PLC 技術在數控機床故障診斷中的運用探析

劉玉玲

（廣東技術師范大學 機電學院，廣東 廣州510635）

數控機床是模具加工行業的重要設備，在其工作過程中必然會出現不同形式的故障。數控機床的故障直接影響了模具加工質量與效率，因此選擇合適的故障診斷方式來保證數控機床的正常工作十分關鍵。PLC 作為數控機床中的重要技術之一，能夠在故障診斷中起到重要作用。

1 數控機床故障及其特點

數控機床是一種帶有計算機數字控制技術的機床，數控系統可以自動處理加工程序，控制機床自動完成不同的加工處理。相對于普通機床來說，數控機床可以實現自動換刀、自動變更切削數據，進行平面、平面曲線、回旋面以及空間曲面的加工，加工精度與生產率都顯著高于普通機床。數控機床的投入使用大大減輕了人工機械制造的工作強度，也保障了人工安全。數控機床通常由CNC 裝置、輸入輸出裝置、伺服驅動系統、機床電器邏輯控制裝置以及機床構成。數控機床的各個構件之間有著密切關系[1]。CNC 裝置把數控加工程序信息分為兩類控制量進行輸出，一是連續控制量，送往伺服驅動系統；另一類是離散開關控制器，送外機床電器與邏輯控制設備。伺服驅動系統處于CNC 裝置與機床之間，不僅可以利用電信號與CNC 設備聯系，還可以利用檢測元件等與機床的傳動結構連接。機床電器、邏輯控制設備的形式可以是繼電器控制線路或可編程控制器控制線路，其在接受CNC 裝置傳送的開關命令，通常完成換刀、冷卻、液壓、氣動以及其他機床輔助工程的控制。并且，需要把主軸啟停、工作臺交換結束等信號方向傳送至CNC 裝置中。由于數控機床自身具有復雜性，導致其故障也具有一定的復雜性。導致數控機床出現故障的因素眾多，有的故障是機械故障、有的故障是電氣故障、有的故障表現為電氣實際卻是機械故障導致，有的故障是由電氣與機械方面一同導致。因此，在對數控機床故障進行診斷時需要重視機床構件交接的位置。根據數控機床故障的特點與出現概率的大小，數控機床使用年限中一般會分為初始使用故障期、穩定工作故障期以及最終工作故障期[2]。一是初始使用故障期，數控機床在安裝工作運轉后半年至一年內，故障出現頻率相對較高，這也是數控機床工作中的磨合時間。由于數控機床配件表面的還擁有細微的形狀誤差，在裝配過程中也存在一定的形位誤差，沒有形成一定的磨合間隙。部分機床的電子元件可能被電流與發電動勢的沖擊導致無法工作。初始工作故障期的故障頻繁出現有助于工作人員對其進行調整優化，使得其能夠保持穩定精準的運行狀態；二是穩定工作故障期，設備經過了初始使用階段，進入了相對穩定正常工作時期。這一階段各類故障出現情況較少，但在使用中需要對機床的工作情況進行記錄，并定期開展工作檢測；三是最終工作故障期。最終工作故障期機床的各個元件都開始加速老化，故障頻繁出現，機床故障性質已經逐漸為漸發性、器質性與規律性，機床的加工精度也可能被影響。

2 PLC 技術在數控機床故障診斷中的運用

2.1 數控機床的PLC 技術

PLC 技術在數控機床十分關鍵，其能夠有效將數控設備與機床側鏈接起來。PLC 技術通過接受CNC 裝置處理操作所指定的指令，經過譯碼處理后可以完成下一步的指令，能夠對數控機床進行有效的控制。另外，PLC 技術還能夠對數控機床的機床側邏輯信號進行反饋。PLC 技術在數控機床中的工作過程如下：將完成調試測驗的應用程序使用編程設備寫入PLC 中，把數控機床現場輸入信號以及被控制執行元件連接入輸入模板的輸出端。打開PLC 開關至工作狀態，PLC 則以循環方式進行工作，在信號與程序的控制下完成預設任務[2]。

2.2 PLC 技術診斷數控機床故障的表現形式

第一，通過故障報警直接發現故障原因。通過故障報警信息直接找到故障原因，這需要數控機床的CNC 擁有一定的檢測能力。鑒于CNC 可以與PLC 之間進行信息互通，從而使得工作人員可以直接通過故障報警提示通過排查發現故障問題并解決。第二，故障報警卻無法顯示故障真正原因。大多數數控機床的故障診斷系統還有待完善，當出現故障時CNC 報警提示僅僅只是對數控機床可能出現的故障位置進行判別，更有部分情況下故障報警信號所提供的報警信息與故障沒有直接關系。這就需要故障維修人員憑借豐富的工作經驗來進行全面分析與綜合判斷，以得出故障真正原因。第三，出現故障卻無報警信息。數控機床中未出現報警信息則需要維修人員綜合考慮數控機床所表現的故障現象，如利用動作順序進行故障判斷、利用動作原理進行故障判斷等。

2.3 PLC 技術在數控機床故障診斷中的運用

（1）根據動作順序進行故障診斷。數控機床與設備的自動處理交換操作是根據指定順序來完成的。對數控機床機械裝置的正常工作狀態以及故障工作狀態進行觀察，則可以發現故障原因。如某數控機床在工作中，其換刀系統在進行換刀命令的過程中不進行換刀動作，觀察得出中間位置停有機器臂。CRT 出現報警信號，經過對報警信號的分析后得出，刀具與刀庫交換設備機械臂位置檢測開關的信息顯示為“0”，且顯示“刀庫換刀位置錯誤”。根據報警信息以及觀察情況可以得出，刀具與刀（轉下頁）庫交換裝置出現故障。數控機床換刀動作停止，是由于相對應的PLC 接口方位檢測無信號[3]。開關無感應則是由于機械動作導致電感式接近開關故障，這是開關無信號的主要原因。對刀庫開關進行檢查：首先檢查刀座，使用薄鐵片靠近感應開關，判斷刀庫接近開關區域是否存在故障；其次，對換刀機械臂中的最近處的臂移出與臂縮回開關進行檢查。對機械設備進行檢查：YV21 電磁閥控制臂縮回動作，手動開啟YV21，則機械臂完成臂縮回動作，數控機床恢復正常。從上述分析可以看出，PLC 輸入信號正常，無錯誤輸入或漏輸入，因此即為PLC 內部操作問題。由于間隔時間沒有滿足PLC 的要求，也就是換刀間隔時間較短，導致PLC 程序錯誤出現故障[4]。

（2）利用梯形圖進行故障診斷。PLC 的梯形圖是診斷數控機床故障的重要途徑之一。某數控機床使用TOSNUC600M數控系統，在正常工作中出現故障現象如下：機床在進行切削加工過程中突然停止工作。CRT 現實PC4-00 號報警。在關機一段時間后開機即可正常工作，但正常工作不久后再次出現故相同故障。故障診斷：從PC4-00 號報警可以看出數控機床為主軸單元故障。PLC 向NC 傳輸信號過程中，由E3F6 輸出口出現主軸故障信號。調取與該區域相關梯形圖進行分析，如圖所示。

梯形圖

從梯形圖中可以看出，在出現故障時X085、T010 以及E3F6繼電器均為通電狀態，R010 處于斷電狀態。經過分析后判斷可能為主軸調整單元傳輸來的51X 觸點閉合，使得繼電器X085 與T010 吸合，導致R010 出現斷電，從而出現PC4-00 報警。而通常出現主軸電動機過熱的情況大多是由于機床切削深度過大或切削速度過快，使得電動機工作電流超出限定值。經過檢查后發現主軸銑頭銑削均為正常狀態，電動機也沒有超出限定值，因此可以判斷為主電動機風冷效果不佳導致，再檢查風冷電動機與風道后發現風道積滿灰塵。因此，只需打開風道蓋將內部灰塵清除后故障則排除。

3 結論

PLC 技術是當前主流的自動化控制技術，在數控機床故障診斷中有著十分關鍵的作用。靈活利用數控機床中的PLC 系統能夠對數控機床的工作狀態、工作故障進行診斷與排查。根據不同的診斷情況選擇不同故障排查方式，從而對故障進行處理，才能夠準確判斷故障出現的本質原因，精確定位故障區域，從而選擇合適的方式排出故障，恢復數控機床的正常工作。