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【摘 要】数控机床的电气控制系统是机床应用中非常重要的一部分。本文阐述了机床电气控制系统的概况，详细介绍了电气控制系统的原理，针对应用中常出现的故障情况讲解了如何维修，最后展望了机床电气控制系统的技术发展方向。
【关键词】数控机床；电气控制系统；现场维修；技术发展
1.我国从2003年开始就成了全球最大的机床消费国，也成了世界上最大的数控机床进口国
目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999年，我们国家机械加工设备数控化率是5-8%，目前预计是15～20%之间。
因此，随着电子技术和自动化技术的发展，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，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。
“九五”期间，为促进我国数控机床的发展，机床工具行业针对我国数控机床产量低、形不成规模，提出了数控机床产业化。经过近十年的发展，我国数控机床生产已有一定规模，技术也有一定基础，拥有了自主知识产权的数控产品，数控机床的可供品种超过了1000种。
数控机床的电气控制系统是机床使用中很重要的一部分，控制系统的好坏直接关系到产品质量的高低。
2.下面就对机床的电气控制系统部分做一个简单的介绍
数控机床一般由NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统3部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度：定位精度和轮廓切削精度，精加工的表面粗糙度，在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述。
2.1加工精度
精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。
2.2开环放大倍数
在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差e（∞）=1/K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。
一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为20-30（1/S）。通常把K<20范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。
假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些，若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数一增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。
2.3提高可靠性
数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大、所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等。这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如伺服性能等。
2.4宽范围调速
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。
3.机床的控制系统在使用中常会出现各种各样的问题，结合实际应用，下面对一些故障进行分析
从所使用的元器件类型上.电气控制系统故障通常分为“弱电”故障和“强电”故障两大类，“弱电”部分是指控制系統中以电子元器件、集成电路为主的控制部分。数控机床的弱电部分包括CNC、PLC、MDI/CRT以及伺服驱动单元、输为输出单元等。
“弱电”故障又有硬件故障与软件故障之分。硬件故障是指上述各部分的集成电路芯片、分立电子元件、接插件以及外部连接组件等发生的故障。软件故障是指在硬件正常情况下所出现的动作出锗、数据丢失等故障，常见的有，加工程序出错，系统程序和参数的改变或丢失，计算机运算出错等。
“强电”部分是指控制系统中的主回路或高压、大功率回路中的继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电动机，电磁铁，行程开关等电气元器件及其所组成的控制电路。这部分的故障虽然维修、诊断较为方便，但由于它处于高压、大电流工作状态，发生故障的几率要高于“弱电”部分。必须引起维修人员的足够的重视。
故障排除方法。
3.1初始化复位法
由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存储区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。
3.2参数更改，程序更正法
系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。
3.3调节，最佳化调整法
调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存储功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。
3.4备件替换法
用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。
4.机床电气控制系统未来发展的趋势
a.继续向开放式、基于pc的第六代方向发展。基于pc所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用pc机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。pc机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通信，远程诊断和维修将更加普遍。
b.向高速化和高精度化发展。这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
c.向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
【参考文献】
[1]王润孝.机床数控原理与系统[M].西安：西北工业大学出版社，1997.
[2]曹琰.数控机床应用与维修IM].北京：电子工业出版社，1994.
[3]陈吉红.数控机床实验指南[M].武汉：华中科技大学，2003.
[4]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.
【关键词】数控机床；电气控制系统；现场维修；技术发展
1.我国从2003年开始就成了全球最大的机床消费国，也成了世界上最大的数控机床进口国
目前正在提高机械加工设备的数控化率，1999年，我们国家机械加工设备数控化率是5-8%，目前预计是15～20%之间。
因此，随着电子技术和自动化技术的发展，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，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。
“九五”期间，为促进我国数控机床的发展，机床工具行业针对我国数控机床产量低、形不成规模，提出了数控机床产业化。经过近十年的发展，我国数控机床生产已有一定规模，技术也有一定基础，拥有了自主知识产权的数控产品，数控机床的可供品种超过了1000种。
数控机床的电气控制系统是机床使用中很重要的一部分，控制系统的好坏直接关系到产品质量的高低。
2.下面就对机床的电气控制系统部分做一个简单的介绍
数控机床一般由NC控制系统、伺服驱动系统和反馈检测系统3部分组成。数控机床对位置系统要求的伺服性能包括：定位速度和轮廓切削进给速度：定位精度和轮廓切削精度，精加工的表面粗糙度，在外界干扰下的稳定性。这些要求主要取决于伺服系统的静态、动态特性。对闭环系统来说，总希望系统有较高的动态精度，即当系统有一个较小的位置误差时，机床移动部件会迅速反应。下面就位置控制系统影响数控机床加工要求的几个方面进行论述。
2.1加工精度
精度是机床必须保证的一项性能指标。位置伺服控制系统的位置精度在很大程度上决定了数控机床的加工精度。因此位置精度是一个极为重要的指标。为了保证有足够的位置精度，一方面是正确选择系统中开环放大倍数的大小，另一方面是对位置检测元件提出精度的要求。可以说，数控机床的加工精度主要由检测系统的精度决定。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量线路。在设计数控机床、尤其是高精度或大中型数控机床时，必须精心选用检测元件。所选择的测量系统的分辨率或脉冲当量，一般要求比加工精度高一个数量级。总之，高精度的控制系统必须有高精度的检测元件作为保证。
2.2开环放大倍数
在典型的二阶系统中，阻尼系数x=1/2（KT）-1/2，速度稳态误差e（∞）=1/K，其中K为开环放大倍数，工程上多称作开环增益。显然，系统的开环放大倍数是影响伺服系统的静态、动态指标的重要参数之一。
一般情况下，数控机床伺服机构的放大倍数取为20-30（1/S）。通常把K<20范围的伺服系统称为低放大倍数或软伺服系统，多用于点位控制。而把K>20的系统称为高放大倍数或硬伺服系统，应用于轮廓加工系统。
假若为了不影响加工零件的表面粗糙度和精度，希望阶跃响应不产生振荡，即要求是取值大一些，开环放大倍数K就小一些，若从系统的快速性出发，希望x选择小一些，即希望开环放大倍数一增加些，同时K值的增大对系统的稳态精度也能有所提高。因此，对K值的选取是必需综合考虑的问题。换句话说，并非系统的放大倍数愈高愈好。当输入速度突变时，高放大倍数可能导致输出剧烈的变动，机械装置要受到较大的冲击，有的还可能引起系统的稳定性问题。这是因为在高阶系统中系统稳定性对K值有取值范围的要求。
2.3提高可靠性
数控机床是一种高精度、高效率的自动化设备，如果发生故障其损失就更大、所以提高数控机床的可靠性就显得尤为重要。可靠度是评价可靠性的主要定量指标之一，其定义为：产品在规定条件下和规定时间内，完成规定功能的概率。对数控机床来说，它的规定条件是指其环境条件、工作条件及工作方式等。这里的功能主要指数控机床的使用功能，例如伺服性能等。
2.4宽范围调速
在数控机床的加工中，伺服系统为了同时满足高速快移和单步点动，要求进给驱动具有足够宽的调速范围。
3.机床的控制系统在使用中常会出现各种各样的问题，结合实际应用，下面对一些故障进行分析
从所使用的元器件类型上.电气控制系统故障通常分为“弱电”故障和“强电”故障两大类，“弱电”部分是指控制系統中以电子元器件、集成电路为主的控制部分。数控机床的弱电部分包括CNC、PLC、MDI/CRT以及伺服驱动单元、输为输出单元等。
“弱电”故障又有硬件故障与软件故障之分。硬件故障是指上述各部分的集成电路芯片、分立电子元件、接插件以及外部连接组件等发生的故障。软件故障是指在硬件正常情况下所出现的动作出锗、数据丢失等故障，常见的有，加工程序出错，系统程序和参数的改变或丢失，计算机运算出错等。
“强电”部分是指控制系统中的主回路或高压、大功率回路中的继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电动机，电磁铁，行程开关等电气元器件及其所组成的控制电路。这部分的故障虽然维修、诊断较为方便，但由于它处于高压、大电流工作状态，发生故障的几率要高于“弱电”部分。必须引起维修人员的足够的重视。
故障排除方法。
3.1初始化复位法
由于瞬时故障引起的系统报警，可用硬件复位或开关系统电源依次来清除故障，若系统工作存储区由于掉电，拔插线路板或电池欠压造成混乱，则必须对系统进行初始化清除，清除前应注意作好数据拷贝记录，若初始化后故障仍无法排除，则进行硬件诊断。
3.2参数更改，程序更正法
系统参数是确定系统功能的依据，参数设定错误就可能造成系统的故障或某功能无效。有时由于用户程序错误亦可造成故障停机，对此可以采用系统的块搜索功能进行检查，改正所有错误，以确保其正常运行。
3.3调节，最佳化调整法
调节是一种最简单易行的办法。通过对电位计的调节，修正系统故障。最佳化调整是系统地对伺服驱动系统与被拖动的机械系统实现最佳匹配的综合调节方法，其办法很简单，用一台多线记录仪或具有存储功能的双踪示波器，分别观察指令和速度反馈或电流反馈的响应关系。通过调节速度调节器的比例系数和积分时间，来使伺服系统达到即有较高的动态响应特性，而又不振荡的最佳工作状态。在现场没有示波器或记录仪的情况下，根据经验，即调节使电机起振，然后向反向慢慢调节，直到消除震荡即可。
3.4备件替换法
用好的备件替换诊断出坏的线路板，并做相应的初始化启动，使机床迅速投入正常运转，然后将坏板修理或返修，这是目前最常用的排故办法。
4.机床电气控制系统未来发展的趋势
a.继续向开放式、基于pc的第六代方向发展。基于pc所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用pc机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。pc机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通信，远程诊断和维修将更加普遍。
b.向高速化和高精度化发展。这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。
c.向智能化方向发展。随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高。
【参考文献】
[1]王润孝.机床数控原理与系统[M].西安：西北工业大学出版社，1997.
[2]曹琰.数控机床应用与维修IM].北京：电子工业出版社，1994.
[3]陈吉红.数控机床实验指南[M].武汉：华中科技大学，2003.
[4]李善术.数控机床及其应用[M].北京：机械工业出版社，2001.