我國從事數(shù)控機床電氣設(shè)計、應(yīng)用與維修技術(shù)工作的工程技術(shù)人員數(shù)以萬計，然而由于此項技術(shù)的復(fù)雜性、多樣性和多變性以及一些客觀環(huán)境因素的制約，在數(shù)控機床電氣維修技術(shù)方面還沒有形成一套成熟的、完整的理論體系。當今控制理論與自動化技術(shù)的高速發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的日新月異，使得數(shù)控技術(shù)也在同步飛速發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式上的PC基、開放化和性能上的多樣化、復(fù)雜化、高智能化不僅給其應(yīng)用從觀念到實踐帶來了巨大變化，也在其維修理論、技術(shù)和手段上帶來了很大的變化。因此，一篇講座形式的文章不可能把已經(jīng)形成了一門專門學(xué)科的數(shù)控機床電氣維修技術(shù)理論完整地表述出來，本文僅是將多年的實踐探索及業(yè)內(nèi)眾同仁的經(jīng)驗總結(jié)加以適當?shù)臍w納整理，以求對該學(xué)科理論的發(fā)展及工程技術(shù)人員的實踐有所裨益。
談到維修，首先必須從總體上了解我們的維修對象。
1.數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)綜述
(1)數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(已很少使用)，3.5in軟盤驅(qū)動器，CNC鍵盤(一般輸入操作)，數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅(qū)動裝置(用于大量數(shù)據(jù)的存儲保護)、磁帶機(較少使用)、PC計算機等等。
(2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發(fā)出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結(jié)束。
數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按規(guī)定操作，而日常的維護則主要是對硬件使用環(huán)境的保護和防止系統(tǒng)軟件的破壞。
(3)可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協(xié)調(diào)有序地安全運行;同時將來自機床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時準確地發(fā)出進一步的控制指令，如此實現(xiàn)對整個機床的控制。
當代PLC多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進行實時監(jiān)控，根據(jù)各接口信號的現(xiàn)時狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。不同廠商的PLC有不同的PLC語言和不同的語言表達形式，因此，力求熟悉某一機床PLC程序的前提是先熟悉該機床的PLC語言。
(4)主軸驅(qū)動系統(tǒng)接受來自CNC的驅(qū)動指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動主電動機轉(zhuǎn)動，同時接受速度反饋實施速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種現(xiàn)實工作狀態(tài)通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。
主軸驅(qū)動系統(tǒng)自身有許多參數(shù)設(shè)定，這些參數(shù)直接影響主軸的轉(zhuǎn)動特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動機規(guī)格的參數(shù)等，有些是可根據(jù)運行狀態(tài)加以調(diào)改的，例如零漂等。通常CNC中也設(shè)有主軸相關(guān)的機床數(shù)據(jù)，并且與主軸驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)作用相同，因此要注意二者取一，切勿沖突。
(5)進給伺服系統(tǒng)接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流(轉(zhuǎn)矩)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環(huán)控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現(xiàn)時工作狀態(tài)并接受CNC的控制。
進給伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的正確調(diào)節(jié)是最重要的，應(yīng)該在位置開環(huán)的條件下作最佳化調(diào)節(jié)，既不過沖又要保持一定的硬特性。它受機床坐標軸機械特性的制約，一旦導(dǎo)軌和機械傳動鏈的狀態(tài)發(fā)生變化，就需重調(diào)速度環(huán)調(diào)節(jié)器。
(6)電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強大，電器硬件電路主要任務(wù)是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執(zhí)行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進口機床柜中還有使用自含一定邏輯控制的專用組合型繼電器的情況，一旦這類元件出現(xiàn)故障，除了更換之外，還可以將其去除而由PLC邏輯取而代之，但是這不僅需要對該專用電器的工作原理有清楚的了解，還要對機床的PLC語言與程序深入掌握才行。
(7)機床(電器部分)包括所有的電動機、電磁閥、制動器、各種開關(guān)等。它們是實現(xiàn)機床各種動作的執(zhí)行者和機床各種現(xiàn)實狀態(tài)的報告員。這里可能的主要故障多數(shù)屬于電器件自身的損壞和連接電線、電纜的脫開或斷裂。
(8)速度測量通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉(zhuǎn)速匹配成電壓值送回伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現(xiàn)速度的精確控制。
這里應(yīng)注意測速反饋電壓的匹配聯(lián)接，并且不要拆卸測速機。由此引起的速度失控多是由于測速反饋線接反或者斷線所致。
(9)位置測量較早期的機床使用直線或圓形同步感應(yīng)器或者旋轉(zhuǎn)變壓器，而現(xiàn)代機床多采用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機床坐標軸在運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標軸到達指令位置，從而實現(xiàn)對位置的精確控制。
位置環(huán)可能出現(xiàn)的故障多為硬件故障，例如位置測量元件受到污染，導(dǎo)線連接故障等。
(10)外部設(shè)備一般指PC計算機、打印機等輸出設(shè)備，多數(shù)不屬于機床的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。
2.數(shù)控機床運動坐標的電氣控制
數(shù)控機床一個運動坐標的電氣控制由電流(轉(zhuǎn)矩)控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)串聯(lián)組成。
(1)電流環(huán)是為伺服電機提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成，因此不需接線與調(diào)整。
(2)速度環(huán)是控制電動機轉(zhuǎn)速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調(diào)節(jié)器是比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動坐標軸的負載大小和機械傳動系統(tǒng)(導(dǎo)軌、傳動機構(gòu))的傳動剛度與傳動間隙等機械特性，一旦這些特性發(fā)生明顯變化時，首先需要對機械傳動系統(tǒng)進行修復(fù)工作，然后重新調(diào)整速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
速度環(huán)的最佳調(diào)節(jié)是在位置環(huán)開環(huán)的條件下才能完成的，這對于水平運動的坐標軸和轉(zhuǎn)動坐標軸較容易進行，而對于垂向運動坐標軸則位置開環(huán)時會自動下落而發(fā)生危險，可以采取先摘下電動機空載調(diào)整，然后再裝好電動機與位置環(huán)一起調(diào)整或者直接帶位置環(huán)一起調(diào)整，這時需要有一定的經(jīng)驗和細心。
速度環(huán)的反饋環(huán)節(jié)見前面“速度測量”一節(jié)。
(3)位置環(huán)是控制各坐標軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：
一是位置測量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發(fā)出的脈沖數(shù)目經(jīng)過外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符。例如位置測量元件10脈沖/mm，數(shù)控系統(tǒng)分辨率即脈沖當量為0.001mm，則測量元件送出的脈沖必須經(jīng)過100倍頻方可匹配。
二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。通常Kv值是作為機床數(shù)據(jù)設(shè)置的，數(shù)控系統(tǒng)中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：Kv=v/Δ式中v——坐標運行速度，m/minΔ——跟蹤誤差，mm
注意，不同的數(shù)控系統(tǒng)采用的單位可能不同，設(shè)置時要注意數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的單位。例如，坐標運行速度的單位是m/min，則Kv值單位為m/(mm·min)，若v的單位為mm/s，則Kv的單位應(yīng)為mm/(mm·s)。其次要滿足各聯(lián)動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。
位置反饋(參見上節(jié)“位置測量”)有三種情況：一種是沒有位置測量元件，為位置開環(huán)控制即無位置反饋，步進電機驅(qū)動一般即為開環(huán);一種是半閉環(huán)控制，即位置測量元件不在坐標軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環(huán)節(jié)在位置閉環(huán)控制之外，這種情況要求環(huán)外傳動部分應(yīng)有相當?shù)膫鲃觿偠群蛡鲃泳?，加入反向間隙補償和螺距誤差補償之后，可以得到很高的位置控制精度;第三種是全閉環(huán)控制，即位置測量元件安裝在坐標軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機械傳動系統(tǒng)的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴重影響兩坐標的動態(tài)精度，而使得機床只能在降低速度環(huán)和位置精度的情況下工作。影響全閉環(huán)控制精度的另一個重要問題是測量元件的精確安裝問題，千萬不可輕視。
(4)前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預(yù)加到后面的調(diào)節(jié)電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態(tài)響應(yīng)特性從而提高位置控制精度。因為多數(shù)機床沒有設(shè)此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個控制環(huán)均最佳調(diào)試完畢后方可進行。
談到維修，首先必須從總體上了解我們的維修對象。
1.數(shù)控機床電氣控制系統(tǒng)綜述
(1)數(shù)據(jù)輸入裝置將指令信息和各種應(yīng)用數(shù)據(jù)輸入數(shù)控系統(tǒng)的必要裝置。它可以是穿孔帶閱讀機(已很少使用)，3.5in軟盤驅(qū)動器，CNC鍵盤(一般輸入操作)，數(shù)控系統(tǒng)配備的硬盤及驅(qū)動裝置(用于大量數(shù)據(jù)的存儲保護)、磁帶機(較少使用)、PC計算機等等。
(2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控機床的中樞，它將接到的全部功能指令進行解碼、運算，然后有序地發(fā)出各種需要的運動指令和各種機床功能的控制指令，直至運動和功能結(jié)束。
數(shù)控系統(tǒng)都有很完善的自診斷能力，日常使用中更多地是要注意嚴格按規(guī)定操作，而日常的維護則主要是對硬件使用環(huán)境的保護和防止系統(tǒng)軟件的破壞。
(3)可編程邏輯控制器是機床各項功能的邏輯控制中心。它將來自CNC的各種運動及功能指令進行邏輯排序，使它們能夠準確地、協(xié)調(diào)有序地安全運行;同時將來自機床的各種信息及工作狀態(tài)傳送給CNC，使CNC能及時準確地發(fā)出進一步的控制指令，如此實現(xiàn)對整個機床的控制。
當代PLC多集成于數(shù)控系統(tǒng)中，這主要是指控制軟件的集成化，而PLC硬件則在規(guī)模較大的系統(tǒng)中往往采取分布式結(jié)構(gòu)。PLC與CNC的集成是采取軟件接口實現(xiàn)的，一般系統(tǒng)都是將二者間各種通信信息分別指定其固定的存放地址，由系統(tǒng)對所有地址的信息狀態(tài)進行實時監(jiān)控，根據(jù)各接口信號的現(xiàn)時狀態(tài)加以分析判斷，據(jù)此作出進一步的控制命令，完成對運動或功能的控制。不同廠商的PLC有不同的PLC語言和不同的語言表達形式，因此，力求熟悉某一機床PLC程序的前提是先熟悉該機床的PLC語言。
(4)主軸驅(qū)動系統(tǒng)接受來自CNC的驅(qū)動指令，經(jīng)速度與轉(zhuǎn)矩(功率)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動主電動機轉(zhuǎn)動，同時接受速度反饋實施速度閉環(huán)控制。它還通過PLC將主軸的各種現(xiàn)實工作狀態(tài)通告CNC用以完成對主軸的各項功能控制。
主軸驅(qū)動系統(tǒng)自身有許多參數(shù)設(shè)定，這些參數(shù)直接影響主軸的轉(zhuǎn)動特性，其中有些不可丟失或改變的，例如指示電動機規(guī)格的參數(shù)等，有些是可根據(jù)運行狀態(tài)加以調(diào)改的，例如零漂等。通常CNC中也設(shè)有主軸相關(guān)的機床數(shù)據(jù)，并且與主軸驅(qū)動系統(tǒng)的參數(shù)作用相同，因此要注意二者取一，切勿沖突。
(5)進給伺服系統(tǒng)接受來自CNC對每個運動坐標軸分別提供的速度指令，經(jīng)速度與電流(轉(zhuǎn)矩)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動信號驅(qū)動伺服電機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)機床坐標軸運動，同時接受速度反饋信號實施速度閉環(huán)控制。它也通過PLC與CNC通信，通報現(xiàn)時工作狀態(tài)并接受CNC的控制。
進給伺服系統(tǒng)速度調(diào)節(jié)器的正確調(diào)節(jié)是最重要的，應(yīng)該在位置開環(huán)的條件下作最佳化調(diào)節(jié)，既不過沖又要保持一定的硬特性。它受機床坐標軸機械特性的制約，一旦導(dǎo)軌和機械傳動鏈的狀態(tài)發(fā)生變化，就需重調(diào)速度環(huán)調(diào)節(jié)器。
(6)電器硬件電路隨著PLC功能的不斷強大，電器硬件電路主要任務(wù)是電源的生成與控制電路、隔離繼電器部分及各類執(zhí)行電器(繼電器、接觸器)，很少還有繼電器邏輯電路的存在。但是一些進口機床柜中還有使用自含一定邏輯控制的專用組合型繼電器的情況，一旦這類元件出現(xiàn)故障，除了更換之外，還可以將其去除而由PLC邏輯取而代之，但是這不僅需要對該專用電器的工作原理有清楚的了解，還要對機床的PLC語言與程序深入掌握才行。
(7)機床(電器部分)包括所有的電動機、電磁閥、制動器、各種開關(guān)等。它們是實現(xiàn)機床各種動作的執(zhí)行者和機床各種現(xiàn)實狀態(tài)的報告員。這里可能的主要故障多數(shù)屬于電器件自身的損壞和連接電線、電纜的脫開或斷裂。
(8)速度測量通常由集裝于主軸和進給電動機中的測速機來完成。它將電動機實際轉(zhuǎn)速匹配成電壓值送回伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為速度反饋信號，與指令速度電壓值相比較，從而實現(xiàn)速度的精確控制。
這里應(yīng)注意測速反饋電壓的匹配聯(lián)接，并且不要拆卸測速機。由此引起的速度失控多是由于測速反饋線接反或者斷線所致。
(9)位置測量較早期的機床使用直線或圓形同步感應(yīng)器或者旋轉(zhuǎn)變壓器，而現(xiàn)代機床多采用光柵尺和數(shù)字脈沖編碼器作為位置測量元件。它們對機床坐標軸在運行中的實際位置進行直接或間接的測量，將測量值反饋到CNC并與指令位移相比較直至坐標軸到達指令位置，從而實現(xiàn)對位置的精確控制。
位置環(huán)可能出現(xiàn)的故障多為硬件故障，例如位置測量元件受到污染，導(dǎo)線連接故障等。
(10)外部設(shè)備一般指PC計算機、打印機等輸出設(shè)備，多數(shù)不屬于機床的基本配置。使用中的主要問題與輸入裝置一樣，是匹配問題。
2.數(shù)控機床運動坐標的電氣控制
數(shù)控機床一個運動坐標的電氣控制由電流(轉(zhuǎn)矩)控制環(huán)、速度控制環(huán)和位置控制環(huán)串聯(lián)組成。
(1)電流環(huán)是為伺服電機提供轉(zhuǎn)矩的電路。一般情況下它與電動機的匹配調(diào)節(jié)已由制造者作好了或者指定了相應(yīng)的匹配參數(shù)，其反饋信號也在伺服系統(tǒng)內(nèi)聯(lián)接完成，因此不需接線與調(diào)整。
(2)速度環(huán)是控制電動機轉(zhuǎn)速亦即坐標軸運行速度的電路。速度調(diào)節(jié)器是比例積分(PI)調(diào)節(jié)器，其P、I調(diào)整值完全取決于所驅(qū)動坐標軸的負載大小和機械傳動系統(tǒng)(導(dǎo)軌、傳動機構(gòu))的傳動剛度與傳動間隙等機械特性，一旦這些特性發(fā)生明顯變化時，首先需要對機械傳動系統(tǒng)進行修復(fù)工作，然后重新調(diào)整速度環(huán)PI調(diào)節(jié)器。
速度環(huán)的最佳調(diào)節(jié)是在位置環(huán)開環(huán)的條件下才能完成的，這對于水平運動的坐標軸和轉(zhuǎn)動坐標軸較容易進行，而對于垂向運動坐標軸則位置開環(huán)時會自動下落而發(fā)生危險，可以采取先摘下電動機空載調(diào)整，然后再裝好電動機與位置環(huán)一起調(diào)整或者直接帶位置環(huán)一起調(diào)整，這時需要有一定的經(jīng)驗和細心。
速度環(huán)的反饋環(huán)節(jié)見前面“速度測量”一節(jié)。
(3)位置環(huán)是控制各坐標軸按指令位置精確定位的控制環(huán)節(jié)。位置環(huán)將最終影響坐標軸的位置精度及工作精度。這其中有兩方面的工作：
一是位置測量元件的精度與CNC系統(tǒng)脈沖當量的匹配問題。測量元件單位移動距離發(fā)出的脈沖數(shù)目經(jīng)過外部倍頻電路和/或CNC內(nèi)部倍頻系數(shù)的倍頻后要與數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的分辨率相符。例如位置測量元件10脈沖/mm，數(shù)控系統(tǒng)分辨率即脈沖當量為0.001mm，則測量元件送出的脈沖必須經(jīng)過100倍頻方可匹配。
二是位置環(huán)增益系數(shù)Kv值的正確設(shè)定與調(diào)節(jié)。通常Kv值是作為機床數(shù)據(jù)設(shè)置的，數(shù)控系統(tǒng)中對各個坐標軸分別指定了Kv值的設(shè)置地址和數(shù)值單位。在速度環(huán)最佳化調(diào)節(jié)后Kv值的設(shè)定則成為反映機床性能好壞、影響最終精度的重要因素。Kv值是機床運動坐標自身性能優(yōu)劣的直接表現(xiàn)而并非可以任意放大。關(guān)于Kv值的設(shè)置要注意兩個問題，首先要滿足下列公式：Kv=v/Δ式中v——坐標運行速度，m/minΔ——跟蹤誤差，mm
注意，不同的數(shù)控系統(tǒng)采用的單位可能不同，設(shè)置時要注意數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定的單位。例如，坐標運行速度的單位是m/min，則Kv值單位為m/(mm·min)，若v的單位為mm/s，則Kv的單位應(yīng)為mm/(mm·s)。其次要滿足各聯(lián)動坐標軸的Kv值必須相同，以保證合成運動時的精度。通常是以Kv值最低的坐標軸為準。
位置反饋(參見上節(jié)“位置測量”)有三種情況：一種是沒有位置測量元件，為位置開環(huán)控制即無位置反饋，步進電機驅(qū)動一般即為開環(huán);一種是半閉環(huán)控制，即位置測量元件不在坐標軸最終運動部件上，也就是說還有部分傳動環(huán)節(jié)在位置閉環(huán)控制之外，這種情況要求環(huán)外傳動部分應(yīng)有相當?shù)膫鲃觿偠群蛡鲃泳?，加入反向間隙補償和螺距誤差補償之后，可以得到很高的位置控制精度;第三種是全閉環(huán)控制，即位置測量元件安裝在坐標軸的最終運動部件上，理論上這種控制的位置精度情況最好，但是它對整個機械傳動系統(tǒng)的要求更高而不是低，如若不然，則會嚴重影響兩坐標的動態(tài)精度，而使得機床只能在降低速度環(huán)和位置精度的情況下工作。影響全閉環(huán)控制精度的另一個重要問題是測量元件的精確安裝問題，千萬不可輕視。
(4)前饋控制與反饋相反，它是將指令值取出部分預(yù)加到后面的調(diào)節(jié)電路，其主要作用是減小跟蹤誤差以提高動態(tài)響應(yīng)特性從而提高位置控制精度。因為多數(shù)機床沒有設(shè)此功能，故本文不詳述，只是要注意，前饋的加入必須是在上述三個控制環(huán)均最佳調(diào)試完畢后方可進行。
