数控机床维修改造系列讲座知识.docx
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数控机床维修改造系列讲座知识
数控机床维修改造系列讲座
机床作为工作母机和维修工具，早已成为各个工业领域不可或缺的必要装备。
数控机床的产生与发展，更是制造高质量、高效率、高一致性产品的有力保障。
随着人类社会的飞速发展与进步，各种新材料、新技术、新工艺、新结构、新配件不断涌现，各个领域不断提出新的要求，这一切都使得机床的结构、性能千变万化。
计算机技术的高速发展又使得机床数控系统正在以更短的周期更新。
面对如此的形势，机床制造者在不断努力跟踪时代的步伐，机床的使用者、维修者也要努力跟上。
为使读者及时了解数控机床的技术与知识，加深数控机床使用与维修理念上的认识，组织了此讲座，力图对读者有所帮助。
第1讲一个新兴的工业领域--机床大修与数控化改造
凯普机电一体化工程有限公司（北京100011）刘荫庭
机械制造业在世界经济发展中，作为基础产业，具有重要的地位。
为此，各国的经济学家和企业家在不断探索新形势下的各种先进制造技术及制造业的发展战略。
作为制造业核心的机床制造业则是支柱的基石，是任何行业都不可或缺的。
一、产生与发展的社会、经济基础
（1）我国现有的、数以万计的陈旧、落后的机床是机床大修与数控化改造行业产生的现实基
础我国是一个发展中国家，由于长期自身机制的不适应性，经济实力过低、技术落后、设备陈旧，极大地制约着国民经济的发展。
为尽快改变我国机械制造业的落后状态，近二十多年来，我们在艰难地发展民族机床制造业的同时，
积极地引进了世界先进技术与设备。
一方面与世界先进机床制造厂合作，不断生产出具有世界先进水平的各类机床；另一方面直接购进了大量的各类机床。
这一切都为我国国民经济的快速发展起到了巨大的作用。
但是，机床长期运转甚至超负荷使用，同时又缺少认真的维修与保养，造成机床严重磨损，丧失了精度；有些机床则由于企业人员及产品结构的改变，或由于技术力量不足而被长期闲置，需要使用时却发现早已锈迹斑斑，电控系统不能起动；
由于新产品制造的需要，
原有机床性能已不能满足使用要求，急需更新升级改造；由于世界计算机及网络技术的飞速发展，造成数控系统、驱动系统厂的产品更新加快，原有产品过早停产，给备件更换与维修带来一定困难；况且数控系统的使用寿命一般在5～10年，
而我国大多数机床都在超期服役。
这些诸多因素都需要对机床进行大修及数控化升级改造。
（2）新进的大批二手机床成为机床大修及数控化改造行业的催化剂自改革开放以来，许多企业引进了一大批国外淘汰的旧机床，虽然有一部分尚能满足使用要求，但是多数由于缺少经验、技术、资料及备件等因素，
造成虽廉价购进但却不能继续发挥作用而闲置的尴尬局面。
其中不乏有为改造后投入使用而引进的旧机床和生产线。
这里多数的二手机床只要再有适当的资金投入，经过大修改造即可发挥作用。
（3）显著的经济效益是机床大修及数控化改造行业的发展动力对于机床拥有者来说，只需花费购买相同新机床30%以下的费用即可获得相同的使用效果。
根据国际该行业的记载，即使将原机床的结构性能进行彻底改造升级，也只需花费购买新机床60%左右的价格。
对于机床大修改造业内公司来说，这不仅为他们的服务企业产生巨大社会经济效益，而且也是他们自身生存和发展的根本动力。
（4）机床大修及数控化改造的优势是该行业生存与发展的有利条件旧机床的大修、翻新、升级改造与购买新机床相比，具有下列优势：
①交货期短。
尤其是大型机床和特殊专用机床优势更加明显。
②性能更稳定。
各基础件经长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度；各功能部件经长期磨合。
功能稳定性可靠性好。
③设计风险小。
新机床设计中带来的技术、方案风险在大修改造中几乎不存在。
④可以更充分地体现用户的意愿。
用户与维修人员可以依照实际需要和机床长期使用情况，在大修改造中提出对机床性能、操作与维修等方面的改进（包括增、改）意见，有权选择机械零部件、数控系统等电气设备的规格、型号、性能等。
⑤更有利于使用与维护。
由于用户、维修人员不仅可以直接参与改造方案的制定，而且可以参与改造的全过程，可以直接获取各种技术信息，更深入地掌握机床的结构及性能特点，从而增强使用与维修的主动能力。
⑥可以更快地获取最新的更实用的备件。
⑦节省大量投资。
⑧降低投资风险。
（5）社会化、专业化趋势是机床大修及数控化改造行业的必由之路旧机床的数控化改造和翻新不仅仅是当前经济转轨时期必要和重要的行为，而且是一个企业长期发展的战略措施。
当前，21世纪知识经济时代，我国大多数企业正面临着企业改制、转轨以进入市场经济，迅速融入国际竞争。
这就需要我们企业的领导集中全部力量面对这些挑战。
企业集团化和集团内部分散网络化、自治性、并行工作的新型组织、生产结构、敏捷制造技术、
虚拟制造技术、可持续制造技术、绿色制造技术等等一系列新的技术理论，
都需要下大力量去研究，以开发适销对路产品，提高对市场的快速反应能力；集中人力、财力、物力以提高本企业的市场竞争力，充分发挥自身的优势以最快速度创造出尽可能多的价值。
因此，企业自身不可能再像过去计划经济体制下拥有大而全的维修队伍。
而设备维修改造的社会化、
专业化也就不可避免地成为了大趋势。
国外机床的改造与翻新是近期发展起来的一个新兴产业，在先进国家已经形成了一定的规模和市场。
而在我国，这一产业才刚刚兴起，按照应具备的条件来衡量还相距甚远。
但是业内有识之士正在努力塑造自己、完善自己，相信不久的将来，一批具备一定条件和一定规模的机床改造、
翻新的专业化企业会成长起来。
二、大修改造方案的选择
此项工作如果能争得大修改造企业的技术支持可能会更好、更快些。
1.前期立项准备工作
（1）技术可行性分析主要是瞄准改造目标及加工对象，对被改造机床进行结构、性能、精度等技术现状的全面分析。
其中包括机床原来的结构设计是否合理；机床的基础部件和结构件是否仍然完好；普通机床改为数控机床，要考察各坐标轴的机械传动结构及导轨副的形式等是否适用；
测量机床目前的各项精度与出厂精度进行对比，是否存在差距；
综合总结目前机床存在的一切故障和历史上出现过的重大故障。
针对上述问题，对照改造目标和典型工件，编写改造任务书，做到改造后的机床达到一定的先进性和实用性。
（2）经济可行性分析从实际可操作性出发列出几种应考虑的情况：
从机床自身的价值考虑，分析要达到改造目标所需投入是否偏高；从该机床在本单位产品制造中的地位和重要程度来分析改造价值；从该机床的投入产出率估算，是否能较快收回投资，然后迅速产生较好效益；
机床改造后提高了机床精度，增加了功能，是否能使本单位产品提高水平，
或者能有利于开发新产品，从而获得附加效益。
改造资金来源可靠。
（3）选择机床改造者这是一个很关键的问题。
选择得好，则能顺利完成改造任务，达到改
造目标；选择不好，不仅是机床改造的失败，而且浪费了资金和时间，影响生产。
用户可根据后面讨论的机床改造应具备的条件来慎重选择。
2.技术方案准备
（1）机械及液压系统作为机床的最终用户，厂方必须首先要确认，该机床机械及液压系统的状况。
如：
目前机床的精度，机械传动链的状况，丝杠、导轨的状况，有无重大故障等，以确定机床是大修、项修。
如果是非数控机床要改为数控机床，
首先要考虑机械改装的可行性，最重要的是导轨的形式及滚珠丝杠的安装。
再有就是机械传动机构的传动间隙与传动刚度是否符合数控机床的要求。
（2）电气系统在做数控机床改造方案时，用户可以根据机床的状态及工艺要求来选择数控系统。
其一，是选择数控制造厂商，目前世界上性能及信誉较好的有：
西门子（德国）、发那科（日本）、三菱（日本）、NUM（法国）、FAGOR（西班牙）等。
用户可在详细了解上述厂商数控系统的特点及性能价格比等指标的基础上，
与实施改造的工程公司一道，选择一个比较适合的数控系统。
其
二，是根据机床的功能要求选择相应控制系统的类型，做到既能满足机床全部功能要求又不提高标准。
我们建议，在选择数控系统方面，要特别注意：
一要尽量向一个著名厂家的型号系列靠拢。
这样既有利于维修和管理，也利于备件的购买。
千万不要把企业的数控系统搞成万国牌。
二要清楚所选厂家在国内的维修服务状况，以免将来后患无穷。
数控系统选定之后，用户根据机床实际状况，决定更换或不更换驱动系统。
若不更换，则必须确认老驱动系统与数控系统是否可以匹配。
对于机床测量系统，目前数控系统的要求是增量式脉冲编码输入，所以老机床所配的感应同步尺或旋转变压器等测量元件均需用增量式脉冲编码器、光栅尺代替。
对于外围电路，改造可采取的方案有两种：
“接口型改造”，即保留外围继电器电路，只对NC、PLC进行改造，新PLC不参与外围电路控制，只处理NC所需的指令信号。
此方案改造设计、调试工作量较小。
另一种是“彻底改造”，在继电器逻辑较复杂，故障率较高，用户又能提供清楚逻辑图的情况下，
可用新NC所带的PLC将外围电路全部改造，简化了外围电路，又合理利用了PLC的控制能力。
此方案可大大简化硬件电路，大大提高可靠性，但改造设计、调试工作量较大。
（3）各部分安装形式的确定其一，控制系统的安装常见的有悬挂式、柜式、台式等。
安装方式的选定，直接决定各种连接电缆的走线方式和电缆长度，也关系到操作与维修的方便性。
其二，驱动系统的安装，原则上只能采取电气柜内安装这一种方式，应考虑的因素有通风冷却，电缆走线方式及长度，
对其他电器的干扰等。
其三，电动机的安装，根据机床的实际，
确定电动机的安装方式：
①法兰式，②底座式，③带底座法兰式，再加上轴伸方向、电动机接线盒的位置等，这些由电动机的订货辅助参数确定。
其四，测量系统的安装，如选择电动机内装编码器的结构方式，电动机安装一确定，它也就确定了；外装式需要有弹性联轴节、安装卡子、电缆走线方向及长度等的考虑；
对于光栅尺，安装的问题则应重视，除安装可行性外，定尺、动尺的安装配合、安装精度、温度影响等均需考虑。
三、项目的实施
1.施工队伍的选择
机床大修改造方案设计的好坏，大修改造成果的优劣，除了经济因素外，很大程度上依赖于施工队伍的素质。
这是一项很重要的工作，参与项目施工的公司应具备下列条件。
（1）完整、高效的技术支持体系关键是人的因素。
该公司应具备一支包括机械、电气、液压、工艺工装等全方位的、具有多年丰富的设计、制造、装配、调试工作经验的工程师队伍，同时还应有一支能打硬仗的现场施工队伍。
这种工作模式是当今市场的经济条件下的流行模式。
（2）适应市场经济条件下的经营管理模式关键还是人的因素。
摈弃计划经济条件下企业管理中的一切阻碍发挥每个人积极性的组织形式和管理方法，组建起能快速响应市场需求的企业结构，并在市场经济的发展中不断改进、完善，同时还要考虑该公司的规模、资金状况等诸多因素。
2.硬件定货
经过如上的全面考虑，施工队伍已选定，技术方案的细节确定，订货清单即可列出。
用户和工程公司可本着相互信任的态度，从降低成本和保证可靠性两方面综合考虑，确定国内外定货清单，并签订正式改造合同。
在定货进行的同时，工程人员即可开始着手进行系统机械大
修、项修及电气软件编制、实验室调试工作。
3.现场调试
这是改造能否成功的关键环节，工程人员在这一阶段完成机、电联调，数控系统的最终调试、驱动系统的参数最佳化调节等工作，并为验收作准备。
4.试加工验收
通常有两个内容：
标准样件的试切削，按照国际标准，不同类型的机床都有相应的标准试切削程序；机床精度的校验，根据各厂测量水平的高低，采用相应手段，有条件的用户可采用激光干涉仪进行测量，这样机床位置测量系统的补偿可采用得到的数据，从而提高机床精度。
5.资料、培训及保修
在验收工作结束之后，还需要进行技术资料整理、归档并提供给用户，还要对用户进行技术
培训及保修工作。
旧机床的数控化改造事业方兴未艾，在我国目前形势下将大批故障机床尤其是一大批进口的数控机床、精密机床和二手设备进行改造、升级，以较小的投入尽快使这些设备在经济发展中发挥效能、创造效益，的确是许多企业的一项不可忽视的课题。
没有理论指导的实践是盲目的实践，没有实践的理论是空洞的理论。
我国从事数控机床电气设计、应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。
当今控制理论与自动化技术的高速发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践
带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。
因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。
一、数控技术
谈到维修，首先必须从总体上了解我们的维修对象。
1.数控机床电气控制系统综述
一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图1所示。
（1）数据输入装置将指令信息和各种应用数据输入数控系统的必要装置。
它可以是穿孔带阅读机（已很少使用），3.5in软盘驱动器，CNC键盘（一般输入操作），数控系统配备的硬盘及驱动装置（用于大量数据的存储保护）、磁带机（较少使用）、PC计算机等等。
（2）数控系统数控机床的中枢，它将接到的全部功能指令进行解码、运算，然后有序地发出各种需要的运动指令和各种机床功能的控制指令，直至运动和功能结束。
数控系统都有很完善的自诊断能力，日常使用中更多地是要注意严格按规定操作，而日常的维护则主要是对硬件使用环境的保护和防止系统软件的破坏。
（3）可编程逻辑控制器是机床各项功能的逻辑控制中心。
它将来自CNC的各种运动及功能指令进行逻辑排序，使它们能够准确地、协调有序地安全运行；同时将来自机床的各种信息及工作状态传送给CNC，使CNC能及时准确地发出进一步的控制指令，如此实现对整个机床的控制。
当代PLC多集成于数控系统中，这主要是指控制软件的集成化，而PLC硬件则在规模较大的系统中往往采取分布式结构。
PLC与CNC的集成是采取软件接口实现的，一般系统都是将二者间各种通信信息分别指定其固定的存放地址，由系统对所有地址的信息状态进行实时监控，根据各接口信号的现时状态加以分析判断，据此作出进一步的控制命令，完成对运动或功能的控制。
不同厂商的PLC有不同的PLC语言和不同的语言表达形式，因此，力求熟悉某一机床PLC程序的前提是先熟悉该机床的PLC语言。
（4）主轴驱动系统接受来自CNC的驱动指令，经速度与转矩（功率）调节输出驱动信号驱动主电动机转动，同时接受速度反馈实施速度闭环控制。
它还通过PLC将主轴的各种现实工作状态通告CNC用以完成对主轴的各项功能控制。
主轴驱动系统自身有许多参数设定，这些参数直接影响主轴的转动特性，其中有些不可丢失或改变的，例如指示电动机规格的参数等，有些是可根据运行状态加以调改的，例
如零漂等。
通常CNC中也设有主轴相关的机床数据，并且与主轴驱动系统的参数作用相同，因此要注意二者取一，切勿冲突。
（5）进给伺服系统接受来自CNC对每个运动坐标轴分别提供的速度指令，经速度与电流（转矩）调节输出驱动信号驱动伺服电机转动，实现机床坐标轴运动，同时接受速度反馈信号实施速度闭环控制。
它也通过PLC与CNC通信，通报现时工作状态并接受CNC的控制。
进给伺服系统速度调节器的正确调节是最重要的，应该在位置开环的条件下作最佳化调节，既不过冲又要保持一定的硬特性。
它受机床坐标轴机械特性的制约，一旦导轨和机械传动链
的状态发生变化，就需重调速度环调节器。
（6）电器硬件电路随着PLC功能的不断强大，电器硬件电路主要任务是电源的生成与控制电路、隔离继电器部分及各类执行电器（继电器、接触器），很少还有继电器逻辑电路的存在。
但是一些进口机床柜中还有使用自含一定逻辑控制的专用组合型继电器的情况，一旦这类元件出现故障，除了更换之外，还可以将其去除而由PLC逻辑取而代之，但是这不仅需要对该专用电器的工作原理有清楚的了解，还要对机床的PLC语言与程序深入掌握才行。
（7）机床（电器部分）包括所有的电动机、电磁阀、制动器、各种开关等。
它们是实现机床
各种动作的执行者和机床各种现实状态的报告员。
这里可能的主要故障多数属于电器件自身的损坏和连接电线、电缆的脱开或断裂。
（8）速度测量通常由集装于主轴和进给电动机中的测速机来完成。
它将电动机实际转速匹配成电压值送回伺服驱动系统作为速度反馈信号，与指令速度电压值相比较，从而实现速度的精确控制。
这里应注意测速反馈电压的匹配联接，并且不要拆卸测速机。
由此引起的速度失控多是由于测速反馈线接反或者断线所致。
（9）位置测量较早期的机床使用直线或圆形同步感应器或者旋转变压器，而现代机床多采
用光栅尺和数字脉冲编码器作为位置测量元件。
它们对机床坐标轴在运行中的实际位置进行直接或间接的测量，将测量值反馈到CNC并与指令位移相比较直至坐标轴到达指令位置，从而实现对位置的精确控制。
位置环可能出现的故障多为硬件故障，例如位置测量元件受到污染，导线连接故障等。
（10）外部设备一般指PC计算机、打印机等输出设备，多数不属于机床的基本配置。
使用中的主要问题与输入装置一样，是匹配问题。
2.数控机床运动坐标的电气控制
数控机床一个运动坐标的电气控制由电流（转矩）控制环、速度控制环和位置控制环串联组成
。
其控制框图如图2。
（1）电流环是为伺服电机提供转矩的电路。
一般情况下它与电动机的匹配调节已由制造者作好了或者指定了相应的匹配参数，其反馈信号也在伺服系统内联接完成，因此不需接线与调整。
（2）速度环是控制电动机转速亦即坐标轴运行速度的电路。
速度调节器是比例积分（PI）调节器，其P、I调整值完全取决于所驱动坐标轴的负载大小和机械传动系统（导轨、传动机构）的传动刚度与传动间隙等机械特性，一旦这些特性发生明显变化时，首先需要对机械传动系统进行修复工作，然后重新调整速度环PI调节器。
速度环的最佳调节是在位置环开环的条件下才能完成的，这对于水平运动的坐标轴和转动坐标轴较容易进行，而对于垂向运动坐标轴则位置开环时会自动下落而发生危险，可以采取先摘下电动机空载调整，然后再装好电动机与位置环一起调整或者直接带位置环一起调整，这时需要有一定的经验和细心。
速度环的反馈环节见前面“速度测量”一节。
（3）位置环是控制各坐标轴按指令位置精确定位的控制环节。
位置环将最终影响坐标轴的位置精度及工作精度。
这其中有两方面的工作：
一是位置测量元件的精度与CNC系统脉冲当量的匹配问题。
测量元件单位移动距离发出的脉
冲数目经过外部倍频电路和/或CNC内部倍频系数的倍频后要与数控系统规定的分辨率相符。
例如位置测量元件10脉冲/mm，数控系统分辨率即脉冲当量为0.001mm，则测量元件送出的脉冲必须经过100倍频方可匹配。
二是位置环增益系数Kv值的正确设定与调节。
通常Kv值是作为机床数据设置的，数控系统中对各个坐标轴分别指定了Kv值的设置地址和数值单位。
在速度环最佳化调节后Kv值的设定则成为反映机床性能好坏、影响最终精度的重要因素。
Kv值是机床运动坐标自身性能优劣的直接表现而并非可以任意放大。
关于Kv值的设置要注意两个问题，首先要满足下列公式：
Kv=v/Δ
式中v——坐标运行速度，m/min
Δ——跟踪误差，mm
注意，不同的数控系统采用的单位可能不同，设置时要注意数控系统规定的单位。
例如，坐标运行速度的单位是m/min，则Kv值单位为m/（mm·min），若v的单位为mm/s，则Kv的单位应为mm/（mm·s）。
其次要满足各联动坐标轴的Kv值必须相同，以保证合成运动时的精度。
通常是以Kv值最低的坐标轴为准。
位置反馈（参见上节“位置测量”）有三种情况：
一种是没有位置测量元件，为位置开环控制即无位置反馈，步进电机驱动一般即为开环；一种是半闭环控制，即位置测量元件不在坐标轴最终运动部件上，也就是说还有部分传动环节在位置闭环控制之外，这种情况要求环外传动部分应有相当的传动刚度和传动精度，加入反向间隙补偿和螺距误差补偿之后，可以得到很高的位置控制精度；第三种是全闭环控制，即位置测量元件安装在坐标轴的最终运动部件上，理论上这种控制的位置精度情况最好，但是它对整个机械传动系统的要求更高而不是低，如若不然，则会严重影响两坐标的动态精度，而使得机床只能在降低速度环和位置精度的情况下工作。
影响全闭环控制精度的另一个重要问题是测量元件的精确安装问题，千万不可轻视。
（4）前馈控制与反馈相反，它是将指令值取出部分预加到后面的调节电路，其主要作用是减小跟踪误差以提高动态响应特性从而提高位置控制精度。
因为多数机床没有设此功能，故本文不详述，只是要注意，前馈的加入必须是在上述三个控制环均最佳调试完毕后方可进行。
二、维修工作的基本条件
数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失往往很大。
但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。
因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。
由于数控机床日常出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要。
1.人员条件
数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。
（1）首先是有高度的责任心和良好的职业道德。
（2）知识面要广。
要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲的基本数控知识。
（3）应经过良好的技术培训。
数控技术基础理论的学习，尤其是针对具体数控机床的技术培训，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。
（4）勇于实践。
要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力。
（5）掌握科学的方法。
要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。
（6）学习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。
（7）掌握一门外语，特别是英语。
起码应做到能看懂技术资料。
2.物质条件
（1）准备好通用的和某台数控机床专用的电气备件。
（2）非必要的常备电器元件应做到采购渠道快速畅通。
（3）必要的维修工具、仪器仪表等，最好配有笔记本电脑并装有必要的维修软件。
（4）每台数控机床所配有的完整的技术图样和资料。
（5）数控机床使用、维修技术档案材料。
3.关于预防性维护
预防性维护的目的是为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。
（1）人员安排为每台数控机床
升级会员 