何巍

（昆明铁路局昆明机务段，云南 昆明 650000）

0 前言

在现代社会快速发展的背景下，数控机床为社会生产力的提升做出了突出贡献。在新形势下，数控机床技术结构越来越复杂，同时使用者对其生产效率、稳定性提出了更高的要求。在实际应用中，数控机床的各类故障对生产活动的效率、安全等产生不利影响，同时还会造成直接的经济损失。近年来，在PLC 技术越来越成熟的背景下，该技术在数控机床维修中的应用前景被充分看好。因此，有必要结合当下数控机床的应用场景，对PLC控制技术的应用思路及策略进行探究。

1 PLC 控制技术及数控机床维修概述

1.1 PLC 控制技术

PLC 控制技术是一种在现代自动化生产领域被大量应用的技术，其主要是基于传统的顺序控制器，融合现代计算机软件技术、微电子技术、通信技术及信息技术，能够实现逻辑编程、自动化乃至智能化控制的工业控制系统[1]。在传统工业控制器中，主要是通过计时、技术及继电器来实现顺序控制，这是最初的自动化工业生产控制模式，是一种典型的硬性控制机制。在社会经济进一步发展的大环境下，这种控制模式单一性、适应性不足的问题暴露。而PLC 控制技术加持下的控制系统，是一种柔性控制模式，具有适用性好、抗干扰能力强、自动化程度高、编程操作简便的控制技术。PLC 控制系统主要由电源、微处理器、储存设备、输入设备、输出设备等，其中微处理器是实现数据处理、指令发布的核心装置。在相关技术进一步发展的情况下，微处理器将能够实现对更多信息的实时采集、分析，并自动发出相应指令，这是实现智能化控制的关键所在。

1.2 数控机床维修

数控机床是现代工业生产中十分重要的生产设备，是一种安装程序控制系统的自动化机床设备。其中，控制程序通常是通过对编码、指令进行逻辑处理，通过译码转为数字信息，输入控制装置，再通过运算处理发出指令，操控前端装置按照设定的标准进行运转，完成自动化生产任务。数控机床是一种能够实现大批量、精细化、自动化生产的装置，也是如今工业生产流水线中的核心设备。随着现代工业生产规模不断扩大，生产精细化要求越来越高，数控机床内部结构、控制要素也越来越复杂化，意味着其涉及的故障类别也越来越复杂。为了有效保证生产质量、效率和安全，关于数控机床故障的识别、预防、紧急处理是十分重要的工作。传统工作模式下，关于数控机床的故障维修，通常是通过故障灯或维修人员巡检进行识别，再进行停机维修。显然，这种模式下的故障维修工作效率较低，且多数属于事后介入。在数控机床技术结构越来越复杂、故障类型越来越多样化的情况下，其不能很好地满足现代数控机床维修工作需求。

2 PLC 控制技术在数控机床故障维修中的应用价值

2.1 提高维修效率

如前文所述，传统数控机床无论是故障识别、维修，还是防范，整个过程需要耗费大量的时间。这意味着有很大一部分故障的发生都可能产生直接的经济损失，乃至严重的生产事故。尤其是在数控机床逐渐复杂化、故障类型多样化的情况下，关于维修效率的提升要求越来越紧迫。PLC 控制技术作为一种更为智能的控制技术，一方面可以实现对数控机床更多运行参数的实时监控、分析，为维修人员提供及时的故障分析报告；另一方面，通过PLC 控制系统编程，可以对一些常态化的故障进行监控，在出现故障风险时及时发出预警，甚至同时控制设备相关装置进行故障预处理。所以，无论是故障监测，还是故障发生后的配合处理，通过PLC 控制技术都可以很大程度提升数控机床故障维修效率[2]。

2.2 有效实现事前管理

事实上，在现代数控机床维修工作中，做好故障监测、提前介入处理，是十分重要的理念。唯有有效做好故障的防范和紧急处理，才能有效规避各类直接或简洁的经济损失。而PLC 控制技术本身在计算机软件编程、逻辑控制、信息分析处理方面的应用优势，可以有效实现关于数控机床维修工作模式的转变。也就是说，通过应用PLC 控制技术，改变传统以事中、事后管理为主的管理维修管理模式，转变为以风险识别、提前预警、紧急处理为主的事前管理模式。值得一提的是，事前管理模式的构建，其意义不仅仅体现在数控机床维修管理中。在相关技术持续发展的情况下，这有助于实现数控机床全智能化控制、状态监测，帮助系统优化操控模式、全面降低故障率。

2.3 转变维修工作模式

传统数控机床维修工作对维修技术人员的依赖性较强，通常需要维修技术人员对机床进行巡检，采集各类故障信息。也就是说，从故障处理、原因分析，到故障风险的识别，都需要维修技术人员负责。显然，这意味着故障维修工作质量与维修技术人员的专业基础、工作经验及职业素质直接相关。如今面对越来越复杂化的数控机床故障类型，不仅对维修技术人员的综合素质要求更高，其所面对的工作压力也非常大。而PLC 控制技术的应用，一方面可以通过自动化监测和控制，完成常规性故障的监测、预防乃至自动化处理；另一方面可以针对重点鼓掌问题为维修技术人员提供关键信息，并配合开展故障的预防和处理工作[3]。在PLC 控制技术进一步应用的情况下，数控机床维修技术人员的工作模式将逐步转变，逐步形成以数据分析、故障识别和风险防范为主的工作模式。显然，这与当下数控机床生产活动的转型升级需求高度契合。

3 数控机床故障特征及危害

数控机床是由电气、通信、机械等装置构成的复杂系统，不仅涉及大量不同技术类型的装置、线路、零部件，在运行中还有十分复杂的电力、通信、运算活动。随着数控机床投入实际生产应用，其性能、状态均会随着时间推移而下降。数控机床的故障主要可以分为两大类型，即潜在故障和功能性故障，前者一般发生于数控机床使用周期的前期，而后者一般发生于中后期。

对数控机床维修管理工作而言，数控机床的多数故障发生前都会出现一些预兆，其一般会通过各类物理参数或直接现象表现出来。如果维修人员及时抓住这些关键信息，即可对相关潜在故障进行识别与排查。潜在故障一般代表的是一种风险，可以通过针对性检查、及时介入处理，或开展专业化的保养工作，排除诱发故障的因素[4]。潜在故障一般不会影响数控机床的核心功能，仅仅通过一些非正常状态表现出来，包括异常噪声、抖动、电压不稳等等。而功能性故障则是直接影响数控机床的正常运转，甚至产生直接的经济损失、诱发安全事故等。

潜在故障发展为功能性故障期间，通常会通过一些呈现发展趋势的现象表现出来，直至某个临界点发生实际故障。比如说，因为安装不到位或混入杂物而导致轴承异常磨损、受力不均，零部件出现异常变形或裂纹，长时间未得到有效处理，裂纹、变形扩大，发生轴承断裂故障。再比如，因某种原因导致电机温度持续升高，到达其承受临界点，导致电动机损坏故障。这个过程可能与设备、装置自然损耗有关，可能与非正常工作状态有关，也可能与工作环境有关。由潜在故障发展为功能性故障的时间可能在几秒之间，也可能长达几年。并且，随着数控机床设备结构和技术类型越来越复杂，其故障识别与管理的复杂程度和难度也在不断增高。

关于数控机床故障的危害，主要可以从以下几方面进行分析：①在数控机床的各类故障中，不同因素和故障之间也可能存在复杂的关联。除了潜在故障会诱发功能性故障以外，功能性故障的出现可能导致其他类型的故障。而其中部分潜在故障通常需要在发展到一定程度之后才能被发现，而此时已经导致了损失，同时也增加了故障紧急处理的难度和风险。②部分故障在未被发现的情况下直接影响生产质量，意味着在如今批量化生产场景下，可能直接导致大量产品无法达到质量要求，而产生经济损失，并严重影响企业的生产计划。③多数功能性故障的出现，会直接导致数控机床无法正常生产，给生产活动产生不良影响。而部分故障会引发漏电、火灾乃至爆炸等事故，给现场人员人身安全及公私财产造成威胁。

4 应用PLC 控制技术的数控机床系统特征

近年来，数控机床技术不断进步，其中PLC 技术的应用和融合是重要表现。在PLC 控制技术加持下的数控机床中，一般是通过CNC 数控装置和PLC 进行融合而实现的。基于该模式，CNC数控装置负责零件程序编制、位置伺服控制、插补运算以及译码等功能的实现[5]。然后，利用PLC 装置将CNC 数控装置和机床进行连接，PLC 负责逻辑运算功能，涉及启停数控主轴、更换刀具、控制冷却液开关等操作。通常情况下，该技术模式下的数控系统无须对轨迹进行设定，通过直接控制相关辅助装置即可完成开关操作。CNC 以PLC 为主要通道进行逻辑控制，同时通过PLC对外部逻辑信号进行反馈。在具体运行中，PLC 对CNC 装置的顺序动作信息进行接收，包括主轴转速、选择刀具、更换刀具、控制代码辅助功能等。然后，通过译码转换控制信号，控制辅助装置，达到控制机床各个开关的目的。

从维修的角度来看，当数控机床面板指令被PLC 接收，其可以直接控制机床动作，提高对故障的识别、处理效率。在此同时，根据生产或维修团队设定的方式，向CNC 装置发送相关指令，便于实现对控制机制的优化。在数控系统和机床之间，通过PLC 对电路进行转换，同步开展信息通讯工作，实现双向信号传递。PLC通过电路完成数控系统的数据交互。在数据交互期间，通过各个寄存器进行数据接收、转化、处理及储存。首先，将由PLC 输出至机床及数控系统的开关信号作为依据，PLC 软件工程师对机床与PLC 之间的信号交互进行定义，软件严格执行这一定义。在进行故障处理或机床技术结构优化时，一般采用更改硬件接口的方式进行修改。在系统中，PLC 可以对核心寄存器进行任意使用。在系统断电之后，由继电器寄存器对需要保存的信息进行储存，用于生产管理或维修人员使用。最后，PLC 外部参数寄存器负责对外部参数进行采集和储存[6]。

5 PLC 控制技术在数控机床维修中的具体应用

针对数控机床维修工作应用PLC 技术，初始设计阶段要基于生产经验对数控机床的所有故障类型进行全面考虑，针对故障的特征就诱发因素等，做好相应的监测参数设定。在本文研究中心，基于数控机床外围故障的防治策略为，以PLC 的I/O 状态，结合梯形图为依据，完成数控机床故障的监测、分析、诊断。基于该理念，所形成的PLC 数控机床故障诊断流程为：首先，针对诊断结果和报警信息，对故障类型、位置进行范围分析。其次，对监测到的信号点为所在位置寄存器状态进行分析，分析PLC 和其他环节之间的信号交互情况，以此精准锁定故障位置。然后，由各类传感器、软件系统配合检修人员对相关位置进行故障排查，达到精准、高效处理故障问题的目的。接下来，针对当下数控机床比较常见的急停报警故障及自动换刀故障进行实例分析。

5.1 急停报警故障

在数控机床运行期间，遇到突发状况时可以通过按下急停按钮让机床停止运行。然后，数控系统在设备当前状态全部急停按钮处于打开状态时，才能够运行更换操作模式。而急停报警类故障主要表现为在长期处于急停状态时，数控机床无法复位。比如，XHK715 数控加工中心出现急停后无法复位的故障，同时显示面包发出急停报警信息。针对该故障，技术人员作如下分析：该数控机床的急停功能一般是通过PLC 程序控制急停电气控制回路来实现，再具体实现过程中，首先要串联超程限位开关的常闭触点，然后要串联急停按钮，并在回路中串联继电器线圈[7]。接着，继电器线圈处于联通状态，常开触点闭合，产生输入信号。通过XS8 接口来将手持单元上的急停按钮和PLC 连接起来，打开状态下PLC 输入点有信号输入时，数控机床急停状态方可解除。

针对该故障的检测，首先，确定运行允许信号之后，在标准PLC 配置系统定义输入地址，并且要保证该地址信息和电气连接线一致。然后，松开急停按钮，通过PLC 状态监测界面观察输入点电平变化情况，输入对应值。如果发现信号点没有发生变化，则换衣急停电路中存在断路的情况。如果发现信号点出现变化，则判断急停回路不存在断路故障。如果信号点变化情况和已定义的输入点一致，技术人员紧接着要判断PLC 程序是否准确，如果粗在差异则要对已定义的输入点地址进行调整。例如，生产活动中某台数控机床出现了抵挡故障，系统发出警报，技术人员随机对其进行全面检查。明确系统存在主轴挂挡错误时，对开关装置进行更换。在实际运行中，观察发现偶尔出现停车现象，但同时又没有发出警报。这导致，数控机床使用效率和稳定性无法达到生产要求。为此，技术人员使用PLC 对机床主轴转动情况进行监测，判断主轴运行过程存在故障。在进一步分析中，对内部信号数据进行采集和分析，发现主轴程序转动操作存在问题。通过这种方式，全面深入地进行了故障诊断，充分发挥了PLC 控制技术的应用优势。

5.2 自动换刀故障

在数控机床系统中，自动换刀装置是非常关键的构成部分，现代数控机床的换刀装置形式多样，集成程度也比较高。具体类型包括回转式、转塔头式等，这些装置一般都通过PLC 自动换刀装置进行动作流程控制。考虑到PLC 输入输出信号过多且过于复杂，因此在针对自动换刀系统故障进行排查时，要求技术人员对系统数控流程有全面的了解，并且要根据PLC 输出信号进行分析[8]。例如，针对CNC6136 数控机床的自动换刀装置故障排查，首先明确该设备采用的是回转式电动刀架。操作人员发现该装置在执行换刀时，某个刀具持续转动，数控系统发出换刀超时的警报。技术人员随即通过PLC 梯形图程序进行故障分析，首先将换刀信号和刀具信息的一致性进行判断。然后，通过PLC 对寄存器在刀具型号差异时控制继电器动作，直至刀架电机正转。在此同时，刀体随之转动，在刀具旋转到位时霍尔元件发出相应信号，PLC 接收信号后再次判断刀具一致性。如果监测到一致的信息，则在稍作延迟之后停止转动，由PLC 对另一继电器进行控制，让刀架电机反转。如果监测到不一致的信息，则让电机持续保持正转状态。考虑到自动换刀系统存在故障，那么技术人员可以在PLC 梯形图程序中，将各个刀具的信号位置和机床电气原理图进行结合，分析信号输入情况，如果输入正常，则对梯形图程序进行进一步检查和故障分析。如果发现信号输入不正常，则观察霍尔元件是否存在故障，并同步对电源供给、线路、同磁铁高度一致性进行检查。

6 结语

综上所述，在现代工业生产活动中，数控机床是十分重要的核心设备，其运行状态与生产效率、质量和安全性都息息相关。因此，关于数控机床的故障风险识别、检测及及时处理工作尤为重要，高水平的数控机床故障管理对提高生产效益都有积极意义。在现代技术持续发展的大环境下，PLC 控制技术在数控机床设备中的应用价值越来越高。为此，数控机床故障检修管理人员应当重视对PLC 控制技术的研究和应用，结合数控机床的技术特征及生产要求，充分发挥PLC 控制技术在信息识别处理、自动化控制等方面的应用价值，促进数控机床故障维修工作水平的全面提升。