劉曉玲

（阿克蘇職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 阿克蘇 843000）

數(shù)控機床制造涉及計算機、液壓技術(shù)等多個領(lǐng)域的專業(yè)知識，需要將其有機結(jié)合起來，提高系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性，降低故障發(fā)生的概率，在較短時間內(nèi)明確故障發(fā)生原因并準(zhǔn)確判斷發(fā)生位置，確保系統(tǒng)正常運行。

1 數(shù)控機床故障診斷存在的問題

1.1 故障診斷不夠及時

在數(shù)控機床發(fā)生系統(tǒng)故障時，難以在第一時間了解故障發(fā)生的原因，故障診斷的智能化程度較低。智能化診斷機械故障的方案仍然存在著較大的研究空間。當(dāng)前，較多機械結(jié)構(gòu)故障及機械元件的診斷技術(shù)體系尚不完善，難以完成智能診斷故障的目標(biāo)。

1.2 診斷算法不夠完善

當(dāng)前，數(shù)控機床診斷算法尚不完善，診斷準(zhǔn)確程度較差。例如，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要通過機床上的傳感器搜集相關(guān)信息，完整性較差，準(zhǔn)確率低于90%。數(shù)控機床的故障可能是由多種原因造成的，智能化診斷算法難以深入探究故障發(fā)生的具體原因，難以徹底清除故障。

1.3 診斷系統(tǒng)資源不足

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)化的智能診斷技術(shù)硬件資源尚不完善，診斷系統(tǒng)資源匱乏。網(wǎng)絡(luò)可以用來遠(yuǎn)程判斷數(shù)控系統(tǒng)故障，將現(xiàn)場監(jiān)測與故障診斷之間有序連接起來。若數(shù)控機床系統(tǒng)出現(xiàn)了故障，互聯(lián)網(wǎng)通信程序會將報警信息傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)終端，完成遠(yuǎn)程診斷的任務(wù)。數(shù)控系統(tǒng)是開發(fā)聯(lián)網(wǎng)通信程序的重要依據(jù)，需要占用較多資源實現(xiàn)控制功能，對于網(wǎng)絡(luò)化智能診斷系統(tǒng)具有較高要求。

因此，為了解決數(shù)控系統(tǒng)的硬件資源問題，需要不斷優(yōu)化其系統(tǒng)框架，運用PLC 技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信功能，承擔(dān)部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)任務(wù)，減少數(shù)控系統(tǒng)能源消耗。PLC 系統(tǒng)可以搜集系統(tǒng)故障信息，智能診斷數(shù)控機床工作情況，具有較大的應(yīng)用價值。

2 PLC 技術(shù)在數(shù)控機床中的重要作用

在分析數(shù)控機床時，PLC 技術(shù)發(fā)揮著重要作用，使得管理人員明確管理工作重點，簡化故障診斷過程，排除各類風(fēng)險隱患，提高機床管理的現(xiàn)代化程度。PLC 與CNC 數(shù)控機床的配合可以提高數(shù)控機床的數(shù)字化程度。PLC 技術(shù)可實現(xiàn)對數(shù)控機床工作流程的監(jiān)控，使其能夠嚴(yán)格按照程序要求完成操作任務(wù)。PLC 是CNC 完成外部加工工作的重要通道，能夠反饋出實際數(shù)據(jù)信息，滿足現(xiàn)代化管理的要求。其工作原理圖如圖1 所示，Y 代表PLC 系統(tǒng)到機床的開關(guān)信號，X 和F 表示在數(shù)控機床運行過程中，傳輸信號與PLC 開關(guān)之間的信息鏈，G 表示PLC 系統(tǒng)到數(shù)控系統(tǒng)的開關(guān)信號，R 代表PLC 系統(tǒng)內(nèi)部的寄存設(shè)備。在構(gòu)建出PLC 系統(tǒng)、數(shù)控機床系統(tǒng)之后，可以逐漸優(yōu)化機床管理機制，提高數(shù)控系統(tǒng)的運行效率，提升其便捷性。

圖1 PLC 技術(shù)在數(shù)控機床中的工作原理

PLC 系統(tǒng)能夠完成高效管理數(shù)控機床內(nèi)部信息的目標(biāo)，確保數(shù)控機床系統(tǒng)維持正常穩(wěn)定的運行狀態(tài)。同時，該系統(tǒng)可以管理數(shù)控機床系統(tǒng)的各種輔助設(shè)備，如實時監(jiān)控數(shù)控機床中冷卻液、刀具等使用狀況，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備中存在的問題，以便管理人員能夠及時完成更換與維修管理任務(wù)。PLC 技術(shù)可以增強數(shù)控機床運行過程中的數(shù)據(jù)交互功能，使得各個工作部門能夠有效溝通，共同完成工作任務(wù)。若系統(tǒng)喪失了數(shù)據(jù)交互功能，工作人員可以將PLC 技術(shù)作為中心，劃定詳細(xì)的工作區(qū)間，降低診斷數(shù)控機床系統(tǒng)故障的難度。同時，PLC 系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)傳輸功能，可以高效傳輸數(shù)控機床系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，使得管理人員能夠準(zhǔn)確確定故障發(fā)生的位置，在短時間內(nèi)完成信息傳輸工作，確保后續(xù)故障排除與維修工作的順利開展。

3 數(shù)控機床自診斷技術(shù)分析

自診斷技術(shù)是當(dāng)前數(shù)控機床系統(tǒng)中最為常用的診斷技術(shù)，可以根據(jù)診斷系統(tǒng)內(nèi)部存儲的信息編寫程序，全面評估故障發(fā)生可能造成的危害，明確故障發(fā)生位置，用可視化的方式輸出判斷結(jié)果。根據(jù)PLC 終端輸出的信息，管理人員可以明確發(fā)生故障的類型，并制定針對性的診斷策略，確保整個系統(tǒng)的正常運行。

在線自診斷技術(shù)、離線自診斷技術(shù)與開機自診斷技術(shù)是最為常用的3 種自診斷模式，在應(yīng)用范圍及操作過程上存在著較大差別。工作人員需要根據(jù)數(shù)控機床的實際工作狀況選擇相應(yīng)的自診斷模式，充分發(fā)揮自診斷技術(shù)的作用。

通電狀態(tài)下，數(shù)控機床系統(tǒng)內(nèi)部可以運用相應(yīng)的自我診斷軟件控制關(guān)鍵部位，及時發(fā)現(xiàn)數(shù)控機床系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題，在CRT 顯示器中展現(xiàn)出系統(tǒng)故障信息，明確故障發(fā)生的具體位置。開機診斷技術(shù)是數(shù)控機床系統(tǒng)正常工作的重要前提，能夠確保系統(tǒng)關(guān)鍵部分和數(shù)控指令的正確性。但開機診斷技術(shù)存在缺陷，只能定位模板或者點位上的故障，無法正確分析數(shù)控機床芯片的工作情況，忽略了芯片故障對系統(tǒng)可能產(chǎn)生的影響。

在線自診斷技術(shù)可以檢測數(shù)控機床系統(tǒng)內(nèi)部的工作狀態(tài)信息，監(jiān)測I/O 接口及各類數(shù)控設(shè)備的活動。若檢測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了異常狀況，需要立即顯示出相關(guān)信息，并及時發(fā)出報警信號，引起管理人員的注意。系統(tǒng)也可以運用PLC 技術(shù)及CNC 技術(shù)的綜合指令自動處理故障信息。管理人員需要根據(jù)警報信號及系統(tǒng)信息有效排除系統(tǒng)故障，使得數(shù)控機床系統(tǒng)處于高效的工作狀態(tài)。

離線自診斷技術(shù)能夠確保數(shù)控機床系統(tǒng)故障診斷的真實性，不斷優(yōu)化故障發(fā)現(xiàn)與處理機制，檢查系統(tǒng)是否需要停止工作狀態(tài)。

4 數(shù)控機床故障特點分析

在使用PLC 可編程控制器進(jìn)行數(shù)控機床故障診斷前，分析數(shù)控機床的故障特點找尋數(shù)控機床的故障原因并進(jìn)行維修方法的選擇，可極大程度提高維修效率，符合科學(xué)的故障診斷流程。數(shù)控機床的主要故障特點表現(xiàn)在以下幾個方面：第一，數(shù)控機床表面因加工元件不同存在不同的幾何圖形，隨著加工零件的增加導(dǎo)致幾何圖形磨損嚴(yán)重，且與原形狀存在誤差，若不及時修整，在使用過程中會因摩擦力增大導(dǎo)致加工元件出現(xiàn)變化較大的負(fù)荷現(xiàn)象，使得元件質(zhì)量下降，影響后續(xù)使用，容易造成機床故障。第二，數(shù)控機床在進(jìn)行零件加工過程中，機械裝置的操作順序逐漸完善，此狀態(tài)下的工作較為穩(wěn)定，不易發(fā)生故障，但可能受到人為因素的影響而出現(xiàn)故障問題。如工作人員操控機床工作時的操作步驟混亂，無法確保自身操作的系統(tǒng)性和正確性，使得數(shù)控機床的各個設(shè)備受到影響，容易引發(fā)故障。第三，數(shù)控機床使用時間較長處于零件磨損較嚴(yán)重的老化期時，會出現(xiàn)較多故障問題，嚴(yán)重導(dǎo)致機床損毀，而老化期出現(xiàn)的故障問題往往有規(guī)律可循，可采取科學(xué)合理的診斷方式進(jìn)行故障排查，找出原因并進(jìn)行維修。數(shù)控機床是安裝自動化控制程序的車床，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此診斷工作難度較大，無法保障診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性與故障處理效果。

5 PLC 技術(shù)在數(shù)控機床故障維修中的應(yīng)用思路

5.1 根據(jù)數(shù)據(jù)故障進(jìn)行診斷

在進(jìn)行數(shù)控機床故障診斷時，使用PLC 程序作為診斷手段，在對自動化控制機床各個部位進(jìn)行檢測并判斷故障位置與故障原因時，可根據(jù)該機床的結(jié)構(gòu)組成與主要功能對動作文本與自動報警進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到實時監(jiān)測的效果。若數(shù)控機床在工作過程中發(fā)生故障或使用異常會引發(fā)自動報警，根據(jù)數(shù)據(jù)分析故障位置與故障原因，將其作為開展維修工作的主要憑據(jù)，提高故障診斷效率的同時保障數(shù)控機床的維修效果。數(shù)控機床設(shè)備運行環(huán)境的穩(wěn)定性較差，可以將多個傳感器有機融合起來，提高數(shù)控機床故障診斷效率，完善故障診斷體系。

5.2 根據(jù)動作故障診斷分析

在進(jìn)行數(shù)控機床的診斷時，可根據(jù)數(shù)控機床的機械操作順序進(jìn)行診斷，依據(jù)不同加工零件的機械操作自動識別零件更換操作順序來完成相對任務(wù)，對機械裝置的運行情況與動作標(biāo)準(zhǔn)程度進(jìn)行觀測，與正常數(shù)控機床的動作操作順序進(jìn)行比對，發(fā)現(xiàn)其中存在的故障問題，找出故障動作順序，查明故障原因，達(dá)到提升維修質(zhì)量與維修精準(zhǔn)度的目的。近幾年來，研究人員想要將量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入到數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)中，給診斷體系的發(fā)展提供了新方向。相比于傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，量子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算能力較強，能夠處理復(fù)雜程度較高的數(shù)據(jù)庫信息，解決系統(tǒng)模糊性問題。

5.3 根據(jù)加工對象的工作原理進(jìn)行分析

對于數(shù)控機床的診斷過程來說，在使用PLC 可編程控制器程序進(jìn)行診斷與維修時，需要明確PLC 程序的使用原理與控制系統(tǒng)，規(guī)劃較為全面的檢修方案，達(dá)到高效診斷、高質(zhì)量維修效果的目的，針對數(shù)控機床的實際使用需求進(jìn)行方案的調(diào)整。為了達(dá)到更優(yōu)質(zhì)的診斷效果與診斷管理，可針對數(shù)控機床加工對象的加工步驟與工作原理進(jìn)行分析，排除與工作原理不符的行為與加工效果，尋找可能存在的問題。

5.4 根據(jù)I/O 狀態(tài)進(jìn)行分析

在進(jìn)行數(shù)控機床的診斷過程中，需要根據(jù)機床中輸出與輸入設(shè)備I/O 的運行狀態(tài)與數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行分析，采取科學(xué)合理的方法進(jìn)行處理，得到準(zhǔn)確的設(shè)備運行效果信息，處理問題過程中確保結(jié)果的準(zhǔn)確與可靠性，使得問題分析較為全面，管理機制得到改善，提升維修管理質(zhì)量?？杉哟筢槍/O 設(shè)備的運行狀態(tài)分析工作力度，使各個處理工作達(dá)到平衡，實現(xiàn)信息共享，以提升維修管理工作水平。

5.5 使用梯形圖進(jìn)行診斷

在應(yīng)用PLC 可編程控制器進(jìn)行數(shù)控機床的診斷過程中，使用梯形圖對數(shù)控機床的故障檢測進(jìn)行分析處理，能夠較為明確高效解決故障問題。在使用梯形圖時，需要明確檢測步驟與機床操作順序，對控制系統(tǒng)中的自動診斷功能進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，達(dá)到控制系統(tǒng)的運行穩(wěn)定效果，使得診斷管理效果較好。診斷維修前，首先明確診斷原因與故障位置，對癥下藥，提升診斷效率與維修效果。

6 PLC 和自診斷技術(shù)在數(shù)控機床故障診斷過程中需遵循的原則

為了確保數(shù)控機床工作順利開展，需要充分運用PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)，將其納入故障判斷體系中，遵循科學(xué)性與實用性原則，從多個維度出發(fā)進(jìn)行討論，提高故障診斷與排除系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度與智能化水平，為設(shè)備管理活動的順利開展奠定強有力基礎(chǔ)。

6.1 實用性原則

為了充分發(fā)揮出PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)的聯(lián)合效用，需要嚴(yán)格遵循實用性原則。數(shù)控機床的診斷工作涉及多個領(lǐng)域，工作內(nèi)容豐富多變，操作環(huán)節(jié)十分復(fù)雜，實現(xiàn)難度較高。為了有效應(yīng)對此類問題，需要不斷優(yōu)化自診斷技術(shù)與PLC 技術(shù)的應(yīng)用程序，提高應(yīng)用方案的容錯程度，避免故障判斷過程受到外界環(huán)境變化的影響，有效簡化操作過程，降低操作難度，在短時間內(nèi)完成大量診斷任務(wù)，確保數(shù)控機床工作的順利開展。

6.2 科學(xué)性原則

在數(shù)控機床系統(tǒng)中運用PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)需要遵循科學(xué)性原則，構(gòu)建起高效工作的技術(shù)體系，從科學(xué)角度審視診斷步驟，優(yōu)化工作流程。同時，需要明確PLC 技術(shù)的基本工作要求，明確自診斷工作的重點及難點，有效應(yīng)對數(shù)控機床對于故障診斷及排除工作提出的要求?？茖W(xué)的指導(dǎo)理念、指導(dǎo)方法與指導(dǎo)精神能夠豐富PLC 技術(shù)的現(xiàn)有資源信息，完善數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)的功能，提高故障判別及處理機制的現(xiàn)代化程度。

7 數(shù)控機床運行及故障診斷中PLC 技術(shù)的應(yīng)用狀況分析

數(shù)控機床系統(tǒng)十分復(fù)雜，主要由數(shù)控系統(tǒng)、程序控制系統(tǒng)、測量與檢測系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，包括網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、機械技術(shù)等多個領(lǐng)域的知識，涉及到光、電等各個方面。數(shù)控機床各個部分的功能密切關(guān)聯(lián)，對于設(shè)計人員及工藝人員的要求較高，通用性較強。在數(shù)控機床控制系統(tǒng)中，PLC 技術(shù)能夠控制機床的操作面板，采集外部的輸入信號信息，控制輸出信號實現(xiàn)M、S、T等多個功能。

若在數(shù)控機床控制與診斷過程中應(yīng)用了PLC 技術(shù)，則稱其為可編程機床控制設(shè)備。PLC 系統(tǒng)具有十分強大的控制功能，可以編輯程序信息，診斷故障狀況，使得調(diào)試人員迅速定位故障位置，明確故障發(fā)生原因。PLC 技術(shù)與計算機數(shù)字控制系統(tǒng)結(jié)合起來，能夠高效完成信息交換任務(wù)。

CNC 與數(shù)控機床之間進(jìn)行交互的中心部分即為PLC 系統(tǒng)。數(shù)控機床的開關(guān)、傳感器及關(guān)鍵信息會傳遞給PLC 系統(tǒng)。同時，該系統(tǒng)也會處理CNC 對機床發(fā)出的控制信號信息，并將指令執(zhí)行情況反饋給CNC 系統(tǒng)。若某個信號傳輸過程出現(xiàn)故障，或者其中一個元件并未嚴(yán)格按照相關(guān)要求操作，會對數(shù)控機床系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響，導(dǎo)致其出現(xiàn)嚴(yán)重的故障。PLC 的信號檢查可以確定故障所在位置，完成開關(guān)量的信號檢測、輸入及輸出等多方面信息。

8 在數(shù)控機床故障診斷工作中PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)的綜合應(yīng)用分析

在數(shù)控機床故障診斷過程中，需要將PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)應(yīng)用到操作全過程中，明確此類技術(shù)對于排除故障的重要價值，時刻遵循科學(xué)性與實用性的指導(dǎo)原則，提高數(shù)控機床工作的系統(tǒng)化程度，確保后續(xù)操作平穩(wěn)有序進(jìn)行。

8.1 PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)在機械急停報警中的應(yīng)用

數(shù)控機床的故障可能會對整體運行產(chǎn)生影響，為了確保系統(tǒng)運行的安全性，有時需要緊急停止機械運行。數(shù)控機床系統(tǒng)的急停功能可以提高操作人員的安全性及機床的穩(wěn)定性。故障檢測與維修人員需要堅持實用性原則，分析系統(tǒng)整體運行狀況，簡化工作過程，避免系統(tǒng)故障產(chǎn)生的不利影響。

8.2 自動換刀類故障分析

自動換刀裝置是加工中心與數(shù)控機床的重要組成部分。該部分具有多種多樣的形式，如回轉(zhuǎn)式刀架、自動轉(zhuǎn)換刀架等。PLC 技術(shù)能夠控制自動換刀操作的整個流程，完成順序控制的任務(wù)。自動換刀的操作過程十分復(fù)雜，輸入輸出信號類型較多，需要明確換刀操作的具體流程之后再開展維修工作，有序完成機床診斷任務(wù)，迅速明確故障發(fā)生位置，明確故障發(fā)生原因。

通過分析機床PLC 系統(tǒng)的梯形圖，可以明確回轉(zhuǎn)式電動刀架的換刀流程。在數(shù)控機床系統(tǒng)發(fā)出換刀信號之后，PLC 系統(tǒng)會判斷當(dāng)前刀具型號與目標(biāo)刀具型號是否一致，若一致則立即停止換刀操作流程。若不一致，需要運用寄存器停止刀架的旋轉(zhuǎn)過程。在某刀具旋轉(zhuǎn)之后，霍爾元件會發(fā)出刀具到位信號。反轉(zhuǎn)時間是由外部的PLC 參數(shù)確定的，需要經(jīng)過相關(guān)步驟優(yōu)化此參數(shù)，獲得良好的換刀效果。

8.3 PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)的工作流程

在數(shù)控機床故障診斷系統(tǒng)中應(yīng)用PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)時，需要堅持科學(xué)的指導(dǎo)框架，簡化必要的工作流程，排除技術(shù)盲點，確保技術(shù)體系能夠覆蓋故障診斷的全過程。PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)具有強大的優(yōu)勢，需要將二者有機結(jié)合起來，提高故障診斷工作的效率與質(zhì)量。故障診斷人員需要根據(jù)自診斷技術(shù)得出的結(jié)果進(jìn)行綜合判斷，明確可能發(fā)生故障的范圍及可能出現(xiàn)的故障類型，為后續(xù)故障排除提供有力保障。管理人員需要觀察PLC 寄存器等多個關(guān)鍵指標(biāo)，確?？刂菩盘柕恼鬏?，提高數(shù)據(jù)搜集效率與質(zhì)量，將可能發(fā)生的部位分為PLC、CNC 及機床一側(cè)，運用多種先進(jìn)的技術(shù)手段，明確故障發(fā)生的具體位置，制定針對性的處理策略，提高故障排除效率，減少數(shù)控機床停止運行的時間，確保數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

9 結(jié)束語

綜上所述，PLC 技術(shù)及自診斷技術(shù)均具有十分明顯的優(yōu)勢，需要遵循科學(xué)性與實用性原則，將2 種技術(shù)有機整合起來，與數(shù)控機床發(fā)展的實際狀況相結(jié)合，推動數(shù)控機床系統(tǒng)、PLC 技術(shù)與自診斷技術(shù)的有效銜接，提高數(shù)控機床系統(tǒng)的故障診斷能力，確保數(shù)控機床系統(tǒng)處于平穩(wěn)安全的運行狀態(tài)，為后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)活動及數(shù)控機床加工活動的正常開展奠定強有力基礎(chǔ)。