- 數控機床故障診斷與維修（第3版）
- 朱強 趙宏立
- 5240字
- 2020-01-03 19:58:33
二、相關知識
（一）萬用表的使用
數控機床維修涉及弱電和強電領域，最好配備指針式萬用表和數字式萬用表各一塊，如圖1-2所示。指針式萬用表的最大優點是反應速度快，可以很方便地用于監視電壓和電流的瞬間變化及電容器的充放電過程等。數字式萬用表可以快速測量電壓、電流、電阻值，還可以測量晶體管的放大倍數和電容值等。這兩種表的短路測量蜂鳴器可方便測量電路通斷，也可以利用其精確的顯示測量電動機三相繞組阻值的差異，從而判斷電動機的好壞，在數控機床維修中經常使用。
1. 用萬用表測量直流電壓
圖1-2 數字式和指針式萬用表
（1）測量電路如圖1-3所示。
（2）測量直流和電壓時，紅表筆接高電位，黑表筆接低電位。
（3）將萬用表與被測電路并聯連接。
2. 用萬用表測量交流電壓
（1）測量電路如圖1-4所示。
（2）測量時兩表筆可任意接入。
（3）萬用表與被測電路并聯連接。
圖1-3 用萬用表測量直流電壓
圖1-4 用萬用表測量交流電壓
3. 用萬用表測量直流電流
（1）測量電路如圖1-5所示。應將電路相應部分斷開后，將萬用表兩表筆接在斷點的兩端。
（2）測量時紅表筆接高電位，黑表筆接低電位。
（3）萬用表與被測電路串聯連接。
4. 用萬用表測量交流電流
（1）測量電路如圖1-6所示。應將電路相應部分斷開后，將萬用表兩表筆接在斷點的兩端。
（2）測量時兩表筆可任意接入。
（3）萬用表與被測電路串聯連接。
圖1-5 用萬用表測量直流電流
圖1-6 用萬用表測量交流電流
注意
用指針式萬用表測量未知電壓或電流時，萬用表的量程應由大向小過渡，還要注意紅、黑表筆的高、低電位，避免打表針。
5. 用萬用表測量電阻
（1）萬用表歐姆調零。即把紅、黑表筆短接，同時調節歐姆調零旋鈕，使表針對準電阻刻度線零位置，如圖1-7（a）所示。
（2）測量倍率R× 1、R× 10、R× 100、R× 1k擋由1.5V電池供電，測量倍率R× 10k擋由9V電池供電。黑表筆接的是萬用表內電池正極。紅表筆接的是萬用表內電池負極。
（3）用R× 1k擋測量R=1k?的電阻器阻值，如圖1-7（b）所示，指針指在1格處；用R× 100擋時，指針指在10格處；用R× 10擋時，指針指在100格處；用R× 1擋時，指針指在1k格處，由此確定電阻值讀數。選擇合適的擋位，使指針盡量處于右頂端偏左1/3處。
圖1-7 萬用表測量電阻
注意
不能帶電測量，盡量不要在電路中測量電阻，保證電阻不和其他導電體連接，最好將電阻拆卸下來測量，避免出現并聯。不要用雙手接觸電阻，避免將人體電阻與被測電阻并聯。
6. 用萬用表測量二極管（用R×1k擋）
二極管具有單向導電特性，在數控機床中應用較多，特別是發光二極管，其是重要的輸出狀態顯示元件，可以根據它快速判斷出電氣線路的通斷等。
（1）當萬用表內電池正極即黑表筆加在二極管陰極（負極），內電池負極即紅表筆加在二極管陽極（正極）時，如圖1-8（a）所示，反向電阻很大，二極管沒有導通。
（2）當萬用表內電池正極即黑表筆加在二極管的陽極（正極）上，內電池負極即紅表筆加在二極管的陰極（負極）上時，如圖1-8（b）所示，二極管的正向電阻較?。?k?左右），二極管導通；若是發光二極管，則會發光。
圖1-8 萬用表測量二極管
（二）示波器的使用
示波器主要用于測量模擬電路的信號，雙頻示波器還可以比較信號的相位關系，可以測量測速發電機的輸出信號，調整光柵編碼器的前置信號處理電路，維修CRT顯示器的電路。數控系統修理通常使用頻帶范圍為（10～100）MHz的雙通道示波器，它不僅可以測量電平、脈沖上下沿、脈寬、周期、頻率等參數，還可以比較兩信號的相位和電平幅度，常用來觀察主開關電源的振蕩波形，直流電源的波動，測速發電機輸出的波形，伺服系統的超調、振蕩波形，編碼器和光柵尺的脈沖等。示波器的面板如圖1-9所示。
圖1-9 示波器的面板
1. 分辨率的調整
當示波器已經選定時，盡量減小光點的直徑是提高分辨率的主要途徑。在使用示波器時，應盡量將亮度調暗一些，再調節“聚焦”旋鈕，使光點成為一個直徑不大于1mm的小圓點，配合調節“輔助調焦”旋鈕，使圖像清晰，亮度適宜。
2. 探頭的使用
在觀測電平幅度和脈沖的相位、頻率等參數及波形時，合理使用探頭可以減小示波器輸入阻抗對被測電路的影響。因此必須根據測試的要求選用探頭。
3. 避免波形失真
由于示波器的偏轉靈敏度有一定的限制，在使用過程中熒光屏上雙顫幅度不得大于8cm，以免波形失真。為此，在使用前應將“Y軸衰減”置為最大，然后視顯示的波形和觀測需要，適當調節衰減擋。如果信號不需要增幅，可將信號由后插孔直接輸入，但應在其間加隔離電容。
注意
在電壓、相位、頻率的測量中，要注意探頭的選擇，防止探頭帶電觸電，采用合理的測量方法和正確調節示波器。使用中也要注意示波器的維護和保養，以防損壞。
（三）數控電氣元件認知與檢測
1. 低壓斷路器
低壓斷路器過去叫作自動空氣開關，現采用IEC標準稱為低壓斷路器。它是將控制電器和保護電器的功能合為一體的電器，有效保護串接在它后面的電氣設備。電氣元件符號有“QF”、“QM”和“QS”，分別指斷路器、電動機保護開關和隔離開關。數控機床中常用的是小型低壓斷路器。
（1）小型斷路器。小型斷路器（以下簡稱斷路器）適用于交流50Hz或60Hz、額定電壓為230～380V的線路中做過載、短路保護，也可以在正常情況下作為線路的不頻繁轉換之用，尤其適用于工業和商業的照明配電系統。數控機床中斷電器常用于過載、短路保護，也可以在正常情況下不頻繁地通斷電器裝置和照明線路，如圖1-10所示。
圖1-10 小型斷路器
（2）斷路器型號及分類。目前家庭使用DZ系列的斷路器，下面以DZ47-60系列為例說明小型斷路器的型號含義，如圖1-11所示。
① 按額定電流分有1A、2A、3A、4A、5（6）A、10A、15（16）A、20A、25A、32A、40A、50A、60A。
② 按極數分有單極、二極、三極、四極或叫1匹、2匹、3匹、4匹等。
圖1-11 小型斷路器的型號含義
1匹=735W≈750W，2匹=2×750W=1 500W，此計算法以此類推。
【例1-1】3匹空調，應選擇多少安的斷路器？（220V電壓）
750W×3（匹）× 3倍（沖擊電流）= 6 750W
6 750W÷220V≈30.68A（功率÷ 電壓 = 電流）
故應選擇32A的斷路器。
【例1-2】5匹空調，應選擇多少安的斷路器？（380V電壓）
750W × 5（匹）× 3倍（沖擊電流）= 11 250W
11 250W÷380V≈29.61A
故應選擇32A的斷路器。
③ 按斷路器瞬時脫扣器的型式分為C型和D型。C型常見的型號/規格有C16、C25、C32、C40、C60、C80、C100、C120等，其中C表示脫扣電流，即起跳電流，如C32表示起跳電流為32A。
注意
斷路器的額定電流和額定電壓應大于或等于線路、設備的正常工作電流和工作電壓。斷路器在額定負載時平均操作使用壽命為20 000次。機床首次上電調試時，應先將所有斷路器斷開，然后依次閉合，觀察斷路器的工作狀態。
2. 接觸器
接觸器主要用于頻繁接通或分斷交、直流電路，其控制容量大，可遠距離操作，配合繼電器可以實現定時操作、聯鎖控制、各種定量控制和失（電）壓及欠（電）壓保護，廣泛應用于自動控制電路。其主要控制對象是電動機，也可用于控制其他電力負載，如電熱器、照明、電焊機、電容器組等。
（1）組成。接觸器由電磁機構、觸點系統、滅弧裝置及其他部件組成。
（2）工作原理。當線圈通電后，靜鐵芯產生電磁吸力將動鐵芯銜鐵吸合。由于觸點系統是與動鐵芯聯動的，因此動鐵芯帶動三條動觸片同時運行，使常閉觸點斷開，常開觸點閉合。當線圈斷電時，電磁吸力消失，動鐵芯銜鐵在反作用彈簧力的作用下分離釋放，觸點系統隨之復位。
數控機床上應用最多的自動控制元件是交流接觸器。交流接觸器的外形及電氣符號如圖1-12所示。接觸器常利用主觸點來開閉電路，用輔助觸點來執行控制指令。主觸點一般只有常開觸點，而輔助觸點常有兩對具有常開NO和常閉NC（可用萬用表檢測）功能的觸點。小型的接觸器也經常作為中間繼電器配合主電路使用。接觸器的電氣元件符號為KM。
圖1-12 交流接觸器的外形及電氣符號
（3）分類。按接觸器主觸點通過電流的種類不同，分為直流、交流接觸器兩種。電磁式交流接觸器型號為CJ，真空式交流接觸器型號為CZ。
（4）交流接觸器的選擇。
① 主觸點的額定電壓和額定電流、輔助觸點的數量與種類、吸引線圈的電壓等級、操作頻率等符合數控機床的需要，交流接觸器的額定電壓（指觸點的額定電壓）應大于或等于負載回路的電壓。
② 接觸器線圈的電流種類（交流和直流兩種）和電壓等級應與控制電路相同。
③ 觸點數量和種類應滿足主電路和控制線路的要求。
3. 繼電器
繼電器是具有隔離功能的自動開關元件。繼電器一般都有能反映一定輸入變量（如電流、電壓、功率、阻抗、頻率、溫度、壓力、速度、光等）的感應機構（輸入部分）；有能對被控電路實現“通”、“斷”控制的執行機構（輸出部分）；在繼電器的輸入部分和輸出部分之間，還有對輸入量進行耦合隔離、功能處理和驅動輸出部分的中間機構（驅動部分）。
（1）組成。繼電器由電磁機構、觸點系統和釋放彈簧等部分組成。
（2）工作原理。根據外來信號（電壓或電流），利用電磁原理使銜鐵產生閉合動作，從而帶動觸點動作，使控制電路接通或斷開，改變控制電路的狀態。
注意
繼電器的觸點不能用來接通和分斷負載電路，這也是繼電器與接觸器作用的區別。
（3）中間繼電器。中間繼電器實質上是電壓繼電器的一種，電氣元件符號為KA，其外形和電氣符號如圖1-13所示。過電壓繼電器在電壓為額定電壓的110%以上時動作；欠電壓繼電器在電壓為額定電壓的40%～70%時有保護動作。數控機床中使用最多的是小型中間繼電器，常用的型號有J27系列交流中間繼電器和J28系列交直流兩用中間繼電器。其特點是觸點多（多至6對或更多）、觸點電流容量大（額定電流5～10A）、動作靈敏（動作時間不大于0.05s）。
圖1-13 中間繼電器的外形和電氣符號
（4）中間繼電器的選擇。中間繼電器主要依據被控制電路的電壓等級，觸點的數量、種類及容量來選用。要求線圈的電流種類和電壓等級應與控制電路一致；按控制電路的要求選擇觸點的類型（是常開還是常閉，可用萬用表檢測）；繼電器的觸點額定電壓應大于或等于被控制回路的電壓；繼電器的觸點電流應大于或等于被控制回路的額定電流。
4. 變壓器及直流穩壓電源
（1）機床控制變壓器。機床控制變壓器適用于交流50～60Hz、輸入電壓不超過660V的電路，作為各類機床、機械設備等一般電器的控制電源和步進電動機驅動器、局部照明及指示燈的電源，如圖1-14所示。其電氣元件符號為TC。
圖1-14 機床控制變壓器
（2）直流穩壓電源。直流穩壓電源的功能是將非穩定交流電源變成穩定直流電源。數控機床中主要使用開關電源和一體化電源，控制對象為驅動器、控制單元、小直流繼電器、信號指示燈等。開關電源被稱作高效節能電源，電氣元件符號為VC，如圖1-15所示。因為其內部電路工作在高頻開關狀態，所以自身消耗的能量很低，電源效率可達80%左右，比普通線性穩壓電源提高近一倍。數控機床中的開關電源主要用于給DC 24V設備供電。
5. 剩余電流動作斷路器
剩余電流動作斷路器適用于交流50Hz、額定電壓至400V、額定電流至32A的電路中，作剩余電流保護之用。當有人觸電或電路泄漏電流超過規定值時，剩余電流動作斷路器能在極短的時間內自動切斷電源，保障人身安全和防止設備因漏電造成的事故。其外形及電氣符號如圖1-16所示。在數控機床中經常用在外接三相五線電源線的引入端。
圖1-15 開關電源外形及電氣符號
6. 電源切斷開關
數控機床中常有HZ12系列組合開關，用于交流50Hz或60Hz、額定工作電壓至500V的電路中做切斷和接通電源之用，也可直接開閉電動機及高電感負載。電源切斷開關的電氣元件符號為SA，如圖1-17所示。
圖1-16 剩余電流動作斷路器
圖1-17 電源切斷開關
7. 行程開關
數控機床行程開關安裝在X、Y、Z軸機械工作臺行程的極限位置處，限制其行程，也稱為限位開關或終端開關，如圖1-18（a）所示。
8. 接近開關
接近開關是一種常用傳感器件，用在數控雕銑機、數控機床、對刀裝置等機械設備上。其重復定位精度很高，穩定性好。接近開關是非接觸式的監測裝置，當運動著的物體接近它到一定距離范圍內時，就發出信號，以控制運動物體的位置或計數，如圖1-18（b）所示。
圖1-18 行程開關和接近開關
9. 熔斷器
熔斷器是一種廣泛應用的簡單有效的保護電器。它由熔體和熔座組成，如圖1-19所示。熔體由熔點低、易于熔斷、導電性良好的合金材料制成。選擇熔斷器主要是選擇熔斷器的類型、額定電壓、額定電流及熔體的額定電流。熔斷器的額定電壓、額定電流應大于或等于線路的工作電壓、工作電流。
圖1-19 熔斷器
10. 導線和電纜
（1）導線種類。數控機床上主要有3種導線：動力線、控制線和信號線。
（2）導線和電纜鋪設。所有連接，尤其是保護接地電路的連接應牢固，沒有意外松脫的危險。
連接方法應與被連接導線的截面積及導線的性質相適應，銅導線的最小截面積如表1-1所示。只有專門設計的端子，才允許一個端子連接兩根或多根導線。但一個端子只能連接一根保護接地電路導線。導線和電纜的鋪設應使兩端子之間無接頭或拼接點。為滿足連接和拆卸電纜和電纜束的需要，應提供足夠的附加長度。
表1-1 銅導線的最小截面積 單位：mm2
（3）導線的標識。數控機床中的導線應在每個端部做出標記。保護導線的標識在導線全長上采用黃/綠雙色組合。保護導線的色標是絕對專用的。絕緣單芯導線應使用下列顏色標識。
① 黑色：交流和直流動力線。
② 紅色：交流控制線。
③ 藍色：直流控制線。
④ 黃/綠雙色：零線或地線。