数控机床电气控制系统可靠性增长研究.pdf

数控机床电气控制系统可靠性增长研究朱伟，赵中敏（淮海工学院东港学院，江苏连云港222005）摘要：随着微电子技术的飞速发展，数控系统核心部件的微处理器、输入输出模块以及集成电路的可靠性越来越高的问题，所以在机床数控系统中，数控单元很少出故障，反而是其外围电气控制部分存在可靠性差、故障率较高的问题，特别是国产数控系统，这种问题尤其突出，主要表现在元器件质量、制造工艺技术以及安装使用等几个方面。着重从电气控制系统方面介绍其可靠性，并对其增长性进行分析与挖掘。关键词：数控机床；电气控制；干扰源；可靠性中图分类号：TG502.34文献标识码：A文章编号：1672-5468（2008）06-0043-04ReliabilityGrowthofElectricControlSystemofDigitalControlledMachineZHUWei，ZHAOZhong-min（DonggangInstitute，HuaihaiInstituteofTechnology，Lianyungang222005，Chian）Abstract：Withtherapidadvancesofmicroelectronics，thereliabilityofmicroprocessors，inputandoutputmodulesandICsinthecorepartsofadigitalcontrolledsystemisveryhighandfailuresseldomoccarinthedigitalcontrolledunitsofamachine.Themajorissueisthepoorreliabilityoftheperipheralelectriccontrolpart，especiallyinthenationaldigitalcontrolledsystem，whichmainlyappearsasthepoorqualityofcomponents，processingandinstallation.Thereliabilityoftheelectriccontrolsystemwaspresentedanditsreliabilitygrowthwasanalyzed.Keywords：digitalcontrolledmachine；electriccontrol；interferencesource；reliability电子产品可靠性与环境试验ELECTRONICPRODUCTRELIABILITYANDENVIRONMENTALTESTING综述与展望2008年12月第26卷第6期Vol26No6Dec.,2008收稿日期：2008-04-28修回日期：2008-11-06作者简介：朱伟（1975-），男，江苏连云港人，淮海工学院东港学院实验师，主要从事计算机技术及测控方面的研究与教学工作。1引言从20世纪80年代开始，我国的机床数控系统在应用与生产方面得到了迅速的发展。首先，我国引进了许多发达国家的数控系统，低、中、高档都有；其次，国内许多机床厂也在机床制造方面加大力度，下大功夫，大力发展国产数控机床制造业，取得了明显的成效。虽然国产数控系统取得了长足的进步，但却存在许多质量问题，具体表现在可靠性差、稳定性差、一致性差、制造工艺粗糙等方面。单独考核平均无故障时间（MTBF）这一指标，就比外国某些名牌产品相差近一个数量级。本文着重从电气控制系统方面介绍其可靠性，并对其增长性进行分析与挖掘。2元器件的质量问题总结维修经验，作出一定数量的故障统计分析，发现数控系统的大部分故障都是由元器件质量不可靠引起的。在机床数控系统外围电气控制部分所采用的元器件有接插件、开关、按键、电位器、43DIANZICHANPINKEKAOXINGYUHUANJINGSHIYAN电子产品可靠性与环境试验2008年继电器（接触器）、电容器、电缆、传感器等。a）接插件、连接器等元器件的寿命不长、不拔插次数少，在使用中会出现接触电阻变大，插针插孔氧化腐蚀，弹性差，接触不良等现象，往往会造成正在运行的数控系统偶然停机、程序失控、数据丢失等故障；有时还与温度、湿度有很大的关系，时好时坏。接插元件的接触完全断开，倒还很容易发现；有时噪声究竟在哪里产生却难以判断，表现为稳定性差、电气干扰严重。开关、按键、键盘等元器件的失效率也很高，共同的缺陷是簧片材质不好，弹性不够，容易失效，时常发生接触不良的现象。b）当转动机械式电位器旋转时，其炭膜电阻片与滑动接触簧片与接至引出端子的固定接触环之间都会产生一定的滑动噪声。经过一段使用时间后，上述两种噪声有所增加。滑动噪声是按加于电位器上的直流电流来叠加的，其噪声电压和外加电压成正比，这种噪声电压是在电阻片表面移动滑动接触簧时，由其电阻断续变化，在接触面上产生了直流电压的微小跃变而引起的。c）在数控系统中，外围电气控制部分经常要用到继电器、接触器等接触式机械元件。继电器的质量不好同样也会使数控系统工作不稳定。继电器的常见故障表现在触点簧片弹性不好，容易疲劳，触点质量材料差，动静触点接触电阻大等几个方面。另外，由于高温、继电器骨架等变形也会使其动作失灵；继电器线圈有时出现似断非断状态，或者线圈内部匝间短路，也会产生不正常现象。d）电容器失效也会产生一定程度的噪声，特别是管状电容器的引出线与内部电极的机械接触，如果接触不良就会产生噪声，严重时会将电解液溶解并流到电极和引出线之间，产生漏油现象，致使接触电阻变大，相当于断开。另外，电容器绝缘变坏，其内部会放电，将会引起很大的浪涌冲击。e）在数控系统中，所使用的电缆数量很多，大都采用屏蔽双绞线缆。这些双绞线缆担当着传输不同信号的任务。为了保证系统稳定、可靠地工作，必须采用抗EMI较强的、质量很好的屏蔽双绞线缆。有些劣质屏蔽线缆经过电磁兼容（EMC）测试，远远低于标准要求，主要是双绞线缠绕的相对密度不够，电缆屏蔽层铜网织密度过于疏松，影响整个系统的可靠工作和抗干扰指标。f）在数控系统中，所使用的传感器也很多，传感器质量不好同样也会影响整个系统工作的稳定性。数控系统中常用的传感器有位移传感器、位置传感器、速度传感器、接近开关等。位移传感器最常用的有光栅尺，获取的信号为35V，分辨率更高的位移信号，需将光栅尺输出信号进行细分，再送入信号放大电路、显示电路等，光栅尺的体积小，抗干扰能力较强，但其对灰尘污染较敏感，应限制其使用。g）在闭环控制系统中，位置环的检测单元是构成系统反馈信号的关键部件，磁编码器是常用的传感器。磁编码器在工作中随着坐标不断地转动，对坐标的实际位置进行测试并反馈给计算机，与命令值比较，利用差值控制伺服执行机构，直至差值为零，工作台停止移动，构成闭环控制系统。磁编码器的磁敏电阻工作频率很高，使用一段时间以后磁敏电阻的阻值就会发生变化，偏离正常阻值，使输出逻辑关系出现紊乱。这种传感器在拆除换新时比较烦琐，调整困难。一种新型传感器霍耳元件传感器已被广泛地应用于数控系统中，它具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装调试方便、功耗小、频率高、耐震动，以及不怕灰尘、油污、水汽及盐霉等污染或腐蚀等优点。3制造工艺技术问题机床数控系统工作的稳定性与其制造工艺技术密切相关。制造工艺技术问题可以归结为以下几个方面。a）虚接虚焊在电气安装工艺过程中，导线端子的连接需要压紧，不能松动，否则会引起接触不良、腐蚀、发热，接触电阻变大，如果此时流过干扰电流，在接触电阻上就会产生很大的电压降；如果此部分电压正好是放大器输入电路的一部分，就会造成噪声输出。印刷线路板上的焊点如果出现虚焊，元器件管脚引线就容易生锈而引起接触不良，即使在起初阶段不会暴露，但在使用一段时间后则会出现接触不良现象，产生噪声。b）电源问题据统计，计算机的故障大多来自电源自身故障以及它对干扰的传导。电源系统往往会受到来自不同途径的干扰影响，由此会产生很强的噪声干扰，通过传播路径影响到数控系统的正常运行。因此对电源系统进行合理的EMI设计，抑制干扰噪声，44DIANZICHANPINKEKAOXINGYUHUANJINGSHIYAN第6期是解决数控系统干扰问题的一个有力措施。电网供电质量也是引起数控系统工作不稳定的一个重要因素，由于厂矿企业各自用电的差别很大，仅电网电压波动就可能超过国家标准10%，再加上电力输电线上存在的各种谐波等污染，伴随着各种噪声干扰，就会使系统时好时坏，故障明显增加，使机床不能正常工作。在开发数控系统中，需要着重考虑电源系统的噪声问题，要增强电源的电网适应能力和提高电磁兼容性能力。选取元器件时需要考虑降额使用，重点选择功率器件（大功率三极管、二极管等）以及电源滤波等。设计选择不仅要考虑稳态性能，还应考虑脉冲状态和环境变化时引起的供电波动、浪涌等最坏情况。降额使用不仅包括电压、电流、功率等电学指标降额，还包括温度、振动、冲动等参数降额使用。在电源的开发设计阶段，应反复进行电磁兼容性抗干扰模拟试验，找出薄弱环节。依据EMC相关设计标准要求定量模拟电源干扰的环境，将噪声脉冲能量注入到电源输入线上模拟高电压、频谱宽的脉冲，以产生较强的干扰信号。另外，要进行静电模拟试验，即在金属外壳上放电，瞬间放电电流密度大，放电电流流过金属外壳，产生很强的电磁场，通过分布抗耦合到电路的薄弱环节上，使电路产生误动作。通过种种模拟试验，检查出由于设计和工艺缺陷而产生干扰的电路部位，然后进行改进，将干扰噪声抑制到最小程度。c）机械噪声数控机床的床身或传动机构在生产制造过程中如果考虑不周，就会在运行过程中产生很大的振动，或者一部分元件与电机转动的频率产生共振，这一部分元件的振动幅度很大，当这部分电路包含有谐波电路的电容器或电感线圈时，由于调谐频率随振动而变化，从而形成干扰。如电位器元件的机械接触部分在外力作用下产生振动，会因压力变化导致接触不良，当电流流经这部分电路时就转化为电压的变化，而构成干扰并产生噪声。这种由机械振动转换成电振荡的干扰噪声称之为颤动噪声。4安装使用问题数控系统的安装是否合理对数控机床可靠性和稳定运行也至关重要。在多数情况下，数控系统的安装、调试、试车都是很顺利的，但也有个别情况，没有严格按照机床使用说明书上规定的安装注意事项安装，没有考虑到现场环境，以及电磁干扰的影响而遇到一系列故障问题。典型的故障现象是主轴传动系统一旦动作，其它伺服系统如进给机构也可能有电磁干扰，造成系统无法正常可靠运行。具体的细节问题可能是多方面的，比如接地不合理，只是把机床外壳当作地线，而没有真正接地母线，或者现场接地电阻很大（一般规定在4以下）等；还有整个系统布线不合理，电机驱动电缆和低电平信号线一起平行走线，引起线间串扰，从而产生噪声。一般来说，数控机床对温度、湿度、供电系统电压波动范围等环境条件的要求并不十分严格，但从加工对象的精度或其它要求来看，有时其要求比设备本身还要高，所以对环境问题进行综合考虑、全面分析是必要的，工作场地必须严格遵守工作守则、保持文明生产与设备保养等要求。如果数控机床工作间的粉尘过多，严重时会损坏和侵蚀数控系统外露部分，引发事故。特别要注意保持数控系统的信号反馈装置的清洁，比如要保持非密闭式光栅尺、传动幅、旋转编码器和非封闭式按键开关与低压电器，以及液压、气动和光学装置等极易受到灰尘侵馈的各个部件的清洁，以免造成数控系统失控，失去稳定性。5结束语数控系统的电气控制部分一般采用两种结构，一种是整体模块结构方式，另一种是小型分立模块结构方式。从抗干扰角度来讲，整体模块结构并不好，因为在整体模块结构中，信号线的平均长度要比小型模块化结构长，小型模块化结构通过总线连接，总线一般都采用屏蔽线缆，能隔离干扰并增强驱动能力。整体模块结构如果考虑不周则人产生“天线效应”，很容易接收干扰噪声信号，使系统工作稳定性下降；而小型分立模块化结构采用总线连接方式，组态灵活，结构紧凑，便于功能扩充，维修方便，因而被广泛地使用。在实际应用中，应尽量控制总线长度，这样可以大大提高系统抗静电及抗电磁干扰能力。另外，也要尽量缩小电气控制单元的体积，选用先进的小型化元器件，使结构制作紧凑；采用先进的高可靠开关电源；电路单元尽理选用模块化结构；对线路板进行合理的PCB设计和EMC设计等。通过采取上述措施，可使系统更加小型化，大大增强数控系朱伟等：数控机床电气控制系统可靠性增长研究45DIANZICHANPINKEKAOXINGYUHUANJINGSHIYAN电子产品可靠性与环境试验2008年信息与动态!IBM联合顶尖大学研发模拟大脑的认知计算机据报道，IBM公司正在与五所顶尖大学合作开展一项有重大意义的研发项目。即创建一种能够模拟并效仿人脑的感觉、观念、行为、互动以及认识能力，同时还将消耗更少的能量，占用更小的空间的计算系统。根据美国市场研究公司IDC的统计，数字数据（dig-italdata）的爆炸式增长丝毫没有放缓的迹象，全球数字数据每年都在以60%的惊人速度增长。因此，各大企业就需要处理数量惊人的数据信息。如果缺乏对信息的实时监控、分析和反应能力，那么很多信息的价值也将丧失。但是，以当前的计算能力来对数据进行抓取和分析，很多时候都无法做出及时的决策和行动。而“认知计算（Cognitivecomputing）”却可以在瞬间就对来自众多渠道的大量数据进行整合和分析，使得企业和个人能够迅速地做出决策。例如：银行家必须要根据不断变化且令人眼花缭乱的数据迅速做出决策。而全球供水系统中的感应器和制动器也会不断地记录并报告水温、水压、浪高、声波以及海洋潮汐等信息。无论是哪种情况，要对接收到的所有数据都做出及时的反应都是极其困难的。而“认知计算机（cognitivecomputer）”则可以扮演一个“全球大脑”的角色，它可以迅速而准确地将零散的信息整合起来，并帮助人们快速地做出决策。通过对人脑的结构、动态、功能和行为进行研究，IBM领导的“认知计算”研究小组（除IBM以外，还包括来自斯坦福大学、威斯康星大学麦迪逊分校、康奈尔大学、哥伦比亚大学医学中心、加州大学蒙西德分校的研究人员）希望能够打破传统的机器语言编程模式，为神经键和神经元开发出纳米级的设备，从而挑战大脑的超低能耗和超小体积。这一技术将会引入一种全新的计算架构和编程范式。它的最终目标是：开发一种智能化的电脑，并使其得以普及。这种电脑通过多种渠道和感应器来搜集信息，解决模棱两可的问题，不仅能够对周围的环境做出反应，而且还将具备学习能力。它能够基于真实环境中获得的认知和行为能力来解决复杂的问题目前，IBM和它的合作伙伴已经获得了美国国防部高等研究计划局（DARPA）的资助。他们获得的首笔资金为490万美元。IBM起草的一项名为“C2S2”的提案则对该计划未来9个月的一些研究内容进行了描述，涉及神经键电子学（synaptronics）、材料科学、神经形态电路系统（neuromorphiccircuitry）、超级计算模拟以及虚拟环境等。项目初期将主要着眼于对纳米级低能耗类神经键设备（nanoscale,lowpowersynapse-likedevices）进行论证，同时揭开人脑微型电路的功能