基于PLC技術(shù)的數(shù)控機(jī)床故障診斷的方法研究

晁曉圓++牛立軍

摘 要 PLC是數(shù)控機(jī)床最重要的組成部分之一，基于PLC在機(jī)床本體及數(shù)控系統(tǒng)間的控制協(xié)調(diào)作用，依據(jù)其信號(hào)狀態(tài)或梯形圖等信息顯示，可以準(zhǔn)確、快速、安全地診斷出機(jī)床的大部分輸入輸出故障，在數(shù)控維修中具有極為重要的現(xiàn)實(shí)意義，值得認(rèn)真探索、總結(jié)、交流及推廣。

關(guān)鍵詞 PLC；數(shù)控機(jī)床；數(shù)控銑床

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2015）14-0055-02

可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC），是一種專(zhuān)為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算電子操作裝置。在數(shù)控機(jī)床中，PLC的作用是實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程各種開(kāi)關(guān)量的邏輯控制，如工作方式的選擇、主軸的啟停與換向、刀具的更換、冷卻液的供給等。對(duì)于數(shù)控加工的指令而言，PLC的作用是處理M、S、T指令。

1 PLC診斷數(shù)控機(jī)床故障的依據(jù)

數(shù)控機(jī)床中數(shù)控系統(tǒng)（CNC）與機(jī)床本體（MT）之間的絕大部分信息是經(jīng)由PLC傳遞控制的PLC與CNC及MT之間的信號(hào)傳遞，包括以下四種。

1）MT側(cè)到PLC側(cè)。來(lái)自MT側(cè)的開(kāi)關(guān)量信號(hào)分為兩類(lèi)：一類(lèi)是機(jī)床操作面板上的各種開(kāi)關(guān)指令信號(hào)，如機(jī)床的工作方式控制、速度倍率控制、進(jìn)給軸與進(jìn)給方向的選擇等控制，刀架、夾盤(pán)、冷卻、潤(rùn)滑、排屑的控制等；另一類(lèi)是與上述各種控制相關(guān)的到位檢測(cè)信號(hào)，如位置開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、外部報(bào)警等保護(hù)裝置、主軸伺服保護(hù)監(jiān)視信號(hào)和伺服系統(tǒng)運(yùn)行準(zhǔn)備等信號(hào)。

2）PLC側(cè)到MT側(cè)：主要是機(jī)床執(zhí)行部件的執(zhí)行信號(hào)，包括液氣壓、機(jī)床強(qiáng)電線路及冷卻、潤(rùn)滑、排屑等輔助裝置的控制及狀態(tài)指示。

3）CNC側(cè)到PLC側(cè)：主要是M、S、T功能信息以及其他的狀態(tài)信號(hào)。

4）PLC側(cè)到CNC側(cè)：主要是機(jī)床各坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)信號(hào)，M、S、T功能的應(yīng)答信號(hào)等。

由此可見(jiàn)，數(shù)控機(jī)床除位移坐標(biāo)的自動(dòng)控制由CNC直接負(fù)責(zé)外，其他各種控制都離不開(kāi)PLC，在診斷機(jī)床故障時(shí)依據(jù)PLC對(duì)其各種信號(hào)的監(jiān)控作用至關(guān)重要，探索、總結(jié)、歸納基于PLC技術(shù)的機(jī)床故障的判別與維修具有十分必要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 PLC診斷機(jī)床故障的方法

在數(shù)控機(jī)床的CRT上，有多種與PLC相關(guān)的信息畫(huà)面，如FANUC系統(tǒng)有“PMC維護(hù)”“PMC梯形圖”和“PMC配置”三個(gè)選項(xiàng)的畫(huà)面（FANUC系統(tǒng)稱(chēng)PLC為PMC）。根據(jù)故障報(bào)警或故障現(xiàn)象對(duì)其位置及產(chǎn)生原因進(jìn)行初步的判斷后，就可進(jìn)一步通過(guò)這些畫(huà)面進(jìn)行分析查找。通過(guò)PLC查找故障方法可以歸納為以下步驟。

1）在PLC的“信號(hào)”畫(huà)面或“信號(hào)跟蹤”畫(huà)面中觀察機(jī)床正確動(dòng)作時(shí)所需控制信號(hào)所對(duì)應(yīng)的PLC輸出信號(hào)狀態(tài)是否正確。對(duì)于M、S、T指令，可以寫(xiě)一個(gè)檢查程序，以自動(dòng)或單段的方式執(zhí)行該程序，在執(zhí)行的過(guò)程中觀察相應(yīng)的PLC輸出信號(hào)的狀態(tài)。若正確，則說(shuō)明故障出在I/O端口到執(zhí)行元件的連線、控制元件或執(zhí)行裝置本身。逐級(jí)檢查連接線、繼電器、接觸器或電磁閥等狀態(tài)是否正常，找到并排除故障。

2）若PLC輸出信號(hào)的狀態(tài)不正確，觀察機(jī)床正確動(dòng)作時(shí)所對(duì)應(yīng)輸入量或系統(tǒng)變量，即PLC的輸入量狀態(tài)是否正確。如果不正確，則說(shuō)明I/O端口到檢測(cè)元件或指令元件的連線或元件本身故障。進(jìn)一步檢查接線、傳感器或指令開(kāi)關(guān)等是否正常，找到并排除故障。

3）若PLC的輸入量狀態(tài)正確，而輸出不正確，則說(shuō)明在控制過(guò)程中出現(xiàn)了額外的信號(hào)變化，如干擾信號(hào)的影響，此時(shí)可以通過(guò)梯形圖畫(huà)面中觸點(diǎn)、線圈等通電狀態(tài)，或PLC參數(shù)畫(huà)面中數(shù)據(jù)的狀態(tài)進(jìn)行分析與判斷，找到并排除故障。

3 運(yùn)用PLC查找機(jī)床故障的實(shí)例

根據(jù)PLC的I/O狀態(tài)診斷故障 機(jī)床本體作為被控對(duì)象，與其控制中心CNC之間的信息傳遞一般要通過(guò)PLC的輸入輸出接口來(lái)完成，許多故障可以通過(guò)PLC的I/0狀態(tài)顯示在屏幕上，這一特點(diǎn)為數(shù)控維修帶來(lái)巨大的便利，在故障診斷時(shí)甚至不用萬(wàn)用表就可以判別信號(hào)的正常與否，極大地提高了維修的效率與安全性。

實(shí)例一：數(shù)控銑床加工時(shí)無(wú)冷卻液供給，且無(wú)系統(tǒng)報(bào)警。首先檢查加工程序中有M08代碼，然后檢查“PMC維護(hù)”選項(xiàng)下“信號(hào)”畫(huà)面中I/O信號(hào)狀態(tài)。根據(jù)廠家提供的“輸入、輸出信號(hào)一覽表”，查到控制冷卻泵的PLC輸出信號(hào)是Y2.1，由“信號(hào)”畫(huà)面觀察其狀態(tài)為1，說(shuō)明PLC的輸出與輸入狀態(tài)正常，故障應(yīng)是在繼電器、接觸器、冷卻泵或是其間的連接上。進(jìn)一步檢查Y2.1所驅(qū)動(dòng)的繼電器，發(fā)現(xiàn)其觸點(diǎn)無(wú)動(dòng)作，再檢查該繼電器線圈兩端的電壓為直流24 V，說(shuō)明繼電器的線圈燒壞，更換同型號(hào)的繼電器，故障排除。

結(jié)合動(dòng)作順序診斷電氣故障 數(shù)控機(jī)床中換刀等裝置的工作過(guò)程是多個(gè)動(dòng)作按照一定順序自動(dòng)執(zhí)行完成的，當(dāng)中間某個(gè)動(dòng)作因故障沒(méi)能實(shí)現(xiàn)時(shí)，后面的動(dòng)作便都不能進(jìn)行，反應(yīng)到I/O信號(hào)狀態(tài)上便是有多個(gè)信號(hào)狀態(tài)不對(duì)。要找到癥結(jié)的根源，就必須熟悉機(jī)械裝置的動(dòng)作過(guò)程，了解每一步動(dòng)作的觸發(fā)控制信號(hào)及到位檢測(cè)信號(hào)，找到引發(fā)第一個(gè)沒(méi)能正確執(zhí)行的動(dòng)作的原因。

實(shí)例二：立式加工中心換刀臂移至主軸刀具抓刀時(shí)，無(wú)拔刀動(dòng)作。該自動(dòng)換刀裝置的動(dòng)作過(guò)程及每一步的到位信號(hào)是：換刀臂水平移動(dòng)至刀庫(kù)刀具抓刀（SQ1）→換刀臂下降從刀庫(kù)拔刀（SQ6）→換刀臂水平回位（SQ7）→換刀臂上升回位（SQ5）→換刀臂水平移至主軸刀具抓刀（SQ2）→主軸松刀（SQ4）→換刀臂下降從主軸拔刀（SQ6）→換刀臂旋轉(zhuǎn)180°換刀→換刀臂上移插刀（SQ5）→主軸抓刀（SQ3）→換刀臂水平移回（SQ7）→刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)至舊刀位置→換刀臂水平移至刀庫(kù)返還舊刀（SQ1）→換刀臂水平移回至原位（SQ7）。在這一過(guò)程中，每一步的到位信號(hào)SQ都是下一動(dòng)作的激勵(lì)條件。

分析換刀臂無(wú)拔刀動(dòng)作的原因，有三種可能：一是換刀臂水平移至主軸刀具，位置傳感器SQ2未輸出到位信號(hào)，即無(wú)松刀信號(hào)，主軸仍處于抓刀狀態(tài)；二是松刀位置傳感器SQ4未輸出到位信號(hào)，即無(wú)換刀臂下移拔刀信號(hào)，換刀臂不下移；三是插拔刀電磁閥有故障，得到信號(hào)后不動(dòng)作。通過(guò)進(jìn)一步檢查，確定SQ4未輸出到位信號(hào)。調(diào)整感應(yīng)間隙，故障消除。

結(jié)合梯形圖診斷電氣故障 利用PLC梯形圖診斷機(jī)床故障是一種快速而且準(zhǔn)確的方法，與前兩種方法相比，它不僅顯示故障信號(hào)的狀態(tài)，而且顯示導(dǎo)致故障狀態(tài)的原因。

實(shí)例三：立式加工中心主軸不轉(zhuǎn)。從圖1所示梯形圖畫(huà)面，查看主軸旋轉(zhuǎn)指令G29.6程序段，發(fā)現(xiàn)R610.4常閉觸點(diǎn)沒(méi)有接通；再查R610.4程序段，發(fā)現(xiàn)R610.0常開(kāi)觸點(diǎn)沒(méi)有分?jǐn)?；繼續(xù)查R610.0程序段，發(fā)現(xiàn)X4.0常閉觸點(diǎn)沒(méi)有閉合，即齒輪1到位傳感器沒(méi)復(fù)位，調(diào)整后故障排除。

利用PLC梯形圖診斷故障，要求維修人員要熟悉PLC與NC間常用信號(hào)及常用的功能指令與典型控制程序。

4 結(jié)束語(yǔ)

在診斷機(jī)床故障時(shí)，要了解在執(zhí)行什么操作時(shí)出現(xiàn)了什么故障，以此初步判斷故障的可能性，再利用PLC的信號(hào)狀態(tài)或梯形圖進(jìn)一步確定故障點(diǎn)，排除故障。實(shí)踐表明，基于PLC在數(shù)控機(jī)床中的重要作用，機(jī)床側(cè)的大部分故障都能用PLC診斷出來(lái)，而且較其他方法更安全、準(zhǔn)確、快捷。因此應(yīng)不斷探索、總結(jié)和交流，以提高數(shù)控維修的技巧和能力。

本文參考、借鑒了《FANUC Series 0i-MODEL D/FANUC Series 0i Mate-MODEL D維修說(shuō)明書(shū)??????????????》《[2]FANUC Series 0i-MODEL D/FANUC Series 0i Mate-MODEL D連接說(shuō)明書(shū)??????????????（功能篇）》。