PLC是各種高性能數控機床中不可缺少的控制裝置, 其主要作用是接收CNC發送過來的M、S、T信息、手動/自動方式信息、各種使能信息等, 向CNC發送M、S、T功能的應答信息和各坐標軸對應的機床參考點信息等; 同時PLC還向機床發送控制信息, 以控制機床的執行元件, 如電磁鐵、接觸器、繼電器以及各種狀態指示和故障報警等; 接收來自機床的信息, 主要是機床操作面板輸入信息和其上各種開關、按鈕等信息, 如機床起動/停止,主軸正轉/反轉/停止、切削液開/關、主軸狀態監視信號和伺服系統運行準備信號等。數控設備出現的大部分故障都是通過PLC裝置檢查出來的, PLC檢測故障的機理就是通過運行機床廠家為特定機床編制的PLC梯形圖( 即程序) , 根據各種輸入、輸出狀態進行邏輯判斷, 如果發現問題, 在顯示器上產生報警信息。所以對一些PLC產生報警的故障, 或一些沒有報警的故障, 可以通過分析PLC的梯形圖對故障進行診斷, 利用NC系統的梯圖顯示功能或者機外編程器在線跟蹤梯形圖的運行, 可提高診斷故障的速度和準確性。下面以實例說明利用PLC程序診斷數控機床故障的方法。

一、故障現象

　　一臺沈陽第一機床廠生產的CAK6150Dj ( Fanuc 0iMate- TB系統) 數控車床出現換刀后不能停止現象: 在MDI方式下, 執行換到指令后, 進給指示燈不熄, 換刀命令不能結束, 無報警; 手動方式下, 換刀動作亦不能完成。

二、故障診斷過程

　　首先觀察故障現象, 執行換刀動作后, 刀架能夠按指令命令進行換刀, 刀架能正確到達所指定的刀位, 也能聽見刀架反轉鎖緊接觸器動作的聲音(打開電氣箱能更準確地看到接觸器的動作) 。延遲一段時間后, 反轉接觸器斷開, 但進給指示燈不滅, 指令沒有結束, 必須按下“復位”鍵才能中止指令的運行。用手搖動刀架, 沒有松動感覺。

　　觀察故障現象后并不急于立即動手解決問題, 而是向操作人員詳細了解故障發生時的情況, 得知故障是在正常關機后, 在開機時發生的, 沒有發生過意外和突發事件, 沒有對機床進行急停等緊急斷電操作; 同時察看報警信息歷史, 未有異常現象。綜合可知, 故障是在正常操作下產生的, 不存在緊急動作對系統的沖擊影響。

　　1.利用PLC查找故障點

　　首先要了解Fanuc PMC的相關信息, 特別是必須知道輸入、輸出端口符號的含義: X表示機床向PLC輸入的信號; Y表示PMC向機床的輸出信號; G表示PMC向CNC的輸出信號; F表示CNC向PMC的輸入信號, 如圖1。

　　由換刀動作可知, 刀具已經換到位, 也發出了反轉鎖緊信號, 但沒有完成動作。在數控系統中, 換刀動作由PLC控制( PLC控制M、S、T功能) , PLC在完成指令動作后向CNC反饋一個完成信號, CNC接到此信號后, 向PLC發出一個應答信號, 這樣才能完成一個指令動作。測試其他M、S指令動作, 均正常, 也就只是T指令功能存在問題。

　　查看PMC程序, 首先找到PLC向CNC發出的M、S、T功能完成信號的輸出端口G4.3, 相關梯形圖如圖2。

　　其中: R133.0為刀具選通信號, R341.0為主軸功能應答延時, R342.0 為G50, R360.0 為M代碼應答信號, F7.3 為TCODERESD信號。與換刀有關的顯然為R133.0。

　　執行換刀指令后, 確認R133.0未動作。

　　查看R133.0線圈, 相關梯形圖如圖3:

　　其中: R119.0為刀具功能選通信號, R130.0為刀具相等信號, R131.0為刀號為0, R132.0為刀號大于, R134.1為刀具動作信號2, R136.0為反轉鎖緊延遲信號保持, R137.0為正轉延時信號保持, R138.0為刀具反轉延時信號保持。

　　執行換刀命令, 觀察各觸點的動作情況: R119.0動作, 然后R130.0、R134.1動作, 最后R138.0動作。很明顯, 單純的從梯形圖來看, 在R138.0動作前, 只有R136.0、R130.0動作或者R130.0動作、R134.1不動這兩種情況下, R133.0線圈才能得電。而根據已觀察到的情況, R130.0、R134.1都動作了, 顯然應為第一個條件, 即R136.0應動作。另外, 一旦R138.0動作后, R133.0就不可能得電。

　　先查看R138.0線圈, 相關梯形圖如圖4:

　　其中: Y1.1為刀架正轉, Y1.2為刀架反轉, F1.1為復位,R135.2為反轉延時。

　　綜合觀察前后梯形圖, 可知R138.0為一保護線圈, 反轉電擊啟動后(Y1.1得電) , R134.1得電, 經過延時( TIM10設定值為4000) 后, R135.2得電, 使得R138.0得電, R1380.0便將反轉線圈Y1.2切斷, 起到保護作用。R138.0的切斷得得到復位信號F1.1( 即按下復位鍵) 。也就是說, 從刀架反轉開始到鎖緊、定位、停止, 整個過程必須在反轉延時定時器TIM10所設定的時間內完成; 一旦在此規定時間內未完成, 則保護線圈R138.0啟動, 切斷反轉動作。

　　在確認了R138.0為保護線圈后, 在查看R136.0的相關梯形圖如圖5:

　　由前述動作可知, R119.0已經動作, 顯然R136.0未動作是由于R135.3未動作而造成。

　　R135.3為反轉鎖緊后延時。

　　查看R135.3線圈, 相關梯形圖如圖6:

　　觀察: 在準備狀態下和換刀過程中, X6.6始終未得電, 而X6.6為刀架鎖緊信號, 當刀架到位, 反向鎖緊之后向系統發出到位信號X6.6。

　　至此, 可知在換刀過程中, 刀架到位后, 沒有發出反向鎖緊信號( 到位信號) , 只是保護電路動作, 將反轉電機切斷, 并使進給指示燈不滅, 系統必須以復位方式中止指令的執行。可以確定, 故障在刀塔處。

　　2.故障排除

　　由于刀架鎖緊信號X6.6未得電, 所以首先打開刀塔上端的端蓋, 查看鎖緊信號微動開關情況, 發現在準備狀態下, 微動開關處于未壓狀態, 感覺有疑問。但還是先檢察元件本身是否正常, 手動壓下微動開關, 觀察PMC梯形圖, 可以看見X6.6輸入繼電器動作, 說明元件良好。

　　由刀架動作過程分析, 刀架在換刀到位, 反向鎖緊后將壓住鎖緊信號微動開關, 并一直保持此狀態, 在刀架再次進行換刀動作時才松開, 此狀態顯然有問題。再次實施換刀動作, 整個過程中壓桿無動作, 說明刀架未被鎖緊到位。打開刀塔側面, 看齒輪動作情況, 發現在反轉接觸器吸合后, 齒輪沒有反轉。

　　分析刀架未到位的可能故障原因: (1) 刀架電機未進行反轉鎖緊動作; (2) 機械部分卡死。

　　檢查了反轉接觸器和線路, 正常, 再拆下刀架齒輪后, 驗證電機反轉正常。可見, 此故障是由于機械部分卡死, 造成電機反轉堵轉, 無法完成鎖緊、定位動作的。拆開刀塔后, 發現定位銷卡死, 有銹跡, 拆開后, 清洗、加油脂, 再裝配好, 換刀,恢復正常。

三、應用PLC程序進行數控機床故障診斷的步驟

　　PLC程序在診斷、分析數控系統故障時, 應用十分廣泛。其診斷方法及步驟如下:

　　(1) 按PLC報警號查閱機床提供的排除故障手冊, 找到相應的PLC程序模塊號(如PB, FB, SB等)和相應的報警點(如輸入點、輸出點、標志位、計時器等)。

　　(2) 按查找到的模塊號或報警點查找機床提供的PLC程序, 找到有關的程序段(SEGMENT)及所有影響報警點信號狀態的程序塊BLOCK。

　　(3) 對上述BLOCK進行信號邏輯狀態分析, 力求確定各BLOCK中操作數的標準信號狀態。

　　(4) 進行現場實時診斷。通過操作選擇診斷(DIAGNOSI9)功能, 即可實時讀出所需操作數的信號狀態。然后, 將實時狀態與標準狀態相比較, 若有不同點, 則該點是所要搜尋的故障點。

　　(5) 按電氣圖查找故障點對應的故障元件( 可用BW4040- EX等在線測試儀檢測)。

　　(6) 調整或更換故障元件, 排除故障。

四、結束語

　　現代數控系統基本都是將PLC技術、液壓傳動技術等集于一體的機電裝置, 而CNC與PLC之間則是以一系列接口信號形式相互通訊聯接, 以便于把數控程序變為PLC信號驅動相應動作。有些故障是與接口信號錯誤或丟失相關的,這些接口信號有的可以在相應的接口板和輸入/輸出板上有指示燈顯示,有的可以通過簡單操作在CRT屏幕上顯示,而所有的接口信號都可以用PLC編程器調出。這種檢查方法要求維修人員既要熟悉本機床的接口信號, 又要熟悉PLC編程器的使用方法。