何巍

（昆明鐵路局昆明機務段，云南 昆明 650000）

0 前言

在現(xiàn)代社會快速發(fā)展的背景下，數(shù)控機床為社會生產力的提升做出了突出貢獻。在新形勢下，數(shù)控機床技術結構越來越復雜，同時使用者對其生產效率、穩(wěn)定性提出了更高的要求。在實際應用中，數(shù)控機床的各類故障對生產活動的效率、安全等產生不利影響，同時還會造成直接的經濟損失。近年來，在PLC 技術越來越成熟的背景下，該技術在數(shù)控機床維修中的應用前景被充分看好。因此，有必要結合當下數(shù)控機床的應用場景，對PLC控制技術的應用思路及策略進行探究。

1 PLC 控制技術及數(shù)控機床維修概述

1.1 PLC 控制技術

PLC 控制技術是一種在現(xiàn)代自動化生產領域被大量應用的技術，其主要是基于傳統(tǒng)的順序控制器，融合現(xiàn)代計算機軟件技術、微電子技術、通信技術及信息技術，能夠實現(xiàn)邏輯編程、自動化乃至智能化控制的工業(yè)控制系統(tǒng)[1]。在傳統(tǒng)工業(yè)控制器中，主要是通過計時、技術及繼電器來實現(xiàn)順序控制，這是最初的自動化工業(yè)生產控制模式，是一種典型的硬性控制機制。在社會經濟進一步發(fā)展的大環(huán)境下，這種控制模式單一性、適應性不足的問題暴露。而PLC 控制技術加持下的控制系統(tǒng)，是一種柔性控制模式，具有適用性好、抗干擾能力強、自動化程度高、編程操作簡便的控制技術。PLC 控制系統(tǒng)主要由電源、微處理器、儲存設備、輸入設備、輸出設備等，其中微處理器是實現(xiàn)數(shù)據處理、指令發(fā)布的核心裝置。在相關技術進一步發(fā)展的情況下，微處理器將能夠實現(xiàn)對更多信息的實時采集、分析，并自動發(fā)出相應指令，這是實現(xiàn)智能化控制的關鍵所在。

1.2 數(shù)控機床維修

數(shù)控機床是現(xiàn)代工業(yè)生產中十分重要的生產設備，是一種安裝程序控制系統(tǒng)的自動化機床設備。其中，控制程序通常是通過對編碼、指令進行邏輯處理，通過譯碼轉為數(shù)字信息，輸入控制裝置，再通過運算處理發(fā)出指令，操控前端裝置按照設定的標準進行運轉，完成自動化生產任務。數(shù)控機床是一種能夠實現(xiàn)大批量、精細化、自動化生產的裝置，也是如今工業(yè)生產流水線中的核心設備。隨著現(xiàn)代工業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，生產精細化要求越來越高，數(shù)控機床內部結構、控制要素也越來越復雜化，意味著其涉及的故障類別也越來越復雜。為了有效保證生產質量、效率和安全，關于數(shù)控機床故障的識別、預防、緊急處理是十分重要的工作。傳統(tǒng)工作模式下，關于數(shù)控機床的故障維修，通常是通過故障燈或維修人員巡檢進行識別，再進行停機維修。顯然，這種模式下的故障維修工作效率較低，且多數(shù)屬于事后介入。在數(shù)控機床技術結構越來越復雜、故障類型越來越多樣化的情況下，其不能很好地滿足現(xiàn)代數(shù)控機床維修工作需求。

2 PLC 控制技術在數(shù)控機床故障維修中的應用價值

2.1 提高維修效率

如前文所述，傳統(tǒng)數(shù)控機床無論是故障識別、維修，還是防范，整個過程需要耗費大量的時間。這意味著有很大一部分故障的發(fā)生都可能產生直接的經濟損失，乃至嚴重的生產事故。尤其是在數(shù)控機床逐漸復雜化、故障類型多樣化的情況下，關于維修效率的提升要求越來越緊迫。PLC 控制技術作為一種更為智能的控制技術，一方面可以實現(xiàn)對數(shù)控機床更多運行參數(shù)的實時監(jiān)控、分析，為維修人員提供及時的故障分析報告；另一方面，通過PLC 控制系統(tǒng)編程，可以對一些常態(tài)化的故障進行監(jiān)控，在出現(xiàn)故障風險時及時發(fā)出預警，甚至同時控制設備相關裝置進行故障預處理。所以，無論是故障監(jiān)測，還是故障發(fā)生后的配合處理，通過PLC 控制技術都可以很大程度提升數(shù)控機床故障維修效率[2]。

2.2 有效實現(xiàn)事前管理

事實上，在現(xiàn)代數(shù)控機床維修工作中，做好故障監(jiān)測、提前介入處理，是十分重要的理念。唯有有效做好故障的防范和緊急處理，才能有效規(guī)避各類直接或簡潔的經濟損失。而PLC 控制技術本身在計算機軟件編程、邏輯控制、信息分析處理方面的應用優(yōu)勢，可以有效實現(xiàn)關于數(shù)控機床維修工作模式的轉變。也就是說，通過應用PLC 控制技術，改變傳統(tǒng)以事中、事后管理為主的管理維修管理模式，轉變?yōu)橐燥L險識別、提前預警、緊急處理為主的事前管理模式。值得一提的是，事前管理模式的構建，其意義不僅僅體現(xiàn)在數(shù)控機床維修管理中。在相關技術持續(xù)發(fā)展的情況下，這有助于實現(xiàn)數(shù)控機床全智能化控制、狀態(tài)監(jiān)測，幫助系統(tǒng)優(yōu)化操控模式、全面降低故障率。

2.3 轉變維修工作模式

傳統(tǒng)數(shù)控機床維修工作對維修技術人員的依賴性較強，通常需要維修技術人員對機床進行巡檢，采集各類故障信息。也就是說，從故障處理、原因分析，到故障風險的識別，都需要維修技術人員負責。顯然，這意味著故障維修工作質量與維修技術人員的專業(yè)基礎、工作經驗及職業(yè)素質直接相關。如今面對越來越復雜化的數(shù)控機床故障類型，不僅對維修技術人員的綜合素質要求更高，其所面對的工作壓力也非常大。而PLC 控制技術的應用，一方面可以通過自動化監(jiān)測和控制，完成常規(guī)性故障的監(jiān)測、預防乃至自動化處理；另一方面可以針對重點鼓掌問題為維修技術人員提供關鍵信息，并配合開展故障的預防和處理工作[3]。在PLC 控制技術進一步應用的情況下，數(shù)控機床維修技術人員的工作模式將逐步轉變，逐步形成以數(shù)據分析、故障識別和風險防范為主的工作模式。顯然，這與當下數(shù)控機床生產活動的轉型升級需求高度契合。

3 數(shù)控機床故障特征及危害

數(shù)控機床是由電氣、通信、機械等裝置構成的復雜系統(tǒng)，不僅涉及大量不同技術類型的裝置、線路、零部件，在運行中還有十分復雜的電力、通信、運算活動。隨著數(shù)控機床投入實際生產應用，其性能、狀態(tài)均會隨著時間推移而下降。數(shù)控機床的故障主要可以分為兩大類型，即潛在故障和功能性故障，前者一般發(fā)生于數(shù)控機床使用周期的前期，而后者一般發(fā)生于中后期。

對數(shù)控機床維修管理工作而言，數(shù)控機床的多數(shù)故障發(fā)生前都會出現(xiàn)一些預兆，其一般會通過各類物理參數(shù)或直接現(xiàn)象表現(xiàn)出來。如果維修人員及時抓住這些關鍵信息，即可對相關潛在故障進行識別與排查。潛在故障一般代表的是一種風險，可以通過針對性檢查、及時介入處理，或開展專業(yè)化的保養(yǎng)工作，排除誘發(fā)故障的因素[4]。潛在故障一般不會影響數(shù)控機床的核心功能，僅僅通過一些非正常狀態(tài)表現(xiàn)出來，包括異常噪聲、抖動、電壓不穩(wěn)等等。而功能性故障則是直接影響數(shù)控機床的正常運轉，甚至產生直接的經濟損失、誘發(fā)安全事故等。

潛在故障發(fā)展為功能性故障期間，通常會通過一些呈現(xiàn)發(fā)展趨勢的現(xiàn)象表現(xiàn)出來，直至某個臨界點發(fā)生實際故障。比如說，因為安裝不到位或混入雜物而導致軸承異常磨損、受力不均，零部件出現(xiàn)異常變形或裂紋，長時間未得到有效處理，裂紋、變形擴大，發(fā)生軸承斷裂故障。再比如，因某種原因導致電機溫度持續(xù)升高，到達其承受臨界點，導致電動機損壞故障。這個過程可能與設備、裝置自然損耗有關，可能與非正常工作狀態(tài)有關，也可能與工作環(huán)境有關。由潛在故障發(fā)展為功能性故障的時間可能在幾秒之間，也可能長達幾年。并且，隨著數(shù)控機床設備結構和技術類型越來越復雜，其故障識別與管理的復雜程度和難度也在不斷增高。

關于數(shù)控機床故障的危害，主要可以從以下幾方面進行分析：①在數(shù)控機床的各類故障中，不同因素和故障之間也可能存在復雜的關聯(lián)。除了潛在故障會誘發(fā)功能性故障以外，功能性故障的出現(xiàn)可能導致其他類型的故障。而其中部分潛在故障通常需要在發(fā)展到一定程度之后才能被發(fā)現(xiàn)，而此時已經導致了損失，同時也增加了故障緊急處理的難度和風險。②部分故障在未被發(fā)現(xiàn)的情況下直接影響生產質量，意味著在如今批量化生產場景下，可能直接導致大量產品無法達到質量要求，而產生經濟損失，并嚴重影響企業(yè)的生產計劃。③多數(shù)功能性故障的出現(xiàn)，會直接導致數(shù)控機床無法正常生產，給生產活動產生不良影響。而部分故障會引發(fā)漏電、火災乃至爆炸等事故，給現(xiàn)場人員人身安全及公私財產造成威脅。

4 應用PLC 控制技術的數(shù)控機床系統(tǒng)特征

近年來，數(shù)控機床技術不斷進步，其中PLC 技術的應用和融合是重要表現(xiàn)。在PLC 控制技術加持下的數(shù)控機床中，一般是通過CNC 數(shù)控裝置和PLC 進行融合而實現(xiàn)的?；谠撃Ｊ剑珻NC數(shù)控裝置負責零件程序編制、位置伺服控制、插補運算以及譯碼等功能的實現(xiàn)[5]。然后，利用PLC 裝置將CNC 數(shù)控裝置和機床進行連接，PLC 負責邏輯運算功能，涉及啟停數(shù)控主軸、更換刀具、控制冷卻液開關等操作。通常情況下，該技術模式下的數(shù)控系統(tǒng)無須對軌跡進行設定，通過直接控制相關輔助裝置即可完成開關操作。CNC 以PLC 為主要通道進行邏輯控制，同時通過PLC對外部邏輯信號進行反饋。在具體運行中，PLC 對CNC 裝置的順序動作信息進行接收，包括主軸轉速、選擇刀具、更換刀具、控制代碼輔助功能等。然后，通過譯碼轉換控制信號，控制輔助裝置，達到控制機床各個開關的目的。

從維修的角度來看，當數(shù)控機床面板指令被PLC 接收，其可以直接控制機床動作，提高對故障的識別、處理效率。在此同時，根據生產或維修團隊設定的方式，向CNC 裝置發(fā)送相關指令，便于實現(xiàn)對控制機制的優(yōu)化。在數(shù)控系統(tǒng)和機床之間，通過PLC 對電路進行轉換，同步開展信息通訊工作，實現(xiàn)雙向信號傳遞。PLC通過電路完成數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據交互。在數(shù)據交互期間，通過各個寄存器進行數(shù)據接收、轉化、處理及儲存。首先，將由PLC 輸出至機床及數(shù)控系統(tǒng)的開關信號作為依據，PLC 軟件工程師對機床與PLC 之間的信號交互進行定義，軟件嚴格執(zhí)行這一定義。在進行故障處理或機床技術結構優(yōu)化時，一般采用更改硬件接口的方式進行修改。在系統(tǒng)中，PLC 可以對核心寄存器進行任意使用。在系統(tǒng)斷電之后，由繼電器寄存器對需要保存的信息進行儲存，用于生產管理或維修人員使用。最后，PLC 外部參數(shù)寄存器負責對外部參數(shù)進行采集和儲存[6]。

5 PLC 控制技術在數(shù)控機床維修中的具體應用

針對數(shù)控機床維修工作應用PLC 技術，初始設計階段要基于生產經驗對數(shù)控機床的所有故障類型進行全面考慮，針對故障的特征就誘發(fā)因素等，做好相應的監(jiān)測參數(shù)設定。在本文研究中心，基于數(shù)控機床外圍故障的防治策略為，以PLC 的I/O 狀態(tài)，結合梯形圖為依據，完成數(shù)控機床故障的監(jiān)測、分析、診斷?；谠摾砟?，所形成的PLC 數(shù)控機床故障診斷流程為：首先，針對診斷結果和報警信息，對故障類型、位置進行范圍分析。其次，對監(jiān)測到的信號點為所在位置寄存器狀態(tài)進行分析，分析PLC 和其他環(huán)節(jié)之間的信號交互情況，以此精準鎖定故障位置。然后，由各類傳感器、軟件系統(tǒng)配合檢修人員對相關位置進行故障排查，達到精準、高效處理故障問題的目的。接下來，針對當下數(shù)控機床比較常見的急停報警故障及自動換刀故障進行實例分析。

5.1 急停報警故障

在數(shù)控機床運行期間，遇到突發(fā)狀況時可以通過按下急停按鈕讓機床停止運行。然后，數(shù)控系統(tǒng)在設備當前狀態(tài)全部急停按鈕處于打開狀態(tài)時，才能夠運行更換操作模式。而急停報警類故障主要表現(xiàn)為在長期處于急停狀態(tài)時，數(shù)控機床無法復位。比如，XHK715 數(shù)控加工中心出現(xiàn)急停后無法復位的故障，同時顯示面包發(fā)出急停報警信息。針對該故障，技術人員作如下分析：該數(shù)控機床的急停功能一般是通過PLC 程序控制急停電氣控制回路來實現(xiàn)，再具體實現(xiàn)過程中，首先要串聯(lián)超程限位開關的常閉觸點，然后要串聯(lián)急停按鈕，并在回路中串聯(lián)繼電器線圈[7]。接著，繼電器線圈處于聯(lián)通狀態(tài)，常開觸點閉合，產生輸入信號。通過XS8 接口來將手持單元上的急停按鈕和PLC 連接起來，打開狀態(tài)下PLC 輸入點有信號輸入時，數(shù)控機床急停狀態(tài)方可解除。

針對該故障的檢測，首先，確定運行允許信號之后，在標準PLC 配置系統(tǒng)定義輸入地址，并且要保證該地址信息和電氣連接線一致。然后，松開急停按鈕，通過PLC 狀態(tài)監(jiān)測界面觀察輸入點電平變化情況，輸入對應值。如果發(fā)現(xiàn)信號點沒有發(fā)生變化，則換衣急停電路中存在斷路的情況。如果發(fā)現(xiàn)信號點出現(xiàn)變化，則判斷急停回路不存在斷路故障。如果信號點變化情況和已定義的輸入點一致，技術人員緊接著要判斷PLC 程序是否準確，如果粗在差異則要對已定義的輸入點地址進行調整。例如，生產活動中某臺數(shù)控機床出現(xiàn)了抵擋故障，系統(tǒng)發(fā)出警報，技術人員隨機對其進行全面檢查。明確系統(tǒng)存在主軸掛擋錯誤時，對開關裝置進行更換。在實際運行中，觀察發(fā)現(xiàn)偶爾出現(xiàn)停車現(xiàn)象，但同時又沒有發(fā)出警報。這導致，數(shù)控機床使用效率和穩(wěn)定性無法達到生產要求。為此，技術人員使用PLC 對機床主軸轉動情況進行監(jiān)測，判斷主軸運行過程存在故障。在進一步分析中，對內部信號數(shù)據進行采集和分析，發(fā)現(xiàn)主軸程序轉動操作存在問題。通過這種方式，全面深入地進行了故障診斷，充分發(fā)揮了PLC 控制技術的應用優(yōu)勢。

5.2 自動換刀故障

在數(shù)控機床系統(tǒng)中，自動換刀裝置是非常關鍵的構成部分，現(xiàn)代數(shù)控機床的換刀裝置形式多樣，集成程度也比較高。具體類型包括回轉式、轉塔頭式等，這些裝置一般都通過PLC 自動換刀裝置進行動作流程控制。考慮到PLC 輸入輸出信號過多且過于復雜，因此在針對自動換刀系統(tǒng)故障進行排查時，要求技術人員對系統(tǒng)數(shù)控流程有全面的了解，并且要根據PLC 輸出信號進行分析[8]。例如，針對CNC6136 數(shù)控機床的自動換刀裝置故障排查，首先明確該設備采用的是回轉式電動刀架。操作人員發(fā)現(xiàn)該裝置在執(zhí)行換刀時，某個刀具持續(xù)轉動，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀超時的警報。技術人員隨即通過PLC 梯形圖程序進行故障分析，首先將換刀信號和刀具信息的一致性進行判斷。然后，通過PLC 對寄存器在刀具型號差異時控制繼電器動作，直至刀架電機正轉。在此同時，刀體隨之轉動，在刀具旋轉到位時霍爾元件發(fā)出相應信號，PLC 接收信號后再次判斷刀具一致性。如果監(jiān)測到一致的信息，則在稍作延遲之后停止轉動，由PLC 對另一繼電器進行控制，讓刀架電機反轉。如果監(jiān)測到不一致的信息，則讓電機持續(xù)保持正轉狀態(tài)?？紤]到自動換刀系統(tǒng)存在故障，那么技術人員可以在PLC 梯形圖程序中，將各個刀具的信號位置和機床電氣原理圖進行結合，分析信號輸入情況，如果輸入正常，則對梯形圖程序進行進一步檢查和故障分析。如果發(fā)現(xiàn)信號輸入不正常，則觀察霍爾元件是否存在故障，并同步對電源供給、線路、同磁鐵高度一致性進行檢查。

6 結語

綜上所述，在現(xiàn)代工業(yè)生產活動中，數(shù)控機床是十分重要的核心設備，其運行狀態(tài)與生產效率、質量和安全性都息息相關。因此，關于數(shù)控機床的故障風險識別、檢測及及時處理工作尤為重要，高水平的數(shù)控機床故障管理對提高生產效益都有積極意義。在現(xiàn)代技術持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，PLC 控制技術在數(shù)控機床設備中的應用價值越來越高。為此，數(shù)控機床故障檢修管理人員應當重視對PLC 控制技術的研究和應用，結合數(shù)控機床的技術特征及生產要求，充分發(fā)揮PLC 控制技術在信息識別處理、自動化控制等方面的應用價值，促進數(shù)控機床故障維修工作水平的全面提升。