数控车床电气控制原理解析及维修实例

■华北机电学校 （山西长治 046000） 焦连岷■山西澳瑞特健康产业股份有限公司 （长治 046000） 毕长平

数控车床电气控制原理解析及维修实例

■华北机电学校 （山西长治 046000） 焦连岷
■山西澳瑞特健康产业股份有限公司 （长治 046000） 毕长平

摘要：详细阐述了沈阳华中数控CAK36S型数控车床主要电路的电气控制原理，包括整机框图控制原理、系统启动控制电路、急停控制电路、伺服驱动控制电路、输入输出端口控制电路和系统整机上电过程等；列举了“急停”和“伺服驱动器不能上电”两种故障实例，详尽论述了故障排除的思路与过程。

随着制造业的发展，数控机床日益普及，然而，维修人员的紧缺成为制约数控技术发展的“瓶颈”，特别是数控机床的维修涉及机械、电气、液压、气动及计算机等多门学科知识，令初学者“望而却步”。数控机床故障发生率较高的还是“电气故障”，笔者结合自己多年从事数控机床维修和教学的实际经验，以沈阳“华中”数控车床为例，对其控制原理做一些剖析与讲解，并列举两例维修实例加以说明，以便维修初学者快速入门。

1. 数控机床电气控制组成框图及工作原理

数控机床电气控制组成框图如图1所示，主要由CNC数控系统，X、Z及主轴驱动模块与其反馈检测装置，PLC控制模块，输入输出（I/O）信号接口模块，相关的键盘、显示与通信控制等电路组成。

工作过程：用户首先通过手工或自动编程的方式，将工件的几何、工艺信息编制成机床所能识别的加工程序，然后由输入装

置将其输入至数控系统，数控系统将指令经过译码运算、处理，根据指令描述轮廓的信息，把其转换成相应主轴、伺服轴位置轮廓的驱动信号，随后再经过各轴的伺服驱动、放大，驱动执行装置（电动机），转换成对应的旋转或直线运动，同时通过反馈检测环节的检测，配合“现场”信号的状态，对输出控制信号不断加以及时调整、修正，最终使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照程序规定的加工顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的预定轮廓。

图1　数控机床电气控制组成框图

2. 机床电气控制电路组成与原理

本文以沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床为例，详细介绍其主要部分电路的控制原理（限于篇幅，主轴控制电路、刀架控制电路等，将在后续的文章中陆续介绍）。

（1）系统启动控制电路。启动电路主要完成数控系统及外围电路的自检与上电工作。数控机床的启动电路如图2所示，主要由启动按钮SB2，停止按钮SB1，启动继电器KA0等组成。

工作过程：当机床总电源的空气开关闭合后，24V电源将有输出，此时按下启动按钮SB2，KA0通过SB1常闭触点通电并自锁，同时KA0主触点接通数控系统的24V电源，I/O端子板、伺服驱动等24V所需电源，为后续的启动做必要的条件准备。其中，并接在KA0两端的二极管是在KA0断开的瞬间提供感应高压的泄放回路，即起到“续流”的作用，从而保护了与KA0继电器线圈相连的外围电路（尤其是数控系统，后续电路同）。

（2）急停控制电路。急停回路的设置是当机床处于“紧急”状况下，系统能够立即处于“急停”状态，以防事故进一步扩大，操作人员按下“急停”按钮和系统根据“现场”情况可以进入“急停”状态。进入“急停”状态后，数控机床的主轴、伺服轴立即紧急制动并迅速断电，且处于“锁死”状态，直到故障排除或“急停”状态解除。

急停控制电路如图3所示，其中，SB7为“超程解除”按钮，Q3～Q6分别为Z轴+Z向、-Z向，X轴+X向、-X向超程限位开关，QF0为主轴电动机散热风扇的空气开关辅助触点，以确保主电动机风扇通电的情况下才可正常启动系统。另ES1和ES3引脚之间是外接“急停按钮”。

图2　启动电路

图3　急停控制回路

工作原理：当X、Z轴的行程在规定的“有效区域”，即Q3～Q6任意一个行程开关没有被压下，致使其断开，操作面板的“急停按钮”未被按下（按下后断开），同时主电动机散热风扇通电（电动机可以很好的散热，不会被烧毁），此时，KA28继电器方可通电，主触点闭合（连接至图5输入端口板的X2.4），“允许运行”信号有效。

当Q3～Q6其中任意一个行程开关一旦被压下（即X、Z轴在任意一个方向超程）或QF0断开，KA28继电器都会断电，“允许运行”信号无效，系统处于“急停”状态。

“超程解除”按钮是当X、Z轴在任意一个方向超程时，为了使系统“解除急停”状态，可以通过手动按下操作面板上的“超程解除”按钮，强制使KA28通电，“允许运行”信号有效，机床处于“临时正常”状态，而此时按下对应超程轴的反方向运动手动按钮，可使超程轴移动至“有效区域”，行程开关被“松开”后，系统的“急停”状态被解除（即使松开“超程解除”按钮）。

（3）伺服驱动电路。伺服驱动的主要功能是接受数控系统的基本指令信息，并对功率进行提升，从而通过进给机构，把数控系统的“基本命令”转换成“对

应的动作”。对伺服驱动的基本要求是“稳定性”、“准确性”和“快速性”，即系统首先应该是“稳定”的系统，其次是系统的响应时间要短，动作速度要快，且要保证足够的控制精度。

伺服驱动电路如图4所示（限于篇幅，编码器的反馈信号及与数控系统连接的命令信号线并未画出），“复位”、“使能”信号分别来自数控系统PLC的Y0.1 和Y0.2（线号593和595），X轴的“READY”信号与Z轴的“故障”输入信号相连，形成“级联连锁”控制，最后连接至数控系统PLC的X2.5，即作为“伺服准备”信号（线号443）输入系统；24V直流电源在系统启动时加载，为后续加载三相220V强电做准备；伺服上电完成的必要条件除了内部检测“无故障”，“使能”信号有效外，另外一个重要的条件是KA20继电器通电，主触点闭合，KM0接触器线圈通电，主触点接通三相交流220V电源（KA20继电器通电的过程后面详细叙述）。

（4）输入输出端口控制电路。I/O接口电路是连接数控系统与外围电路的桥梁，主要起信号“转换”、“匹配”、“隔离”、“信号线延伸”和“转接”等作用。CAK36S型数控车床采用专门为华中数控系统配套设计开发的20路输入16路输出的信号转接板，其端口类型分P型和N型，图5是输入端子接口板电路图，图6是输出端子接口板电路图，电源（直流电压24V，标号为“24VE”）采用集中供电，当系统启动时接通。其中的“允许运行”、“伺服复位”和“刀架、主轴、冷却”等信号，其对应的输入输出点如图5、图6所示（P型为高电平有效，N型为低电平有效）。

图4　伺服驱动控制电路

图5　输入端子接口板

（5）系统整机上电过程。机床总电源开关闭合——启动电路的24V直流电源接通，同时三相220V、110V电源变压器接入——按下数控系统“启动”按钮——K A0继电器线圈通电并自锁——主触点接通24VE电源——数控系统启动及输入输出（I/O）端口板与伺服系统模块24VE电源上电——伺服系统自检无故障时将“READY”信号（线号443）通过PLC X2.5送入CNC系统，CNC系统同时检测主轴报警信号（PLC X3.0）是否正常，外部“允许运行”信号是否正常（±X、±Z开关未被按下，操作面板上的“急停”按钮未被按下，主电动机的散热风扇正常接入，此时的KA28继电器线圈通电且主触点闭合，即“急停回路链”正常），三相信号确认无误——CNC系统向伺服驱动器通过PLC Y0.2发送“使能信号”，同时通过PLC Y0.0发送“允许运行”信号有效——KA20继电器线圈通电——KM0接触器通电并自锁——伺服系统三相220V交流电

源接入，同时刀架、冷却电路所需的110V交流电源接通——启动完毕。

图6　输出端子接口板

3. 维修实例

下面结合两例具体实例，阐述如何根据电气控制原理进行排除故障的过程。

（1）事例1：“急停”故障。

故障现象：沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床，打开机床电源，启动系统后，出现“急停”报警，如图7所示。

故障分析：“急停”故障可以由硬件引起，也可以由软件引起，硬件往往会发生在“急停回路链”上，而软件引起一般是因为PLC配置文件损坏、丢失，或者是人为误操作，修改了与实际硬件不符的配置等。经过询问机床操作人员，并未有其他人员接触过该机床，通过查看PLC配置文件，确定配置正确无误，与实际硬件设置相符一致，因此，此故障定性为“硬件”故障。

图7　“急停”故障画面

故障诊断：由“急停”控制电路原理分析得知，硬件“急停回路链”主要由X轴与Z轴的正负限位行程开关、操作面板的“急停”按钮、接通主轴电动机风扇电源的空气开关辅助触点QF0和KA28中间继电器的线圈与触点等组成。为了尽快判断故障部位，先按下“超程解除”按钮SB7，结果机床“急停”状态时而“有效”，时而“解除”，很不稳定，说明±X、±Z的限位行程开关及连线存在故障，且其他相关电路存在“接触不良”问题。

首先检测±X、±Z的限位行程开关，通过观察，发现X轴正向限位行程开关按钮被加工过的切屑卡住，使其不能复位弹起，对其清除后，行程开关工作正常。

然后再根据“急停回路链”的组成继续进行检查，发现在QF0触点闭合、KA28继电器线圈正常通电的情况下，查看PLC的“输入输出”菜单项却发现“允许运行 ”（X2.4）信号“无效”，至此，可以判断在KA28继电器的触点与PLC的输入端口之间存在“接触不良”的故障。

就此电路逐一检查，最终发现是连接至系统输入端子板的“圆柱形”导线插头（线号441，即X2.4的输入信号线）松动，且表面已经出现锈迹，属于“接触不良”所致，更换同型号的新插头，重新安装、旋紧螺钉，开机后一切正常，故障排除。

心得体会：维修的依据是电气原理图，本事例中采用的是“逐一排查”的方法，这种方法对于初学者非常值得推荐，而且效果良好，唯一不足之处是比较“耗时”。当然，如果有了比较丰富的经验，可以首先查看PLC的“输入状态”，然后再结合判断KA28中间继电器是否通电（可以通过指示灯是否点亮判断）、触点是否闭合及按下“超程解除”按钮后故障是否能够解除，很快判断出故障部位。

（2）事例2：伺服驱动器不能上电故障。

故障现象：沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床，打开机床电源，启动系统后，出现“急停”报警，且显示报警信息：“P L C提示：伺服电源模块报警”。

故障分析：“急停”故障发生的原因在事例1中已经详细阐述，结合当前的报警提示信息，此故障应当是伺服驱动器没能正确上电，不满足运行条件所致，如果系统正常启动，伺服驱动器工作正常了，“急停”故障可能

会随之“消失”。据此分析，“急停”故障很可能是“表面假象”，真正的故障原因是伺服上电没能完成，导致“急停”。所以，排查的重点应该放在“伺服上电”及其相关的电路上。

图8　伺服驱动器不能正常工作故障检查流程图

故障诊断：系统整机上电的原理过程前已述及，伺服驱动器不能正常工作故障的检查流程如图8所示。

按图8所示流程进行检查（因为已有提示信息，“伺服电源模块报警”，所以可以直接从第2个菱形框开始。），当检查到KA20中间继电器时，发现其线圈通电情况良好，但其触点并未闭合，关闭数控系统及机床电源，把KA20中间继电器从继电器插座中拔出，进行单独检查，发现触点已经烧毁、变形，这样导致KA20中间继电器线圈虽已经通电，但控制信号并未能得到很好地传递，KM0接触器的触点并未闭合，伺服驱动器的三相220V电源也不会被接通，最终导致“上电失败”。

更换同型号的KA20中间继电器，重新插入继电器插座，接通机床电源，启动系统，一切正常，故障排除。

心得体会：此类故障现象往往给人的感觉是“综合故障”，实际上也确实存在“综合故障”的可能，但维修的一个重要原则之一是：“由简单到复杂，由表及里”。本事例中，伺服上电问题解决了，“急停”故障也消除了。在维修前，如果多注意观察一下KA20继电器的线圈通电指示灯情况、KM0接触器吸合情况及PLC的输入输出信号状态，就可以很快地锁定故障部位的范围。

4. 结语

数控车床是数控机床中一种结构较为简单的机床，同时也是维修初学者首选的“入门级”机床。本文虽是以华中数控为例，但“基本思路”是相通的，对于其他系统也同样适用，通过本文的叙述，旨在使初学者能够掌握其基本“理念”，尽快入门：即首先必须掌握宏观整体概念，比如数控机床的整体组成框图，各组成部分的功能与意义等；其次要对各部分组成电路进行仔细地研读，了解各信号的“来龙去脉”，意义与作用。

对于数控机床的工作过程，不但要“知其然”，而且还要“知其所以然”，只有“熟知”了“工作原理”，才有可能对机床进行维修，当然，要真正达到其目的，还要我们不断地在实践中进行多观察、多记录，勤于思考，善于实践，只有这样，才可能对机床的工作过程 “了如指掌”，为以后能够从事数控机床的维修、维护工作奠定必要的基础。

参考文献：

[1] 沈阳第一机床厂技术中心. 沈阳华中数控系统CAK36S型数控车床电气原理图[E]. 沈阳：沈阳第一机床厂，2012.

[2] 华中数控有限公司. 世纪星数控装置连接说明书[E]. 武汉：华中数控有限公司，2010.

[3] 华中数控有限公司. HSV-16交流伺服驱动系统说明书[E]. 武汉：华中数控有限公司，2010.

收稿日期：（20150227）