝置嚴格地按照程序規定的加工順序、軌跡和參數有條不紊地工作，從而加工出零件的預定輪廓。

圖1　數控機床電氣控制組成框圖

2. 機床電氣控制電路組成與原理

本文以沈陽華中數控系統CAK36S型數控車床為例，詳細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，將在后續的文章中陸續介紹）。

（1）系統啟動控制電路。啟動電路主要完成數控系統及外圍電路的自檢與上電工作。數控機床的啟動電路如圖2所示，主要由啟動按鈕SB2，停止按鈕SB1，啟動繼電器KA0等組成。

工作過程：當機床總電源的空氣開關閉合后，24V電源將有輸出，此時按下啟動按鈕SB2，KA0通過SB1常閉觸點通電并自鎖，同時KA0主觸點接通數控系統的24V電源，I/O端子板、伺服驅動等24V所需電源，為后續的啟動做必要的條件準備。其中，并接在KA0兩端的二極管是在KA0斷開的瞬間提供感應高壓的泄放回路，即起到“續流”的作用，從而保護了與KA0繼電器線圈相連的外圍電路（尤其是數控系統，后續電路同）。

（2）急?？刂齐娐?。急?；芈返脑O置是當機床處于“緊急”狀況下，系統能夠立即處于“急?！睜顟B，以防事故進一步擴大，操作人員按下“急?！卑粹o和系統根據“現場”情況可以進入“急?！睜顟B。進入“急?！睜顟B后，數控機床的主軸、伺服軸立即緊急制動并迅速斷電，且處于“鎖死”狀態，直到故障排除或“急?！睜顟B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，QF0為主軸電動機散熱風扇的空氣開關輔助觸點，以確保主電動機風扇通電的情況下才可正常啟動系統。另ES1和ES3引腳之間是外接“急停按鈕”。

圖2　啟動電路

圖3　急?？刂苹芈?/p>

工作原理：當X、Z軸的行程在規定的“有效區域”，即Q3～Q6任意一個行程開關沒有被壓下，致使其斷開，操作面板的“急停按鈕”未被按下（按下后斷開），同時主電動機散熱風扇通電（電動機可以很好的散熱，不會被燒毀），此時，KA28繼電器方可通電，主觸點閉合（連接至圖5輸入端口板的X2.4），“允許運行”信號有效。

當Q3～Q6其中任意一個行程開關一旦被壓下（即X、Z軸在任意一個方向超程）或QF0斷開，KA28繼電器都會斷電，“允許運行”信號無效，系統處于“急?！睜顟B。

“超程解除”按鈕是當X、Z軸在任意一個方向超程時，為了使系統“解除急?！睜顟B，可以通過手動按下操作面板上的“超程解除”按鈕，強制使KA28通電，“允許運行”信號有效，機床處于“臨時正?！睜顟B，而此時按下對應超程軸的反方向運動手動按鈕，可使超程軸移動至“有效區域”，行程開關被“松開”后，系統的“急?！睜顟B被解除（即使松開“超程解除”按鈕）。

（3）伺服驅動電路。伺服驅動的主要功能是接受數控系統的基本指令信息，并對功率進行提升，從而通過進給機構，把數控系統的“基本命令”轉換成“對

應的動作”。對伺服驅動的基本要求是“穩定性”、“準確性”和“快速性”，即系統首先應該是“穩定”的系統，其次是系統的響應時間要短，動作速度要快，且要保證足夠的控制精度。

伺服驅動電路如圖4所示（限于篇幅，編碼器的反饋信號及與數控系統連接的命令信號線并未畫出），“復位”、“使能”信號分別來自數控系統PLC的Y0.1 和Y0.2（線號593和595），X軸的“READY”信號與Z軸的“故障”輸入信號相連，形成“級聯連鎖”控制，最后連接至數控系統PLC的X2.5，即作為“伺服準備”信號（線號443）輸入系統；24V直流電源在系統啟動時加載，為后續加載三相220V強電做準備；伺服上電完成的必要條件除了內部檢測“無故障”，“使能”信號有效外，另外一個重要的條件是KA20繼電器通電，主觸點閉合，KM0接觸器線圈通電，主觸點接通三相交流220V電源（KA20繼電器通電的過程后面詳細敘述）。

（4）輸入輸出端口控制電路。I/O接口電路是連接數控系統與外圍電路的橋梁，主要起信號“轉換”、“匹配”、“隔離”、“信號線延伸”和“轉接”等作用。CAK36S型數控車床采用專門為華中數控系統配套設計開發的20路輸入16路輸出的信號轉接板，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，標號為“24VE”）采用集中供電，當系統啟動時接通。其中的“允許運行”、“伺服復位”和“刀架、主軸、冷卻”等信號，其對應的輸入輸出點如圖5、圖6所示（P型為高電平有效，N型為低電平有效）。

圖4　伺服驅動控制電路

圖5　輸入端子接口板

（5）系統整機上電過程。機床總電源開關閉合——啟動電路的24V直流電源接通，同時三相220V、110V電源變壓器接入——按下數控系統“啟動”按鈕——K A0繼電器線圈通電并自鎖——主觸點接通24VE電源——數控系統啟動及輸入輸出（I/O）端口板與伺服系統模塊24VE電源上電——伺服系統自檢無故障時將“READY”信號（線號443）通過PLC X2.5送入CNC系統，CNC系統同時檢測主軸報警信號（PLC X3.0）是否正常，外部“允許運行”信號是否正常（±X、±Z開關未被按下，操作面板上的“急?！卑粹o未被按下，主電動機的散熱風扇正常接入，此時的KA28繼電器線圈通電且主觸點閉合，即“急?；芈锋湣闭＃?，三相信號確認無誤——CNC系統向伺服驅動器通過PLC Y0.2發送“使能信號”，同時通過PLC Y0.0發送“允許運行”信號有效——KA20繼電器線圈通電——KM0接觸器通電并自鎖——伺服系統三相220V交流電

源接入，同時刀架、冷卻電路所需的110V交流電源接通——啟動完畢。

圖6　輸出端子接口板

3. 維修實例

下面結合兩例具體實例，闡述如何根據電氣控制原理進行排除故障的過程。

（1）事例1：“急?！惫收?。

故障現象：沈陽華中數控系統CAK36S型數控車床，打開機床電源，啟動系統后，出現“急?！眻缶?，如圖7所示。

故障分析：“急?！惫收峡梢杂捎布?，也可以由軟件引起，硬件往往會發生在“急?；芈锋湣鄙?，而軟件引起一般是因為PLC配置文件損壞、丟失，或者是人為誤操作，修改了與實際硬件不符的配置等。經過詢問機床操作人員，并未有其他人員接觸過該機床，通過查看PLC配置文件，確定配置正確無誤，與實際硬件設置相符一致，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?！笨刂齐娐吩矸治龅弥?，硬件“急?；芈锋湣敝饕蒟軸與Z軸的正負限位行程開關、操作面板的“急?！卑粹o、接通主軸電動機風扇電源的空氣開關輔助觸點QF0和KA28中間繼電器的線圈與觸點等組成。為了盡快判斷故障部位，先按下“超程解除”按鈕SB7，結果機床“急?！睜顟B時而“有效”，時而“解除”，很不穩定，說明±X、±Z的限位行程開關及連線存在故障，且其他相關電路存在“接觸不良”問題。

首先檢測±X、±Z的限位行程開關，通過觀察，發現X軸正向限位行程開關按鈕被加工過的切屑卡住，使其不能復位彈起，對其清除后，行程開關工作正常。

然后再根據“急?；芈锋湣钡慕M成繼續進行檢查，發現在QF0觸點閉合、KA28繼電器線圈正常通電的情況下，查看PLC的“輸入輸出”菜單項卻發現“允許運行 ”（X2.4）信號“無效”，至此，可以判斷在KA28繼電器的觸點與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，最終發現是連接至系統輸入端子板的“圓柱形”導線插頭（線號441，即X2.4的輸入信號線）松動，且表面已經出現銹跡，屬于“接觸不良”所致，更換同型號的新插頭，重新安裝、旋緊螺釘，開機后一切正常，故障排除。

心得體會：維修的依據是電氣原理圖，本事例中采用的是“逐一排查”的方法，這種方法對于初學者非常值得推薦，而且效果良好，唯一不足之處是比較“耗時”。當然，如果有了比較豐富的經驗，可以首先查看PLC的“輸入狀態”，然后再結合判斷KA28中間繼電器是否通電（可以通過指示燈是否點亮判斷）、觸點是否閉合及按下“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：伺服驅動器不能上電故障。

故障現象：沈陽華中數控系統CAK36S型數控車床，打開機床電源，啟動系統后，出現“急?！眻缶?，且顯示報警信息：“P L C提示：伺服電源模塊報警”。

故障分析：“急?！惫收习l生的原因在事例1中已經詳細闡述，結合當前的報警提示信息，此故障應當是伺服驅動器沒能正確上電，不滿足運行條件所致，如果系統正常啟動，伺服驅動器工作正常了，“急?！惫收峡赡?/p>

會隨之“消失”。據此分析，“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能完成，導致“急?！?。所以，排查的重點應該放在“伺服上電”及其相關的電路上。

圖8　伺服驅動器不能正常工作故障檢查流程圖

故障診斷：系統整機上電的原理過程前已述及，伺服驅動器不能正常工作故障的檢查流程如圖8所示。

按圖8所示流程進行檢查（因為已有提示信息，“伺服電源模塊報警”，所以可以直接從第2個菱形框開始。），當檢查到KA20中間繼電器時，發現其線圈通電情況良好，但其觸點并未閉合，關閉數控系統及機床電源，把KA20中間繼電器從繼電器插座中拔出，進行單獨檢查，發現觸點已經燒毀、變形，這樣導致KA20中間繼電器線圈雖已經通電，但控制信號并未能得到很好地傳遞，KM0接觸器的觸點并未閉合，伺服驅動器的三相220V電源也不會被接通，最終導致“上電失敗”。

更換同型號的KA20中間繼電器，重新插入繼電器插座，接通機床電源，啟動系統，一切正常，故障排除。

心得體會：此類故障現象往往給人的感覺是“綜合故障”，實際上也確實存在“綜合故障”的可能，但維修的一個重要原則之一是：“由簡單到復雜，由表及里”。本事例中，伺服上電問題解決了，“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的輸入輸出信號狀態，就可以很快地鎖定故障部位的范圍。

4. 結語

數控車床是數控機床中一種結構較為簡單的機床，同時也是維修初學者首選的“入門級”機床。本文雖是以華中數控為例，但“基本思路”是相通的，對于其他系統也同樣適用，通過本文的敘述，旨在使初學者能夠掌握其基本“理念”，盡快入門：即首先必須掌握宏觀整體概念，比如數控機床的整體組成框圖，各組成部分的功能與意義等；其次要對各部分組成電路進行仔細地研讀，了解各信號的“來龍去脈”，意義與作用。

對于數控機床的工作過程，不但要“知其然”，而且還要“知其所以然”，只有“熟知”了“工作原理”，才有可能對機床進行維修，當然，要真正達到其目的，還要我們不斷地在實踐中進行多觀察、多記錄，勤于思考，善于實踐，只有這樣，才可能對機床的工作過程 “了如指掌”，為以后能夠從事數控機床的維修、維護工作奠定必要的基礎。

參考文獻：

[1] 沈陽第一機床廠技術中心. 沈陽華中數控系統CAK36S型數控車床電氣原理圖[E]. 沈陽：沈陽第一機床廠，2012.

[2] 華中數控有限公司. 世紀星數控裝置連接說明書[E]. 武漢：華中數控有限公司，2010.

[3] 華中數控有限公司. HSV-16交流伺服驅動系統說明書[E]. 武漢：華中數控有限公司，2010.

收稿日期：（20150227）