劉玉玲

（廣東技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州510635）

數(shù)控機(jī)床是模具加工行業(yè)的重要設(shè)備，在其工作過程中必然會出現(xiàn)不同形式的故障。數(shù)控機(jī)床的故障直接影響了模具加工質(zhì)量與效率，因此選擇合適的故障診斷方式來保證數(shù)控機(jī)床的正常工作十分關(guān)鍵。PLC 作為數(shù)控機(jī)床中的重要技術(shù)之一，能夠在故障診斷中起到重要作用。

1 數(shù)控機(jī)床故障及其特點(diǎn)

數(shù)控機(jī)床是一種帶有計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)的機(jī)床，數(shù)控系統(tǒng)可以自動處理加工程序，控制機(jī)床自動完成不同的加工處理。相對于普通機(jī)床來說，數(shù)控機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)自動換刀、自動變更切削數(shù)據(jù)，進(jìn)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(chǎn)率都顯著高于普通機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的投入使用大大減輕了人工機(jī)械制造的工作強(qiáng)度，也保障了人工安全。數(shù)控機(jī)床通常由CNC 裝置、輸入輸出裝置、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、機(jī)床電器邏輯控制裝置以及機(jī)床構(gòu)成。數(shù)控機(jī)床的各個(gè)構(gòu)件之間有著密切關(guān)系[1]。CNC 裝置把數(shù)控加工程序信息分為兩類控制量進(jìn)行輸出，一是連續(xù)控制量，送往伺服驅(qū)動系統(tǒng)；另一類是離散開關(guān)控制器，送外機(jī)床電器與邏輯控制設(shè)備。伺服驅(qū)動系統(tǒng)處于CNC 裝置與機(jī)床之間，不僅可以利用電信號與CNC 設(shè)備聯(lián)系，還可以利用檢測元件等與機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)連接。機(jī)床電器、邏輯控制設(shè)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(guān)命令，通常完成換刀、冷卻、液壓、氣動以及其他機(jī)床輔助工程的控制。并且，需要把主軸啟停、工作臺交換結(jié)束等信號方向傳送至CNC 裝置中。由于數(shù)控機(jī)床自身具有復(fù)雜性，導(dǎo)致其故障也具有一定的復(fù)雜性。導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)故障的因素眾多，有的故障是機(jī)械故障、有的故障是電氣故障、有的故障表現(xiàn)為電氣實(shí)際卻是機(jī)械故障導(dǎo)致，有的故障是由電氣與機(jī)械方面一同導(dǎo)致。因此，在對數(shù)控機(jī)床故障進(jìn)行診斷時(shí)需要重視機(jī)床構(gòu)件交接的位置。根據(jù)數(shù)控機(jī)床故障的特點(diǎn)與出現(xiàn)概率的大小，數(shù)控機(jī)床使用年限中一般會分為初始使用故障期、穩(wěn)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(shù)控機(jī)床在安裝工作運(yùn)轉(zhuǎn)后半年至一年內(nèi)，故障出現(xiàn)頻率相對較高，這也是數(shù)控機(jī)床工作中的磨合時(shí)間。由于數(shù)控機(jī)床配件表面的還擁有細(xì)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(jī)床的電子元件可能被電流與發(fā)電動勢的沖擊導(dǎo)致無法工作。初始工作故障期的故障頻繁出現(xiàn)有助于工作人員對其進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，使得其能夠保持穩(wěn)定精準(zhǔn)的運(yùn)行狀態(tài)；二是穩(wěn)定工作故障期，設(shè)備經(jīng)過了初始使用階段，進(jìn)入了相對穩(wěn)定正常工作時(shí)期。這一階段各類故障出現(xiàn)情況較少，但在使用中需要對機(jī)床的工作情況進(jìn)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(jī)床的各個(gè)元件都開始加速老化，故障頻繁出現(xiàn)，機(jī)床故障性質(zhì)已經(jīng)逐漸為漸發(fā)性、器質(zhì)性與規(guī)律性，機(jī)床的加工精度也可能被影響。

2 PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的運(yùn)用

2.1 數(shù)控機(jī)床的PLC 技術(shù)

PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床十分關(guān)鍵，其能夠有效將數(shù)控設(shè)備與機(jī)床側(cè)鏈接起來。PLC 技術(shù)通過接受CNC 裝置處理操作所指定的指令，經(jīng)過譯碼處理后可以完成下一步的指令，能夠?qū)?shù)控機(jī)床進(jìn)行有效的控制。另外，PLC 技術(shù)還能夠?qū)?shù)控機(jī)床的機(jī)床側(cè)邏輯信號進(jìn)行反饋。PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的工作過程如下：將完成調(diào)試測驗(yàn)的應(yīng)用程序使用編程設(shè)備寫入PLC 中，把數(shù)控機(jī)床現(xiàn)場輸入信號以及被控制執(zhí)行元件連接入輸入模板的輸出端。打開PLC 開關(guān)至工作狀態(tài)，PLC 則以循環(huán)方式進(jìn)行工作，在信號與程序的控制下完成預(yù)設(shè)任務(wù)[2]。

2.2 PLC 技術(shù)診斷數(shù)控機(jī)床故障的表現(xiàn)形式

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

2.3 PLC 技術(shù)在數(shù)控機(jī)床故障診斷中的運(yùn)用

（1）根據(jù)動作順序進(jìn)行故障診斷。數(shù)控機(jī)床與設(shè)備的自動處理交換操作是根據(jù)指定順序來完成的。對數(shù)控機(jī)床機(jī)械裝置的正常工作狀態(tài)以及故障工作狀態(tài)進(jìn)行觀察，則可以發(fā)現(xiàn)故障原因。如某數(shù)控機(jī)床在工作中，其換刀系統(tǒng)在進(jìn)行換刀命令的過程中不進(jìn)行換刀動作，觀察得出中間位置停有機(jī)器臂。CRT 出現(xiàn)報(bào)警信號，經(jīng)過對報(bào)警信號的分析后得出，刀具與刀庫交換設(shè)備機(jī)械臂位置檢測開關(guān)的信息顯示為“0”，且顯示“刀庫換刀位置錯誤”。根據(jù)報(bào)警信息以及觀察情況可以得出，刀具與刀（轉(zhuǎn)下頁）庫交換裝置出現(xiàn)故障。數(shù)控機(jī)床換刀動作停止，是由于相對應(yīng)的PLC 接口方位檢測無信號[3]。開關(guān)無感應(yīng)則是由于機(jī)械動作導(dǎo)致電感式接近開關(guān)故障，這是開關(guān)無信號的主要原因。對刀庫開關(guān)進(jìn)行檢查：首先檢查刀座，使用薄鐵片靠近感應(yīng)開關(guān)，判斷刀庫接近開關(guān)區(qū)域是否存在故障；其次，對換刀機(jī)械臂中的最近處的臂移出與臂縮回開關(guān)進(jìn)行檢查。對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢查：YV21 電磁閥控制臂縮回動作，手動開啟YV21，則機(jī)械臂完成臂縮回動作，數(shù)控機(jī)床恢復(fù)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(nèi)部操作問題。由于間隔時(shí)間沒有滿足PLC 的要求，也就是換刀間隔時(shí)間較短，導(dǎo)致PLC 程序錯誤出現(xiàn)故障[4]。

（2）利用梯形圖進(jìn)行故障診斷。PLC 的梯形圖是診斷數(shù)控機(jī)床故障的重要途徑之一。某數(shù)控機(jī)床使用TOSNUC600M數(shù)控系統(tǒng)，在正常工作中出現(xiàn)故障現(xiàn)象如下：機(jī)床在進(jìn)行切削加工過程中突然停止工作。CRT 現(xiàn)實(shí)PC4-00 號報(bào)警。在關(guān)機(jī)一段時(shí)間后開機(jī)即可正常工作，但正常工作不久后再次出現(xiàn)故相同故障。故障診斷：從PC4-00 號報(bào)警可以看出數(shù)控機(jī)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(xiàn)主軸故障信號。調(diào)取與該區(qū)域相關(guān)梯形圖進(jìn)行分析，如圖所示。

梯形圖

從梯形圖中可以看出，在出現(xiàn)故障時(shí)X085、T010 以及E3F6繼電器均為通電狀態(tài)，R010 處于斷電狀態(tài)。經(jīng)過分析后判斷可能為主軸調(diào)整單元傳輸來的51X 觸點(diǎn)閉合，使得繼電器X085 與T010 吸合，導(dǎo)致R010 出現(xiàn)斷電，從而出現(xiàn)PC4-00 報(bào)警。而通常出現(xiàn)主軸電動機(jī)過熱的情況大多是由于機(jī)床切削深度過大或切削速度過快，使得電動機(jī)工作電流超出限定值。經(jīng)過檢查后發(fā)現(xiàn)主軸銑頭銑削均為正常狀態(tài)，電動機(jī)也沒有超出限定值，因此可以判斷為主電動機(jī)風(fēng)冷效果不佳導(dǎo)致，再檢查風(fēng)冷電動機(jī)與風(fēng)道后發(fā)現(xiàn)風(fēng)道積滿灰塵。因此，只需打開風(fēng)道蓋將內(nèi)部灰塵清除后故障則排除。

3 結(jié)論

PLC 技術(shù)是當(dāng)前主流的自動化控制技術(shù)，在數(shù)控機(jī)床故障診斷中有著十分關(guān)鍵的作用。靈活利用數(shù)控機(jī)床中的PLC 系統(tǒng)能夠?qū)?shù)控機(jī)床的工作狀態(tài)、工作故障進(jìn)行診斷與排查。根據(jù)不同的診斷情況選擇不同故障排查方式，從而對故障進(jìn)行處理，才能夠準(zhǔn)確判斷故障出現(xiàn)的本質(zhì)原因，精確定位故障區(qū)域，從而選擇合適的方式排出故障，恢復(fù)數(shù)控機(jī)床的正常工作。