数控机床PLC控制的故障诊断

高晶　曲丙政　马风华

摘 要：数控机床是电力电子、自动化控制、液压和传动系统等集成的高精密设备，其故障诊断有机械和电气两部分组成。PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间，起到连接数控装置与机床的纽带作用。PLC故障做出快速准确的判断诊断，对保证数控机床的稳定性、降低故障率、缩短维修时间和提高机床的使用率对于生产来说有着至关重要的作用。

关键词：数控机床；PLC控制；故障诊断

引言

数控机床是典型的机电一体化设备，它将电力电子、自动化控制、液压和传动系统等集于一身。具有高效、高精和高适应性的特点。要发挥出数控机床的优点，就要保证它的开动率，这就要求数控机床有较高的稳定性和可靠性。

数控机床故障诊断有机械和电气两大部分组成。机械部分主要有主轴箱的冷却润滑等；导轨副和丝杠丝母副的间隙调整、润滑及支承的预紧；液压的压力和流量调整。电气部分主要有驱动电路、位置反馈电路、电源及保护电路和开/关信号连接电路等。

PLC、数控系统和机床三者之间进行信息交换，PLC在数控系统中是介于数控装置与机床之间，它根据大量离散的输入信息，在内部进行逻辑运算并完成输出功能。数控机床PLC形式有两种，外装型PLC和内装型PLC。PLC在数控系统中有着重要的作用。

1 数控机床PLC的功能

在数控机床中，PLC控制机床各个轴的连续的位置移动除外，还要对机床的主轴的启停、正反转以及加工过程中主轴的冷却、润滑等一系列动作都需要PLC按照固定的顺序控制。输入输出信息的按照一定顺序控制，输入信号主要由压力信号、限位开关信号和控制开关信号等组成。输出信号由接触器、电磁换向阀和继电器等组成，同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等。数控机床均采用PLC来完成上述控制功能，数控机床PLC有表现两种形式：一是采用独立的CPU完成PLC的功能，只完成PLC的功能，在CNC外部，称为外装型PLC；二是采用数控系统与PLC合成 CPU的方法，集成在CNC中，称为内装型PLC。

PLC作为数控机床的关键技术，其功能可以归结为以下几点：

1.1 控制数控系统：机床操作面板中将控制信号直接送入PLC来实现。

1.2 输入信号控制：将硬件的通断信号传送入PLC，在PLC程序运行后，输出信号给控制对象。所说的控制对象有机床的限位开关、按钮开关、接近开关、压力继电器以及温度传感器等。

1.3 输出信号控制：PLC程序运行后的信号经电柜中的一系列电器元件传送到机床侧的液压元件等装置控制。除此以外还对液压泵电动机、风机和油冷机进行控制

1.4 伺服控制：PLC将使能信号传送给主轴和伺服驱动装置来满足伺服驱动的条件。主电机和各轴驱动电机都是靠驱动装置来运行的。

1.5 报警处理控制：电控柜、机床的元器件和驱动装置的故障信号都收集到PLC里，并将报警区中的标志位置位，在数控机床的操作面板上就能显示报警文本编辑的报警信息。

2 PLC故障检测

2.1 PLC故障的表现形式

当机床PLC出现故障时，一般通过以下形式表现出来：（1）通过数控系统报警信息可以直接显示。（2）数控系统的报警信息有显示，但并不是故障的真正原因。（3）数控系统没有报警提示。除第1种情况外，可以通过监控PLC的梯形图中每一处的通断状态和PLC硬件I/0状态信息来查找故障点、分析故障原因。这是解决数控机床电气故障的最基本、最简便的方式。

2.2 PLC相关的故障特点

PLC在数控系统中是连接NC与数控机床的重要纽带。首先，PLC会接收NC的控制信号及数控机床的控制指令，根据内部程序的逻辑顺序给机床输出侧发出控制指令，给继电器和接触器信号来控制电磁换向阀、指示灯等，同时要将状态信号发送给NC。其次，数控机床有着大量的数字开关信号，在处理过程中，有任意一个信号未接收到或任意一个执行元件不动作，机床都会出现故障。在数控系统维修过程中，这类故障占有极大的比例，检修人员掌握通过PLC诊断故障的方法极其重要。

在PLC运行正常的情况下，分析数控机床故障时，需要先检查输出是否正常，检修过程中需要检修人员熟练掌握PLC的I/O口的知识以及数控机床动作的时序关系。以输出点着手，检查系统是否有输出信号，如果有输出信号，机床没有动作，则检查PLC外围的电路。如果有输入没有输出，则查找PLC程序及模块是否有问题。

一般情况下，PLC故障主要为硬件接口故障。PLC在数控系统的执行有自诊断程序，程序存储和硬件错误都有报警显示，因此在维修过程中，只要PLC程序曾经正常使用过，此后都不会再发生故障，因为安装调试后使用过一阶段。如果程序有输出，PLC外围接口没有输出，则为PLC硬件接口故障，可以检查或者更换PLC模块。

3 数控机床PLC故障诊断的方法

3.1 根据报警信息诊断故障：数控机床在安装的时候，就已经将PLC报警信息输入数控系统。当机床出现故障时，在操作面板上能够显示具体的报警信息。检修人员可以根据提供的数控机床的状态信息，利用数控系统提供的状态信息，就能够迅速准确地诊断故障原因并及时解决故障。

3.2 根据控制对象的工作原理诊断故障：数控机床的PLC程序按照控制对象的工作原理来设计，因此数控机床出现故障时，可以结合控制对象的工作原理来分析故障原因。

3.3 根据PLC的输入/输出状态诊断故障：数控系统中，I/O信号的传递一般通过PLC的I/O接口来实现。所以，PLC的I/O接口是故障频发的重要部位，并且在I/O通道表现出来。数控机床的这种特点为故障诊断提供了方便，一旦数控系统硬件无故障，PLC梯形图以及相关电路图可以不查看。直接通过输入/输出信号状态，就可以找出故障点。因此，熟悉相关控制对象的PLC输入/输出接口的正常状态和故障状态很有必要。

3.4 根据PLC梯形图诊断故障：数控机床中，使用PLC梯形图进行故障诊断是解决硬件故障的最直接有效的方式。这就要求检修人员必须掌握机床的基本工作原理、各部位的动作顺序和连锁关系等相关知识。通过数控系统操作面板或者计算机来查看PLC梯形图的标志位的瞬时变化，以此来判断故障位置及故障原因。

3.5 根据动态跟踪PLC梯形图诊断故障：有些数控机床PLC发生故障时，查看I/O口及标志状态的瞬时状态均正常，此时，必须通过PLC进行实时监控，来随时观察I/O口的瞬时变化，结合PLC的动作原理进行故障诊断。

4 结束语

PLC故障诊断的关键除了掌握PLC模块的性能和PLC梯形图原理以外，熟悉机床的工作原理及执行元件的动作顺序是最基本的。PLC故障诊断在处理数控机床电气部分故障起着至关重要的作用。

参考文献

[1]王爱玲.数控机床故障诊断与维修[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]卢斌.数控机床机器使用维修[M].北京：机械工业出版社，2004.

[3]刘希金.机床数控系统故障检测与维修[M].北京：兵器工业出版社，2005.