基于PLC视角下的数控机床故障类型及判断方法

崔梅之

[摘 要]数控机床因为可通过编程软件后处理直接按图加工，尤其在进行异型曲面加工时曲线高度连续，使得磁粉探伤中相关显示缺陷大大降低，被广泛应用在基础加工行业。同时各种数控机床操作系统种类多、界面术语不好理解、故障点多、涉及知识面广，使得一旦发生故障维修人员颇费周折。实际上从控制原理来讲，如果以PLC为中心来看待故障，问题就会简单的多了。因为操作系统自动程序AUTO和MDA模式通过主板直接通过驱动器驱动电机，PCU面板按钮是直接给出电压信号传输给PLC进行控制。如果机床不动作，要么信号没有输入，要么PLC自身故障，要么没有输出。这样一来，机床故障判断起来，非常清晰有条理。只要采用科学的方法来鉴别，就能迅速找到故障原因。

[关键词]机床参数表；操作界面；报警号；程序；标准化；触摸屏；PLC；输入/输出点；屏蔽层；电磁干扰

中图分类号：S665 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0396-02

1、数控设备的基本构造

一般数控机床从外观上看包括机床主体结构、电气控制系统、液压系统、气压系统、自动换刀装置、自动排屑装置及数控编程模块。与常规机床比较起来，数控机床因为伺服驱动器或者变频器的使用，使其传动变速部分更为简单。数控机床的控制系统则因操作系统模块、触摸屏人机界面和PLC结合，可以处理测量系统、液压部分传输过来的信号，实现自动化加工。

2、数控机床各界面与PLC关系

机床参数在PLC原理看来就是一些计数器或者通道，虽然经过复杂积分微分等运算，最终还是会出现比较阈值。数字超程，内部就发生跳转，数据就不输出给PLC，机床就不运转。例如西门子系统中G25和G26对加工区域进行设定；G96中恒线速度设置已经高于主轴扭矩设置；刀具后角与轮廓曲线的干涉等等。

机床回零就是回到参考点，也就是PLC内部一个重新置位的动作。状态显示的数值或者轨迹，是触摸屏与PLC组态后产生的一个寄存器跳转动作。工作模式中AUTO模式与JOG模式，其实就是虚拟中继点与实际输入点的转换。

按钮指示灯与实际动作是否同步，指示信号来自于外部的压力继电器还是来自于PLC内部的延时命令？

3、PLC硬件结构

PLC是可编程序控制器（Programmable Logic Controller ）的缩写。各品牌型号的PLC大同小异，都有状态指示灯，输入输出点，数据接口，电源输入。POWER是电源灯，RUN是运行，STOP是停止SF/DIAG系统错误。两侧各有一排端子分别是输入点和输出点。通过数据接口与上位机相连，用来接收数据和指令。

4、故障产生原因

所谓故障，就是设备某个过程产生了异常。數控机床一般执行自动程序时的工作原理是采集信号，核对位置，运算，输出命令到PLC， 到执行部件，再采集信号反馈位置，核对，运算，输出命令到PLC， 执行。

从PLC看待这个过程，无非是有没有信号到输入点，满足不满足PLC内部逻辑条件，从而能不能执行程序。

4.1 有没有信号到输入点

第一种可能：信号源问题

①机床没有回零。对许多数控机床来说，机床回零是建立坐标系，测量系统校对的过程。如果机床不回零，机床是无法识别位置的。因此如果没有回零就进行操作，往往会出现许多错误。当然近年来制造的数控机床，如果机床不回零，机床就自己保护不进行动作。

②系统各参数超程（触摸屏输入数字超出阈值）。例如加工区域已经设置，如果程序中数值超过加工区域，则必然回不动作。

③加工程序内有错误，编制不符合要求。例如G01指令后必须给出进给量F值，主轴转速S，每转进给还是分钟进给，主轴正转还是反转。如果缺一个代码，机床就不动作。

④触摸屏内长期工作，内部出现故障，造成内部连接地址与PLC不匹配。

⑤各压力表或者电磁阀不到位，没有发出信号。

如图1，导轨润滑压力M203.3和定时器T36有可能没有发出信号，造成没有报警。

例机床卡盘夹紧，尾座压力到达或者回位等，电接点压力表才发出信号，机床各夹紧或者定位装置处于安全可靠情况下，机床才动作。不满足条件，PLC内部逻辑路线不通，处于断路状态。各电磁阀换位或者复位，发出信号，保证油路气路通路，机床才进行下一步动作。

⑥干扰。因为信号线都是弱电压，如果周围出现较大电流变化或者电控柜内动力线路距离教近时，就会出现电压差紊乱，造成信号丢失。

第二种可能：信号线

①信号线断或指针歪。数控机床数据线一般是用IEC规定的RS232或者RS485线进行传输。都是按引线脚点人工焊接而成，难免会出现指针歪接触不良。或者数控机床数据线都很细，在各移动部件反复移动时可能因摩擦或者拉拽发生断裂。

②屏蔽层接触不良。上文已经说过，因为信号线都是弱电压，如果周围出现较大电流变化或者电控柜内动力线路距离教近时，就会出现电压差紊乱，造成信号丢失。信号线外都有一层屏蔽线，焊接在接头的金属外壳上。如果出现虚接，或者断路，就容易出现故障。

③接点接触不良。各接线端子接触面在电流反复通过时，因为接触电阻作用发热，造成接触面氧化，会出现接触不良。而且PLC装配中，人工手劲不同，也许会出现力道不足。

4.2 满足不满足PLC内部逻辑条件

第一种可能：软件错误

PLC程序有设计缺陷。比如计数器和定时器等复位节点不对，造成超程或者误动作。可以用断电半小时重启的方法，强迫PLC内部各寄存器等复位。

第二种可能：PLC硬件故障

①PLC电源问题。PLC因为处于配电柜内，一般是弱电24V，但因空间有限，距离强电220V较近，一旦屏蔽板松动或者打开。很容易出现PLC电源不满足要求。而且PLC各扩展模块共用电源，加之各接点共用接地线，很容易因为接地线松动造成故障。

②PLC内部接点坏。PLC内部是运算放大电路，来驱动输出点。一般输出端电源是220V，会造成PLC内部电路损坏。

③PLC扩展模块与所需功能不匹配。图2中用继电器模块的PLC无法实现模拟量PID调节功能。若想实现模拟量调节，必须选配专用模块。

4.3 能不能执行程序

第一种可能：硬件错误

①输出点接触不良。

②信號线。信号线屏蔽层开、信号线断或者发生干扰

③动力线故障。动力线断路或者短路

④伺服驱动器故障

伺服驱动器被干扰

伺服驱动器烧坏

第二种可能：软件问题

驱动器设置有问题

五、判断方法

1.回零，重启。机床发生报警后一定要先询问操作者有无回零动作。

数控机床有的是绝对值编码器，有的是相对值编码器。绝对值编码器可以不回零，但是常规数控机床必须回零。如果操作工忘记回零，机床就出现故障。可以通过机床重启，重新回零来排除故障。如果报警不消失，则进入下一步骤。

2.按报警号查阅机床报警手册。按照报警号提示，查报警信息表，初步判断故障。很多时候是编程错误或者参数不对。或者因某一反馈信号没有过来，出现明确提示。只要按照提示查阅电气原理图，一般就能直接找到故障。

3.MDA模式试验。有时候程序错误是没有报警，这就需要编制MDA小程序来试动作。图3中各种小循环操作时，子程序的位置不符合要求，就没有报警提示但是机床不动作。

如果MDA小程序能够执行，说明是编程或者参数问题。如果不动作去看检测系统，比如光栅尺和编码器数据线是否断或者屏蔽层是否破损或被污染。导致信号无反馈，机床无法实现智能控制。

原理：信号输入分为系统软输入（虚拟地址）和硬输入点（实际有连线）。如果数控系统因为参数设置不对，或者因为反馈信号有错误等，就会造成软输入点不发出信号。数控机床操作系统就是一个触摸屏，参数设置就是给PLC内部各种计数器、寄存器、定时器等赋值。参数超程或者没有实际意义，机床会报警并提示#某数字错误。当各项反馈信号没有采集到或者数值超过某一数值，有的机床可能并不提示错误。

4.JOG手动模式试验。如MDA没有动作或者没有报警信息，初步无法通过改程序或者参数排除，可以进入JOG手动模式，点动让机床执行各个动作。如果有动作，说明是数据线的问题；如果没有动作，说明是输出执行部件的问题。

原理：功能按钮就是实际的输入点，在JOG手动模式下，通过点动，可以知道硬件是否准确执行。

如果手动/点动执行了，就是机床伺服驱动器和电机没问题，还是上位机与PLC数据线路的问题。

如果手动/点动不执行，有可能是输入点有问题，也有可能是执行部件的问题。可以通过更换输入点位，排除输入点的问题。可以通过手盘丝杠的方式，来查看电机有无问题。如果负载很重，有可能是电机保护或者丝杠有问题；如果负载不重，要用万用表检测电机电路是否断路或者缺相。伺服驱动器最后试，可以将故障的伺服驱动器拿到同类型机床上试。注意关闭驱动器电源要等5分钟，等内部电容放电完毕后拆。一旦拆除后要在规定时间内装回（一般20-30分钟），否则驱动器内部设置归零。

以上是我个人结合数控机床构造、加工编程原理、触摸屏使用原理、PLC构造和编程原理等知识，对数控机床维修工作进行的简单总结，请各位同仁斧正。

参考文献

[1] 廖常初.S7-200 PLC 基础教程 第2版.北京：机械工业出版社，2009.2.

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