数控机床电源故障诊断

孟军红, 林东玲

(1．沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112；2.辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)

数控机床电源故障诊断

孟军红1, 林东玲2

(1．沈阳城市学院，辽宁 沈阳 110112；2.辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)

数控机床的电源装置为数控机床电气控制系统提供交流380、220和110 V，直流+24和+15 V等不同规格的电源，以满足电气控制系统的要求。电源装置中各电器元件的故障、电网电压的波动和负载对地短路等都会影响电源装置正常工作。通过实例介绍了数控机床电源装置的常见故障以及维修方法。

电源配置；故障诊断；电气原理图；接地；短路

数控机床内部的电气控制系统较复杂，不同控制装置需要的电源种类不同：交流伺服电动机需要AC380 V电源；控制用接触器、继电器需要AC200 V(或者110 V)电源；一些开关电器需要DC24 V电源；集成电路块需要+5 V电源，这些规格多样的电源都需要通过电源装置提供。数控机床的电源装置通常由电源变压器、机床控制变压器、熔断器、断路器和开关电源等组成。电源装置中各电器元件的故障、电网电压的波动和负载对地短路等都会影响电源装置正常工作[1]。

1 电源配置

数控机床在供电线路上可以直接获得AC380 V电源，然后在机床电气控制柜中根据负载性质和要求进行二次分配，为负载提供不同规格的交、直流电压。三菱MELDAS 50 系统的电源配置图如图1所示。

图1 机床电源配置图

从图1可以看出，工厂动力电网为机床提供了三相AC380 V，50 Hz的电源。该电源经过断路器QF1引入到机床后分别转换成伺服系统的驱动电源、机床冷却泵电源、控制变压器电源、直流电源和照明电源。三菱的主轴伺服系统和进给伺服系统均采用三相AC220 V电源，图1中变压器TC1将AC380 V转换为AC220 V。冷却泵电动机直接使用AC380 V电源，不需要转换。变压器TC2的一次侧接入AC380V电源，二次侧有3个抽头，分别提供AC100、110和24 V的电源，其中，AC100 V电源为CNC系统的显示器供电，AC110 V电源为交流接触器的线圈提供吸引电压，AC24 V电源通过整流器UC1和UC2后输出直流24 V电源分别为机床操作面板上的按钮指示灯和数控系统I/O单元供电。I/O单元电源一方面为中间继电器供电，同时也为按钮、接近开关和行程开关等电器元件供电。由于多个电器元件共用+24 V电源，所以某一个负载原件的对地短路而导致其他原件出现短路是直流电源最容易出现的故障[2-3]。

电源是否能够良好接地直接影响到机床的正常运行，因此接地装置的可靠性至关重要。接地电阻应<100 Ω，接地电缆必须有足够的横截面积，一般应大于或等于电源电缆的横截面积，以保证发生短路故障时能安全地将短路电流传输到系统地线中；同时，要定期检查接地端子连接是否牢固，接触是否良好。

断路器不仅相当于刀开关实现接通断开电路，而且当电源装置出现短路、过载、欠压等故障时，能自动切断电路，有效保护电气设备，当机床电源出现故障时，首先应查看断路器是否跳闸。通常在机床上使用的断路器都是塑壳式断路器，主要有扳动式和按钮式2种。要注意定期检修断路器，清除其表面灰尘，确保绝缘良好，同时为保证动作的可靠性，也要定期对电流设定值和动作时间进行检查[4]。

熔断器在电路中起短路保护的作用。当电路出现短路或者严重过载时，流过熔断器的电流超过熔体的极限电流，其熔体自动熔断，从而保护电气设备。数控机床上通常使用螺旋式熔断器，螺旋式熔断器的熔体熔断后，带色标的指示器自动弹出，便于发现更换，更换时必须要更换相同规格的熔体。

2 通过电气原理进行故障诊断

当电源装置出现故障时，可以通过分析电气原理，查线读图，查找信号的传输通道，从而找到导致故障的电器元件，查找故障原因。例如：某数控车床在运行过程中突然出现掉电事故，机床掉电的故障原因多是电源指标达不到要求时，电气保护元件动作自动切断电路。经检查，该机床配置的是FANUC 7数控系统，该系统直流稳压电源的监控原理图如图2所示。

图2 FANUC 7系统直流稳压电源监控原理图

电源状态监视器M32的输入信号是该系统所有直流电源，只有当电源板上+15、-15、+5和+24 V均正常时，M32的输出信号才是高电平，中间继电器KA31线圈通电。起动时，按动起动按钮SB10，接触器KM10线圈通电，其主触点KM10闭合，系统接通AC220V电源。正常状态下，在A15S端输出+15 V，XX端输出-15 V， XY端输出+15 V， XV端输出+24 V， XS端输出+5 V， XT端输出0 V，此时KA31线圈通电，使接在XP1、 XP2端子上的KA31常开触点闭合，接触器KM1、KM2线圈同时通电，其常开触点闭合，使KM10线圈持续通电，系统正常工作。当工作结束后，按下停止按钮SB11，系统断电。

在工作过程中，只要电源板上+15、-15 、+5 和+24 V任意一项出现故障，KA31线圈就断电，继而KM10断电，其主触电断开，电源装置断电，从而引起掉电故障。要消除该故障，必须进行原理分析，查找线路中每一个可能出现故障的元件。分析可能引起掉电的原因如下：1)用万用表测量C32两端电压，以确定电源电压是否正常；2)用示波器检查触发脉冲发生器M21是否有20 Hz的脉冲输出，如果没有，说明M21故障；3)用示波器观察T21的一次线圈、二次线圈是否有波形，以判断TC21是否故障；4)检测开关管V25和V26能否正常工作。通过上述逐个检测，一定可以查找到故障原因。

3 负载对地短路的故障诊断

当一个电源同时对多个负载供电时，如果其中一个负载发生短路，就可以引起其他负载的失电事故。一台配备有SINUMERIK810系统的数控机床，在CNC系统启动时，系统开始自检，显示器上滚屏显示自检信息，当显示器上出现系统画面后，数控系统失电，显示器黑屏。该系统CNC装置通过+24 V电源供电，出现这种现象是由于+24 V电源电压下降到一定数值时，CNC系统的欠电压保护系统自动切断电源所致。

该系统的+24 V电源不仅为CNC系统供电，同时还作为限位开关、中间继电器线圈和伺服电动机电磁制动器线圈的电源，它们中的任意一个对地短路都可使其他元件失电。在故障分析过程中，首先，将系统断电，经过测量确认CNC电源模块和中间继电器线圈均无短路和漏电现象，说明故障点不在此处；然后，断开X轴、Y轴和Z轴正负最大位移处限位开关共同的电源线后，CNC系统供电正常，说明故障+X、 -X、+Y、-Y、+Z和-Z处的限位开关可能有短路现象，接下来的任务就是进行短路点确认。本系统的X轴和Y轴的伺服系统完全一致，因此，同时将X轴和Y轴的限位开关通电，CNC上电正常，由此推断故障点在Z轴的限位开关。 尝试将Z轴的限位开关接通电源，出现下述情况：1)主轴箱没有压下+Z和-Z方向的限位开关时，CNC系统无法供电；2)当主轴箱压下+Z或-Z方向的限位开关时，CNC系统上电正常。本系统Z轴的伺服电动机带有电磁制动控制器，如图3所示。分析Z轴的伺服控制原理，在正常运动时，Z轴的限位开关不受压，PLC的输出信号Q3.4为“1”，中间继电器KA3.4线圈得电，其常开触点闭合，电磁制动控制器YB3.4线圈得电，抱闸松开，Z轴伺服电动机运动；当SQ3.1或SQ3.2中的某一个被压下时，Q3.4为“0”，YB3.4失电，Z轴伺服电动机抱闸制动；但是出现了YB3.4应该得电时，CNC却失电，YB3.4应该失电时，CNC却得电的现象。很显然，YB3.4线圈的+24 V电源出现了短路故障，经过测量YB3.4线圈的对地电阻，证实了判断的正确性。

图3 Z轴伺服电动机电磁制动器控制

4 结语

上述介绍了数控机床电源装置出现异常导致的机床故障，同时供电网络的电压波动、外部设备的电磁干扰等都会影响电源装置供电；因此，数控机床最好安装在远离中高频电气设备的位置，采取独立的动力线供电或者在电网与数控机床之间加装自动调压器或者电子稳压器，以减少电网电压波动给数控机床电源带来的影响。

[1]王侃夫.数控机床故障诊断及维护[M].北京：机械工业出版社，2000.

[2]王爱玲.数控机床结构及应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

[3]王钢.数控机床调试、使用与维护[M].北京：化学工业出版社，2006.

[4]张永飞.数控机床电气控制[M].大连:大连理工大学出版社，2008.

责任编辑李思文

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FaultDiagnosisofCNCMachineToolPower

MENG Junhong1, LIN Dongling2

(1.Shen yang City University, Shenyang 110112, China；2.Liaoning Equipment Manufacturing Vocation, Shenyang 110161, China)

The power supply device of NC machine can provide power of different specifications such as AC 380 V, 220 V, 110V, DC+24 V, +15V and so on. The power can meet the requirements of the electrical control system. Many factors influence the normal work of the power supply device such as the fault of all electrical components, Grid voltage fluctuations, the load short circuit to ground and so on. This paper introduced the common faults and repairing method through the example.

power supply device, fault diagnosis, electrical diagram, ground connection, short circuit

TM 910.7

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孟军红(1970-)，女，硕士，副教授，主要从事数控机床电气控制系统设计与维护等方面的研究。

2015-01-19