數(shù)控機(jī)床故障診斷中PLC的應(yīng)用研究

程艷

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 231603）

數(shù)控機(jī)床故障診斷中PLC的應(yīng)用研究

程艷

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 合肥 231603）

以編程邏輯控制器PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，采用實例與理論相結(jié)合的方法，有效地對數(shù)控機(jī)床的各種故障加以反映，快速發(fā)出報警信號，幫助維修人員對數(shù)控機(jī)床的故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，及時地維修和排除數(shù)控機(jī)床發(fā)生的故障，使數(shù)控機(jī)床恢復(fù)正常，為PLC程序有效診斷數(shù)控機(jī)床故障提供經(jīng)驗借鑒.

數(shù)控機(jī)床；故障診斷；PLC應(yīng)用

0 引言

中國是機(jī)械制造業(yè)大國，在機(jī)械制造業(yè)中對于一些產(chǎn)品的要求越來越高，如何提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率？如何能夠適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)、零件形狀比較復(fù)雜、精度要求比較高的產(chǎn)品的制造？在此基礎(chǔ)上數(shù)控機(jī)床及擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力、自動控制過程處理能力的可編程邏輯控制器PLC編程軟件應(yīng)運(yùn)而生.

1 對數(shù)控機(jī)床PLC的認(rèn)識

1.1 數(shù)控機(jī)床PLC的功能

數(shù)控機(jī)床是一種集機(jī)、電、光、液壓、PLC等為一體自動化機(jī)床.在實際的操作中，數(shù)控機(jī)床可能會發(fā)生不同類型的故障，如何有效迅速地排除故障，將機(jī)床恢復(fù)正常顯得尤為重要.在數(shù)控機(jī)床上，PLC最為重要的功能就是不僅可以實現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的順序控制和輔助功能控制，還具有檢測功能以及故障顯示功能.在實際運(yùn)行過程中，利用PLC的檢測功能和現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)顯示故障功能可以有效地對數(shù)控機(jī)床的故障進(jìn)行診斷和判定，進(jìn)而對故障進(jìn)行快速定位和排除提供科學(xué)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)，并采取相應(yīng)的措施加以解決.

數(shù)控機(jī)床PLC大致可以分為兩類，一類是綜合PLC與CNC的混合裝置，在PLC內(nèi)部，包括CNC裝置，二者之間的信號交流通過與CNC內(nèi)部的I/O接口來完成，這種類型稱之為內(nèi)裝型或集成型.另一類則是借助廠家生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品對其數(shù)控機(jī)床的順序加以控制，進(jìn)而獨(dú)立完成對CNC系統(tǒng)所需要的任務(wù)，這種類型的稱為獨(dú)立型或者是外裝型.

PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用十分重要，它可以有效連接數(shù)控裝置與機(jī)床側(cè)，PLC通過接受CNC處理操作者所指定的程序命令，在經(jīng)過譯碼等程序后，可以完成下一步的指令工作，對機(jī)床的運(yùn)行加以合理有效的控制.此外，PLC還可以對機(jī)床側(cè)的邏輯信號進(jìn)行回饋和反映.

1.2 數(shù)控機(jī)床PLC的組成及工作過程

一般而言，CPU、存儲器、輸入輸出及供電電源等是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，這些組成部分之間通過總線連接起來.在整個系統(tǒng)中，CPU占據(jù)著主導(dǎo)地位，其主要的作用是錄入用戶的用戶程序以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，查詢各種信號狀態(tài)和數(shù)據(jù)，經(jīng)過嚴(yán)格的檢測，確認(rèn)沒有任何問題之后PLC才開始運(yùn)行.PLC的工作方式是循環(huán)掃描，借助于硬件的支持，對執(zhí)行反映控制要求的用戶加以反映，進(jìn)而實現(xiàn)其功能.

2 數(shù)控機(jī)床PLC診斷故障的表現(xiàn)形式

2.1 透過數(shù)控系統(tǒng)顯示劃分的幾類情況

2.1.1 故障報警可直接找到故障原因

通過故障報警可以有效地將數(shù)控機(jī)床的故障加以合理、科學(xué)的定位，這就需要CNC具備一定的檢測能力，由于CNC與PLC之間具備較好的通信功能，這間接導(dǎo)致了系統(tǒng)軟件與硬件系統(tǒng)之間的復(fù)雜性，同時也增加了機(jī)床的造價成本[1].盡管目前機(jī)床的造價相對較高，但是，隨著中國科學(xué)技術(shù)以及社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能勢必會得到極好的完善與發(fā)展，尤其是自診斷技術(shù)的發(fā)展，使得越來越多的數(shù)控機(jī)床增加了故障診斷的報警功能，無論是對于使用方還是維修人員來說，這無疑都是極為便利的.

2.1.2 CNC顯示有故障但無法反映故障的真正原因

對于一般的數(shù)控機(jī)床而言，其故障診斷并不是十分的完善，因此當(dāng)故障出現(xiàn)的時候，CNC的報警信息只是大致的對故障部位加以定位和顯示，甚至有時候故障報警信號所提供的報警信息與報警部位沒有直接的關(guān)系，出現(xiàn)誤報就可能干擾維修人員的正常工作，這就需要維修人員立足于實際情況，借助于先前的成功經(jīng)驗等進(jìn)行綜合的判斷，只有這樣才可以找到故障的真正原因，解決實質(zhì)問題.

2.1.3 出現(xiàn)故障沒有任何的報警信息顯示

在數(shù)控系統(tǒng)中當(dāng)CNC沒有任何的報警信息顯示，這樣當(dāng)故障發(fā)生時，就會使得維修人員無從下手，只能憑借數(shù)控機(jī)床所顯示的具體的故障現(xiàn)象等進(jìn)行分析和判斷.當(dāng)在日常維修活動中，牽扯到線路板維修等情況時，因為沒有技術(shù)圖紙進(jìn)行輔助推斷，所以有時候不得不手繪圖紙作為參考，這也就對維修人員提出了更高的挑戰(zhàn)[1].比如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的電動控制刀架，當(dāng)自動換刀時出現(xiàn)了某些方面的故障，這就需要根據(jù)系統(tǒng)檢測功能的實際情況，以及CNC所顯示的具體情況加以綜合判斷和分析.當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)換刀指令時，刀架電動機(jī)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的換刀指令，如果數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部有相關(guān)的檢測軟件，其外圍也有相關(guān)的檢測軟件，這樣不僅可以對電動機(jī)的情況加以詳細(xì)的檢測，還可以對刀架到位以及應(yīng)答信號加以合理、科學(xué)的檢測.當(dāng)出現(xiàn)故障的時候，可以根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的報警信息，合理地對出現(xiàn)故障問題的具體部位加以了解.并借助CNC故障報警信息對故障方位加以定位.若數(shù)控系統(tǒng)只是檢測刀架的應(yīng)答信號，當(dāng)出現(xiàn)故障的時候，系統(tǒng)僅僅將電動刀架的問題顯示出來，無法具體定位故障的具體器件，就需要維修人員進(jìn)行排查.

2.2 根據(jù)PLC輸入/輸出信號劃分的幾類情況

2.2.1 輸入信號故障

PLC重要的功能就是對順序加以控制，在沒有信號輸入的情況下，若沒有邏輯條件的支持，PLC則無法進(jìn)行下一步操作.當(dāng)出現(xiàn)故障時，一般情況下是一個條件無法滿足輸入信號，兩個條件同時無法滿足的情況較為少見.針對這種情況，我們根據(jù)梯形圖對輸入信號無效的情況具體分析其原因，最終更好地對故障加以解決.

2.2.2 輸出信號故障

數(shù)控機(jī)床的輸出信號故障主要是針對控制元件和執(zhí)行元件的.一般來說，當(dāng)一些機(jī)械性的零件被損壞時，比如一些接觸器的觸頭接觸不良以及傳動器件移動欠妥當(dāng)?shù)?，倘若在?zhí)行機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)故障問題等，就無法有效保障下一個指令的正常進(jìn)行，順序控制則也無法進(jìn)行正常的工作[1].

3 診斷實例分析

3.1 數(shù)控銑床系統(tǒng)出現(xiàn)“X軸超行程”報警信號

“X軸超行程”報警的主要現(xiàn)象是機(jī)床開機(jī)后則會出現(xiàn)X軸超限位報警，一般而言，通過對報警信息的綜合分析，按照相關(guān)指示對X軸進(jìn)行檢查，卻并沒有發(fā)現(xiàn)X軸超行程的情況，而且X軸限位開關(guān)并沒有壓下，CNC系統(tǒng)中的PLC狀態(tài)具有顯示功能，利用該顯示功能，檢查X軸限位開關(guān)的PLC輸入X0.2的狀態(tài)為“1”，這就顯示開關(guān)觸點(diǎn)已經(jīng)接通，而關(guān)鍵的故障在行程限位開關(guān)[2].

3.2 急停按鈕引起的故障

急停按鈕引起的故障是數(shù)控機(jī)床故障中較為常見的故障之一，F(xiàn)ANUC 0M系統(tǒng)在開機(jī)時總顯示出“NOT READY”字樣，伺服電源沒有辦法正常接通，F(xiàn)ANUC 0M系統(tǒng)開機(jī)出現(xiàn)的“NOT READY”字樣的原因在于數(shù)控系統(tǒng)的緊急停止“*ESP”的信號被輸入，這種情況可以利用PLC狀態(tài)顯示功能對其進(jìn)行檢測，當(dāng)系統(tǒng)模塊的急停輸入信號“0”時，還要比對機(jī)床的電氣原理圖，對操縱臺上急停按鈕斷線進(jìn)行檢查分析[2].對于這種急停按鈕引起的故障，一般采取的措施是進(jìn)行重新連接，在按復(fù)位急停按鈕之后，再按Reset鍵，執(zhí)行以上操作之后，機(jī)床則就會恢復(fù)正常.

3.3 電動刀架常見故障

圖1 刀架在1號刀時的梯形圖

圖2 1號刀位的霍爾元件斷線時的梯形圖狀態(tài)

故障：數(shù)控機(jī)床采用4工位的電動刀架，當(dāng)進(jìn)行換刀命令"T0101"時，電動刀架轉(zhuǎn)動不停，找不到1號刀，但換取2，3，4號刀時卻正常.

分析：如圖1所示為刀架在1號刀時的梯形圖，從圖中可以很直觀地看出數(shù)字輸入點(diǎn)I7.0-I7.2的二進(jìn)制值.在實驗中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換2號刀時，由于電動刀架的霍爾元件采取常閉信號，霍爾元件斷開，I7.1變?yōu)?；當(dāng)換3號刀時，I7.2變?yōu)?，在4號刀位時，也出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但當(dāng)用手動換刀強(qiáng)制換上1號刀時，發(fā)現(xiàn)I7.0仍然為I7.0，如圖2所示.綜合來看，可以得出這樣的結(jié)論：1號刀的刀位檢測信號不正常導(dǎo)致1號刀的換刀故障.刀位檢測信號不正常的原因主要有兩方面，一方面是霍爾元件損壞，另外一方面是其信號線斷線[2].

4 數(shù)控機(jī)床PLC故障診斷方法

對于常用的PLC的故障診斷方法主要有以下幾種，以下就這幾種診斷方法加以簡要的分析和論述.

4.1 根據(jù)報警號診斷故障

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，中國現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般自身帶有診斷功能，其具體的自身診斷功能主要體現(xiàn)在其故障信息可以在顯示器中將報警信息加以呈現(xiàn)，這就為維修人員提供了豐富詳盡的狀態(tài)信息，便于維修人員開展相關(guān)的維修工作，進(jìn)而更好的對這些故障加以排除和解決.

4.2 根據(jù)控制對象的工作原理診斷故障

數(shù)控機(jī)床的PLC程序是依照控制對象的工作原理來進(jìn)行設(shè)計和運(yùn)行的，在對控制對象原理分析的基礎(chǔ)之上，深入了解其工作原理，綜合PLC的I/O來對故障進(jìn)行有效的診斷和處理.

4.3 通過PLC梯形圖診斷故障

借助于PLC的梯形圖提供的信息，進(jìn)行合理、科學(xué)的分析和診斷，這種解決方法是最基本也是最常見的方法.在通過PLC梯形圖診斷故障時首先要搞清數(shù)控機(jī)床的工作原理，然后掌握機(jī)床的運(yùn)動順序和控制方式等，最后根據(jù)CNC系統(tǒng)中具備的自身診斷功能等相關(guān)的編程器，借助PLC梯形圖提供的相關(guān)信息，科學(xué)、合理地對故障源加以確定[3].

4.4 動態(tài)跟蹤梯形圖診斷故障

在一些相對比較特殊的情況下，比如數(shù)控機(jī)床的輸入與輸出信號都顯示正常，但其PLC顯示有故障時，我們就必須利用PLC的動態(tài)追蹤功能，對輸入和輸出信號進(jìn)行及時的跟進(jìn)和跟蹤，利用PLC動作原理做出進(jìn)一步的推斷.

4.5 根據(jù)動作順序診斷故障

比如數(shù)控機(jī)床上的自動換刀裝置，其自動換刀動作的完成是遵循了一定的順序的，我們要有效把握這種順序規(guī)律，注重觀察其機(jī)械裝置的運(yùn)動軌跡，對其運(yùn)動過程加以了解，有助于在故障發(fā)生的時候，綜合比較正常情況以及故障出現(xiàn)的情況，及時發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)，從而進(jìn)行分析和解決故障.

4.6 根據(jù)數(shù)控機(jī)床中PLC的I/O狀態(tài)診斷

在數(shù)控機(jī)床中，需借助PLC的I/O接口來實現(xiàn)輸入和輸出信號的傳遞，因此，對于一般的數(shù)控系統(tǒng)故障，大可不必對梯形圖和相關(guān)的電路圖進(jìn)行查看和分析，只需要借助PLC的I/O接口狀態(tài)的查詢結(jié)果，就可以合理分析出其故障的原因，為維修人員提供了諸多的方便.

針對以上幾種數(shù)控機(jī)床PLC故障診斷方法，筆者就PLC故障診斷的要點(diǎn)加以分析.第一，PLC故障診斷的一個重要內(nèi)容就是要對數(shù)控機(jī)床各部分檢測開關(guān)的安裝位置進(jìn)行深入的了解，比如加強(qiáng)對加工中心的機(jī)械手的了解，提高對數(shù)控車床的旋轉(zhuǎn)刀架和尾架以及回轉(zhuǎn)工作臺的認(rèn)知，詳細(xì)檢測作為PLC輸入信號標(biāo)志的開關(guān)等[4].第二，對于各種條件標(biāo)志更是需要充分把握和了解，比如一些較為常見的夾緊、放松、啟動、停止等標(biāo)志信號，要充分發(fā)揮編程器的重要作用，及時跟進(jìn)梯形圖的動態(tài)變化，合理分析其故障出現(xiàn)的原因，立足于實際情況，做出合理的判斷.第三，PLC故障診斷最后一個要點(diǎn)就是需要對執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動作順序等進(jìn)行深入的認(rèn)知，比如最基本的液壓缸、氣壓缸的電磁換向閥等，對于這些較為常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要把握其對應(yīng)的PLC輸出信號標(biāo)志.

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床故障診斷中PLC的應(yīng)用無疑具有十分重要的意義，有效利用數(shù)控系統(tǒng)的PLC狀態(tài)顯示功能或PLC梯形圖的動態(tài)顯示功能進(jìn)行故障診斷與排除是非常方便和有效的.不同的診斷方法適用于不同的故障，常常需要綜合各類方法，才可以全面、合理、有效地對故障進(jìn)行檢測和斷定，正確判斷故障的起因，準(zhǔn)確定位故障的所在部位，進(jìn)而采用合理的方法進(jìn)行解決.

[1]韓全立，劉嬡嬡.PLC在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動化，2010，（8）：77-79.

[2]許云理.PLC程序在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2006，（10）：126-128.

[3]雷曉松.PLC在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2012，（29）：23-25.

[4]張中艷.PLC在數(shù)控機(jī)床初始故障診斷中的應(yīng)用[J].上海鐵道科技，2007，（4）：34-35.

（責(zé)任編輯 李健飛）

Application of PLC to Fault Diagnosis of CNC Machine Tool

CHENG Yan
（Department of Mechanical Engineering，Anhui Vocational College of Water Resources&Hydropower，Hefei，Anhui 231603，China）

Based on the application of programmable logic controller PLC to the numerically-controlled machine tool，using the method of combination of theory and examples，this study effectively reflects the faults of CNC machine tools，quickly issues a warning signal，and helps to locate the faults，and timely puts the CNC machine tools back to normal，thereby offering experience reference for the effective fault diagnosis of CNC machine tools for the PLC program.

CNC machine tool；fault diagnosis；PLC application

TG659

：A

：1673-1972（2014）03-0043-04

2014-02-26

安徽省高等學(xué)校數(shù)學(xué)質(zhì)量與教學(xué)改革工程項目（2013zy127）

程艷（1979-），女，安徽淮南人，講師，主要從事機(jī)械工程智能軟件控制研究.