常州轻工职业技术学院
数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO,04
授课日期
授课班级
03机电331
03机电332
课题
电源的故障诊断及抗干扰
授课类型
讲 授
课时数
教 学目 的
重 点难 点
教 具挂 图
教学过程及时间分配
主 要 教 学 内 容
教学方法的运用
一、电源的故障诊断数控机床的电源装置通常出电源变压器、机床控制变压器、断路器、熔断器和开关电源等组成。通过电源配置提供给数控机床各种电源，以满足不向负载的要求。电网的电压波动，负载对地短路均会影响到电源的正常供给。
1、电源配置数控机床从供电线路上取得电源后，在电气控制柜中进行再分配，根据不同的负载性质和要求，提供不同容量的交、直流电压；图l—4为三菱MELDAS50系列CNC系统及伺服驱动的电源配量。
动力电网的三相交流380v，50Hz电源经断路器QFl引入。分别转换成驱动部分电源、冷却泵电源、控制变压器电源、直流电源和照明电源。由于三菱伺服驱动(包括主轴和进给)的驱动电压为三相交流200v，经断路器QF2和变压器TC1将二相交流380v变换为三相交流200v。变压器TC2一是将单相220V电源变换为单相110v电源，用于交流接触器的线圈电压；二是变换为单相100v电源，用于CNC系统CRT显示器的电源；三是变换为交流24v电源，经整流器UC1和UC2输出直流+24v，分别用于机床操作面板上带灯显示按钮的电源和数控系统的I/O单元电源。I/O单元电源一方面用于中间继电器的线圈电压，另一方面用于接近开关电源和各类按钮及行程开关的对地电压。由于各个负载共用一个+24v电源，因此一个负载对地短路而引起另一负载的短路是电源最容易发生的故障。
另外要注意的是电源配置中的接地线(黄绿线)，接地的好坏直接影响到机床的正常运行和安全性，要检查接地排上接地端子连接是否紧固，接触是否良好。
当机床出现电源故障时，首先要查看熔断器、断路器等保护装置是否熔断或跳闸，找出故障的原因，如短路，过载等。断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的电器。在机床线路中，常用塑壳式断路器作为电源开关及控制和保护电动机频繁起动、停止的开关，其操作方式多为手动操作，主要有扳动式和按钮式两种。每经过一段酌间，如定期检修时，应消除断路器上的灰尘，以保证良好的绝缘；定期检查电流整定值和延时设定，以保证动作可靠。
熔断器在配电线路中作为短路保护之用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以它本身产生的热量使熔体熔化而自动分断电路，在数控机床的配电线路中常用螺旋式熔断器和扳动式熔断器。螺旋式熔断器有熔体熔断的信号指示装置，熔体熔断后，带色标的指示器弹出，便于发现更换。扳动式熔断器中的熔丝可应用万用表来检验其是否熔断。在更换熔丝时，要注意熔断器的电流等级，以避免线路的误动作或过电流。
2、通过电气原理图诊断故障
当机床运行中停电或无法起动，从电源方面来看，故阵原因多为电源指标没有达到而进行的自我保护。
例1—3 配备FANUC7系统的数控机床，在运行过程中产生丢电故障。图1—5为该系统直流稳压电源的监控原理团。
3、负载对地短路的故障诊断
当一个电源同时供几个负载使用时，若其中一个负载发生短路，就可能引起其他负载的失电故障：
例1—4 一台配备SINUMERIK810系统的数控机床。当按下CNC起动按钮时，系统开始自检，在显示器上出现基本画面时，数控系统马上失电，这种现象与CNC系统+24v直流电压有关，当+24v直流电压下降到一定数值时，CNC系统采取保护措施，自动切断系统电源。由稳压电源输出的+24v直流电压除了供CNC系统外，还作为限位开关的外部电源、中间继电器线圈及伺服电动机中电磁制动器线圈的驱动电源，因此它们中的任何一个短路，均可使其他元件失电。
在不通电的情况下，经测量确认CNC系统的电源模块、中间继电器线团无短路、漏电现象。逐个断开X、Y和Z轴各两个限位开关共同的电源线时，CNC系统供电正常，测量限位开关，确认没有对地短路现象。为进一步确认故障，将6个开关逐个接到电源上，处于工作状态。其中x轴和Y轴的限位开关接上电源后，CNC上电正常。但Z轴的2个限位开关接到电源后，出现：①主轴箱没有到达+Z和-Z方向的限位位置时，CNC系统就供不上电。②当主轴箱到达+Z或-Z限位位置并压上其中一个限位开关时，系统就能供上电。本例机床Z轴伺服电动机配有电磁制动器，如图1—6所示 电磁制动器具有得电松开，失电制动的特性。
二、数控机床的抗干扰干扰是影响数控机床正常运行的一个重要因素，常见的干扰有电磁波干扰、供电线路于扰和信号传输干扰等。1、电磁波干扰
工厂中电火花高频电源等都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间的传播被附近的数控系统所接收，如果能量足够，就会干扰数控机床的正常工作。
2、供电线路的干扰
数控系统对输入电压的允许范围都有要求，如果过电压或欠电压都会引起电源电压监控报警，从而停机。如果线路受到干扰，就会产生谐波失真，频率与相位漂移。
动力电网的另一种干扰是由大电感负载所引起的。大电感在断电时要把存储的能量释放出来，在电网中形成的高峰尖脉冲，它的产生是随机的，其波形如图1—7所示，由于这种电感负载产生的干扰脉冲频域宽，特别是高频窄脉冲，峰值高，能量大，干扰严重但变化迅速，不会引起电源监控的反应，如果通过供电线路窜入数控系统，引起的错误信息会导致CPU停止远行，系统数据丢失。
3、信号传输干扰数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外界干扰，常会产生常模干扰(又称差模干扰、串模于扰)和共模干扰。如图1—8为串模干扰的等效电路及电压波形。从图中可以看出，串模干扰电压UNl叠加在有用信号上，从而对信号传输产生干扰。
串模干扰的表现形式有：
1．通过泄漏电阻的干扰
最常见的现象是元件支架、检测元件、接线柱、印制线路以及电容绝缘不良，使噪声源得以得以通过这些漏电阻作用于有关电路而造成干扰。
2．通过共阻抗耦合的干扰
最常见的例子是通过接地线阻抗的共阻耦合干扰
3．经电源配电回路引入的干扰
如前所述的供电线路干扰。
图I—9为共模干扰等效电路。
当干扰电压对两根信号线的干扰大小相等、相位相同时属于共模干扰，由于接收装置的共模抑制比一般均较高，所以UN1对系统的影响不大。但当接收装置的两个输入端出现很难避免的不平衡时，共模电压的一部分将转换为串模干扰电压。
三、抗干扰的措施
1．减少供电线路干扰
数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备；要避免大功率起动、停止频繁的设备和电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，而要采用独立的动力线供电。在电网电压变化较大的地区，供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减小电网电压的波动。动力线与信号线要分离，信号线采用绞合线，以减少和防止磁场耦台和电场耦合的干扰。如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少100M以上，两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外，控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交，如图1—10所示，控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。
2．减少机床控制中的干扰
(1)压敏电阻保护 图1—11为数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。
在电路中加入压敏电阻，又称浪涌吸收器，可对线路中的瞬变、尖峰等噪声起一定的保护作用。压敏电阻是一种非线性过电压保护元件，抑制过电压能力强，反应速度快。平时漏电流很小，而放电能力异常大，可通过数千安培电流，且能重复使用。
(2)阻容保护 图l—12是数控机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。
交流接触器和交流电动机频繁起停时，其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪声，干扰数控系统和伺服系统的正常工作。在这些电器出口入阻容吸收回路，会改变电感元件的线路阻抗，使交流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时平稳、抑制了电器产生的干扰噪声。交流接触器的阻容吸收回路，其电阻一般为220Ω，电容一般为0.2uF/380v；交流电动机各相之间的阻容吸收回路，电阻一般为300Ω，电容一般为0.47pF/380V。
目前，有些交流接触器配备有标准的阻容吸收器件，如TE公司的D2系列接触器，其交流接触器中的LA4线圈抑制模块，如图I—13a所示，可直接插入接触器规定的部位，安装方便。图1—13b所示的三相灭弧器用于三相负载的阻容吸收。
(3)续流二极管保护 图l—14是数控机床电气控制中直流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。
直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势，在电感元件两端反向并联一个续流二极管，释放线圈断电时产生的感应电动势，可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰噪声。目前，有些直流继电器已将续流二极管做成一体，如FUJI中间继电器DC24VHH53P—FL在其线圈二端并有二极管，给使用安装带来了方便。
3．屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路或线路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等几种。通常使用的铜质网状屏蔽电缆能同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽的作用；将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到电磁屏蔽和低频磁屏蔽的目的；仪器的铁皮外壳接地能同时起到静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。
4．保证“接地”良好
,接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”这条途径对机床起作用的。数控机床的地线系统有这样三种：
(1)信号地 用来提供电信号的基准电位(0v)。
(2)框架地 是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统，它是装置的面板、单元的外壳、操作盘及各装置间接口的屏蔽线。
(3)系统地 是将框架地与大地相连接。
图1—15所示为数控机床的地线系统。
系统接地电阻应低于100Ω，连接的电缆必须具有足够的截面积，一般应等于或大于电源电缆的截面积，以保证在发生短路等事故时，能安全地将短路电流传输到系统地线中。图l—16为数控机床实际接地的方法。
图1—16a的接地是将所有全属部件统一连在一点上；图1—16b设置两个接地点，在这种情况下，要把主接地点和第二接地点用截面积足够大的电缆连接起来。
课后小记
数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO,04
授课日期
授课班级
03机电331
03机电332
课题
电源的故障诊断及抗干扰
授课类型
讲 授
课时数
教 学目 的
重 点难 点
教 具挂 图
教学过程及时间分配
主 要 教 学 内 容
教学方法的运用
一、电源的故障诊断数控机床的电源装置通常出电源变压器、机床控制变压器、断路器、熔断器和开关电源等组成。通过电源配置提供给数控机床各种电源，以满足不向负载的要求。电网的电压波动，负载对地短路均会影响到电源的正常供给。
1、电源配置数控机床从供电线路上取得电源后，在电气控制柜中进行再分配，根据不同的负载性质和要求，提供不同容量的交、直流电压；图l—4为三菱MELDAS50系列CNC系统及伺服驱动的电源配量。
动力电网的三相交流380v，50Hz电源经断路器QFl引入。分别转换成驱动部分电源、冷却泵电源、控制变压器电源、直流电源和照明电源。由于三菱伺服驱动(包括主轴和进给)的驱动电压为三相交流200v，经断路器QF2和变压器TC1将二相交流380v变换为三相交流200v。变压器TC2一是将单相220V电源变换为单相110v电源，用于交流接触器的线圈电压；二是变换为单相100v电源，用于CNC系统CRT显示器的电源；三是变换为交流24v电源，经整流器UC1和UC2输出直流+24v，分别用于机床操作面板上带灯显示按钮的电源和数控系统的I/O单元电源。I/O单元电源一方面用于中间继电器的线圈电压，另一方面用于接近开关电源和各类按钮及行程开关的对地电压。由于各个负载共用一个+24v电源，因此一个负载对地短路而引起另一负载的短路是电源最容易发生的故障。
另外要注意的是电源配置中的接地线(黄绿线)，接地的好坏直接影响到机床的正常运行和安全性，要检查接地排上接地端子连接是否紧固，接触是否良好。
当机床出现电源故障时，首先要查看熔断器、断路器等保护装置是否熔断或跳闸，找出故障的原因，如短路，过载等。断路器相当于刀开关、熔断器、热继电器和欠电压继电器的组合，是一种既有手动开关作用又能自动进行欠电压、失电压、过载和短路保护的电器。在机床线路中，常用塑壳式断路器作为电源开关及控制和保护电动机频繁起动、停止的开关，其操作方式多为手动操作，主要有扳动式和按钮式两种。每经过一段酌间，如定期检修时，应消除断路器上的灰尘，以保证良好的绝缘；定期检查电流整定值和延时设定，以保证动作可靠。
熔断器在配电线路中作为短路保护之用，当通过熔断器的电流大于规定值时，以它本身产生的热量使熔体熔化而自动分断电路，在数控机床的配电线路中常用螺旋式熔断器和扳动式熔断器。螺旋式熔断器有熔体熔断的信号指示装置，熔体熔断后，带色标的指示器弹出，便于发现更换。扳动式熔断器中的熔丝可应用万用表来检验其是否熔断。在更换熔丝时，要注意熔断器的电流等级，以避免线路的误动作或过电流。
2、通过电气原理图诊断故障
当机床运行中停电或无法起动，从电源方面来看，故阵原因多为电源指标没有达到而进行的自我保护。
例1—3 配备FANUC7系统的数控机床，在运行过程中产生丢电故障。图1—5为该系统直流稳压电源的监控原理团。
3、负载对地短路的故障诊断
当一个电源同时供几个负载使用时，若其中一个负载发生短路，就可能引起其他负载的失电故障：
例1—4 一台配备SINUMERIK810系统的数控机床。当按下CNC起动按钮时，系统开始自检，在显示器上出现基本画面时，数控系统马上失电，这种现象与CNC系统+24v直流电压有关，当+24v直流电压下降到一定数值时，CNC系统采取保护措施，自动切断系统电源。由稳压电源输出的+24v直流电压除了供CNC系统外，还作为限位开关的外部电源、中间继电器线圈及伺服电动机中电磁制动器线圈的驱动电源，因此它们中的任何一个短路，均可使其他元件失电。
在不通电的情况下，经测量确认CNC系统的电源模块、中间继电器线团无短路、漏电现象。逐个断开X、Y和Z轴各两个限位开关共同的电源线时，CNC系统供电正常，测量限位开关，确认没有对地短路现象。为进一步确认故障，将6个开关逐个接到电源上，处于工作状态。其中x轴和Y轴的限位开关接上电源后，CNC上电正常。但Z轴的2个限位开关接到电源后，出现：①主轴箱没有到达+Z和-Z方向的限位位置时，CNC系统就供不上电。②当主轴箱到达+Z或-Z限位位置并压上其中一个限位开关时，系统就能供上电。本例机床Z轴伺服电动机配有电磁制动器，如图1—6所示 电磁制动器具有得电松开，失电制动的特性。
二、数控机床的抗干扰干扰是影响数控机床正常运行的一个重要因素，常见的干扰有电磁波干扰、供电线路于扰和信号传输干扰等。1、电磁波干扰
工厂中电火花高频电源等都会产生强烈的电磁波，这种高频辐射能量通过空间的传播被附近的数控系统所接收，如果能量足够，就会干扰数控机床的正常工作。
2、供电线路的干扰
数控系统对输入电压的允许范围都有要求，如果过电压或欠电压都会引起电源电压监控报警，从而停机。如果线路受到干扰，就会产生谐波失真，频率与相位漂移。
动力电网的另一种干扰是由大电感负载所引起的。大电感在断电时要把存储的能量释放出来，在电网中形成的高峰尖脉冲，它的产生是随机的，其波形如图1—7所示，由于这种电感负载产生的干扰脉冲频域宽，特别是高频窄脉冲，峰值高，能量大，干扰严重但变化迅速，不会引起电源监控的反应，如果通过供电线路窜入数控系统，引起的错误信息会导致CPU停止远行，系统数据丢失。
3、信号传输干扰数控机床电气控制的信号在传递过程中若受到外界干扰，常会产生常模干扰(又称差模干扰、串模于扰)和共模干扰。如图1—8为串模干扰的等效电路及电压波形。从图中可以看出，串模干扰电压UNl叠加在有用信号上，从而对信号传输产生干扰。
串模干扰的表现形式有：
1．通过泄漏电阻的干扰
最常见的现象是元件支架、检测元件、接线柱、印制线路以及电容绝缘不良，使噪声源得以得以通过这些漏电阻作用于有关电路而造成干扰。
2．通过共阻抗耦合的干扰
最常见的例子是通过接地线阻抗的共阻耦合干扰
3．经电源配电回路引入的干扰
如前所述的供电线路干扰。
图I—9为共模干扰等效电路。
当干扰电压对两根信号线的干扰大小相等、相位相同时属于共模干扰，由于接收装置的共模抑制比一般均较高，所以UN1对系统的影响不大。但当接收装置的两个输入端出现很难避免的不平衡时，共模电压的一部分将转换为串模干扰电压。
三、抗干扰的措施
1．减少供电线路干扰
数控机床的安置要远离中频、高频的电气设备；要避免大功率起动、停止频繁的设备和电火花设备同数控机床位于同一供电干线上，而要采用独立的动力线供电。在电网电压变化较大的地区，供电电网与数控机床之间应加自动调压器或电子稳压器，以减小电网电压的波动。动力线与信号线要分离，信号线采用绞合线，以减少和防止磁场耦台和电场耦合的干扰。如变频器中的控制电路接线要距离电源线至少100M以上，两者绝对不可放在同一个导线槽内。另外，控制电路配线与主电路配线相交时要成直角相交，如图1—10所示，控制电路的配线应采用屏蔽双绞线。
2．减少机床控制中的干扰
(1)压敏电阻保护 图1—11为数控机床伺服驱动装置电源引入部分压敏电阻的保护电路。
在电路中加入压敏电阻，又称浪涌吸收器，可对线路中的瞬变、尖峰等噪声起一定的保护作用。压敏电阻是一种非线性过电压保护元件，抑制过电压能力强，反应速度快。平时漏电流很小，而放电能力异常大，可通过数千安培电流，且能重复使用。
(2)阻容保护 图l—12是数控机床电气控制中交流负载的阻容保护电路。
交流接触器和交流电动机频繁起停时，其电磁感应现象会在机床的电路中产生浪涌或尖峰等噪声，干扰数控系统和伺服系统的正常工作。在这些电器出口入阻容吸收回路，会改变电感元件的线路阻抗，使交流接触器线圈两端和交流电动机各相的电压在起、停时平稳、抑制了电器产生的干扰噪声。交流接触器的阻容吸收回路，其电阻一般为220Ω，电容一般为0.2uF/380v；交流电动机各相之间的阻容吸收回路，电阻一般为300Ω，电容一般为0.47pF/380V。
目前，有些交流接触器配备有标准的阻容吸收器件，如TE公司的D2系列接触器，其交流接触器中的LA4线圈抑制模块，如图I—13a所示，可直接插入接触器规定的部位，安装方便。图1—13b所示的三相灭弧器用于三相负载的阻容吸收。
(3)续流二极管保护 图l—14是数控机床电气控制中直流继电器、直流电磁阀续流二极管保护的电路。
直流电感元件在断电时线圈中将产生较大的感应电动势，在电感元件两端反向并联一个续流二极管，释放线圈断电时产生的感应电动势，可减小线圈感应电动势对控制电路的干扰噪声。目前，有些直流继电器已将续流二极管做成一体，如FUJI中间继电器DC24VHH53P—FL在其线圈二端并有二极管，给使用安装带来了方便。
3．屏蔽技术利用金属材料制成容器，将需要防护的电路或线路包在其中，可以防止电场或磁场的耦合干扰，此方法称为屏蔽。屏蔽可以分为静电屏蔽、电磁屏蔽和低频磁屏蔽等几种。通常使用的铜质网状屏蔽电缆能同时起到电磁屏蔽和静电屏蔽的作用；将屏蔽线穿在铁质蛇皮管或普通铁管内，达到电磁屏蔽和低频磁屏蔽的目的；仪器的铁皮外壳接地能同时起到静电屏蔽和电磁屏蔽的作用。
4．保证“接地”良好
,接地”是数控机床安装中一项关键的抗干扰技术措施。电网的许多干扰都是通过“接地”这条途径对机床起作用的。数控机床的地线系统有这样三种：
(1)信号地 用来提供电信号的基准电位(0v)。
(2)框架地 是以安全性及防止外来噪声和内部噪声为目的的地线系统，它是装置的面板、单元的外壳、操作盘及各装置间接口的屏蔽线。
(3)系统地 是将框架地与大地相连接。
图1—15所示为数控机床的地线系统。
系统接地电阻应低于100Ω，连接的电缆必须具有足够的截面积，一般应等于或大于电源电缆的截面积，以保证在发生短路等事故时，能安全地将短路电流传输到系统地线中。图l—16为数控机床实际接地的方法。
图1—16a的接地是将所有全属部件统一连在一点上；图1—16b设置两个接地点，在这种情况下，要把主接地点和第二接地点用截面积足够大的电缆连接起来。
课后小记
