0 引言

　　中國(guó)是機(jī)械制造業(yè)大國(guó)，在機(jī)械制造業(yè)中對(duì)于一些產(chǎn)品的要求越來(lái)越高，如何提高產(chǎn)品的生產(chǎn)率？如何能夠適應(yīng)多品種、小批量生產(chǎn)、零件形狀比較復(fù)雜、精度要求比較高的產(chǎn)品的制造？在此基礎(chǔ)上數(shù)控機(jī)床及擁有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集能力、自動(dòng)控制過(guò)程處理能力的可編程邏輯控制器PLC編程軟件應(yīng)運(yùn)而生。

1 對(duì)數(shù)控機(jī)床PLC的認(rèn)識(shí)

　　1.1 數(shù)控機(jī)床PLC的功能

　　數(shù)控機(jī)床是一種集機(jī)、電、光、液壓、PLC等為一體自動(dòng)化機(jī)床。在實(shí)際的操作中，數(shù)控機(jī)床可能會(huì)發(fā)生不同類(lèi)型的故障，如何有效迅速地排除故障，將機(jī)床恢復(fù)正常顯得尤為重要。在數(shù)控機(jī)床上，PLC最為重要的功能就是不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的順序控制和輔助功能控制，還具有檢測(cè)功能以及故障顯示功能。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，利用PLC的檢測(cè)功能和現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)顯示故障功能可以有效地對(duì)數(shù)控機(jī)床的故障進(jìn)行診斷和判定，進(jìn)而對(duì)故障進(jìn)行快速定位和排除提供科學(xué)、準(zhǔn)確的指導(dǎo)，并采取相應(yīng)的措施加以解決。數(shù)控機(jī)床PLC大致可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是綜合PLC與CNC的混合裝置，在PLC內(nèi)部，包括CNC裝置，二者之間的信號(hào)交流通過(guò)與CNC內(nèi)部的I/O接口來(lái)完成，這種類(lèi)型稱(chēng)之為內(nèi)裝型或集成型。另一類(lèi)則是借助廠家生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品對(duì)其數(shù)控機(jī)床的順序加以控制，進(jìn)而獨(dú)立完成對(duì)CNC系統(tǒng)所需要的任務(wù)，這種類(lèi)型的稱(chēng)為獨(dú)立型或者是外裝型。

　　PLC在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用十分重要，它可以有效連接數(shù)控裝置與機(jī)床側(cè)，PLC通過(guò)接受CNC處理操作者所指定的程序命令，在經(jīng)過(guò)譯碼等程序后，可以完成下一步的指令工作，對(duì)機(jī)床的運(yùn)行加以合理有效的控制。此外，PLC還可以對(duì)機(jī)床側(cè)的邏輯信號(hào)進(jìn)行回饋和反映。

　　1.2 數(shù)控機(jī)床PLC的組成及工作過(guò)程

　　一般而言，CPU、存儲(chǔ)器、輸入輸出及供電電源等是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，這些組成部分之間通過(guò)總線連接起來(lái)。在整個(gè)系統(tǒng)中，CPU占據(jù)著主導(dǎo)地位，其主要的作用是錄入用戶(hù)的用戶(hù)程序以及相關(guān)的數(shù)據(jù)，查詢(xún)各種信號(hào)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的檢測(cè)，確認(rèn)沒(méi)有任何問(wèn)題之后PLC才開(kāi)始運(yùn)行。PLC的工作方式是循環(huán)掃描，借助于硬件的支持，對(duì)執(zhí)行反映控制要求的用戶(hù)加以反映，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)其功能。

2 數(shù)控機(jī)床PLC診斷故障的表現(xiàn)形式

　　2.1 透過(guò)數(shù)控系統(tǒng)顯示劃分的幾類(lèi)情況

　　2.1.1 故障報(bào)警可直接找到故障原因

　　通過(guò)故障報(bào)警可以有效地將數(shù)控機(jī)床的故障加以合理、科學(xué)的定位，這就需要CNC具備一定的檢測(cè)能力，由于CNC與PLC之間具備較好的通信功能，這間接導(dǎo)致了系統(tǒng)軟件與硬件系統(tǒng)之間的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了機(jī)床的造價(jià)成本。盡管目前機(jī)床的造價(jià)相對(duì)較高，但是，隨著中國(guó)科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)系統(tǒng)功能勢(shì)必會(huì)得到極好的完善與發(fā)展，尤其是自診斷技術(shù)的發(fā)展，使得越來(lái)越多的數(shù)控機(jī)床增加了故障診斷的報(bào)警功能，無(wú)論是對(duì)于使用方還是維修人員來(lái)說(shuō)，這無(wú)疑都是極為便利的。

　　2.1.2 CNC顯示有故障但無(wú)法反映故障的真正原因

　　對(duì)于一般的數(shù)控機(jī)床而言，其故障診斷并不是十分的完善，因此當(dāng)故障出現(xiàn)的時(shí)候，CNC的報(bào)警信息只是大致的對(duì)故障部位加以定位和顯示，甚至有時(shí)候故障報(bào)警信號(hào)所提供的報(bào)警信息與報(bào)警部位沒(méi)有直接的關(guān)系，出現(xiàn)誤報(bào)就可能干擾維修人員的正常工作，這就需要維修人員立足于實(shí)際情況，借助于先前的成功經(jīng)驗(yàn)等進(jìn)行綜合的判斷，只有這樣才可以找到故障的真正原因，解決實(shí)質(zhì)問(wèn)題。

　　2.1.3 出現(xiàn)故障沒(méi)有任何的報(bào)警信息顯示

　　在數(shù)控系統(tǒng)中當(dāng)CNC沒(méi)有任何的報(bào)警信息顯示，這樣當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，就會(huì)使得維修人員無(wú)從下手，只能憑借數(shù)控機(jī)床所顯示的具體的故障現(xiàn)象等進(jìn)行分析和判斷。當(dāng)在日常維修活動(dòng)中，牽扯到線路板維修等情況時(shí)，因?yàn)闆](méi)有技術(shù)圖紙進(jìn)行輔助推斷，所以有時(shí)候不得不手繪圖紙作為參考，這也就對(duì)維修人員提出了更高的挑戰(zhàn)。比如經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的電動(dòng)控制刀架，當(dāng)自動(dòng)換刀時(shí)出現(xiàn)了某些方面的故障，這就需要根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)功能的實(shí)際情況，以及CNC所顯示的具體情況加以綜合判斷和分析。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)換刀指令時(shí)，刀架電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)執(zhí)行相應(yīng)的換刀指令，如果數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部有相關(guān)的檢測(cè)軟件，其外圍也有相關(guān)的檢測(cè)軟件，這樣不僅可以對(duì)電動(dòng)機(jī)的情況加以詳細(xì)的檢測(cè)，還可以對(duì)刀架到位以及應(yīng)答信號(hào)加以合理、科學(xué)的檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，可以根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的報(bào)警信息，合理地對(duì)出現(xiàn)故障問(wèn)題的具體部位加以了解。并借助CNC故障報(bào)警信息對(duì)故障方位加以定位。若數(shù)控系統(tǒng)只是檢測(cè)刀架的應(yīng)答信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)故障的時(shí)候，系統(tǒng)僅僅將電動(dòng)刀架的問(wèn)題顯示出來(lái)，無(wú)法具體定位故障的具體器件，就需要維修人員進(jìn)行排查。

　　2.2 根據(jù)PLC輸入/輸出信號(hào)劃分的幾類(lèi)情況

　　2.2.1 輸入信號(hào)故障

　　PLC重要的功能就是對(duì)順序加以控制，在沒(méi)有信號(hào)輸入的情況下，若沒(méi)有邏輯條件的支持，PLC則無(wú)法進(jìn)行下一步操作。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，一般情況下是一個(gè)條件無(wú)法滿(mǎn)足輸入信號(hào)，兩個(gè)條件同時(shí)無(wú)法滿(mǎn)足的情況較為少見(jiàn)。針對(duì)這種情況，我們根據(jù)梯形圖對(duì)輸入信號(hào)無(wú)效的情況具體分析其原因，最終更好地對(duì)故障加以解決。

　　2.2.2 輸出信號(hào)故障

　　數(shù)控機(jī)床的輸出信號(hào)故障主要是針對(duì)控制元件和執(zhí)行元件的。一般來(lái)說(shuō)，當(dāng)一些機(jī)械性的零件被損壞時(shí)，比如一些接觸器的觸頭接觸不良以及傳動(dòng)器件移動(dòng)欠妥當(dāng)?shù)�，倘若在�?zhí)行機(jī)構(gòu)中出現(xiàn)故障問(wèn)題等，就無(wú)法有效保障下一個(gè)指令的正常進(jìn)行，順序控制則也無(wú)法進(jìn)行正常的工作。

3 診斷實(shí)例分析

　　3.1數(shù)控銑床系統(tǒng)出現(xiàn)“X軸超行程”報(bào)警信號(hào)

　　“X軸超行程”報(bào)警的主要現(xiàn)象是機(jī)床開(kāi)機(jī)后則會(huì)出現(xiàn)X軸超限位報(bào)警，一般而言，通過(guò)對(duì)報(bào)警信息的綜合分析，按照相關(guān)指示對(duì)X軸進(jìn)行檢查，卻并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)X軸超行程的情況，而且X軸限位開(kāi)關(guān)并沒(méi)有壓下，CNC系統(tǒng)中的PLC狀態(tài)具有顯示功能，利用該顯示功能，檢查X軸限位開(kāi)關(guān)的PLC輸入X0。2的狀態(tài)為“1”，這就顯示開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)已經(jīng)接通，而關(guān)鍵的故障在行程限位開(kāi)關(guān)。

　　3.2 急停按鈕引起的故障

　　急停按鈕引起的故障是數(shù)控機(jī)床故障中較為常見(jiàn)的故障之一，F(xiàn)ANUC0M系統(tǒng)在開(kāi)機(jī)時(shí)總顯示出

　　“NOTREADY”字樣，伺服電源沒(méi)有辦法正常接通，F(xiàn)ANUC0M系統(tǒng)開(kāi)機(jī)出現(xiàn)的“NOTREADY”字樣的原因在于數(shù)控系統(tǒng)的緊急停止“*ESP”的信號(hào)被輸入，這種情況可以利用PLC狀態(tài)顯示功能對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)系統(tǒng)模塊的急停輸入信號(hào)“0”時(shí)，還要比對(duì)機(jī)床的電氣原理圖，對(duì)操縱臺(tái)上急停按鈕斷線進(jìn)行檢查分析。對(duì)于這種急停按鈕引起的故障，一般采取的措施是進(jìn)行重新連接，在按復(fù)位急停按鈕之后，再按Reset鍵，執(zhí)行以上操作之后，機(jī)床則就會(huì)恢復(fù)正常。

　　3.3 電動(dòng)刀架常見(jiàn)故障

　　機(jī)床采用4工位的電動(dòng)刀架，當(dāng)進(jìn)行換刀命令"T0101"時(shí)，電動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)不停，找不到1號(hào)刀，但換取2，3，4號(hào)刀時(shí)卻正常。

　　分析：如圖1所示為刀架在1號(hào)刀時(shí)的梯形圖，從圖中可以很直觀地看出數(shù)字輸入點(diǎn)I7。0-I7。2的二進(jìn)制值。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)換2號(hào)刀時(shí)，由于電動(dòng)刀架的霍爾元件采取常閉信號(hào)，霍爾元件斷開(kāi)，I7。1變?yōu)?；當(dāng)換3號(hào)刀時(shí)，I7。2變?yōu)?，在4號(hào)刀位時(shí)，也出現(xiàn)這種現(xiàn)象，但當(dāng)用手動(dòng)換刀強(qiáng)制換上1號(hào)刀時(shí)，發(fā)現(xiàn)I7。0仍然為I7。0，如圖2所示。綜合來(lái)看，可以得出這樣的結(jié)論：1號(hào)刀的刀位檢測(cè)信號(hào)不正常導(dǎo)致1號(hào)刀的換刀故障。刀位檢測(cè)信號(hào)不正常的原因主要有兩方面，一方面是霍爾元件損壞，另外一方面是其信號(hào)線斷線。

4 數(shù)控機(jī)床PLC故障診斷方法

　　對(duì)于常用的PLC的故障診斷方法主要有以下幾種，以下就這幾種診斷方法加以簡(jiǎn)要的分析和論述。

　　4.1 根據(jù)報(bào)警號(hào)診斷故障

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，中國(guó)現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般自身帶有診斷功能，其具體的自身診斷功能主要體現(xiàn)在其故障信息可以在顯示器中將報(bào)警信息加以呈現(xiàn)，這就為維修人員提供了豐富詳盡的狀態(tài)信息，便于維修人員開(kāi)展相關(guān)的維修工作，進(jìn)而更好的對(duì)這些故障加以排除和解決。

　　4.2 根據(jù)控制對(duì)象的工作原理診斷故障

　　數(shù)控機(jī)床的PLC程序是依照控制對(duì)象的工作原理來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行的，在對(duì)控制對(duì)象原理分析的基礎(chǔ)之上，深入了解其工作原理，綜合PLC的I/O來(lái)對(duì)故障進(jìn)行有效的診斷和處理。

　　4.3 通過(guò)PLC梯形圖診斷故障

　　借助于PLC的梯形圖提供的信息，進(jìn)行合理、科學(xué)的分析和診斷，這種解決方法是最基本也是最常見(jiàn)的方法。在通過(guò)PLC梯形圖診斷故障時(shí)首先要搞清數(shù)控機(jī)床的工作原理，然后掌握機(jī)床的運(yùn)動(dòng)順序和控制方式等，最后根據(jù)CNC系統(tǒng)中具備的自身診斷功能等相關(guān)的編程器，借助PLC梯形圖提供的相關(guān)信息，科學(xué)、合理地對(duì)故障源加以確定。

圖1 刀架在1號(hào)刀時(shí)的梯形圖

圖2 1號(hào)刀位的霍爾元件斷線時(shí)的梯形圖狀態(tài)

　　4.4 動(dòng)態(tài)跟蹤梯形圖診斷故障

　　在一些相對(duì)比較特殊的情況下，比如數(shù)控機(jī)床的輸入與輸出信號(hào)都顯示正常，但其PLC顯示有故障時(shí)，我們就必須利用PLC的動(dòng)態(tài)追蹤功能，對(duì)輸入和輸出信號(hào)進(jìn)行及時(shí)的跟進(jìn)和跟蹤，利用PLC動(dòng)作原理做出進(jìn)一步的推斷。

　　4.5 根據(jù)動(dòng)作順序診斷故障

　　比如數(shù)控機(jī)床上的自動(dòng)換刀裝置，其自動(dòng)換刀動(dòng)作的完成是遵循了一定的順序的，我們要有效把握這種順序規(guī)律，注重觀察其機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)其運(yùn)動(dòng)過(guò)程加以了解，有助于在故障發(fā)生的時(shí)候，綜合比較正常情況以及故障出現(xiàn)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)，從而進(jìn)行分析和解決故障。

　　4.6 根據(jù)數(shù)控機(jī)床中PLC的I/O狀態(tài)診斷

　　在數(shù)控機(jī)床中，需借助PLC的I/O接口來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入和輸出信號(hào)的傳遞，因此，對(duì)于一般的數(shù)控系統(tǒng)故障，大可不必對(duì)梯形圖和相關(guān)的電路圖進(jìn)行查看和分析，只需要借助PLC的I/O接口狀態(tài)的查詢(xún)結(jié)果，就可以合理分析出其故障的原因，為維修人員提供了諸多的方便。

　　針對(duì)以上幾種數(shù)控機(jī)床PLC故障診斷方法，筆者就PLC故障診斷的要點(diǎn)加以分析。第一，PLC故障診斷的一個(gè)重要內(nèi)容就是要對(duì)數(shù)控機(jī)床各部分檢測(cè)開(kāi)關(guān)的安裝位置進(jìn)行深入的了解，比如加強(qiáng)對(duì)加工中心的機(jī)械手的了解，提高對(duì)數(shù)控車(chē)床的旋轉(zhuǎn)刀架和尾架以及回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的認(rèn)知，詳細(xì)檢測(cè)作為PLC輸入信號(hào)標(biāo)志的開(kāi)關(guān)等。第二，對(duì)于各種條件標(biāo)志更是需要充分把握和了解，比如一些較為常見(jiàn)的夾緊、放松、啟動(dòng)、停止等標(biāo)志信號(hào)，要充分發(fā)揮編程器的重要作用，及時(shí)跟進(jìn)梯形圖的動(dòng)態(tài)變化，合理分析其故障出現(xiàn)的原因，立足于實(shí)際情況，做出合理的判斷。第三，PLC故障診斷最后一個(gè)要點(diǎn)就是需要對(duì)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)作順序等進(jìn)行深入的認(rèn)知，比如最基本的液壓缸、氣壓缸的電磁換向閥等，對(duì)于這些較為常見(jiàn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，要把握其對(duì)應(yīng)的PLC輸出信號(hào)標(biāo)志。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　數(shù)控機(jī)床故障診斷中PLC的應(yīng)用無(wú)疑具有十分重要的意義，有效利用數(shù)控系統(tǒng)的PLC狀態(tài)顯示功能或PLC梯形圖的動(dòng)態(tài)顯示功能進(jìn)行故障診斷與排除是非常方便和有效的。不同的診斷方法適用于不同的故障，常常需要綜合各類(lèi)方法，才可以全面、合理、有效地對(duì)故障進(jìn)行檢測(cè)和斷定，正確判斷故障的起因，準(zhǔn)確定位故障的所在部位，進(jìn)而采用合理的方法進(jìn)行解決。

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本文標(biāo)題：數(shù)控機(jī)床故障診斷中PLC的應(yīng)用研究

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