数控机床故障分类及利用PMC进行故障诊断

卢彦峰　吕岑

随着数控技术在机械加工行业的广泛推广和应用，数控维修技术的地位越来越重要，同时市场对数控机床故障诊断与维修的高素质人才的需求也越来越迫切。由此可见，熟练掌握数控机床故障诊断维修技术与方法已经成为机电数控类学生必须具备的技能之一，因此，开展基于系统开发的数控机床故障诊断与维修教学实验平台，对提高学生的数控机床故障诊断维修技术水平具有重要意义。

数控机床发生故障的原因多、而且比较复杂，现针对数控机床故障诊断与维修教学实验平台将设置常见的故障分为以下几类：

（1）电气及机械故障

数控机床的电气故障主要包括强电故障与弱电故障两种故障模式，强电部分是指接触器、继电器、熔断器、开关、电动机、电源变压器、电磁铁、行程开关等电气元器件及其所组成的电路，弱电部分主要有PMC控制器、CNC装置、伺服装置、显示器以及I/O装置等电路。

数控机床的机械故障主要表现在以下几个方面：导轨运动摩擦与机械传动误差过大，故障表现为加工精度差，传动噪声大，运行阻力大。通过在PMC中设置故障可进行故障诊断的训练，在PMC中增加故障程序段常用的有两种方法，分别是串联、并联触点。通过在无故障PMC上串联己定义好的常闭或常开触点，使其输入进CNC的信号得出相反的值，可达到设置故障的目的。为了使故障诊断实验台的故障指示灯亮，可在该段增加的程序后，并联一条语句，将地址送入故障设置对应的PMC输出。还可以设置主轴、刀架上的一些机械故障。

（2）无报警显示及报警显示故障

无报警显示故障发生时，就是指无任何硬件或软件的报警显示。例如机床通电后，在手动方式或自动方式运行时，X轴出现爬行现象，无任何报警显示。对于此类故障需具体问题具体分析，即根据故障发生的前后状态进行诊断。报警显示故障可以区分为硬件报警显示与软件报警显示两种类型。其中，硬件报警显示是指数控系统各组成单元装置由小型指示灯或者LED发光管组成的显示状态指示器。软件报警显示是指CRT显示器上显示出来的报警号和报警信息。

（3）软件故障、硬件故障

软件故障指CNC数控系统加工程序出错、系统程序和参数设置出错或者缺损等，一般通过认真修改参数和检查程序可以解决这类故障。硬件故障是指数控装置的印制电路板上集成电路芯片、接插件和外部连接组件发生的故障，例如集成电路短路、输入输出接口损坏等人为的故障，通过故障诊断实验平台设置故障，学生通过仔细观察故障信息，分析判断故障原因，使用排除法确定是否为人为故障。

CNC数控机床的PMC程序，属于机床生产厂家的第二次开发产品，也就是生产厂家根据用户对机床的功能需求和机床自身的特点，编制了机床运行控制程序，对运行过程进行监控，一旦出现异常情况时，报警信息便会发出。因此，在现场故障诊断与维修中，应充分利用采集的各种报警信息，这样以利于我们迅速排除故障。

在PMC正常运行情况下，分析与PMC相关的故障时，应先定位不正常的输出结果，例如机床进给停止是因为PMC向系统发出了进给保持的信号；机床润滑报警是因为PMC输出了润滑监控的状态；换刀中间停止，是某一动作的执行元件没有接受到PMC的输出信号。数控机床的PMC程序属于机床厂的二次开发，即他们根据机床的功能和特点，编制相应得动作顺序以及报警文本，对控制过程进行监控，当出现异常情况时，会发出相应得报警，我们在维修过程中，要充分利用这些信息。

（1）根据故障号诊断故障

应用实例：某数控机床的换刀系统，换刀指令不动作，在显示器上显示报警号，通过查手册得知该报警号对应的是“刀库换刀谓之错误”。通过分析，可初步判断故障发生在换刀装置和刀库两部分上，位置检测信号为“0”，即无信号送至PMC，可能的原因是：一是机械问题造成的动作不到位而使开关感应不到；二是接近开关失效。首先检查机械部分，手动控制机械臂的电磁阀，机械运转正常，从而排除机械及液压上的故障。其次检查接近开关，用一金属片接近接近开关，发现其开关正常。经检查，该故障与其上两点分析无关。经过操作观察，两次换刀时间的间隔小于PMC所规定的时间，从而造成程序执行错误，引起报警。

（2）依据控制对象工作原理诊断故障

数控机床PMC的程序是按照对象控制的原理来设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合PMC的I/O状态检测故障。在FANUC0iMate-TD系统中，梯形图编程语言G则是由PMC输出到NC的信号，F则是来自CNC侧的输入信号。

应用实例：某一数控车床使用FANUC-OT系统，当脚踏尾座开关使套筒顶尖顶紧工件时，系统产生报警。故障诊断排除：在系统诊断状态下，调出PMC输入信号，发现脚踏尾座开关输入X04.2为“1”，尾座套筒转换开关X17.3为“1”，，润滑油液面开关X17.6为“1”。调出PMC输出信号，当脚踏尾座开关被压下时，输出Y49.0为“1”，同时电磁阀也得电。这说明系统PMC输入/输出状态均正常，分析尾座套筒液压系统的故障可能性较大。由于单向阀的作用，尾座套筒向前时的油压得到保持，该油压使压力继电器常开触点接通，在系统PMC输入信号中XO.2为“l”，但检查系统PMC输入信号XO.2为“O”，说明压力继电器有问题，经进一步检查发现其触点损坏。

（3）基于PMC的I/O状态诊断故障

在CNC数控机床中，输入/输出信号传递一般都要通过PMC接口来实现，因此，许多故障都可以从PMC的I/O接口表现出来。利用数控机床的这个特点，能够为故障诊断提供方便，即使不用万用表也可以知道信号的状态信息，但有一个前提，必须要熟练掌握故障状态和控制对象正常状态的有关知识。

（4）动态跟踪梯形图诊断故障

利用PMC的梯形图开展故障诊断是进行数控机床外围故障诊断的基本方法，通过这种方法诊断机床故障，首先必须要搞清机床的动作顺序、工作原理和连锁关系，然后通过机外编程器或者结合系统的诊断功能，利用PMC梯形图，查看标志位和相关输入/输出状态，诊断故障原因。有些数控系统带客队梯形图进行监控，调出梯形图界面，即可以看到I/O点的通断状态和整个梯形图的执行过程，有的系统则无法通过数控系统进行检测，必须通过机外编程器才能监控梯形图程序的运行。有些PMC在发生故障时，因过程变化快，可查看1/0及标志位状态的瞬间变化，根据PMC的工作原理作出诊断。

（5）利用PMC对数控机床进行故障诊断应注意的方面

通过以上思路我们从中可以看出，要利用好PMC对CNC数控机床实施故障检测需要注意以下几个方面内容：了解牢记机床各组成部分检测开关的安装位置，例如加工中心的回转工作台、刀库和机械手，数控车床的尾架和旋转刀架，机床的气、液压系统中接近开关、压力开关和限位开关等；了解执行机构部件的先后动作顺序，如气缸、液压缸的电磁换向阀等，弄清其相对应的PMC输出信号标志；了解各种条件标志，如停止、夹紧、启动、放松和限位等标志信号；借助必要的诊断功能，必要时可用编程器跟踪梯形图的动态变化，搞清故障原因，根据机床的工作原理作出判断。

近20年来，随着数控技术在机床业的广泛应用，数控机床作为一种自动化程度高、可靠性和稳定性优、加工作业精度高的机床，具有高质量、柔性好、高效率和高可靠性等多种特点，能够有效满足现代加工生产的迫切需要。但是当数控机床发生故障时，一般的维修保障人员无法准确地进行故障诊断，需要生产厂家专业技术人员提供现场服务，这样不但需要花费大量金钱和时间，而且还会严重制约着数控机床的维修效率。因此，为了显著提高故障诊断实验平台的实用性，使其做到“实用、管用、可用”必须进一步完善其功能，建立一个服务于数控机床的远程故障诊断服务平台具有非常重要的意义。

建立这样一个故障诊断服务平台，就是通过Internet将数控机床技术支持与服务等相关数控机床诊断信息、用户信息等有效组织在一起，构建一个基于Internet的网络化数控机床故障诊断与服务保障体系。在这种服务保障体系条件下，运用可重构技术，使分布在不地域的数控机床诊断资源实现有效组合，以便能够根据不同的数控机床机型、不同的应用情况快速重构相应的故障诊断服务平台，从而有效提高服务平台的通用性和可重用性。

[责任编辑：许丽]