数控切割机CNC系统故障分析及改造方案

周海杰

摘 要：随着工业自动化、信息化技术的不断发展，数控（CNC）切割机的使用范围越来越广，具有加工精度高，生产效率高，产品质量稳定、劳动强度低等很多优点。但由于其技术越来越先进，系统复杂，涉及专业范围广，对操作及维修人员的专业知识、理论及实际操作技术各方面的要求也越来越高。文章对此进行了分析。

关键词：数控切割机；CNC系统；故障分析；改造方案

目前，企业往往注重具有较丰富的切割专业知识和机械维修经验的专业技术工人，而忽略了计算机、工业控制及PLC系统的专业技术人才，当数控系统出现问题时，往往束手无策，故障排除效率低，导致因CNC系统出现软、硬件的故障或损坏，使机器停机，造成整个设备无法工作，严重的影响了企业生产，对于这类故障的诊断，除了必须了解该数控系统的工作原理及各线路板的功能，然后根据故障现象进行分析，在有条件的情况下利用交换法准确定位故障点外，对于经常性的故障还需要有针对性的对CNC系统进行部分改造，根据当前软、硬件的进行更新，采用更为先进的技术。

目前，我厂使用的2台某公司生产的数控切割机，其数控系统（CNC）采用个人计算机式结构，由工业PC系统作为CNC的支持平台，再由生产厂家根据控制需要插入控制卡和相应软件、驱动，完成具体的作业，具体由主板，CPU及散热风扇，硬盘，显卡，内存条，LCD显示器，电源，键盘，加密狗，运动卡，I/O卡等组成；配合中文Windows XP操作系统，切割控制软件及其他驱动程序。整个系统封装在CNC控制箱内；在几年的使用过程中，针对CNC系统，存在如下问题：

（1）CNC系統稳定性不高，2台设备均存在夏季高温季节数控系统过热，出现系统死机、重启等现象，不能稳定运行；（2）CNC系统所采用的是PC构架，其工作特点是对场地环境和温度、电气环境要求比较高，而在实际工作现场，尤其是夏季高温潮湿季节，很难满足这一要求，因此，PC系统中的关键零部件如硬盘、风扇和PC主板等，在1-2年内总会发生故障，加速老化，严重影响切割作业；（3）由于该切割机的CNC系统配备和使用的是2.5' 普通笔记本硬盘（容量40-80G，4200rpm/min）和普通风冷CPU扇热器，该类型（温氏硬盘构架）机械硬盘高速旋转会产生热量，任何震动、意外掉电等均有可能导致磁道损坏，从而引起硬盘发生故障；普通风冷散热器的风扇在高温粉尘的工业环境使用，寿命大大缩短，更严重的会引起扇叶堵塞，失去散热作用，造成CPU或主板过热，而这些因素将直接导致数控系统在夏季无法稳定运行；（4）该切割机软件系统设计是基于Microsoft.net技术开发的最新技术人机操作界面（HMI）及中文Windows XP平台，决定了该系统无法采用普通的NC模式，必须采用相对高端的CPU和大容量的存储空间，这样，就给系统的稳定性带来了更高要求。

鉴于上述原因和我们维修的经历，对现有的CNC系统进行改造，在保证该切割机的HMI技术特点的同时，尽量采用高端CPU平台，对传统散热器件、存储器件、防尘技术、安全及提高产品质量等方面进行改造，以达到稳定运行的目的，主要改造内容：

（1）CNC数控系统采用Mini ITA构架工控机主板，集成度高，尺寸小，接口丰富，并集成低功耗CPU，采用无风扇散热方式，并且易于将PC系统集成安装为固化单元，有效的减少热源，抗震动，适用于高温、潮湿、工业粉尘、电磁辐射、机床抖动等恶劣工业环境，确保了数控系统的稳定性。其主要参数如下：a.高性能的英特尔凌动无风扇低功耗平台，其处理器功耗只有2.5W，Intel 945GSE+ICH7M的芯片组搭配提供的性能要远高于英特尔其他的低功耗方案，属于新一代的硬件应用环境；b.独立的双显支持VGA+LVDS（24Bit），DDR2内存和千兆网卡，稳定，安全，抗震，适应恶劣的工作环境；支持4×COM，6×USB2.0，2×SATA 1×IDE和CF II和传统的PCI+MINI-PCI+MINI-PCIE扩展槽；c.主要物理参数：尺寸：170mm×170mm；功耗：DDR266+5V1.2A，+12V 0.5A；工作温度：-20°C～80°C；相对湿度：10%～90%。

（2）淘汰原有的60G普通硬盘（温氏硬盘构架），使用先进的抗震动、免维护电子硬盘替代普通的机械硬盘，最大限度的减少数控系统的热源，保证系统的稳定。该产品采用Mini PCIe接口，512MCache，接口速度可达SATA 6Gbps，兼备体积小，静态功耗仅为0.087W，工作温度为0℃-75℃，使用寿命（MTBF）可达1.5M，是替代传统硬盘存储的理想产品。

（3）专用机箱：支持Mini-ITX结构主板，插板式DC12V Mini电源板，全铝外壳，带散热齿，本体散热，根据实际情况，可以选配风扇（强制散热），增强散热效果，内置防尘滤纸，尺寸小，可安置在切割机数控箱内。

（4）运动控制卡的处理：由于本机的PC可考虑独立封装的一个单元，因此，全尺寸的运动控制卡（PCI）无法在Mini-ITX内安装，可采用PCI-PCI延长线方式，将运动控制卡外接，接口封装后固定于切割机数控箱内。PCI 软排线连接转接卡是针对1U、2U服务器小机箱扩展设计，当PCI槽与其他的PCI设备受影响时，可通过软PCI转接线来转接，使PCI槽能够有效利用，该转接卡采用高速高频高抗阻设计，支持所有PCI设备，且安装自由灵活。

（5）切割头实时视频监控：实际操作中，对于切割头与钢板之间的距离、火焰状况、运行轨迹需要进行实时监测，因龙门切割机外形尺寸较大，操作人员需要进入行程范围内查看，带来了安全隐患，采用工业耐高温、防尘摄像头进行同步跟踪，实时将图像传回操作者或车间办公室。该摄像机安装于割炬上，通过调整摄像机角度、位置，使当前的火焰情况、切割轨迹清楚了然，安全生产和保证产品质量起较大作用。

耐高温工业级近距摄像机主要参数：

变倍比： 15：1

放大倍数： 100倍

工作距离： 55mm-285mm

CCD芯片： 1/3"SONY COLOR CCD

有效像素：NTSC：510 （H）X492 （V）PAL： 500 （H） X582 （V）

水平清晰度： NTSC： 525线， 60 fields/秒PAL： 625线， 50 fields/秒

视屏输出： 1vp-p75Ω；Negative

白平衡： 自动

信噪比： >46db

Gamma特性： 0.45

最低照度： 0.5Lux

功率消耗： 12v+_10%DC，100mA

工作温度： -10～+50

8寸液晶监视器/多接口BNC/AV/VGA监控显示器

该产品支持BNC接口，可以连接监控摄像头，支持AV接口，可以连接DVD或者VCD影碟机，支持VGA接口，可以连接硬盘录像机；通过近距摄像机采集的实时图像，由AV接口显示在液晶监视器上，清晰准确，一目了然。

经过上述几个方面的改造，该切割机的CNC系统稳定性明显提高，尤其在夏季高温多雨季节，极少出现因为数控系统问题产生的停工现象，而且改造费用低、简单易行，改造后系统运行速度及启动速度大幅提高，提高了生产效率，减少了设备维护量，给企业带来了显著的经济效益。