数控机床PLC模块的故障诊断及排除方法.pdf

、I 訇 化 数控机床P L C 模块的故障诊断及排除方法 NC m achi ne t ooI PLC m odul e f aul t di agnosi s and el i m i n at i on m et h od 王凤 良。郭春洁 V V A NG F e n g - l i a n g ． GU O C h u n - j i e 烟台南山学院，龙口 2 6 5 7 1 3 摘要通过分析实际生产过程中数控机床P L C 模块出现的一些故障，基于P L C 模块的故障表现的形 式，本文提出了诊断与排除P L C 模块的故障的方法。实践证明，利用这些方法有利于维修效率 的极大提高。 关键词 数控机床；P L O 模块；故障；诊断；排除 中图分类号 T G6 5 9 文献标识码 A 文章编号1 0 0 9 0 1 3 4 2 0 1 2 1 0 下 一0 0 5 3 0 3 D o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n ． 1 0 0 9 - 0 1 3 4 ． 2 0 1 2 ． 1 O 下 ． 1 6 0 引言 数控机床 的控 制信息分成两类 一类是对机 床各坐标轴的位置进行连续控制 的信息 ，如数控 机床工作 台的各方 向运动、主轴箱的上下移动及 围绕某一坐标轴的旋转运动等 ，此类信 息 由数控 机床的数字 系统进行控制处理 ；另一类则 由 P L C 完成的顺序控制数控机床的加工过程。 数控机床 P L C模块 出现故障的表现形式有三 种 数控机床出现故障后报警 ；显示数控机床故障 的报警，但是真正 的故 障原因并没有反映 ；无 显 示。其 后面 两种 故障表现情况 ，可 以借助对 P L C 输入 ／ 出状态的信息和梯形 图进行分析可以找到致 使数控机床 出现外围故障的原因并予以解决 [ 1 】 。 1 P L C 模块的故障表现形式 1 ． 1显示故障 1 ． 1 ． 1故障与报警对应 当数 控机床 出现故障后 只要对报警信 息进行 分析便能够 准确 的故障原 因。尽管对数控机床 的 检测功 能提 出高要求，但 是不 断发展 的科技，数 字控制 系统 的功能也得到 了不 断的完善 ，加强 了 数 控机床与 P L C间通信 的功 能，实 现 了复杂软 ／ 硬件 系统 的配合连 接，提高 了 自诊断 的技 术。越 来越广泛应用于诊断数控机床 的故障 ，降低 了维 修难度 ，提高了维修人员的工作效率。 1 ． 1 ． 2故障报警与原因不符 目前有一些数控机床 因为不完善的故障诊断 功能 ，促 使故障 出现 后，数控机床 的报警信息不 能准确反映故障点 ，甚 至显示的报警 信息 内容和 故障位置间没有任何关 系，这就造成维修的误导 ， 此 时维修人 员 只有 凭借经 验具体分 析数控 机床 ， 从而判断并找出导致故障发生的真正原因。 1 ． 1 ． 3有故障无显示 数控机床发生故障后由于控制系统中设置检测 该故障的功能 ，则数控机床也就无故障 内容显示 ， 增大维修的难度，维修人员一时无从着手 ，只能研 究故障的具体现象并结合理论综合性分析。当线路 板出现故障时需要维修，此时如果没有电路原理 图， 则 自己就要将草图绘制完成，增大维修的难度。 如果数控机床的刀架的控制方式属于 电动式， 当出现 自动换刀故障时 ，具 体故障发生点的判断 则需结合系统的检测功能与数控机床显示的报警 信息，分别完成故障的表现形式的分析 。 系统换刀控制指令 发出，刀架上 的电动机动 作执行 。假 如 系统 安装 有软件进 行相 应的检 测， 外 围装配对 应硬件 ，实现软 ／ 硬件 检测功 能的结 合。一旦故障 发生后，产生报警并显示准 确的故 障信息。直接分析信息即可找到故障源 。 如果检测 系统 只能对刀架是否应答进 行信号 检测，一旦故 障发生，只能指 出问题 出于 电动刀 架，而具体 的故障 源则无 法在报警 信息 中指 出。 故障的排除只能依靠维修人员逐个排查 。 假 如系统换刀控制指令发 出后，由于延 时系 统 不检 测是否有应答信号 产生直接进行 后续动 作 程序 。一旦发现刀架没有旋转到位并且无 系统提 示 ，重大事故 发生概 率非常大。因此，唯一操作 就是紧急停车。 1 ． 2信号类型故障 1 _ 2 _ 1 输入信号的故障 P L C的控制是 顺序性 的完成即每个动作的执 收稿日期2 0 1 2 - 0 8 -1 5 作者简介王凤良 1 9 7 3 一，男，山东济宁人，讲师，硕士，研究方向为先进制造技术。 第3 4 卷第1 O 期2 0 1 2 1 0 下 [ 5 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务l 匐 化 行都是基于 有逻辑信号 的输入且条件满足。通常 情 况下 ，故障的 出现都是输 入信号某一条件没有 满足 ，两个条件都无法满足的概率较小。此时对 输入信 号的梯形 图进 行无效原 因分析 ，随之进一 步分析故障，直至找出产生故障的原因。 1 ． 2 ． 2输出信号的故障 输 出信号导致的故障主要都 是元件 的控制或 执行上的故障 ，损坏通常是发生于能够进行机械 式动作的零件上，比如不灵活的接触器触点致使 接触不 良、电磁 阀阀芯 出现堵塞 、机械磨损致使 阻力加大 、传动器件 不到位 的移动 等。只要其 中 的某一机构 出现执行故障 ，顺序性 的动作执行则 会导致后续动作无法满足输入条件 ，不能正常进 行整个顺序控制。 2 诊断故障的方法 2 ． 1基于故障报警的信号 数控机床 P L C模块的程序依据实际生产要求 予以设计 ，即具体的动作和故障报警的信息设计编 写的依据是数控机床需实现的功能 。使得数控机 床 自诊断的功能较丰富，一旦故障发生后便会准确 显示相应报警的信息，提高各种数控机床的状态信 息有利于维修人员借助信息实现故障的迅速排除。 2 ． 2 基于动作完成的顺序 位于数控机床上的托盘及刀具等装置，相应动 作的完成都是按照设定顺序进行。鉴于此，只要对 比正常与故障情况下的机械装置运动情况 ，便可诊 出故障的原因。图 1 所示刀具的自动交换。刀具开 始 自动交换时初始状态为 需要进行交换的旧刀具 保持在主轴上 ；图中 B点所示为刀具交换的力臂； 刀具交换的力臂的位置位于图示的上方 ；需要进行 交换的新刀具的位置 由刀库完成定位。 遵循 正常的顺序进 行刀具 的 自动 交换 ，但是 当实现 刀具 交换的力臂 由初始的 B位置左移到 A 位置后再依次在 A、B、C三个位置间完成相应的 动作右移 到 C位置 ，结果拔 刀的动作无法 完成。 故障分析 后有三种可 能的原因 S Q 2没有产生信 号。完成刀具松开 的电磁 阀 2 Y没有得 电，主 轴的状态仍是抓取刀具 ，无法下移交换 刀具 的力 臂 ；刀具松开开关 S Q 4信号未产生，则控制交换 刀具力臂升降的电磁阀 1 Y 维持原状态，不进行 力臂 的下降动作 ；有故障存在于 电磁 阀中，即使 有信号输入也无法完成相应的控制动作。经检查， [ 5 4 1 第3 4 卷第1 O 期2 o 1 2 一l O 下 发现刀具松开开关 S Q4没有发出动作信号 ，深入 检查 S Q 4 ，由于过大的感应间隙的存在使得相应 控制信号无法输出阻碍后续动作的执行。 图1 刀具 自动交换控制图 2 ． 3 基于对象控制的原理 依 据对 象 的控制 原理 完成 数控 机 床 P L C模 块的程序设计编写 ，针对控制对 象的工作原理与 P L C控制器 I ／ 0 的状 态进 行分析 ，能 够有效的诊 断出故障。 工件在加工过程 中，必 须有对工件装夹程 度 是否合适的 自动检测功能。这是因为 自动化车床 在进行工件加工时，仅仅保证工件夹紧程 度是不 够 的，换句话说就是在考虑一个夹紧信号的获取 时，还要检测工件加 工的一些附加 的行程。人工 完成工件 的安装时能够很 直观 的检查到工件是否 夹紧或者位置不正 的情况，及时给予更改操作 ] 。 但在 自动化 的加工过程 中，所有的工作都是建立 在机械手 的操作上 ，对于工件 的装夹是否可靠没 办法得到保证，即使工件已经夹紧了，但 只要 出 现其他装夹不可靠的情况也会使得所加工 的工件 是不合格 品，严重的还会 出现 刀具 的撞击从而使 得整个 车床损坏 。为 了避 免这 样的情况 的发生 ， 就需要增加一个检测油缸 夹紧的行程装置。保证 即使检测到夹紧信 号，出现装夹位置不正等其他 不可靠的情况 ，数控车床也不会继续进行后面的 动作 ，从而保证了 自动化过程的安全可靠。 2 ．4基于P L C 模块的输入， 出状态 针对数控机床 中信号如何实现传递 ，通常都 是基 于 P L C模块 的输入 ／ 出的接 口完成传递相应 的输入 ／ 出信 号。由此，对 P L C模块 的输 入 ／ 出 的接 口进行研究分析可以诊断出很 多出现在这个 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 务I 訇 似 通道上 的故障。鉴于数控机床 P L C模块具有的这 样的接 口特点有利于完成故障的诊断，只要数 字 控制系统 中硬 件不 出现故障，故 障的诊 断则不需 要对相应的电路原理图和梯形图进行研究分析 。 通过对 P L C模块的输入 ／ 出接 口的状态进 行分析 便可准确查找故障发生的原因。值得注意 的就 是 能够对相关控制对象的 P L C模块 的输入 ／ 出接 口 的正常与故障时的状态的准确掌握。 2 ． 5 基于P L C的控制梯形图 在对数控机床外围 出现故障进行原 因诊 断的 研究分析发现基于分析 P L C的控制梯形图有利于 故障的诊断与排除。利用这种诊 断与排除 故障的 方法 ，前提是对数控机床 工作的原理 的掌握 ，并 了解联锁的关系以及动作完成的顺序 ，接 着加 以 对数控机床的 自诊断数控 系统利用或者借 助于机 外的编程器 ，通过对 P L C控制梯形 图中的标志位 和输入 ／ 出状态的分析 ，诊断出相应故障。 2 ．6 基于梯形图的动态跟踪 P L C模块即使发生某些故障 ，但是对 P L C控 制梯形图中的标志位和输入 ／ 出状态进行分析后未 发现异常。此时则必须对 P L C模块梯形图进行动 态跟踪 ，即对瞬间变化的标志位和输入 ／ 出状态实 时跟踪 。通 过对 P L C模块动作 完成的原理 研究做 出相应的诊断。如图 2所示为双工位和双主轴且 数控系统为 S I N UME R I K8 1 0的数控机床。 数控机床运行在 自动方式下，在工位一完成工 件加工后 ，工位二主轴未充分退位同时同转工作台 准备旋转 ，此时工位二的主轴则停止转动 ，导致 自 动循环出现中断报警且报警的信息内容显示不正常 的工位二主轴速度。两个主轴运转速度的检测分别 由两个传感器 B1 、B 2 完成，检 查主轴 的传动 系统 后未发现异常。借助机外的编程 器对 P L C控 制梯形图的状态进行观察分析。工位二主轴的起动 标志位 F 1 1 2 ． 0 、起动条件是 F 1 1 1 ． 7 。工位二的主轴 起动输出是 Q3 2 ． 0 ，检测工位二的主轴刀具卡紧输 入是 1 2 1 ． 1 、卡紧的标 志位是 F 1 1 5 ． 1 。研究观察后 的具体状态图如图 3 所示。故障发生的时候，起动 标志位与输出处于 “ o ”状态，因此主轴停止旋转 ， 但起动标志位则由于传感器未检测到主轴的速度处 于 “ 0 ”状态。对输 出状态变化进行动 态观察未有 故障产生，此时起动标志位和起动条件都处于 闭合 状态；若产生故障 ，此时起动条件瞬间实现断开与 闭合，起动条件的瞬间断开使得起动输出处于 “ 0 ” 状态 ，随着起动 条件实现 闭合，起动标志位 进入 “ o ” 状态，使得起动输 出保持 “ 0 ” 状态 ，主轴停止 旋转 。两个传感器速度检测不正常致使起动标志位 处 于 “ 0 ”状态。影 响主轴 的起动条件很复杂 ，对 梯形 图研究分析后 ，瞬 间 “ o ”状 态变化 的 F 1 1 1 ． 6 致使起动条件发生变化。接着对 P B 8 - 3 的后续检查 ， 瞬间变化的刀具 卡紧标志也处于 “ 0 ”状态 ，F i l 1 ． 6 由此发生变化。继续检 查 P B 1 3 ． 7发现故障产生时 ， 检测刀具卡紧的输入瞬间断开 ，则刀具卡紧标志位 瞬间处于 “ 0 ”状态 ，主轴停止旋转。通过分 析发 现 出现波动 的刀具液压卡紧力导致故障的产生，对 液压进行调整直到正常则完成故障的排除。 图2 S I N UME R I K8 1 0 系统 的数控机床 曰 F llI．7 ] 馘 曲 。 。} _ - 1 ⋯ _ _ J 图3 P L C 控制梯形图 3 结束语 本文通 过对 故障 的诊断 与排除 方法 的分析 ， 概 括 出三个要点 第一，掌握安装在数控机 床中 的每个检测开关的位置 ，P L C模块输入信号 的标 志即检测开关 ；第二，了解数控机床每个工 作条 件的标志 ，利用编程器对梯形 图进 行实时动 态变 化跟踪 ，诊 断致使故障产生的原 因；第三 ，了解 数控机床的执行机构完成动作的顺序。 参考文献 【 l 】李梦群， 现代数控机床故障诊断及维修【 M】 ． 北京 国防 工业 出版社， 2 0 1 1 ． [ 2 】许云理． P L C 程序在数控机床故障诊断中的应用[ J ] ． 制 造技术 与机床 ， 2 0 0 6 1 0 ． 【 3 】邓三鹏， 数控机床结构及维修[ M】 ． 北京国防工业出版 社， 2 0 0 8 ． [ 4 ]李大庆， P L C 的数控机床故障诊断【 J 】 ． 煤矿机械， 2 0 0 7 1 1 ． 第3 4 卷第1 0 期2 0 1 2 -1 0 下 [ 5 5 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m