0 引言

　　數(shù)控機(jī)床的控制信息分成兩類：一類是對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸的位置進(jìn)行連續(xù)控制的信息，如數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的各方向運(yùn)動(dòng)、主軸箱的上下移動(dòng)及圍繞某一坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，此類信息由數(shù)控機(jī)床的數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行控制處理；另一類則由PLC完成的順序控制數(shù)控機(jī)床的加工過程。

　　數(shù)控機(jī)床PLC模塊出現(xiàn)故障的表現(xiàn)形式有三種：數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障后報(bào)警；顯示數(shù)控機(jī)床故障的報(bào)警，但是真正的故障原因并沒有反映；無顯示。其后面兩種故障表現(xiàn)情況，可以借助對(duì)PLC輸入/出狀態(tài)的信息和梯形圖進(jìn)行分析可以找到致使數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)外圍故障的原因并予以解決。

1 PLC模塊的故障表現(xiàn)形式

　　1.1顯示故障

　　1.1.1故障與報(bào)警對(duì)應(yīng)

　　當(dāng)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障后只要對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析便能夠準(zhǔn)確的故障原因。盡管對(duì)數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)功能提出高要求，但是不斷發(fā)展的科技，數(shù)字控制系統(tǒng)的功能也得到了不斷的完善，加強(qiáng)了數(shù)控機(jī)床與PLC間通信的功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜軟／硬件系統(tǒng)的配合連接，提高了自診斷的技術(shù)。越來越廣泛應(yīng)用于診斷數(shù)控機(jī)床的故障，降低了維修難度，提高了維修人員的工作效率。

　　1.1.2 故障報(bào)警與原因不符

　　目前有一些數(shù)控機(jī)床因?yàn)椴煌晟频墓收显\斷功能，促使故障出現(xiàn)后，數(shù)控機(jī)床的報(bào)警信息不能準(zhǔn)確反映故障點(diǎn)，甚至顯示的報(bào)警信息內(nèi)容和故障位置間沒有任何關(guān)系，這就造成維修的誤導(dǎo)，此時(shí)維修人員只有憑借經(jīng)驗(yàn)具體分析數(shù)控機(jī)床，從而判斷并找出導(dǎo)致故障發(fā)生的真正原因。

　　1.1.3 有故障無顯示

　　數(shù)控機(jī)床發(fā)生故障后由于控制系統(tǒng)中設(shè)置檢測(cè)該故障的功能，則數(shù)控機(jī)床也就無故障內(nèi)容顯示，增大維修的難度，維修人員一時(shí)無從著手，只能研究故障的具體現(xiàn)象并結(jié)合理論綜合性分析。當(dāng)線路板出現(xiàn)故障時(shí)需要維修，此時(shí)如果沒有電路原理圖，則自己就要將草圖繪制完成，增大維修的難度。如果數(shù)控機(jī)床的刀架的控制方式屬于電動(dòng)式，當(dāng)出現(xiàn)自動(dòng)換刀故障時(shí)，具體故障發(fā)生點(diǎn)的判斷則需結(jié)合系統(tǒng)的檢測(cè)功能與數(shù)控機(jī)床顯示的報(bào)警信息，分別完成故障的表現(xiàn)形式的分析。系統(tǒng)換刀控制指令發(fā)出，刀架上的電動(dòng)機(jī)動(dòng)作執(zhí)行。假如系統(tǒng)安裝有軟件進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，外圍裝配對(duì)應(yīng)硬件，實(shí)現(xiàn)軟／硬件檢測(cè)功能的結(jié)合。一旦故障發(fā)生后，產(chǎn)生報(bào)警并顯示準(zhǔn)確的故障信息。直接分析信息即可找到故障源。

　　如果檢測(cè)系統(tǒng)只能對(duì)刀架是否應(yīng)答進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，一旦故障發(fā)生，只能指出問題出于電動(dòng)刀架，而具體的故障源則無法在報(bào)警信息中指出。故障的排除只能依靠維修人員逐個(gè)排查。

　　假如系統(tǒng)換刀控制指令發(fā)出后，由于延時(shí)系統(tǒng)不檢測(cè)是否有應(yīng)答信號(hào)產(chǎn)生直接進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作程序。一旦發(fā)現(xiàn)刀架沒有旋轉(zhuǎn)到位并且無系統(tǒng)提示，重大事故發(fā)生概率非常大。因此，唯一操作就是緊急停車。

1.2 信號(hào)類型故障

　　1.2.1 輸入信號(hào)的故障

　　PLC的控制是順序性的完成即每個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行都是基于有邏輯信號(hào)的輸入且條件滿足。通常情況下，故障的出現(xiàn)都是輸入信號(hào)某一條件沒有滿足，兩個(gè)條件都無法滿足的概率較小。此時(shí)對(duì)輸入信號(hào)的梯形圖進(jìn)行無效原因分析，隨之進(jìn)一步分析故障，直至找出產(chǎn)生故障的原因。

　　1.2.2 輸出信號(hào)的故障

　　輸出信號(hào)導(dǎo)致的故障主要都是元件的控制或執(zhí)行上的故障，損壞通常是發(fā)生于能夠進(jìn)行機(jī)械式動(dòng)作的零件上，比如不靈活的接觸器觸點(diǎn)致使接觸不良、電磁閥閥芯出現(xiàn)堵塞、機(jī)械磨損致使阻力加大、傳動(dòng)器件不到位的移動(dòng)等。只要其中的某一機(jī)構(gòu)出現(xiàn)執(zhí)行故障，順序性的動(dòng)作執(zhí)行則會(huì)導(dǎo)致后續(xù)動(dòng)作無法滿足輸入條件，不能正常進(jìn)行整個(gè)順序控制。

2 診斷故障的方法

　　2.1 基于故障報(bào)警的信號(hào)

　　數(shù)控機(jī)床PLC模塊的程序依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)要求予以設(shè)計(jì)，即具體的動(dòng)作和故障報(bào)警的信息設(shè)計(jì)編寫的依據(jù)是數(shù)控機(jī)床需實(shí)現(xiàn)的功能。使得數(shù)控機(jī)床自診斷的功能較豐富，一旦故障發(fā)生后便會(huì)準(zhǔn)確顯示相應(yīng)報(bào)警的信息，提高各種數(shù)控機(jī)床的狀態(tài)信息有利于維修人員借助信息實(shí)現(xiàn)故障的迅速排除。

　　2.2 基于動(dòng)作完成的順序

　　位于數(shù)控機(jī)床上的托盤及刀具等裝置，相應(yīng)動(dòng)作的完成都是按照設(shè)定順序進(jìn)行。鑒于此，只要對(duì)比正常與故障情況下的機(jī)械裝置運(yùn)動(dòng)情況，便可診出故障的原因。圖1所示刀具的自動(dòng)交換。刀具開始自動(dòng)交換時(shí)初始狀態(tài)為：需要進(jìn)行交換的舊刀具保持在主軸上；圖中B點(diǎn)所示為刀具交換的力臂；刀具交換的力臂的位置位于圖示的上方；需要進(jìn)行交換的新刀具的位置由刀庫完成定位。

　　遵循正常的順序進(jìn)行刀具的自動(dòng)交換，但是當(dāng)實(shí)現(xiàn)刀具交換的力臂由初始的B位置左移到A位置后再依次在A、B、C三個(gè)位置間完成相應(yīng)的動(dòng)作右移到C位置，結(jié)果拔刀的動(dòng)作無法完成。故障分析后有三種可能的原因：SQ2沒有產(chǎn)生信號(hào)。完成刀具松開的電磁閥(2Y)沒有得電，主軸的狀態(tài)仍是抓取刀具，無法下移交換刀具的力臂；刀具松開開關(guān)SQ4信號(hào)未產(chǎn)生，則控制交換刀具力臂升降的電磁閥(1Y)維持原狀態(tài)，不進(jìn)行力臂的下降動(dòng)作；有故障存在于電磁閥中，即使有信號(hào)輸入也無法完成相應(yīng)的控制動(dòng)作。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)刀具松開開關(guān)SQ4沒有發(fā)出動(dòng)作信號(hào)，深入檢查SQ4，由于過大的感應(yīng)間隙的存在使得相應(yīng)控制信號(hào)無法輸出阻礙后續(xù)動(dòng)作的執(zhí)行。

圖1 刀具自動(dòng)交換控制圖

　　2.3 基于對(duì)象控制的原理

　　依據(jù)對(duì)象的控制原理完成數(shù)控機(jī)床PLC模塊的程序設(shè)計(jì)編寫，針對(duì)控制對(duì)象的工作原理與PLC控制器I/O的狀態(tài)進(jìn)行分析，能夠有效的診斷出故障。

　　工件在加工過程中，必須有對(duì)工件裝夾程度是否合適的自動(dòng)檢測(cè)功能。這是因?yàn)樽詣?dòng)化車床在進(jìn)行工件加工時(shí)，僅僅保證工件夾緊程度是不夠的，換句話說就是在考慮一個(gè)夾緊信號(hào)的獲取時(shí)，還要檢測(cè)工件加工的一些附加的行程。人工完成工件的安裝時(shí)能夠很直觀的檢查到工件是否夾緊或者位置不正的情況，及時(shí)給予更改操作。但在自動(dòng)化的加工過程中，所有的工作都是建立在機(jī)械手的操作上，對(duì)于工件的裝夾是否可靠沒辦法得到保證，即使工件已經(jīng)夾緊了，但只要出現(xiàn)其他裝夾不可靠的情況也會(huì)使得所加工的工件是不合格品，嚴(yán)重的還會(huì)出現(xiàn)刀具的撞擊從而使得整個(gè)車床損壞。為了避免這樣的情況的發(fā)生，就需要增加一個(gè)檢測(cè)油缸夾緊的行程裝置。保證即使檢測(cè)到夾緊信號(hào)，出現(xiàn)裝夾位置不正等其他不可靠的情況，數(shù)控車床也不會(huì)繼續(xù)進(jìn)行后面的動(dòng)作，從而保證了自動(dòng)化過程的安全可靠。

　　2.4 基于PLC模塊的輸入，出狀態(tài)

　　針對(duì)數(shù)控機(jī)床中信號(hào)如何實(shí)現(xiàn)傳遞，通常都是基于PLC模塊的輸入/出的接口完成傳遞相應(yīng)的輸入/出信號(hào)。由此，對(duì)PLC模塊的輸入/出的接口進(jìn)行研究分析可以診斷出很多出現(xiàn)在這個(gè)通道上的故障。鑒于數(shù)控機(jī)床PLC模塊具有的這樣的接口特點(diǎn)有利于完成故障的診斷，只要數(shù)字控制系統(tǒng)中硬件不出現(xiàn)故障，故障的診斷則不需要對(duì)相應(yīng)的電路原理圖和梯形圖進(jìn)行研究分析一·。通過對(duì)PLC模塊的輸入/出接口的狀態(tài)進(jìn)行分析便可準(zhǔn)確查找故障發(fā)生的原因。值得注意的就是能夠?qū)ο嚓P(guān)控制對(duì)象的PLC模塊的輸入/出接口的正常與故障時(shí)的狀態(tài)的準(zhǔn)確掌握。

　　2.5 基于PLC的控制梯形圖

　　在對(duì)數(shù)控機(jī)床外圍出現(xiàn)故障進(jìn)行原因診斷的研究分析發(fā)現(xiàn)基于分析PLC的控制梯形圖有利于故障的診斷與排除。利用這種診斷與排除故障的方法，前提是對(duì)數(shù)控機(jī)床工作的原理的掌握，并了解聯(lián)鎖的關(guān)系以及動(dòng)作完成的順序，接著加以對(duì)數(shù)控機(jī)床的自診斷數(shù)控系統(tǒng)利用或者借助干機(jī)外的編程器，通過對(duì)PLC控制梯形圖中的標(biāo)志位和輸入/出狀態(tài)的分析，診斷出相應(yīng)故障。

　　2.6 基于梯形圖的動(dòng)態(tài)跟蹤

　　PLC模塊即使發(fā)生某些故障，但是對(duì)PLC控制梯形圖中的標(biāo)志位和輸入/出狀態(tài)進(jìn)行分析后未發(fā)現(xiàn)異常。此時(shí)則必須對(duì)PLC模塊梯形圖進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤，即對(duì)瞬間變化的標(biāo)志位和輸入/出狀態(tài)實(shí)時(shí)跟蹤。通過對(duì)PLC模塊動(dòng)作完成的原理研究做出相應(yīng)的診斷。如圖2所示為雙工位和雙主軸且數(shù)控系統(tǒng)為SINUMERIK810的數(shù)控機(jī)床。

圖2 SINUMERIK810系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床

　　數(shù)控機(jī)床運(yùn)行在自動(dòng)方式下，在工位一完成工件加工后，工位二主軸未充分退位同時(shí)同轉(zhuǎn)工作臺(tái)準(zhǔn)備旋轉(zhuǎn)，此時(shí)工位二的主軸則停止轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致自動(dòng)循環(huán)出現(xiàn)中斷報(bào)警且報(bào)警的信息內(nèi)容顯示不正常的工位二主軸速度。兩個(gè)主軸運(yùn)轉(zhuǎn)速度的檢測(cè)分別由兩個(gè)傳感器(B1、B2)完成，檢查主軸的傳動(dòng)系統(tǒng)后未發(fā)現(xiàn)異常。借助機(jī)外的編程器對(duì)PLC控制梯形圖的狀態(tài)進(jìn)行觀察分析。工位二主軸的起動(dòng)標(biāo)志位F112.0、起動(dòng)條件是F111.7。工位二的主軸起動(dòng)輸出是Q32.0，檢測(cè)工位二的主軸刀具卡緊輸入是121.1、卡緊的標(biāo)志位是F115.1。研究觀察后的具體狀態(tài)圖如圖3所示。故障發(fā)生的時(shí)候，起動(dòng)標(biāo)志位與輸出處于“0”狀態(tài)，因此主軸停止旋轉(zhuǎn)，但起動(dòng)標(biāo)志位則由于傳感器未檢測(cè)到主軸的速度處于“0”狀態(tài)。對(duì)輸出狀態(tài)變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀察未有故障產(chǎn)生，此時(shí)起動(dòng)標(biāo)志位和起動(dòng)條件都處于閉合狀態(tài)；若產(chǎn)生故障，此時(shí)起動(dòng)條件瞬間實(shí)現(xiàn)斷開與閉合，起動(dòng)條件的瞬間斷開使得起動(dòng)輸出處于“0”狀態(tài)，隨著起動(dòng)條件實(shí)現(xiàn)閉合，起動(dòng)標(biāo)志位進(jìn)入“0”狀態(tài)，使得起動(dòng)輸出保持“0”狀態(tài)，主軸停止旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)傳感器速度檢測(cè)不正常致使起動(dòng)標(biāo)志位處于“0”狀態(tài)。影響主軸的起動(dòng)條件很復(fù)雜，對(duì)梯形圖研究分析后，瞬間“0”狀態(tài)變化的F111.6致使起動(dòng)條件發(fā)生變化。接著對(duì)PB8．3的后續(xù)檢查，瞬間變化的刀具卡緊標(biāo)志也處于“0”狀態(tài)，F(xiàn)111.6由此發(fā)生變化。繼續(xù)檢查PBl3.7發(fā)現(xiàn)故障產(chǎn)生時(shí)，檢測(cè)刀具卡緊的輸入瞬間斷開，則刀具卡緊標(biāo)志位瞬間處于“0”狀態(tài)，主軸停止旋轉(zhuǎn)。通過分析發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)波動(dòng)的刀具液壓卡緊力導(dǎo)致故障的產(chǎn)生，對(duì)液壓進(jìn)行調(diào)整直到正常則完成故障的排除。

圖3 PLC控制梯形圖

3 結(jié)束語

　　本文通過對(duì)故障的診斷與排除方法的分析，概括出三個(gè)要點(diǎn)：第一，掌握安裝在數(shù)控機(jī)床中的每個(gè)檢測(cè)開關(guān)的位置，PLC模塊輸入信號(hào)的標(biāo)志即檢測(cè)開關(guān)；第二，了解數(shù)控機(jī)床每個(gè)工作條件的標(biāo)志，利用編程器對(duì)梯形圖進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化跟蹤，診斷致使故障產(chǎn)生的原因；第三，了解數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成動(dòng)作的順序。