数控机床电气系统可靠性分析

于 彤

（1.山东滨州渤海活塞有限公司，山东滨州 256600；2.山东省发动机活塞摩擦副重点实验室，山东滨州 256600）

0 引言

数控机床实现机电一体化自动化生产，根据程序编码和指令遵循图纸要求，在系统程序控制下自动完成零部件的加工制造。相比普通机床，其作业效率与精确度更高，可以避免人为失误产生的问题，还可适用于多种产品生产。为确保数控机床优势得以有效发挥，需要针对常见的电气系统可靠性问题进行研究，通过专业手段的应用来提高数控机床电气系统可靠性，为实际生产提供保障。

1 数控机床电气系统分析

电气系统可以说是数控机床可靠运行的关键，是整个设备的核心，主要负责程序指令的接收并识别解释程序，完成结果逻辑数据的计算与判断处理，最后发挥速度以及时间控制的操作指令。数控机床电气系统比较复杂，可细分出伺服电机、检测开关、伺服放大器、编码器、数控单元、继电器、变频器等多个子系统[1]。电气系统控制着数控机床的各个部件，通过控制程序和操作指令来保证机床始终维持一个良好的运行状态。如果电气系统出现任何异常，将会直接反映到数控机床的运行状态上，关系着是否可以安全稳定地完成生产制造作业，因此必须要提高对电气系统的重视，总结并排除影响其状态的各项因素，争取进一步来提高电气系统的可靠性，为数控机床的稳定运行提供保障。

2 影响数控机床电气系统可靠性因素

2.1 元器件质量问题

数控机床现在已经成为机械生产制造的重要设备，随着应用范围越来越大，出现的数控机床电气系统故障也就越来越多。据统计电气系统故障是数控机床所有类型故障中的主要类型，并且在多数的数控机床电气系统故障中，又以元器件质量差为故障发生主要原因。设备生产制造环节对元器件把控不到位，有质量低劣的电元器件被应用到数控机床的电气系统，例如按键、开关、键盘、屏蔽电缆、接插器、电容、连接器等，导致机床电气系统可靠性降低，在后期运行过程中产生故障的可能性越高[2]。

以接插件为例，其可使用寿命比较短，不拔插次数少，很容易出现接触电阻增大、弹性差、插针插孔氧化腐蚀以及基础不良等问题，然后导致数控系统突然停机，甚至是程序失控，程序数据丢失。接插件状态受作业环境影响较大，日常检修中面对接触完全断开的情况可以及时解决，但是运行噪声却难以有效发现，可降低整个数控系统的运行稳定性。

2.2 系统设计不合理

虽然数控机床相关技术均比较成熟，但是很多数控机床的电气系统设计并不流畅，设计理念比较落后，再加上使用老部件，在实际运行中无法保证其可靠性可以满足生产要求。如果电气系统设计不合理，其对外部干扰因素的抵抗能力也会比较差，出现失控甚至失灵的情况。另外，电源也会对数控机床电气系统的可靠性存在一定影响，强电产生的脉冲噪声通过各种途径影响到电气系统的元器件，导致系统整体稳定性降低。但是很多情况下，对于电源系统噪声抑制方面的设计并未得到重视，缺少高新技术支持，依然会对系统电源产生一定干扰。

2.3 检修维护不到位

数控机床具有较高的自动化，解放了大量的人力资源，可以实现长时间的持续生产制造，具有较高的生产效率。但是如果日常检修维护缺失，就会影响到机床的运行状态，因为无法及时发现存在的隐患，而导致电气系统可靠性降低。目前大部分的企业多数以提高生产效率为主要目的，放松了对生产规范的管控，时常会出现违规操作行为，导致系统元器件受损。尤其是长时间不检修，对老化、损坏部件未及时更换，最终就会出现更大的运行故障，产生更多损失。

2.4 制造工艺不严格

数控机床电气控制系统可靠性还与制造工艺技术有着直接联系，例如虚接焊接工艺不合格。数控机床电气安装时，必须要压紧导线端子的连接点，以免在后期运行过程中出现松脱问题而引起接触不良、发热、腐蚀与接触电阻增大。如果异线端子连接不良，再加上有感染电流通过，就会在接触电阻上产生非常大的电压降。或者是部分电压正好是放大器输入电路的一部分，系统运行时机就会产生噪声。另外，印刷线路板焊点控制不良存在虚焊，元器件管脚引线更容易生锈而导致接触不良，即便是前期不会出现问题，在经过一段时间的运行后也会产生噪声，降低系统运行的稳定性。

3 数控机床电气系统可靠性优化策略

3.1 电气系统设计优化

设计是否合理决定着数控机床电气系统的可靠性高低，基于以往实践经验来看还有较大的优化空间。电气系统的可靠性设计即以提升设备运行可靠性水平为根本性目的，对设计流程进行优化，对繁琐的程序进行简化，并提高设计高效性。同时，还应选择应用稳定性与可靠性高的零部件，避免系统元器件自身性能缺陷带来的影响。对以往数控机床电气系统故障模式进行分析，并判断各类故障的影响程度，然后有针对性的做优化、简化以及环保设计，对电气系统功能进行补充，使其可以更加精准的识别指令信息，提高操作准确性。尤其是现在PLC 技术的日趋成熟，可以将其应用到数控机床电气系统中，对位置控制、过程控制以及数据处理等多个方面进行优化，提高机床生产过程控制可靠性[3]。

3.2 系统硬件设备质量

数控机床的应用实现了机电一体化生产，对促使传统机械制造模式的转变具有重要意义，因此数控机床必定会更大范围的得到应用，以通过其高效化生产来获取更多经济效益。面对此种情况，数控机床设计制造需要面临的压力更大，想要满足实际生产需求，就必须要做好每个细节的把控，尤其是作为核心部分的电气系统，更是质量管理的重中之重。我国很多电元器件依然依赖进口，相比本土产品，进口的数控系统以及功能部件更有利于数控机床电气系统可靠性的提高，但同时也存在着成本高的缺点。面对国内市场与器件产品质量的良莠不齐情况，为保障数控机床电气系统的可靠性，务必在设计制造环节就做好管控，尽量选择高性能的元器件，并且不断对设计生产进行改进，争取提高元器件的应用效率，对外界的干扰因素有更强的抵抗力，减少运行故障的发生[4]。

3.3 系统电源设计改造

对电源进行设计改造，也是提高数控机床电气系统可靠性的重要策略之一，以供电电源为对象，通过高新技术的支持，进一步提高电源的电网适应能力与电磁兼容性能力。例如可以选择应用降额设计方法，选择功率器件与低通电源滤波器、电解电容等。降额设计的要点是实现电流、电压以及功率等电学应力的降额，例如温度、振动、冲击等环境应力方面的降额。电源设计除了要考虑稳态性能，还需要兼顾脉冲状态与环境状态发生变化后可能会带来的浪涌、供电波动以及干扰等问题的处理，这样就要求数控机床电气系统设计时必须要留有足够的余量。并且，环境设计时同样需要考虑抗振设计与热设计的加固，确保可以将干扰控制到最小。

3.4 电气系统安装调试

除了要做好前期设计以外，还需要对安装调试以及后期维护做好管理。如果设备制造与安装工艺低劣，将会从根本上影响电气系统的可靠性，因此需要就制造与安装工艺制定相应的可靠性监管体系。就我国数控机床零部件生产水平来讲，很难保证所有硬件制造结果的可靠性，目前还需要依赖于国际产品，其完全实现全自动制造，减少了人为参与环节，所得产品性能参数更加精准。例如对安装工艺进行控制，实际操作时要严格控制好总线长度，保证电气系统具有优良的抗静电与抗电磁干扰能力。同时还应现则先进的小型元器件作为支持，缩小电气控制单元的体积。并搭配高级可靠的开关电源，以及对电路单元进行模块化设计、线路板的PCB 设计与EMC 设计，提高数控系统的可靠性。另外，数控机床电气系统并没有完全统一的技术资料，如果系统在运行过程中出现问题，其他人想要从源代码解读处理难度非常高，只有原编人员才可以解决。因此建立完善可靠性体保证体系，用于对电气系统研制、开发、测试、运行以及维护等不同环节提供保障，通过专业性的组织与监督指导，来提高数控机床电气系统的可靠性[5-6]。

4 结束语

电气系统是数控机床的重要组成部分，针对其可靠性进行研究，可以确保机床实际生产制造的高效性。只有不断地对实践应用效果进行总结，分析电气系统故障原因并利用有效的专业技术手段进行修复、解决，才能全面提高电气系统的可靠性，使其抵抗外部干扰的能力更强，减少各类故障的发生。