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数控机床维修中PLC控制技术运用柳朋飞

发表时间：2020/9/9 来源：《基层建设》2020年第14期作者：柳朋飞

[导读] 摘要：数控机床通常在机械系统和电气系统上易于出现故障，故障率最高的为电气系统，并且其电气系统故障大多会在PLC中有所反映，因此发挥PLC程序在诊断数控机床故障的作用具有重要的意义及价值。

        身份证号：41282719880103xxxx
        摘要：数控机床通常在机械系统和电气系统上易于出现故障，故障率最高的为电气系统，并且其电气系统故障大多会在PLC中有所反映，因此发挥PLC程序在诊断数控机床故障的作用具有重要的意义及价值。
        关键词：数控机床维修；PLC控制技术；运用
        1 数控机床故障特点分析
        为满足数控机床发展需求提升维修工作效果，PLC的具体应用需基于数控机床故障特点，具体表现在：（1）存在偏差的机床表面形状由于较高的粗糙度，受到摩擦力的影响在运行一段时间后易导致电器元件负荷冲击问题的出现，引发多发生于电气与液压结构中的故障问题，难以找到规律不利于其使用效果的正常发挥。（2）磨合后的数控机床工作时故障发生率较低，此时故障问题易受人为因素影响，导致机床设备的非正常运行。（3）机床零部件在结构衰退期产生磨损与老化现象，易引发严重的故障问题，此时故障大多具备一定规律，需结合适当的检查方式排除。在使用PLC开展数控机床维修工作时，需以故障维修特点与要求为依据进行全面的管理与维护。
        作为数控机床的基本控制装置，目前数控机床PLC的形式包括:（1）外装型PLC（配有专门PLC),PLC功能由单独的CPU完成；（2）内装型PLC(PLC位于CPU内部），PLC同数控系统合用同一CPU。PLC将新型的顺序控制装置提供给数控机床，丰富了控制功能，提高了数控机床结构的紧凑性及可靠性。适用于复杂的机械运动过程（FMC、FMS、车削及加工中心等）。
        2 基于PLC的数控系统
        数控机床需通过CNC数控装置和PLC的配合以实现控制过程，包括编制零件程序、插补运算、位置伺服控制、译码等在内的数字运算和管理等相关功能需由CNC数控装置负责实现。CNC数控装置同机床间通过PLC完成连接，同逻辑运算相关的部分动作需由PLC负责完成（包括更换刀具、启停主轴、开关冷却液等），对轨迹通常无需做具体要求，相应开关动作通过对机床相关的辅助装置进行控制即可完成，CNC数控装置完成逻辑控制（对机床及其外围部件）时以PLC作为主要通道。此外，外部逻辑信号需通过PLC进行反馈（对CNC数控装置），PLC的逻辑结构如图1所示，负责接收CNC装置的顺序动作信息（包括主轴转速、选刀、换刀、控制代码辅助功能等），通过译码操作完成到对应控制信号的转换过程，据此完成辅助装置的控制过程，从而完成机床相应开关动作。机床操作面板发出的指令由PLC接收到后，对机床的动作进行直接控制，缩短维修的时间，并根据需要向CNC装置发送相应指令一遍控制加工过程[3]。
        数控系统和机床间通过PLC完成电路转换及信息交换（双向信号传递）功能，同数控系统的数据交互由PLC通过电路完成，在数据交互过程中，各寄存器定义如表1所示，传递过程需以F、G寄存器及地址（已由数控系统与PLC事先定义好）为依据。数控机床不同X、Y寄存器不同，PLC软件工程师对X、Y信号可根据实际对机床输入、输出开关信号需要完成定义，软件对于已定义好的各位X、Y寄存器无法进行更改，需通过更改相应硬件接口（接线端子）进行修改。PLC软件可任意使用R寄存器（PLC内的中间寄存器）。断电后仍需保存的信息由B寄存器（断电保护寄存器的一种）负责储存。PLC外部参数可由机床用户通过设置P寄存器完成。

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        3 故障诊断与维修实例
        3.1 急停报警类故障
        通过操作面板或急停按钮可使数控机床停止运动（一般通过PLC程序控制急停电气控制回路实现），以应对数控机床出现的紧急情况，确保机床和操作人员的安全，数控装置在机床当前状态正常全部急停按钮打开后，才允许工作状态到其他模式的切换。在急停报警类故障中，长期处于急停状态导致数控机床无法复位是极为常见的故障。例如故障现象为：XHK715加工中心（已配备数控系统）急停后出现无法复位现象，数控装置出现系统急停报警提示。对故障原因进行分析：急停功能通常需通过PLC程序控制急停电气控制回路实现，急停回路首先需串联超程限位开关的常闭触点（包括各运动轴的正向和负向），接下来对急停按钮（位于数控装置操作面板上）进行串联，在回路中串联继电器KA2的线圈，继电器KA2的线圈在此部分电路处于连通状态下，其常开触点闭合，产生了输入信号点X1.7有输入（外部运行允许信号）。急停按钮（位于手持单元上）同PLC的连接则通过XS8接口实现，其在打开状态下PLC的输入点X8.7有输入。自诊断没有发现异常且X1.7和X8.7同时有输入时，才可解除数控机床的急停状态[6]。
        故障检测流程为：（1）在确定外部运行允许信号的基础上，对输入地址进行定义（在标准PLC配置系统中），且需同电气接线一致即为X1.7。（2）松开急停按钮，在PLC状态监测界面观察输入点X1.7和X8.7的电平变化情况，若信号点无相应变化，急停回路可能存在断路情况需做进一步检查和判断。若观察到信号点有变化证明急停回路并无断路情况出现；若有变化的信号点同已定义的输入点一致需判断PLC程序的准确性，若不一致时需对已定义的输入点地址进行修改（在标准PLC配置系统中）。
        3.2 自动换刀类故障
        作为数控车床的重要构成，自动换刀装置的形式较为多样，包括自动换刀装置（带刀库）、回转式、转塔头式等，由PLC对自动换刀装置的动作流程进行控制（PLC顺序控制的典型）。由于涉及较多的PLC输入输出信号导致换刀流程较为复杂，在对此类故障进行排除时，需维修人员掌握相关的动作流程及PLC输入输出信号，接下来以上文所述的基于PLC和自诊断技术的诊断故障的步骤完成检测过程，从而据此确定故障原因及位置。例如，CNC6136数控车床以四工位回转式电动刀架作为自动换刀装置（已配备HNC-818A数控系统），刀架在执行换1号刀时持续转动，数控系统据此提示换刀超时。以PLC梯形图程序为依据对故障进行分析，PLC在数控系统发出换刀信号后需先对刀具的一致情况进行判断（一致则结束换刀动作）。
        4 结束语
        为满足数控机床故障诊断的精度需求，提高故障诊断效率，本文主要对PLC控制技术在数控机床维修中的应用进行了研究和分析，在实际的维修工作中，PLC所具备的在线诊断功能及状态监测（针对输入输出）功能，为数控机床故障原因的快速确定提供了有利支撑，提出了一种数控机床故障诊断方法，该方法基于PLC和自诊断技术，在介绍数控机床自诊断技术及内置式PLC特点的基础上，结合实际故障诊断与维修实例，阐述了诊断数控机床故障方法的步骤和原则，快速诊断急停报警及自动换刀方面的故障，使故障维修问题得到有效解决。通过运用这些故障诊断方法，提高了维修工作的质量和效率。
        参考文献
        [1] 姚兆, 沈群书. 关于如何减少数控机床故障率的研究[J]. 电子技术与软件工程, 2018, 000(002):143-143.
        [2] 邹晔, 黄志辉, 唐立平,等. 数控机床故障诊断技术的研究进展[J]. 机床与液压, 2018, 46(003):161-164.
        [3] 李晓, 李晓婧. 数控机床电气故障维修分析[J]. 山东工业技术, 2019, 000(007):12.
        [4] 戴秋琦. 减少数控机床故障的方法研究[J]. 南方农机, 2018, 049(006):148.