PLC 技术在数控机床故障诊断中的运用探析

刘玉玲

（广东技术师范大学 机电学院，广东 广州510635）

数控机床是模具加工行业的重要设备，在其工作过程中必然会出现不同形式的故障。数控机床的故障直接影响了模具加工质量与效率，因此选择合适的故障诊断方式来保证数控机床的正常工作十分关键。PLC 作为数控机床中的重要技术之一，能够在故障诊断中起到重要作用。

1 数控机床故障及其特点

数控机床是一种带有计算机数字控制技术的机床，数控系统可以自动处理加工程序，控制机床自动完成不同的加工处理。相对于普通机床来说，数控机床可以实现自动换刀、自动变更切削数据，进行平面、平面曲线、回旋面以及空间曲面的加工，加工精度与生产率都显著高于普通机床。数控机床的投入使用大大减轻了人工机械制造的工作强度，也保障了人工安全。数控机床通常由CNC 装置、输入输出装置、伺服驱动系统、机床电器逻辑控制装置以及机床构成。数控机床的各个构件之间有着密切关系[1]。CNC 装置把数控加工程序信息分为两类控制量进行输出，一是连续控制量，送往伺服驱动系统；另一类是离散开关控制器，送外机床电器与逻辑控制设备。伺服驱动系统处于CNC 装置与机床之间，不仅可以利用电信号与CNC 设备联系，还可以利用检测元件等与机床的传动结构连接。机床电器、逻辑控制设备的形式可以是继电器控制线路或可编程控制器控制线路，其在接受CNC 装置传送的开关命令，通常完成换刀、冷却、液压、气动以及其他机床辅助工程的控制。并且，需要把主轴启停、工作台交换结束等信号方向传送至CNC 装置中。由于数控机床自身具有复杂性，导致其故障也具有一定的复杂性。导致数控机床出现故障的因素众多，有的故障是机械故障、有的故障是电气故障、有的故障表现为电气实际却是机械故障导致，有的故障是由电气与机械方面一同导致。因此，在对数控机床故障进行诊断时需要重视机床构件交接的位置。根据数控机床故障的特点与出现概率的大小，数控机床使用年限中一般会分为初始使用故障期、稳定工作故障期以及最终工作故障期[2]。一是初始使用故障期，数控机床在安装工作运转后半年至一年内，故障出现频率相对较高，这也是数控机床工作中的磨合时间。由于数控机床配件表面的还拥有细微的形状误差，在装配过程中也存在一定的形位误差，没有形成一定的磨合间隙。部分机床的电子元件可能被电流与发电动势的冲击导致无法工作。初始工作故障期的故障频繁出现有助于工作人员对其进行调整优化，使得其能够保持稳定精准的运行状态；二是稳定工作故障期，设备经过了初始使用阶段，进入了相对稳定正常工作时期。这一阶段各类故障出现情况较少，但在使用中需要对机床的工作情况进行记录，并定期开展工作检测；三是最终工作故障期。最终工作故障期机床的各个元件都开始加速老化，故障频繁出现，机床故障性质已经逐渐为渐发性、器质性与规律性，机床的加工精度也可能被影响。

2 PLC 技术在数控机床故障诊断中的运用

2.1 数控机床的PLC 技术

PLC 技术在数控机床十分关键，其能够有效将数控设备与机床侧链接起来。PLC 技术通过接受CNC 装置处理操作所指定的指令，经过译码处理后可以完成下一步的指令，能够对数控机床进行有效的控制。另外，PLC 技术还能够对数控机床的机床侧逻辑信号进行反馈。PLC 技术在数控机床中的工作过程如下：将完成调试测验的应用程序使用编程设备写入PLC 中，把数控机床现场输入信号以及被控制执行元件连接入输入模板的输出端。打开PLC 开关至工作状态，PLC 则以循环方式进行工作，在信号与程序的控制下完成预设任务[2]。

2.2 PLC 技术诊断数控机床故障的表现形式

第一，通过故障报警直接发现故障原因。通过故障报警信息直接找到故障原因，这需要数控机床的CNC 拥有一定的检测能力。鉴于CNC 可以与PLC 之间进行信息互通，从而使得工作人员可以直接通过故障报警提示通过排查发现故障问题并解决。第二，故障报警却无法显示故障真正原因。大多数数控机床的故障诊断系统还有待完善，当出现故障时CNC 报警提示仅仅只是对数控机床可能出现的故障位置进行判别，更有部分情况下故障报警信号所提供的报警信息与故障没有直接关系。这就需要故障维修人员凭借丰富的工作经验来进行全面分析与综合判断，以得出故障真正原因。第三，出现故障却无报警信息。数控机床中未出现报警信息则需要维修人员综合考虑数控机床所表现的故障现象，如利用动作顺序进行故障判断、利用动作原理进行故障判断等。

2.3 PLC 技术在数控机床故障诊断中的运用

（1）根据动作顺序进行故障诊断。数控机床与设备的自动处理交换操作是根据指定顺序来完成的。对数控机床机械装置的正常工作状态以及故障工作状态进行观察，则可以发现故障原因。如某数控机床在工作中，其换刀系统在进行换刀命令的过程中不进行换刀动作，观察得出中间位置停有机器臂。CRT 出现报警信号，经过对报警信号的分析后得出，刀具与刀库交换设备机械臂位置检测开关的信息显示为“0”，且显示“刀库换刀位置错误”。根据报警信息以及观察情况可以得出，刀具与刀（转下页）库交换装置出现故障。数控机床换刀动作停止，是由于相对应的PLC 接口方位检测无信号[3]。开关无感应则是由于机械动作导致电感式接近开关故障，这是开关无信号的主要原因。对刀库开关进行检查：首先检查刀座，使用薄铁片靠近感应开关，判断刀库接近开关区域是否存在故障；其次，对换刀机械臂中的最近处的臂移出与臂缩回开关进行检查。对机械设备进行检查：YV21 电磁阀控制臂缩回动作，手动开启YV21，则机械臂完成臂缩回动作，数控机床恢复正常。从上述分析可以看出，PLC 输入信号正常，无错误输入或漏输入，因此即为PLC 内部操作问题。由于间隔时间没有满足PLC 的要求，也就是换刀间隔时间较短，导致PLC 程序错误出现故障[4]。

（2）利用梯形图进行故障诊断。PLC 的梯形图是诊断数控机床故障的重要途径之一。某数控机床使用TOSNUC600M数控系统，在正常工作中出现故障现象如下：机床在进行切削加工过程中突然停止工作。CRT 现实PC4-00 号报警。在关机一段时间后开机即可正常工作，但正常工作不久后再次出现故相同故障。故障诊断：从PC4-00 号报警可以看出数控机床为主轴单元故障。PLC 向NC 传输信号过程中，由E3F6 输出口出现主轴故障信号。调取与该区域相关梯形图进行分析，如图所示。

梯形图

从梯形图中可以看出，在出现故障时X085、T010 以及E3F6继电器均为通电状态，R010 处于断电状态。经过分析后判断可能为主轴调整单元传输来的51X 触点闭合，使得继电器X085 与T010 吸合，导致R010 出现断电，从而出现PC4-00 报警。而通常出现主轴电动机过热的情况大多是由于机床切削深度过大或切削速度过快，使得电动机工作电流超出限定值。经过检查后发现主轴铣头铣削均为正常状态，电动机也没有超出限定值，因此可以判断为主电动机风冷效果不佳导致，再检查风冷电动机与风道后发现风道积满灰尘。因此，只需打开风道盖将内部灰尘清除后故障则排除。

3 结论

PLC 技术是当前主流的自动化控制技术，在数控机床故障诊断中有着十分关键的作用。灵活利用数控机床中的PLC 系统能够对数控机床的工作状态、工作故障进行诊断与排查。根据不同的诊断情况选择不同故障排查方式，从而对故障进行处理，才能够准确判断故障出现的本质原因，精确定位故障区域，从而选择合适的方式排出故障，恢复数控机床的正常工作。