1 概述
多年的數(shù)控機(jī)床維修經(jīng)驗證實，在故障總數(shù)中，由電源引發(fā)的故障占了相當(dāng)大的比例。數(shù)控機(jī)床電源故障中很多屬于機(jī)床用戶有能力自行排除的器件損壞故障，其領(lǐng)域已屬于片級修理[1]。
2 數(shù)控機(jī)床電源
把數(shù)控機(jī)床所使用的電源分成了三級，從一次電源到三次電源，依次為派生關(guān)系，其造成的故障頻次和難度也依次增加。具體分級如下：
?。?）一次電源。一次電源即由車間中國臺灣加工中心電網(wǎng)供給的三相380 V電源，它是數(shù)控機(jī)床工作的總能源供給。要求該電源要穩(wěn)定，一般電壓波動范圍要控制在5％ ～10％ ，并且要無高頻干擾。
?。?）二次電源。由三相電源經(jīng)變壓器從一次電源派生。其用途主要有：
1）派生的單相交流220 V、交流1l0 V，供電給CNC單元及顯示器單元，做為熱交換器、機(jī)床控制回路和開關(guān)電源的電源。
2）有的數(shù)控機(jī)床派生的三相低電壓做直流24 V整流橋塊的電源。有的數(shù)控機(jī)床由三相變壓器產(chǎn)生三相交流220 V，供給伺服放大器電源組件作為其工作電源。
?。?）三次電源。三次電源是數(shù)控機(jī)床使用的各種直流電源，它是由二次電源轉(zhuǎn)化來的。主要有這樣幾種：
1）由伺服放大器電源組件提供的直流電壓、由伺服放大器組件逆變成頻率和電壓幅值可變的三相交流電以控制交流伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2）整流橋塊提供的交流24 V，作為液壓系統(tǒng)電磁閥，電動機(jī)閘電磁鐵電源和伺服放大器單元的"ready"和"controller enable"信號源。
3）由開關(guān)電源或DC／DC電源模塊提供的低壓直流電壓，這些電壓有：+5 V、±12 V、±15 V，分別做為測量光柵、數(shù)控單元和伺服單元電氣板的電源。
3 數(shù)控機(jī)床電源回路使用的器件
數(shù)控機(jī)床從一次電源到三次電源使用的器件分別有：
?。?）車間配電裝置，一般包括：與車間電網(wǎng)連接的三相交流穩(wěn)壓器和斷路器（又稱空氣開關(guān)，或閘刀開關(guān)）。
（2）機(jī)床元器件，包括：濾波器、電抗器、三相交流變壓器、斷路器、整流器、熔斷器、伺服電源組件、DC／DC模塊和開關(guān)電源。
4 電源故障實例分析
?。?）電網(wǎng)波動過大PLC不工作。表現(xiàn)為PLC無輸出。先查輸入信號（電源信號、干擾信號、指令信號與反饋信號）。例如，采用SINUMERIK 3G-4B系統(tǒng)的數(shù)控車床，其內(nèi)置式PLC無法工作。采用觀察法，先用示波器檢查電網(wǎng)電壓波形，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)波動過大，欠壓噪聲跳變持續(xù)時間>1s（外因）。由于該機(jī)床處于調(diào)試階段，電源系統(tǒng)內(nèi)組件故障應(yīng)當(dāng)排除在外，由內(nèi)部抗電網(wǎng)干擾措施（濾波、隔離與穩(wěn)壓）可知，常規(guī)的電源系統(tǒng)已無法隔斷或濾去持續(xù)時間過長的電網(wǎng)欠壓噪聲，這是抗電網(wǎng)措施不足所致（內(nèi)因），導(dǎo)致PLC不能獲得正常電源輸入而無法工作。在系統(tǒng)電源輸入端加入一個交流穩(wěn)壓器，PLC工作正常。
（2）電源故障。某雙工位數(shù)控車床，每個工位都由單獨的NC系統(tǒng)控制，NC系統(tǒng)采用西門子公司的SINUMERIK810/T系統(tǒng)。右工位的NC系統(tǒng)經(jīng)常在零件自動加工中斷電停機(jī)，重新啟動系統(tǒng)后，NC系統(tǒng)仍可自動工作。檢查24 V供電電源負(fù)載，并無短路問題。對圖樣進(jìn)行分析，兩臺NC系統(tǒng)，共用一個24 V整流電源。引起這個故障可能有兩個原因：
1）供電質(zhì)量不高，電源波動，而出故障的NC系統(tǒng)對電源的要求較靈敏。
2）NC系統(tǒng)本身的問題，系統(tǒng)不穩(wěn)定。
根據(jù)這個判斷，首先對24V電源電壓進(jìn)行監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)其電壓幅值較低，只有21V左右。經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，在出故障的瞬間，這個電壓向下浮動，而NC系統(tǒng)斷電后，電壓馬上回升到22V左右。故障一般都發(fā)生在主軸啟動時，其原因可能是24V整流變壓器有問題，容量不夠，或匝間短路，使整流電壓偏低，電網(wǎng)電壓波動，影響NC系統(tǒng)的正常工作。為確定這個故障的原因，用交流穩(wěn)壓電源將交流380V供電電壓提高到400 V，這個故障就沒有再出現(xiàn)。為此更換24V整流變壓器，問題*解決。
（3）一臺VDF.BOEHRINGER公司（德國）生產(chǎn)的PNE480L數(shù)控車床，合上主開關(guān)啟動數(shù)控系統(tǒng)時，在顯示面板上除READY（準(zhǔn)備好）燈不亮外，其余指示燈全亮。該機(jī)數(shù)控系統(tǒng)為西門子SYSTEM5T系統(tǒng)。因為CNC加工中心故障發(fā)生于開機(jī)的瞬間， 因此應(yīng)檢查開機(jī)清零信號RESET是否異常。又因為主板上的DP6燈亮，而且DP6是監(jiān)視有關(guān)直流電源的，因此需要對驅(qū)動DP6的相關(guān)電路及有關(guān)直流電源進(jìn)行檢查。其步驟如下：
因為DP6燈亮屬報警顯示，故首先對DP6的相關(guān)電路進(jìn)行檢查。經(jīng)檢查，確認(rèn)驅(qū)動DP6的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器LA10邏輯狀態(tài)不對，已損壞。用新件更換后，雖然DP6指示燈不亮了，但故障現(xiàn)象仍然存在，數(shù)控箱還是不能啟動。檢查*RESET信號及數(shù)控箱內(nèi)各連接器的連接情況良好，但*RESET信號不正常，并發(fā)現(xiàn)與其相關(guān)的A38位置上的LA01與非門電路邏輯關(guān)系不正確。于是對各直流電流進(jìn)行檢查。
檢查±15V、±5V、±12V、+24V，發(fā)現(xiàn)電壓為-5V～4.0V，誤差超過±5％。進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)該電路整流橋后有一濾波大電容C19的焊腳處印制電路板銅箔斷裂。將其焊好后，電壓正常，LA01電路邏輯關(guān)系及*RESET信號正確，故障排除，數(shù)控箱能正常啟動。
?。?）返回參考點異常。這是由于返回參考點時沒有滿足"必須沿返回參考點方向，并距參考點不能過近（128個脈沖以上）及返回參考點進(jìn)度不能過低"的條件。對這類故障的處理步驟是[2,3]：
1）距參考點位置>128個脈沖，返回參考點過程中。①電動機(jī)轉(zhuǎn)了不到1轉(zhuǎn)（即沒有接收到1轉(zhuǎn)信號），此時首先變更返回時的開始位置，在位置偏差量>128個脈沖的狀態(tài)下，在返回參考點方向上進(jìn)行1轉(zhuǎn)以上的快速進(jìn)給，檢測是否輸入過1轉(zhuǎn)信號。②電動機(jī)轉(zhuǎn)了1轉(zhuǎn)以上，這是使用了分離型的脈沖編碼器。此時，檢查位置返回時脈沖編碼器的1轉(zhuǎn)信號是否輸入到了軸卡中，如果是，則是軸卡不良；如果未輸入，則先檢查編碼器用的電源電壓是否偏低（允許電壓波動在0.2V以內(nèi)），否則是脈沖編碼器不良。
2）距參考點位置<128個脈沖。①檢查進(jìn)給速度指令值，快速進(jìn)給倍率信號，返回參考點減速信號及外部減速信號是否正常。②變更返回時的開始位置，使其位置偏差量超過128個脈沖。③返回參考點速度過低。速度必須為位置偏差量超過128個脈沖的速度，如果速度過低，電動機(jī)1轉(zhuǎn)信號散亂，不可能進(jìn)行正確的位置檢測。
?。?）某加工中心，配置F-0M系統(tǒng)，在自動運轉(zhuǎn)時突然出現(xiàn)刀庫、工作臺同時旋轉(zhuǎn)。經(jīng)復(fù)位、調(diào)整刀庫、工作臺后中國臺灣車床工作正常。但在斷電重新啟動機(jī)床時，CRT上出現(xiàn)410號伺服報警。查L／M軸伺服PRDY、VRDY兩指示燈均亮；進(jìn)給軸伺服電源AC100V、AC18V正常；x、y、z伺服單元上的PRDY指示燈均不亮，三個MCC也未吸合；測量其上電壓發(fā)現(xiàn)24V、±15V異常；軸伺服單元上電源熔斷器電阻太大，經(jīng)更換后，直流電壓恢復(fù)正常，重新運行機(jī)床，401號報警消失。
?。?）故障現(xiàn)象：某公司產(chǎn)VF2型立式銑加工中心。機(jī)床運行一年零七個月以后，加工中出現(xiàn)161號報警（x- axis over current or drive fault），機(jī)床停止運行。使用"RESET"鍵報警可以清除，機(jī)床可恢復(fù)運行。此故障現(xiàn)象偶爾發(fā)生，機(jī)床帶病運行兩年后，故障發(fā)生頻次增加，而且出現(xiàn)故障轉(zhuǎn)移現(xiàn)象：即使用復(fù)位鍵清除161號報警時，報警信息轉(zhuǎn)報162號（Y-axis over current or drive fault），如果再次清除，則再次轉(zhuǎn)報z軸，以此類推。機(jī)床已無法維持運行。
故障分析及檢查：根據(jù)故障報警信息在幾伺服軸之間轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，不難看出故障發(fā)生在與各伺服軸都相關(guān)的公共環(huán)節(jié)，也就是說，是數(shù)控單元的"位置控制板"或伺服單元的電源組件出現(xiàn)了故障。位控板是數(shù)控單元組件之一，根據(jù)經(jīng)驗分析，數(shù)控單元電氣板出現(xiàn)故障的概率很低，所以分析檢查伺服電源組件是比較可行的排故切入點。檢查發(fā)現(xiàn)此機(jī)床伺服電源分成兩部分，其中輸出低壓直流±12 V兩路的是開關(guān)電源。測量結(jié)果分別是：+11.73 V，-11.98 V。分析此結(jié)果，正電壓輸出低了0.27 V，電壓降低幅度2.3％。由于缺乏量化概念，在暫時找不到其它故障源的情況下，假定此開關(guān)電源有故障。
故障排除：為驗證輸出電壓偏差是造成機(jī)床故障的根源，用一臺WYJ型雙路晶體管直流穩(wěn)壓器替代原電源，將兩路輸出電壓調(diào)節(jié)對稱，幅值調(diào)到12V，開機(jī)后，機(jī)床報警消失。在接下來的20個工作日的考驗運行中，故障不再復(fù)現(xiàn)。*證實了故障是由于此伺服電源組件損壞引起的。
理論分析[4]：運算放大器CNC車床和比較器，有些用單電源供電，有些用雙電源供電，用雙電源的運放要求正負(fù)供電對稱，其差值一般不能大于0.2 V（具有調(diào)節(jié)功能的運放除外），否則將無法正常工作。而此故障電源，兩路輸出電壓相差了0.25 V，超出了誤差允許范圍，這是故障發(fā)生的根本原因。
5 結(jié)語
通過以上故障實例，我們不難看到，數(shù)控機(jī)床電源的異常有時很不明顯，有時只是偏差了不到0.3 V，但卻引起了機(jī)床故障。因此，在維修中我們要總結(jié)這方面的維修經(jīng)驗，提高機(jī)床故障維修的效率。