工业自动化技术
强化训练Ⅱ实践报告
数控机床电气故障检测与排除
作 者 姓 名：
指 导 老 师：
所 在 学 院： 机械工程学院
提 交 日 期： 2016.9.19
目录
第一章 绪论 ...................................................................... 1
第二章 电路连接 .............................................................. 2
2.1 自锁电路 ............................................................. 2
2.2 互锁电路 ............................................................. 3
2.3电气元器件 .......................................................... 4
2.3.1步进电机 ................................................... 4
2.3.2 空气开关 .................................................. 6
2.3.3步进驱动器 ............................................... 7
2.3.4 变频器 ...................................................... 7
2.3.5 变压器 ...................................................... 8
2.3.6伺服电机 ................................................... 9
2.3.7继电器 ....................................................... 9
2.3.8交流接触器 ............................................. 10
第三章 数控机床电气故障检测与排除 ...................... 11
3.1故障处理前的工作 ............................................ 11
3.2故障检测与排除 ................................................ 11
3.2.1 故障FA02 ............................................... 11
3.2.2 故障FA13 ............................................... 12
3.2.3 故障FA15 ............................................... 12
3.2.4故障FA07 ................................................ 12
3.2.5故障FA08 ................................................ 12
第四章 PLC ...................................................................... 14
4.1程序编写 ............................................................ 14
4.2回零程序更改 .................................................... 15
第五章 实践感想 .......................................................... 17
第一章 绪论
第一章 绪论 随着电子技术和自动化技术的高速发展,数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础,以大规模集成电路为标志的数控设备,给机械制造业的发展创造了条件,并带来了很大的效益。但同时,由于它们的先进性、复杂性和智能化高的特点,在故障诊断、维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。数控维修技术不仅是保障正常运行的前提，对数控技术的发展和完善也起到了巨大的推动作用，因此，目前它已经成为一门专门的学科。
任何一台数控设备都是一种过程控制设备，这就要求它在实时控制的每一时刻都准确无误地工作。任何部分的故障与失效，都会使机床停机，从而造成生产停顿。因而对数控系统这样原理复杂、结构精密的装置进行维修就显得十分必要了。尤其对引进的CNC机床，大多花费了几十万到上千万美元。 在许多行业中，这些设备均处于关键的工作岗位，若在出现故障后不及时维修排除故障，就会造成较大的经济损失。
现有的维修状况和水平，与国外进口设备的设计与制造技术水平还存在很大的差距。造成差距的原因在于：人员素质较差，缺乏数字测试分析手段，数域和数域与频域综合方面的测试分析技术等有待提高等等。本文针对数控机床电气系统的特点与故障的检查分析以及诊断维修进行简要的探讨，并通过故障案例分析进行总结。
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第二章 电路连接
2.1
自锁电路
图2-1
所谓自锁电路，顾名思义就是能够锁住电路，保持通电的电路。在通常的电路中，按下开关，电路通电；松开开关，电路又断开。具体来讲，就是一旦按下开关，就能够保持持续通电，直接按下其他开关使之短路为止；这样的电路，成为自锁电路。继电器自锁电路，可以将开关串联在继电器的主要出点上。与此同时，将继电器的一个空余的副触点与开关并联。这样一来，按下开关，副触点吸和，电路通电；松开开关后，由于副触点已经吸和，并向继电器主触点的线圈供电，线圈反过来又保持副触点吸和。在将线路从继电器输出端引出，电路就可以保持持续的通电。电路的工作情况如下：起动时，合上断路器QF，引入24V开关电源。按下起动按钮SB2，KM1的吸引线圈通电动作，KM的衔铁吸合。其中，KM1的主触头闭合，使电动机接通电源起动运转；与SB2并联的KM动合辅助触头闭合，从而使KM的吸引线圈经SB1-SB2和SB1-KM两条电路供电。这样，当手松开，SB2自动复位时，KM的吸引线圈仍可通过其动合辅助触头继续供电，从而保证电动机的连续运行。这种依靠接触器自身辅助触头而使其本身线圈保持通电的现象，称为自锁或保持。
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第二章 电路连接
2.2 互锁电路
图2-2互锁电路实物图
电气控制回路要先将分别控制正反转停止的两个按钮串联接好，随后将两个分别控制正反转启动的两个按钮并联接好后与停钮的一端接好，停钮的另一端准备与电源连接，然后再把分别正转反转主接触器的常开辅助接点分别并联在各自相对应的启动按钮两端，之后再将各自主接触器的常闭辅助接点串联到对方的启动回路中，也就是说正转的常闭串接在反转启动按钮的一端，相对应反转的常闭接点要与正转的启动按钮一端串联，起到互锁的作用，(就是说正转运行时期接触器常闭辅助接点会将反转的启动回路断开，反之则依然是这个道理，为的是防止同时期按下下按钮会造成一次回路的相间短路)，然后将两个常闭接点的另一端分别与所对应的启动回路的主接触器的线圈一段进行连接(就是说控制正转地启动的回路就串接正转接触器的线圈一段，反转起动控制回路就与反转的主接触器线圈一端串接)将两个线圈的另一端并联接在一起后接入热继电器的常闭接点的一端，热继电器常闭接点的另一端准备与中性点N或另一相线连接，这要看主接触器线圈的电压(220V就与中性点N连接，380v的话就接另外一相线)，还需要在控制回路的最前端即停止按钮准备接电源的一端在接相线制前要经过一个控制保险，现在只能说控制回路接好了。下面就接主回路，主回路需要2个接触器，分别用于正转和反转时接通主回路，所以将两个接触器主触头的上端分别与三相交流电源的3条相线连接，而主触头的下端对应的触头上则要将其中任意两条线互换一下，然后按照互换以后的顺序接入电动机绕组连接好以后的3个连接片上，另 3
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外还要在接触器到电机接线盒接线处之间先行串接热继电器的主接点，同时还要在电源引线与接触器上口之间串接熔断器。短路保护由熔断器担负，过载有热继电器承担。大致原理是保证电机正转时反转不能接通，而反转时正转也不能接通，否则同时吸合接触器就会使三相交流电在接触器下口形成短路，所以要在回路中加闭锁，再有就是无论反转还是正转都要求随时可以停止电机运行，因此停止按钮要串联，起纽要并联。互锁，说的是几个回路之间，利用某一回路的辅助触点，去控制对方的线圈回路，进
行状态保持或功能限制。一般对象是对其他回路的控制。
图2-3 互锁电路图
2.3电气元器件
2.3.1步进电机
将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制电机，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件，应用极为广泛。。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路， 4
第二章 电路连接
将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
三相异步电机：如图2-4三相异步电机(Triple-phase asynchronous motor)是靠同时接入380V三相交流电源（相位差120度）供电的一类电动机，由于三相异步电机的转子与定子旋转磁场以相同的方向、不同的转速成旋转，存在转差率，所以叫三相异步电机。当电动机的三相定子绕组 通入三相对称交流电后，将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组，从而在转子绕组中产生感应电流（转子绕组是闭合通路），载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力，从而在电机转轴上形成电磁转矩，驱动电动机旋转，并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同.当导体在磁场内切割磁力线时，在导体内产生感应电流，“感应电机”的名称由此而来。感应电流和磁场的联合作用向电机转子施加驱动力。我们让闭合线圈ABCD在磁场B内围绕轴xy旋转。如果沿顺时针方向转动磁场，闭合线圈经受可变磁通量，产生感应电动势，该电动势会产生感应电流(法拉第定律)。根据楞次定律，电流的方向为:感应电流产生的效果总是要阻碍引起感应电流的原因。因此，每个导体承受相对于感应磁场的运动方向相反的洛仑兹力F。
图2-4三相异步电机
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图2-5步进电机
2.3.2 空气开关
又名空气断路器，是断路器的一种。是一种只要电路中电流超过额定电流就会自动断开的开关。空气开关是低压配电网络和电力拖动系统中非常重要的一种电器，它集控制和多种保护功能于一身。除能完成接触和分断电路外，尚能对电路或电气设备发生的短路、严重过载及欠电压等进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。工作原理：如图2-6空气开关当线路发生一般性过载时，过载电流虽不能使电磁脱扣器动作，但能使热元件产生一定热量，促使双金属片受热向上弯曲，推动杠杆使搭钩与锁扣脱开，将主触头分断，切断电源。当线路发生短路或严重过载电流时，短路电流超过瞬时脱扣整定电流值，电磁脱扣器产生足够大的吸力，将衔铁吸合并撞击杠杆，使搭钩绕转轴座向上转动与锁扣脱开，锁扣在反力弹簧的作用下将三副主触头分断，切断电源。
如图2-6空气开关
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第二章 电路连接
2.3.3步进驱动器
步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。广泛应用于雕刻机、水晶研磨机、中型数控机床、脑电绣花机、包装机械、喷泉、点胶机、切料送料系统等分辨率较高的大、中型数控设备上。
如图2-7中科F223步进电机驱动器
2.3.4 变频器
变频器（Variable-frequency Drive，VFD）是应用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流（交流变直流）、滤波、逆变（直流变交流）、制动单元、驱动单元、检测单元微处理单元等组成。变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。随着工业自动化程度的不断提高，变频器也得到了非常广泛的应用。工作原理：如图2-8变频器靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的，另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等等。
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如图2-8变频器 2.3.5 变压器 变压器（Transformer）是利用电磁感应的原理来改变交流电压的装置，主要构件是初级线圈、次级线圈和铁芯（磁芯）。主要功能有：电压变换、电流变换、阻抗变换、隔离、稳压（磁饱和变压器）等。按用途可以分为：电力变压器和特殊变压器（电炉变、整流变、工频试验变压器、调压器、矿用变、音频变压器、中频变压器、高频变压器、冲击变压器、仪用变压器、电子变压器、电抗器、互感器等）。工作原理：如图2-9变压器Satons变压器主要应用电磁感应原理来工作。具体是：当变压器一次侧施加交流电压U1，流过一次绕组的电流为I1,则该电流在铁芯中会产生交变磁通，使一次绕组和二次绕组发生电磁联系，根据电磁感应原理，交变磁通穿过这两个绕组就会感应出电动势，其大小与绕组匝数以及主磁通的最大值成正比，绕组匝数多的一侧电压高，绕组匝数少的一侧电压低，当变压器二次侧开路，即变压器空载时，一二次端电压与一二次绕组匝数成正比，即U1/U2=N1/N2,但初级与次级频率保持一致，从而实现电压的变化
如图2-9变压器
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第二章 电路连接
2.3.6伺服电机
伺服电机（servo motor ）是指在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机可使控制速度，位置精度非常准确，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。分为直流和交流伺服电动机两大类，其主要特点是，当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降。工作原理：伺服系统（servo mechanism）是使物体的位置、方位、伺服电机（图1）状态等输出被控量能够跟随输入目标（或给定值）的任意变化的自动控制系统。伺服主要靠脉冲来定位，基本上可以这样理解，伺服电机接收到1个脉冲，就会旋转1个脉冲对应的角度，从而实现位移，因为，伺服电机本身具备发出脉冲的功能，所以伺服电机每旋转一个角度，都会发出对应数量的脉冲，这样，和伺服电机接受的脉冲形成了呼应，或者叫闭环，如此一来，系统就会知道发了多少脉冲给伺服电机，同时又收了多少脉冲回来，这样，就能够很精确的控制电机的转动，从而实现精确的定位，可以达到0.001mm。
图2-10伺服电机
2.3.7继电器
继电器是当输入量达到规定条件时，其一个或多个输出量产生预定跃变的元器件。对于电磁继电器，可简单的理解为：在输入端施加规定的电信号，其输出端接通和断开被控制电路的一种开关。继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分）；有能对被控电路实现"通"、"断"控制的执行机构（输出部分）；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行功能处理,对输入、输出部分进行耦合隔离和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分）。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：a) 扩大控制范围 b) 放大 c) 综合信号 d) 自动、遥控、监测。线圈通电，动铁芯在电磁力作用下动作吸合，带动动触点动作，使常闭触点分开，常开触点闭合；线圈断电，动铁芯在 9
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弹簧的作用下带动动触点复位，继电器的工作原理是当某一输入量(如电压、电流、温度、速度、压力等)达到预定数值时，使它动作，以改变控制电路的工作状态，从而实现既定的控制或保护的目的。在此过程中，继电器主要起了传递信号的作用。
如图2-11继电器
2.3.8交流接触器
如图2-12交流接触器主要为CJ系列中的CJX2系列，CJ20系列，CJT1系列3TB，B系列等一些目前最常用的产品，1、CDC1系列交流接触器主要用于交流50Hz（或60Hz）、额定工作电压至660V，额定工作电流至370A的电力系统中接通和分断电路，并可与适当的热过载继电器或电子式保护装置组合成电磁起动器，以保护可能发生过载的电路。当线圈通电时，铁芯被磁化，吸引衔铁向下运动，使得常闭触头断开，常开触头闭合。当线圈断电时，磁力消失，在反力弹簧的作用下，衔铁回到原来位置，即使触头恢复到原来状态。
如图2-12交流接触器
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第三章 数控机床电气故障检测与排除
第三章 数控机床电气故障检测与排除
3.1故障处理前的工作
首先，观察显示器，看是否正常，假如显示器上显示“准备未绪”，则是急停出现故障，需解决急停故障才能操作操作板检查其它故障。若显示正常，则进一步对机床进行操作，对X，Y，Z轴进行操作，在操作板上对其实现动作，看是否有相应动作，对其作出故障判断。接着按下照明灯按钮和冷却液按钮，看是否正常工作。一般遵照以下几点：
1. 询问调查在接到机床现场出现故障要求排除的信息时,首先应要求操作者尽量保持现场故障状态,不做任何处理,这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细询问故障指示情况及故障产生的背景情况,依此做出初步判断
2.现场检查到达现场后,首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性,从而核实初步判断的准确度。不要急于动手处理,仔细调查各种情况,以免破坏了现场,使排除故障增加难度。
3.故障分析根据已知的故障状况分析故障类型,从而确定
排除故障原则。由于大多数故障是有指示的,所以一般情况下,对照机床配套的诊断手册和使用说明书,可以列出产生该故障的多种可能的原因。
4.确定原因对多种可能的原因中找出本次故障的真正原因,当然可能需要多次测试,这是对维修人员对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。
3.2故障检测与排除
3.2.1 故障FA02
1) 故障现象：照明灯不能正常工作。
2) 故障分析过程：KM4常开触点与工作灯的连接断开；继电器KA6线圈连接断开。
3）故障检测过程：通过故障现象发现照明灯不能正常工作，所以查找并检测照明灯的相关电路 。2检测继电器KA6线圈的电路，发现继电器KA6线圈的电路正常；1用○○万用表选直流24v电压档检测照明灯的相关电路：测出XB2–45和XB2–46，XB1–44和XB2–44，XB1–79和XB2–79两端点间没有电压，所以这三处的两端点间没有断点，再检测XB2–77和XB2–78两端点间有电压，XB2–77和XB2–78两端点间有断点，所以故障原因是KM4常开触点与工作灯的连接断开。
4）故障分析结果: KM4常开触点与工作灯的连接断开。
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3.2.2 故障FA13
1) 故障现象：系统界面显示 “准备未绪”，手动方式下分别作X、Y、Z轴移动操作时，相应进给电机不能转动；相应坐标显示没有变化。
2) 故障分析过程：（1）XS8-17与567之间的连接断开；（2）继电器KA1线圈连接断开；（3）JD01-25与505之间的连接断开；（4）HXS8与HGD之间的连接断开。
3) 故障检测过程：测点XB1-80和点XB1-52之间电压值为0，这说明连接没有断开；测点XB1-54和点XB2-54之间的电压值为24v，再测点XB2-52和XB2-51之间的电压值为24v，这说明继电器KA1线圈出现断开。
4) 故障排除：更换继电器KA1线圈。
3.2.3 故障FA15
1) 故障现象:手动方式下分别作X、Y、Z轴移动操作时，相应进给电机不能转动；相应坐标显示有变化；系统无其他报警显示。
2) 故障分析过程：（1）继电器KA2线圈连接断开，导致KA2不能吸合，KM1、KM2、KM3都不能吸合，系统没电源；（2）继电器KA3线圈连接断开，导致KA2、KA3不能吸合，KM1、KM2、KM3都不能吸合，系统没电源；（3）变压器T1与041之间的连接断开，无24VAC电压输出；（4）继电器KA2触点与042之间的连接断开。
3) 故障检测过程：测点XB2-57和点XB2-90之间电压为0，这说明连接正常。测点XB2-64和点XB2-89之间电压为24v，这说明继电器KA3线圈连接断开，导致KA2、KA3不能吸合，KM1、KM2、KM3都不能吸合，系统没电源。
4) 故障排除：更换继电器KA3线圈。
3.2.4故障FA07
1) 故障现象：照明灯不能正常工作。
2) 故障分析过程：（1）KM4常开触点与工作灯的连接断开；（2）继电器KA6线圈连接断开。
3) 故障检测过程：测点XB1-44和点XB2-44之间电压为0，测点XB-50和点XB2-79之间有电压可确定故障出现在开关KA6，再测点XB-78和点XB2-77这两点之间没有电压出现，可确定继电器KA6线圈出现故障。
4) 故障排除：更换继电器KA6线圈。
3.2.5故障FA08
1) 故障现象：冷却泵不能正常工作。
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