数控机床控制及故障诊断系统分析与实现

【摘要】数控机床是典型的机电一体化系统，随着数控技术的迅速发展，数控机床的普及逐渐成为机械行业的潮流。文章首先介绍了数控机床的发展及特点，分析了数控机床的控制系统，最后提出数控机床的故障诊断系统，希冀能够帮助维修人员诊断故障、丰富故障诊断知识库，提高维修人员的诊断效率。

【关键词】数控机床；控制系统；故障；诊断系统

数控机床是典型的机电一体化系统，随着数控技术的迅速发展，数控机床的普及逐渐成为机械行业的潮流。这对数控机床制造行业在研发、生产、维护等方面以及如何提高效率、提高质量提出了越来越高的要求。因此，对数控机床的控制系统和故障诊断系统的研究和分析就显得尤为必要。通过对数控机床的控制系统的分析以及对其故障诊断系统的设计与实现能有效提高数控机床的运行效率。

一、数控机床的发展及特点

早在20世纪40年代的机械工程师就提出用数字控制技术进行机械加工的思想，1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美、日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近40年来，微处理机数控系统的数控机床得到了飞速发展和广泛应用，第五代数控系统也应运而生。随着计算机以及科学技术的不断发展，数控机床控制系统呈现出网络化和智能化的新特点：一、数控系统向网络化方向发展。新一代数控系统采用开放式体系结构，利用PC机丰富的软硬件资源，使数控系统具有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性，并向智能化和网络化方向大大发展，新一代数控系统技术水平大大提高，促进了数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，使柔性自动化加工技术水平不断提高。二、数控系统向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的渗透发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面更加友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并优化调整参数。

二、数控机床的控制系统分析

数控机床的控制系统分为三个部分：机床的电气控制、机床的PMC顺序控制和机床的运动伺服控制。

（一）机床的电气控制

机床利用数控CNC系统，配置数控伺服放大器组合模块，控制数控交流主轴和伺服电机，利用电机编码器实现了闭环和半闭环控制；在主水箱配置自动排屑机和大功率送水泵，在纸带过滤水箱配置主轴中心出水、机床冲洗、切削冲洗、排屑机冲洗水粟和液位、压力控制系统，通过PMC实现了顺序控制。对于刀臂旋转马达，采用变频器驱动，利用数控256位绝对式编码器检测旋转位置，通过PMC程序控制换刀动作。对于各油压泵、水泵等的控制均采用接触器通过PMC程序控制。各电磁阀、继电器和传感器、按钮开关等的信号线经过I/O Link系统连接到CNC，通过PMC程序控制机床的各个动作。

（二）机床的PMC顺序控制

对机床的PMC一级程序的控制：首先对润滑油的压力和液位以及气压进行检测，并借助计时器和计数器给出相应报警，接下来对程序类别和门开请求进行设置，并设置主轴暂停转动和恢复转动的条件和命令，再对急停信号、伺服就绪、节能模式和各轴正、负方向运动等进行处理。接着对ATC刀臂位置编码器信号进行译码、处理，判断刀臂在不同运动模式下的位置区域，從而给出相应的动作指令，并对刀臂的运动状态进行判断，给出相应的报警信。对机床的PMC二级程序的控制主要包括工作模式设置、M/S/T指令处理、加工程序运行处理、安全保护设置、主轴运动处理、进给轴运动处理、刀库和ATC动作处理、附加装置处理等子程序段。

（三）机床的运动伺服控制

进给伺服系统的设置首先要进行伺服参数的初始设定，需确认以下信息：NC的机型名称，伺服电机的型号名称，电机内置的脉冲编码器的种类，分离式位置检测器的有无，电机每转一圈的机床移动量，机床的检测单位，NC的指令单位等。对于主轴伺服系统的设置，首先进行与主轴相关的CNC型号、主轴电机、共用电源、主轴放大器、检测器系统等的规格确认，进行电气连接的确认，进行PMC梯形程序的准备和确认；接着确认在使用a i系列串行主轴时的CNC参数设定，进行a i系列串行主轴参数的自动初始设定处理；最后设定与检测器相关的参数，确认检测器的反馈信号波形。

三、数控机床的故障诊断系统分析

数控机床是综合应用微电子、计算机、自动控制、自动检测、液压传动和精密机械等技术的最新成果而发展起来的新型机械加工设备。它的发展趋势是工序集中、高速、高效、高精度以及使用方便、可靠性高。要达到这些要求，就需要对机床的维护保养、日常检查、故障诊断等复杂、有效的工作。在生产过程中，数控机床频繁地发生故障，必然影响产品的加工质量和生产效率，影响数控机床效益的发挥。因此，必须对出现的故障进行广泛深入的研究，找出其原因和规律，不断积累经验，采取有效措施，对故障进行预防、预测，建立一套排除故障的有效方法。数控机床的有些故障可以根据故障现象和机床电气原理图，查看PLC的相关输入输出状态即可诊断故障。但这需要有关人员对于设备的电气控制等比较熟悉，而且很多故障也不能完全根据顺序控制程序加以诊断排除，这就对相关人员提出了比较高的要求，需要维修的相关人员具备多方面的故障诊断知识，做出合适的诊断故障，并采取相应的故障排除措施。通过利用数据库技术和面向对象编程技术，将设备故障诊断和维修等知识系统的组织成知识库，通过数据库应用程序实现了故障的诊断查询、故障树分析、故障树管理等功能，帮助维修人员不断提高维修水平，丰富完善知识库。

参考文献

[1]杜国臣，王士军.机床数控技术[M].中国林业出版社，北京大学出版社，2006，8.

[2]邓三鹏.数控机床结构及维修[M].国防工业出版社，2008，1.

[3]韦清等.数控加工过程质量控制的关键环节研究[J].现代制造工程，2014（06），58-63.

作者简介

王虞锦（1988-），男，福建福州人，福建理工学校机械专业教学部教师，主要从事机械原理、数控编程、数控机床维修等相关知识的教学研究。