基于PLC視角下的數控機床故障類型及判斷方法

崔梅之

[摘 要]數控機床因為可通過編程軟件后處理直接按圖加工，尤其在進行異型曲面加工時曲線高度連續，使得磁粉探傷中相關顯示缺陷大大降低，被廣泛應用在基礎加工行業。同時各種數控機床操作系統種類多、界面術語不好理解、故障點多、涉及知識面廣，使得一旦發生故障維修人員頗費周折。實際上從控制原理來講，如果以PLC為中心來看待故障，問題就會簡單的多了。因為操作系統自動程序AUTO和MDA模式通過主板直接通過驅動器驅動電機，PCU面板按鈕是直接給出電壓信號傳輸給PLC進行控制。如果機床不動作，要么信號沒有輸入，要么PLC自身故障，要么沒有輸出。這樣一來，機床故障判斷起來，非常清晰有條理。只要采用科學的方法來鑒別，就能迅速找到故障原因。

[關鍵詞]機床參數表；操作界面；報警號；程序；標準化；觸摸屏；PLC；輸入/輸出點；屏蔽層；電磁干擾

中圖分類號：S665 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2018）24-0396-02

1、數控設備的基本構造

一般數控機床從外觀上看包括機床主體結構、電氣控制系統、液壓系統、氣壓系統、自動換刀裝置、自動排屑裝置及數控編程模塊。與常規機床比較起來，數控機床因為伺服驅動器或者變頻器的使用，使其傳動變速部分更為簡單。數控機床的控制系統則因操作系統模塊、觸摸屏人機界面和PLC結合，可以處理測量系統、液壓部分傳輸過來的信號，實現自動化加工。

2、數控機床各界面與PLC關系

機床參數在PLC原理看來就是一些計數器或者通道，雖然經過復雜積分微分等運算，最終還是會出現比較閾值。數字超程，內部就發生跳轉，數據就不輸出給PLC，機床就不運轉。例如西門子系統中G25和G26對加工區域進行設定；G96中恒線速度設置已經高于主軸扭矩設置；刀具后角與輪廓曲線的干涉等等。

機床回零就是回到參考點，也就是PLC內部一個重新置位的動作。狀態顯示的數值或者軌跡，是觸摸屏與PLC組態后產生的一個寄存器跳轉動作。工作模式中AUTO模式與JOG模式，其實就是虛擬中繼點與實際輸入點的轉換。

按鈕指示燈與實際動作是否同步，指示信號來自于外部的壓力繼電器還是來自于PLC內部的延時命令？

3、PLC硬件結構

PLC是可編程序控制器（Programmable Logic Controller ）的縮寫。各品牌型號的PLC大同小異，都有狀態指示燈，輸入輸出點，數據接口，電源輸入。POWER是電源燈，RUN是運行，STOP是停止SF/DIAG系統錯誤。兩側各有一排端子分別是輸入點和輸出點。通過數據接口與上位機相連，用來接收數據和指令。

4、故障產生原因

所謂故障，就是設備某個過程產生了異常。數控機床一般執行自動程序時的工作原理是采集信號，核對位置，運算，輸出命令到PLC， 到執行部件，再采集信號反饋位置，核對，運算，輸出命令到PLC， 執行。

從PLC看待這個過程，無非是有沒有信號到輸入點，滿足不滿足PLC內部邏輯條件，從而能不能執行程序。

4.1 有沒有信號到輸入點

第一種可能：信號源問題

①機床沒有回零。對許多數控機床來說，機床回零是建立坐標系，測量系統校對的過程。如果機床不回零，機床是無法識別位置的。因此如果沒有回零就進行操作，往往會出現許多錯誤。當然近年來制造的數控機床，如果機床不回零，機床就自己保護不進行動作。

②系統各參數超程（觸摸屏輸入數字超出閾值）。例如加工區域已經設置，如果程序中數值超過加工區域，則必然回不動作。

③加工程序內有錯誤，編制不符合要求。例如G01指令后必須給出進給量F值，主軸轉速S，每轉進給還是分鐘進給，主軸正轉還是反轉。如果缺一個代碼，機床就不動作。

④觸摸屏內長期工作，內部出現故障，造成內部連接地址與PLC不匹配。

⑤各壓力表或者電磁閥不到位，沒有發出信號。

如圖1，導軌潤滑壓力M203.3和定時器T36有可能沒有發出信號，造成沒有報警。

例機床卡盤夾緊，尾座壓力到達或者回位等，電接點壓力表才發出信號，機床各夾緊或者定位裝置處于安全可靠情況下，機床才動作。不滿足條件，PLC內部邏輯路線不通，處于斷路狀態。各電磁閥換位或者復位，發出信號，保證油路氣路通路，機床才進行下一步動作。

⑥干擾。因為信號線都是弱電壓，如果周圍出現較大電流變化或者電控柜內動力線路距離教近時，就會出現電壓差紊亂，造成信號丟失。

第二種可能：信號線

①信號線斷或指針歪。數控機床數據線一般是用IEC規定的RS232或者RS485線進行傳輸。都是按引線腳點人工焊接而成，難免會出現指針歪接觸不良。或者數控機床數據線都很細，在各移動部件反復移動時可能因摩擦或者拉拽發生斷裂。

②屏蔽層接觸不良。上文已經說過，因為信號線都是弱電壓，如果周圍出現較大電流變化或者電控柜內動力線路距離教近時，就會出現電壓差紊亂，造成信號丟失。信號線外都有一層屏蔽線，焊接在接頭的金屬外殼上。如果出現虛接，或者斷路，就容易出現故障。

③接點接觸不良。各接線端子接觸面在電流反復通過時，因為接觸電阻作用發熱，造成接觸面氧化，會出現接觸不良。而且PLC裝配中，人工手勁不同，也許會出現力道不足。

4.2 滿足不滿足PLC內部邏輯條件

第一種可能：軟件錯誤

PLC程序有設計缺陷。比如計數器和定時器等復位節點不對，造成超程或者誤動作。可以用斷電半小時重啟的方法，強迫PLC內部各寄存器等復位。

第二種可能：PLC硬件故障

①PLC電源問題。PLC因為處于配電柜內，一般是弱電24V，但因空間有限，距離強電220V較近，一旦屏蔽板松動或者打開。很容易出現PLC電源不滿足要求。而且PLC各擴展模塊共用電源，加之各接點共用接地線，很容易因為接地線松動造成故障。

②PLC內部接點壞。PLC內部是運算放大電路，來驅動輸出點。一般輸出端電源是220V，會造成PLC內部電路損壞。

③PLC擴展模塊與所需功能不匹配。圖2中用繼電器模塊的PLC無法實現模擬量PID調節功能。若想實現模擬量調節，必須選配專用模塊。

4.3 能不能執行程序

第一種可能：硬件錯誤

①輸出點接觸不良。

②信號線。信號線屏蔽層開、信號線斷或者發生干擾

③動力線故障。動力線斷路或者短路

④伺服驅動器故障

伺服驅動器被干擾

伺服驅動器燒壞

第二種可能：軟件問題

驅動器設置有問題

五、判斷方法

1.回零，重啟。機床發生報警后一定要先詢問操作者有無回零動作。

數控機床有的是絕對值編碼器，有的是相對值編碼器。絕對值編碼器可以不回零，但是常規數控機床必須回零。如果操作工忘記回零，機床就出現故障。可以通過機床重啟，重新回零來排除故障。如果報警不消失，則進入下一步驟。

2.按報警號查閱機床報警手冊。按照報警號提示，查報警信息表，初步判斷故障。很多時候是編程錯誤或者參數不對。或者因某一反饋信號沒有過來，出現明確提示。只要按照提示查閱電氣原理圖，一般就能直接找到故障。

3.MDA模式試驗。有時候程序錯誤是沒有報警，這就需要編制MDA小程序來試動作。圖3中各種小循環操作時，子程序的位置不符合要求，就沒有報警提示但是機床不動作。

如果MDA小程序能夠執行，說明是編程或者參數問題。如果不動作去看檢測系統，比如光柵尺和編碼器數據線是否斷或者屏蔽層是否破損或被污染。導致信號無反饋，機床無法實現智能控制。

原理：信號輸入分為系統軟輸入（虛擬地址）和硬輸入點（實際有連線）。如果數控系統因為參數設置不對，或者因為反饋信號有錯誤等，就會造成軟輸入點不發出信號。數控機床操作系統就是一個觸摸屏，參數設置就是給PLC內部各種計數器、寄存器、定時器等賦值。參數超程或者沒有實際意義，機床會報警并提示#某數字錯誤。當各項反饋信號沒有采集到或者數值超過某一數值，有的機床可能并不提示錯誤。

4.JOG手動模式試驗。如MDA沒有動作或者沒有報警信息，初步無法通過改程序或者參數排除，可以進入JOG手動模式，點動讓機床執行各個動作。如果有動作，說明是數據線的問題；如果沒有動作，說明是輸出執行部件的問題。

原理：功能按鈕就是實際的輸入點，在JOG手動模式下，通過點動，可以知道硬件是否準確執行。

如果手動/點動執行了，就是機床伺服驅動器和電機沒問題，還是上位機與PLC數據線路的問題。

如果手動/點動不執行，有可能是輸入點有問題，也有可能是執行部件的問題。可以通過更換輸入點位，排除輸入點的問題。可以通過手盤絲杠的方式，來查看電機有無問題。如果負載很重，有可能是電機保護或者絲杠有問題；如果負載不重，要用萬用表檢測電機電路是否斷路或者缺相。伺服驅動器最后試，可以將故障的伺服驅動器拿到同類型機床上試。注意關閉驅動器電源要等5分鐘，等內部電容放電完畢后拆。一旦拆除后要在規定時間內裝回（一般20-30分鐘），否則驅動器內部設置歸零。

以上是我個人結合數控機床構造、加工編程原理、觸摸屏使用原理、PLC構造和編程原理等知識，對數控機床維修工作進行的簡單總結，請各位同仁斧正。

參考文獻

[1] 廖常初.S7-200 PLC 基礎教程 第2版.北京：機械工業出版社，2009.2.

[2] 廖常初.FX系列PLC編程及應用 第2版.北京：機械工業出版社，2012.12.

[3] 廖常初.陳曉東.西門子人機界面（觸摸屏）組態與應用技術[M].2版.北京：機械工業出版社，2008.

[4] 張鐵城.加工中心操作工（基礎知識 中級技能）.中國勞動社會保障出版社出版，，2001.4.

[5] 李攀峰.數控機床維修工必備手冊.北京：機械工業出版社，2011.5.

[6] 秦曾煌.電工學：電子技術.北京：高等教育出版社，2000.

[7] 齊占慶.機床電氣控制技術.北京：機械工業出版社，1996.