基于PLC技術的數(shù)控機床故障診斷的方法研究

晁曉圓++牛立軍

摘 要 PLC是數(shù)控機床最重要的組成部分之一，基于PLC在機床本體及數(shù)控系統(tǒng)間的控制協(xié)調(diào)作用，依據(jù)其信號狀態(tài)或梯形圖等信息顯示，可以準確、快速、安全地診斷出機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)實意義，值得認真探索、總結、交流及推廣。

關鍵詞 PLC；數(shù)控機床；數(shù)控銑床

中圖分類號：TG659 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）14-0055-02

可編程序控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），是一種專為工業(yè)現(xiàn)場應用而設計的數(shù)字運算電子操作裝置。在數(shù)控機床中，PLC的作用是實現(xiàn)加工過程各種開關量的邏輯控制，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)控機床故障的依據(jù)

數(shù)控機床中數(shù)控系統(tǒng)（CNC）與機床本體（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之間的信號傳遞，包括以下四種。

1）MT側到PLC側。來自MT側的開關量信號分為兩類：一類是機床操作面板上的各種開關指令信號，如機床的工作方式控制、速度倍率控制、進給軸與進給方向的選擇等控制，刀架、夾盤、冷卻、潤滑、排屑的控制等；另一類是與上述各種控制相關的到位檢測信號，如位置開關、壓力開關、外部報警等保護裝置、主軸伺服保護監(jiān)視信號和伺服系統(tǒng)運行準備等信號。

2）PLC側到MT側：主要是機床執(zhí)行部件的執(zhí)行信號，包括液氣壓、機床強電線路及冷卻、潤滑、排屑等輔助裝置的控制及狀態(tài)指示。

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

4）PLC側到CNC側：主要是機床各坐標基準點信號，M、S、T功能的應答信號等。

由此可見，數(shù)控機床除位移坐標的自動控制由CNC直接負責外，其他各種控制都離不開PLC，在診斷機床故障時依據(jù)PLC對其各種信號的監(jiān)控作用至關重要，探索、總結、歸納基于PLC技術的機床故障的判別與維修具有十分必要的現(xiàn)實意義。

2 PLC診斷機床故障的方法

在數(shù)控機床的CRT上，有多種與PLC相關的信息畫面，如FANUC系統(tǒng)有“PMC維護”“PMC梯形圖”和“PMC配置”三個選項的畫面（FANUC系統(tǒng)稱PLC為PMC）。根據(jù)故障報警或故障現(xiàn)象對其位置及產(chǎn)生原因進行初步的判斷后，就可進一步通過這些畫面進行分析查找。通過PLC查找故障方法可以歸納為以下步驟。

1）在PLC的“信號”畫面或“信號跟蹤”畫面中觀察機床正確動作時所需控制信號所對應的PLC輸出信號狀態(tài)是否正確。對于M、S、T指令，可以寫一個檢查程序，以自動或單段的方式執(zhí)行該程序，在執(zhí)行的過程中觀察相應的PLC輸出信號的狀態(tài)。若正確，則說明故障出在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輸出信號的狀態(tài)不正確，觀察機床正確動作時所對應輸入量或系統(tǒng)變量，即PLC的輸入量狀態(tài)是否正確。如果不正確，則說明I/O端口到檢測元件或指令元件的連線或元件本身故障。進一步檢查接線、傳感器或指令開關等是否正常，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，則說明在控制過程中出現(xiàn)了額外的信號變化，如干擾信號的影響，此時可以通過梯形圖畫面中觸點、線圈等通電狀態(tài)，或PLC參數(shù)畫面中數(shù)據(jù)的狀態(tài)進行分析與判斷，找到并排除故障。

3 運用PLC查找機床故障的實例

根據(jù)PLC的I/O狀態(tài)診斷故障 機床本體作為被控對象，與其控制中心CNC之間的信息傳遞一般要通過PLC的輸入輸出接口來完成，許多故障可以通過PLC的I/0狀態(tài)顯示在屏幕上，這一特點為數(shù)控維修帶來巨大的便利，在故障診斷時甚至不用萬用表就可以判別信號的正常與否，極大地提高了維修的效率與安全性。

實例一：數(shù)控銑床加工時無冷卻液供給，且無系統(tǒng)報警。首先檢查加工程序中有M08代碼，然后檢查“PMC維護”選項下“信號”畫面中I/O信號狀態(tài)。根據(jù)廠家提供的“輸入、輸出信號一覽表”，查到控制冷卻泵的PLC輸出信號是Y2.1，由“信號”畫面觀察其狀態(tài)為1，說明PLC的輸出與輸入狀態(tài)正常，故障應是在繼電器、接觸器、冷卻泵或是其間的連接上。進一步檢查Y2.1所驅動的繼電器，發(fā)現(xiàn)其觸點無動作，再檢查該繼電器線圈兩端的電壓為直流24 V，說明繼電器的線圈燒壞，更換同型號的繼電器，故障排除。

結合動作順序診斷電氣故障 數(shù)控機床中換刀等裝置的工作過程是多個動作按照一定順序自動執(zhí)行完成的，當中間某個動作因故障沒能實現(xiàn)時，后面的動作便都不能進行，反應到I/O信號狀態(tài)上便是有多個信號狀態(tài)不對。要找到癥結的根源，就必須熟悉機械裝置的動作過程，了解每一步動作的觸發(fā)控制信號及到位檢測信號，找到引發(fā)第一個沒能正確執(zhí)行的動作的原因。

實例二：立式加工中心換刀臂移至主軸刀具抓刀時，無拔刀動作。該自動換刀裝置的動作過程及每一步的到位信號是：換刀臂水平移動至刀庫刀具抓刀（SQ1）→換刀臂下降從刀庫拔刀（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）→刀庫轉動至舊刀位置→換刀臂水平移至刀庫返還舊刀（SQ1）→換刀臂水平移回至原位（SQ7）。在這一過程中，每一步的到位信號SQ都是下一動作的激勵條件。

分析換刀臂無拔刀動作的原因，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，即無松刀信號，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，即無換刀臂下移拔刀信號，換刀臂不下移；三是插拔刀電磁閥有故障，得到信號后不動作。通過進一步檢查，確定SQ4未輸出到位信號。調(diào)整感應間隙，故障消除。

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

實例三：立式加工中心主軸不轉。從圖1所示梯形圖畫面，查看主軸旋轉指令G29.6程序段，發(fā)現(xiàn)R610.4常閉觸點沒有接通；再查R610.4程序段，發(fā)現(xiàn)R610.0常開觸點沒有分斷；繼續(xù)查R610.0程序段，發(fā)現(xiàn)X4.0常閉觸點沒有閉合，即齒輪1到位傳感器沒復位，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間常用信號及常用的功能指令與典型控制程序。

4 結束語

在診斷機床故障時，要了解在執(zhí)行什么操作時出現(xiàn)了什么故障，以此初步判斷故障的可能性，再利用PLC的信號狀態(tài)或梯形圖進一步確定故障點，排除故障。實踐表明，基于PLC在數(shù)控機床中的重要作用，機床側的大部分故障都能用PLC診斷出來，而且較其他方法更安全、準確、快捷。因此應不斷探索、總結和交流，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維修說明書??????????????》《[2]FANUC Series 0i-MODEL D/FANUC Series 0i Mate-MODEL D連接說明書??????????????（功能篇）》。