數控機床PLC控制的故障診斷

高晶　曲丙政　馬風華

摘 要：數控機床是電力電子、自動化控制、液壓和傳動系統等集成的高精密設備，其故障診斷有機械和電氣兩部分組成。PLC在數控系統中是介于數控裝置與機床之間，起到連接數控裝置與機床的紐帶作用。PLC故障做出快速準確的判斷診斷，對保證數控機床的穩定性、降低故障率、縮短維修時間和提高機床的使用率對于生產來說有著至關重要的作用。

關鍵詞：數控機床；PLC控制；故障診斷

引言

數控機床是典型的機電一體化設備，它將電力電子、自動化控制、液壓和傳動系統等集于一身。具有高效、高精和高適應性的特點。要發揮出數控機床的優點，就要保證它的開動率，這就要求數控機床有較高的穩定性和可靠性。

數控機床故障診斷有機械和電氣兩大部分組成。機械部分主要有主軸箱的冷卻潤滑等；導軌副和絲杠絲母副的間隙調整、潤滑及支承的預緊；液壓的壓力和流量調整。電氣部分主要有驅動電路、位置反饋電路、電源及保護電路和開/關信號連接電路等。

PLC、數控系統和機床三者之間進行信息交換，PLC在數控系統中是介于數控裝置與機床之間，它根據大量離散的輸入信息，在內部進行邏輯運算并完成輸出功能。數控機床PLC形式有兩種，外裝型PLC和內裝型PLC。PLC在數控系統中有著重要的作用。

1 數控機床PLC的功能

在數控機床中，PLC控制機床各個軸的連續的位置移動除外，還要對機床的主軸的啟停、正反轉以及加工過程中主軸的冷卻、潤滑等一系列動作都需要PLC按照固定的順序控制。輸入輸出信息的按照一定順序控制，輸入信號主要由壓力信號、限位開關信號和控制開關信號等組成。輸出信號由接觸器、電磁換向閥和繼電器等組成，同時還包括主軸驅動和進給伺服驅動的使能控制和機床報警處理等。數控機床均采用PLC來完成上述控制功能，數控機床PLC有表現兩種形式：一是采用獨立的CPU完成PLC的功能，只完成PLC的功能，在CNC外部，稱為外裝型PLC；二是采用數控系統與PLC合成 CPU的方法，集成在CNC中，稱為內裝型PLC。

PLC作為數控機床的關鍵技術，其功能可以歸結為以下幾點：

1.1 控制數控系統：機床操作面板中將控制信號直接送入PLC來實現。

1.2 輸入信號控制：將硬件的通斷信號傳送入PLC，在PLC程序運行后，輸出信號給控制對象。所說的控制對象有機床的限位開關、按鈕開關、接近開關、壓力繼電器以及溫度傳感器等。

1.3 輸出信號控制：PLC程序運行后的信號經電柜中的一系列電器元件傳送到機床側的液壓元件等裝置控制。除此以外還對液壓泵電動機、風機和油冷機進行控制

1.4 伺服控制：PLC將使能信號傳送給主軸和伺服驅動裝置來滿足伺服驅動的條件。主電機和各軸驅動電機都是靠驅動裝置來運行的。

1.5 報警處理控制：電控柜、機床的元器件和驅動裝置的故障信號都收集到PLC里，并將報警區中的標志位置位，在數控機床的操作面板上就能顯示報警文本編輯的報警信息。

2 PLC故障檢測

2.1 PLC故障的表現形式

當機床PLC出現故障時，一般通過以下形式表現出來：（1）通過數控系統報警信息可以直接顯示。（2）數控系統的報警信息有顯示，但并不是故障的真正原因。（3）數控系統沒有報警提示。除第1種情況外，可以通過監控PLC的梯形圖中每一處的通斷狀態和PLC硬件I/0狀態信息來查找故障點、分析故障原因。這是解決數控機床電氣故障的最基本、最簡便的方式。

2.2 PLC相關的故障特點

PLC在數控系統中是連接NC與數控機床的重要紐帶。首先，PLC會接收NC的控制信號及數控機床的控制指令，根據內部程序的邏輯順序給機床輸出側發出控制指令，給繼電器和接觸器信號來控制電磁換向閥、指示燈等，同時要將狀態信號發送給NC。其次，數控機床有著大量的數字開關信號，在處理過程中，有任意一個信號未接收到或任意一個執行元件不動作，機床都會出現故障。在數控系統維修過程中，這類故障占有極大的比例，檢修人員掌握通過PLC診斷故障的方法極其重要。

在PLC運行正常的情況下，分析數控機床故障時，需要先檢查輸出是否正常，檢修過程中需要檢修人員熟練掌握PLC的I/O口的知識以及數控機床動作的時序關系。以輸出點著手，檢查系統是否有輸出信號，如果有輸出信號，機床沒有動作，則檢查PLC外圍的電路。如果有輸入沒有輸出，則查找PLC程序及模塊是否有問題。

一般情況下，PLC故障主要為硬件接口故障。PLC在數控系統的執行有自診斷程序，程序存儲和硬件錯誤都有報警顯示，因此在維修過程中，只要PLC程序曾經正常使用過，此后都不會再發生故障，因為安裝調試后使用過一階段。如果程序有輸出，PLC外圍接口沒有輸出，則為PLC硬件接口故障，可以檢查或者更換PLC模塊。

3 數控機床PLC故障診斷的方法

3.1 根據報警信息診斷故障：數控機床在安裝的時候，就已經將PLC報警信息輸入數控系統。當機床出現故障時，在操作面板上能夠顯示具體的報警信息。檢修人員可以根據提供的數控機床的狀態信息，利用數控系統提供的狀態信息，就能夠迅速準確地診斷故障原因并及時解決故障。

3.2 根據控制對象的工作原理診斷故障：數控機床的PLC程序按照控制對象的工作原理來設計，因此數控機床出現故障時，可以結合控制對象的工作原理來分析故障原因。

3.3 根據PLC的輸入/輸出狀態診斷故障：數控系統中，I/O信號的傳遞一般通過PLC的I/O接口來實現。所以，PLC的I/O接口是故障頻發的重要部位，并且在I/O通道表現出來。數控機床的這種特點為故障診斷提供了方便，一旦數控系統硬件無故障，PLC梯形圖以及相關電路圖可以不查看。直接通過輸入/輸出信號狀態，就可以找出故障點。因此，熟悉相關控制對象的PLC輸入/輸出接口的正常狀態和故障狀態很有必要。

3.4 根據PLC梯形圖診斷故障：數控機床中，使用PLC梯形圖進行故障診斷是解決硬件故障的最直接有效的方式。這就要求檢修人員必須掌握機床的基本工作原理、各部位的動作順序和連鎖關系等相關知識。通過數控系統操作面板或者計算機來查看PLC梯形圖的標志位的瞬時變化，以此來判斷故障位置及故障原因。

3.5 根據動態跟蹤PLC梯形圖診斷故障：有些數控機床PLC發生故障時，查看I/O口及標志狀態的瞬時狀態均正常，此時，必須通過PLC進行實時監控，來隨時觀察I/O口的瞬時變化，結合PLC的動作原理進行故障診斷。

4 結束語

PLC故障診斷的關鍵除了掌握PLC模塊的性能和PLC梯形圖原理以外，熟悉機床的工作原理及執行元件的動作順序是最基本的。PLC故障診斷在處理數控機床電氣部分故障起著至關重要的作用。

參考文獻

[1]王愛玲.數控機床故障診斷與維修[M].北京：機械工業出版社，2006.

[2]盧斌.數控機床機器使用維修[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]劉希金.機床數控系統故障檢測與維修[M].北京：兵器工業出版社，2005.