基于PLC視角下的數(shù)控機(jī)床故障類型及判斷方法

崔梅之

[摘 要]數(shù)控機(jī)床因?yàn)榭赏ㄟ^編程軟件后處理直接按圖加工，尤其在進(jìn)行異型曲面加工時(shí)曲線高度連續(xù)，使得磁粉探傷中相關(guān)顯示缺陷大大降低，被廣泛應(yīng)用在基礎(chǔ)加工行業(yè)。同時(shí)各種數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)種類多、界面術(shù)語不好理解、故障點(diǎn)多、涉及知識面廣，使得一旦發(fā)生故障維修人員頗費(fèi)周折。實(shí)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(huì)簡單的多了。因?yàn)椴僮飨到y(tǒng)自動(dòng)程序AUTO和MDA模式通過主板直接通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)，PCU面板按鈕是直接給出電壓信號傳輸給PLC進(jìn)行控制。如果機(jī)床不動(dòng)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(jī)床故障判斷起來，非常清晰有條理。只要采用科學(xué)的方法來鑒別，就能迅速找到故障原因。

[關(guān)鍵詞]機(jī)床參數(shù)表；操作界面；報(bào)警號；程序；標(biāo)準(zhǔn)化；觸摸屏；PLC；輸入/輸出點(diǎn)；屏蔽層；電磁干擾

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

1、數(shù)控設(shè)備的基本構(gòu)造

一般數(shù)控機(jī)床從外觀上看包括機(jī)床主體結(jié)構(gòu)、電氣控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣壓系統(tǒng)、自動(dòng)換刀裝置、自動(dòng)排屑裝置及數(shù)控編程模塊。與常規(guī)機(jī)床比較起來，數(shù)控機(jī)床因?yàn)樗欧?qū)動(dòng)器或者變頻器的使用，使其傳動(dòng)變速部分更為簡單。數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)則因操作系統(tǒng)模塊、觸摸屏人機(jī)界面和PLC結(jié)合，可以處理測量系統(tǒng)、液壓部分傳輸過來的信號，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工。

2、數(shù)控機(jī)床各界面與PLC關(guān)系

機(jī)床參數(shù)在PLC原理看來就是一些計(jì)數(shù)器或者通道，雖然經(jīng)過復(fù)雜積分微分等運(yùn)算，最終還是會(huì)出現(xiàn)比較閾值。數(shù)字超程，內(nèi)部就發(fā)生跳轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)就不輸出給PLC，機(jī)床就不運(yùn)轉(zhuǎn)。例如西門子系統(tǒng)中G25和G26對加工區(qū)域進(jìn)行設(shè)定；G96中恒線速度設(shè)置已經(jīng)高于主軸扭矩設(shè)置；刀具后角與輪廓曲線的干涉等等。

機(jī)床回零就是回到參考點(diǎn)，也就是PLC內(nèi)部一個(gè)重新置位的動(dòng)作。狀態(tài)顯示的數(shù)值或者軌跡，是觸摸屏與PLC組態(tài)后產(chǎn)生的一個(gè)寄存器跳轉(zhuǎn)動(dòng)作。工作模式中AUTO模式與JOG模式，其實(shí)就是虛擬中繼點(diǎn)與實(shí)際輸入點(diǎn)的轉(zhuǎn)換。

按鈕指示燈與實(shí)際動(dòng)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(nèi)部的延時(shí)命令？

3、PLC硬件結(jié)構(gòu)

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(tài)指示燈，輸入輸出點(diǎn)，數(shù)據(jù)接口，電源輸入。POWER是電源燈，RUN是運(yùn)行，STOP是停止SF/DIAG系統(tǒng)錯(cuò)誤。兩側(cè)各有一排端子分別是輸入點(diǎn)和輸出點(diǎn)。通過數(shù)據(jù)接口與上位機(jī)相連，用來接收數(shù)據(jù)和指令。

4、故障產(chǎn)生原因

所謂故障，就是設(shè)備某個(gè)過程產(chǎn)生了異常。數(shù)控機(jī)床一般執(zhí)行自動(dòng)程序時(shí)的工作原理是采集信號，核對位置，運(yùn)算，輸出命令到PLC， 到執(zhí)行部件，再采集信號反饋位置，核對，運(yùn)算，輸出命令到PLC， 執(zhí)行。

從PLC看待這個(gè)過程，無非是有沒有信號到輸入點(diǎn)，滿足不滿足PLC內(nèi)部邏輯條件，從而能不能執(zhí)行程序。

4.1 有沒有信號到輸入點(diǎn)

第一種可能：信號源問題

①機(jī)床沒有回零。對許多數(shù)控機(jī)床來說，機(jī)床回零是建立坐標(biāo)系，測量系統(tǒng)校對的過程。如果機(jī)床不回零，機(jī)床是無法識別位置的。因此如果沒有回零就進(jìn)行操作，往往會(huì)出現(xiàn)許多錯(cuò)誤。當(dāng)然近年來制造的數(shù)控機(jī)床，如果機(jī)床不回零，機(jī)床就自己保護(hù)不進(jìn)行動(dòng)作。

②系統(tǒng)各參數(shù)超程（觸摸屏輸入數(shù)字超出閾值）。例如加工區(qū)域已經(jīng)設(shè)置，如果程序中數(shù)值超過加工區(qū)域，則必然回不動(dòng)作。

③加工程序內(nèi)有錯(cuò)誤，編制不符合要求。例如G01指令后必須給出進(jìn)給量F值，主軸轉(zhuǎn)速S，每轉(zhuǎn)進(jìn)給還是分鐘進(jìn)給，主軸正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。如果缺一個(gè)代碼，機(jī)床就不動(dòng)作。

④觸摸屏內(nèi)長期工作，內(nèi)部出現(xiàn)故障，造成內(nèi)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(fā)出信號。

如圖1，導(dǎo)軌潤滑壓力M203.3和定時(shí)器T36有可能沒有發(fā)出信號，造成沒有報(bào)警。

例機(jī)床卡盤夾緊，尾座壓力到達(dá)或者回位等，電接點(diǎn)壓力表才發(fā)出信號，機(jī)床各夾緊或者定位裝置處于安全可靠情況下，機(jī)床才動(dòng)作。不滿足條件，PLC內(nèi)部邏輯路線不通，處于斷路狀態(tài)。各電磁閥換位或者復(fù)位，發(fā)出信號，保證油路氣路通路，機(jī)床才進(jìn)行下一步動(dòng)作。

⑥干擾。因?yàn)樾盘柧€都是弱電壓，如果周圍出現(xiàn)較大電流變化或者電控柜內(nèi)動(dòng)力線路距離教近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)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(shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)線一般是用IEC規(guī)定的RS232或者RS485線進(jìn)行傳輸。都是按引線腳點(diǎn)人工焊接而成，難免會(huì)出現(xiàn)指針歪接觸不良?；蛘邤?shù)控機(jī)床數(shù)據(jù)線都很細(xì)，在各移動(dòng)部件反復(fù)移動(dòng)時(shí)可能因摩擦或者拉拽發(fā)生斷裂。

②屏蔽層接觸不良。上文已經(jīng)說過，因?yàn)樾盘柧€都是弱電壓，如果周圍出現(xiàn)較大電流變化或者電控柜內(nèi)動(dòng)力線路距離教近時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)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(xiàn)虛接，或者斷路，就容易出現(xiàn)故障。

③接點(diǎn)接觸不良。各接線端子接觸面在電流反復(fù)通過時(shí)，因?yàn)榻佑|電阻作用發(fā)熱，造成接觸面氧化，會(huì)出現(xiàn)接觸不良。而且PLC裝配中，人工手勁不同，也許會(huì)出現(xiàn)力道不足。

4.2 滿足不滿足PLC內(nèi)部邏輯條件

第一種可能：軟件錯(cuò)誤

PLC程序有設(shè)計(jì)缺陷。比如計(jì)數(shù)器和定時(shí)器等復(fù)位節(jié)點(diǎn)不對，造成超程或者誤動(dòng)作。可以用斷電半小時(shí)重啟的方法，強(qiáng)迫PLC內(nèi)部各寄存器等復(fù)位。

第二種可能：PLC硬件故障

①PLC電源問題。PLC因?yàn)樘幱谂潆姽駜?nèi)，一般是弱電24V，但因空間有限，距離強(qiáng)電220V較近，一旦屏蔽板松動(dòng)或者打開。很容易出現(xiàn)PLC電源不滿足要求。而且PLC各擴(kuò)展模塊共用電源，加之各接點(diǎn)共用接地線，很容易因?yàn)榻拥鼐€松動(dòng)造成故障。

②PLC內(nèi)部接點(diǎn)壞。PLC內(nèi)部是運(yùn)算放大電路，來驅(qū)動(dòng)輸出點(diǎn)。一般輸出端電源是220V，會(huì)造成PLC內(nèi)部電路損壞。

③PLC擴(kuò)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(shí)現(xiàn)模擬量PID調(diào)節(jié)功能。若想實(shí)現(xiàn)模擬量調(diào)節(jié)，必須選配專用模塊。

4.3 能不能執(zhí)行程序

第一種可能：硬件錯(cuò)誤

①輸出點(diǎn)接觸不良。

②信號線。信號線屏蔽層開、信號線斷或者發(fā)生干擾

③動(dòng)力線故障。動(dòng)力線斷路或者短路

④伺服驅(qū)動(dòng)器故障

伺服驅(qū)動(dòng)器被干擾

伺服驅(qū)動(dòng)器燒壞

第二種可能：軟件問題

驅(qū)動(dòng)器設(shè)置有問題

五、判斷方法

1.回零，重啟。機(jī)床發(fā)生報(bào)警后一定要先詢問操作者有無回零動(dòng)作。

數(shù)控機(jī)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(guī)數(shù)控機(jī)床必須回零。如果操作工忘記回零，機(jī)床就出現(xiàn)故障?？梢酝ㄟ^機(jī)床重啟，重新回零來排除故障。如果報(bào)警不消失，則進(jìn)入下一步驟。

2.按報(bào)警號查閱機(jī)床報(bào)警手冊。按照報(bào)警號提示，查報(bào)警信息表，初步判斷故障。很多時(shí)候是編程錯(cuò)誤或者參數(shù)不對。或者因某一反饋信號沒有過來，出現(xiàn)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(yàn)。有時(shí)候程序錯(cuò)誤是沒有報(bào)警，這就需要編制MDA小程序來試動(dòng)作。圖3中各種小循環(huán)操作時(shí)，子程序的位置不符合要求，就沒有報(bào)警提示但是機(jī)床不動(dòng)作。

如果MDA小程序能夠執(zhí)行，說明是編程或者參數(shù)問題。如果不動(dòng)作去看檢測系統(tǒng)，比如光柵尺和編碼器數(shù)據(jù)線是否斷或者屏蔽層是否破損或被污染。導(dǎo)致信號無反饋，機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)智能控制。

原理：信號輸入分為系統(tǒng)軟輸入（虛擬地址）和硬輸入點(diǎn)（實(shí)際有連線）。如果數(shù)控系統(tǒng)因?yàn)閰?shù)設(shè)置不對，或者因?yàn)榉答佇盘栍绣e(cuò)誤等，就會(huì)造成軟輸入點(diǎn)不發(fā)出信號。數(shù)控機(jī)床操作系統(tǒng)就是一個(gè)觸摸屏，參數(shù)設(shè)置就是給PLC內(nèi)部各種計(jì)數(shù)器、寄存器、定時(shí)器等賦值。參數(shù)超程或者沒有實(shí)際意義，機(jī)床會(huì)報(bào)警并提示#某數(shù)字錯(cuò)誤。當(dāng)各項(xiàng)反饋信號沒有采集到或者數(shù)值超過某一數(shù)值，有的機(jī)床可能并不提示錯(cuò)誤。

4.JOG手動(dòng)模式試驗(yàn)。如MDA沒有動(dòng)作或者沒有報(bào)警信息，初步無法通過改程序或者參數(shù)排除，可以進(jìn)入JOG手動(dòng)模式，點(diǎn)動(dòng)讓機(jī)床執(zhí)行各個(gè)動(dòng)作。如果有動(dòng)作，說明是數(shù)據(jù)線的問題；如果沒有動(dòng)作，說明是輸出執(zhí)行部件的問題。

原理：功能按鈕就是實(shí)際的輸入點(diǎn)，在JOG手動(dòng)模式下，通過點(diǎn)動(dòng)，可以知道硬件是否準(zhǔn)確執(zhí)行。

如果手動(dòng)/點(diǎn)動(dòng)執(zhí)行了，就是機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)沒問題，還是上位機(jī)與PLC數(shù)據(jù)線路的問題。

如果手動(dòng)/點(diǎn)動(dòng)不執(zhí)行，有可能是輸入點(diǎn)有問題，也有可能是執(zhí)行部件的問題。可以通過更換輸入點(diǎn)位，排除輸入點(diǎn)的問題?？梢酝ㄟ^手盤絲杠的方式，來查看電機(jī)有無問題。如果負(fù)載很重，有可能是電機(jī)保護(hù)或者絲杠有問題；如果負(fù)載不重，要用萬用表檢測電機(jī)電路是否斷路或者缺相。伺服驅(qū)動(dòng)器最后試，可以將故障的伺服驅(qū)動(dòng)器拿到同類型機(jī)床上試。注意關(guān)閉驅(qū)動(dòng)器電源要等5分鐘，等內(nèi)部電容放電完畢后拆。一旦拆除后要在規(guī)定時(shí)間內(nèi)裝回（一般20-30分鐘），否則驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部設(shè)置歸零。

以上是我個(gè)人結(jié)合數(shù)控機(jī)床構(gòu)造、加工編程原理、觸摸屏使用原理、PLC構(gòu)造和編程原理等知識，對數(shù)控機(jī)床維修工作進(jìn)行的簡單總結(jié)，請各位同仁斧正。

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