基于PLC技術的數控機床故障診斷的方法研究

晁曉圓++牛立軍

摘 要 PLC是數控機床最重要的組成部分之一，基于PLC在機床本體及數控系統間的控制協調作用，依據其信號狀態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，在數控維修中具有極為重要的現實意義，值得認真探索、總結、交流及推廣。

關鍵詞 PLC；數控機床；數控銑床

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），是一種專為工業現場應用而設計的數字運算電子操作裝置。在數控機床中，PLC的作用是實現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診斷數控機床故障的依據

數控機床中數控系統（CNC）與機床本體（MT）之間的絕大部分信息是經由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、主軸伺服保護監視信號和伺服系統運行準備等信號。

2）PLC側到MT側：主要是機床執行部件的執行信號，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PLC對其各種信號的監控作用至關重要，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實意義。

2 PLC診斷機床故障的方法

在數控機床的CRT上，有多種與PLC相關的信息畫面，如FANUC系統有“PMC維護”“PMC梯形圖”和“PMC配置”三個選項的畫面（FANUC系統稱PLC為PMC）。根據故障報警或故障現象對其位置及產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行該程序，在執行的過程中觀察相應的PLC輸出信號的狀態。若正確，則說明故障出在I/O端口到執行元件的連線、控制元件或執行裝置本身。逐級檢查連接線、繼電器、接觸器或電磁閥等狀態是否正常，找到并排除故障。

2）若PLC輸出信號的狀態不正確，觀察機床正確動作時所對應輸入量或系統變量，即PLC的輸入量狀態是否正確。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的輸入量狀態正確，而輸出不正確，則說明在控制過程中出現了額外的信號變化，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，或PLC參數畫面中數據的狀態進行分析與判斷，找到并排除故障。

3 運用PLC查找機床故障的實例

根據PLC的I/O狀態診斷故障 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狀態顯示在屏幕上，這一特點為數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：數控銑床加工時無冷卻液供給，且無系統報警。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。根據廠家提供的“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”畫面觀察其狀態為1，說明PLC的輸出與輸入狀態正常，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，發現其觸點無動作，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行完成的，當中間某個動作因故障沒能實現時，后面的動作便都不能進行，反應到I/O信號狀態上便是有多個信號狀態不對。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控制信號及到位檢測信號，找到引發第一個沒能正確執行的動作的原因。

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；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，而且顯示導致故障狀態的原因。

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，發現R610.4常閉觸點沒有接通；再查R610.4程序段，發現R610.0常開觸點沒有分斷；繼續查R610.0程序段，發現X4.0常閉觸點沒有閉合，即齒輪1到位傳感器沒復位，調整后故障排除。

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，要了解在執行什么操作時出現了什么故障，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）》。