1、2023-1-111第6章 数控机床电气与可编程控制器的故障诊断与维护2023-1-112第6章 机床电气与可编程控制器的故障诊断与维护 6.1 机床可编程控制器简介 6.2 FANUC PMC 6.3 SIEMENS 802D可编程控制器简介 6.4数控机床可编程控制器的故障诊断 6.5机床电气维护及故障诊断报警不能解除的故障：紧急停止不能解除是一个常见的故障，当故障发生时显示器下方显示“紧急停止”或“EMERGENCY STOP”，机床操作面板方式开关不能切换，MCC 不吸合伺服及主轴放大器不能工作，系统并不发出具体的报警号，根据机床厂PMC 报警编辑不同，有时会出现1000#以后的PMC
2、 报警。从PMC角度分析紧急停止处理的工作过程。查看梯形图（参见下图），发现在G8.4 之前串接了许多输入信号，其中X8.4（*ESP）状态良好，但是X2.6 断开、R18.7 激活由闭触点变为开触点，所以G8.4断开，变为低电平，*ESP 触发，CNC 紧急停止。参照机床说明书，了解到X2.6 是侧头信号，R18.7 是侧头保护中间继电器信号，进一步检查侧头装置，发现侧头装置报警，导致X2.6 和R18.7 无法正常工作，修复侧头放大器后，问题解决，CNC 紧急停止信号释放。引例引例2023-1-115 数控机床用PLC可分为两类。一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的“内装型”（Bui
3、lt-in Type）PLC。另一类是输入输出信号接口技术规范、输入输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的“独立型”（Stand-alone Type）PLC。6.1 机床可编程控制器简介机床可编程控制器简介6.1.1数控机床用数控机床用PLC2023-1-116 1.“内装型”PLC“内装型”PLC（或称“内含型”PLC、“集成式”PLC）从属于CNC装置，PLC与NC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT间则通过CNC输入输出接口电路实现信号传送（如图6-1所示）。2.“独立型”PLC“独立型”PLC又称“通用型”PLC。独立型PLC是独立于CNC
4、装置，具有完备的硬件和软件功能，能够独立完成规定控制任务的装置。采用独立型PLC的数控机床系统框图如图6-2所示：2023-1-1176.1.2 PLC的工作过程的工作过程 用户程序通过编程器顺序输入到用户存储器，CPU对用户程序循环扫描并顺序执行，这是PLC的基本工作过程。对用户程序的循环扫描执行过程，可分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段，如图6-3所示。1.输入采样阶段 2.程序执行阶段 3.输出刷新阶段 PMC与PLC非常相似，因为专用于机床，所以称为可编程序机床控制器。与传统的继电器控制电路相比较，PMC的优点有：时间响应快，控制精度高，可靠性好，控制程序可随应用场合的不同而改变
5、，与计算机的接口及维修方便。另外，由于PMC使用软件来实现控制，可以进行在线修改，所以有很大的灵活性，具备广泛的工业通用性。数控机床作为自动化控制设备，是在自动控制下进行工作的，数控机床所受控制可分为两类：6.2 FANUC PMC2023-1-1186.2.1 PMC 简介简介 一类是最终实现对各坐标轴运动进行的“数字控制”。另一类为“顺序控制”。常把数控机床分为“NC侧”和“MT侧”（即机床侧）两大部分。“NC侧”包括CNC系统的硬件和软件，与CNC系统连接的外围设备（如显示器、MDI面板等）。“MT侧”则包括机床机械部分及其液压、气压、冷却、润滑、排屑等辅助装置、机床操作面板、继电器线路
6、、机床强电线路等。PMC处于NC与MT之间，对NC和MT的输入、输出信号进行处理。MT侧顺序控制的最终对象随数控机床的类型、结构、辅助装置等的不同而有很大的差别。机床结构越复杂，辅助装置越多，最终受控对象也越多。FANUC数控系统各信号信息交换如图6-4所示。2023-1-1196.2.2 PMC的程序执行顺序的程序执行顺序 1.顺序程序的概念所谓的顺序程序是指对机床及相关设备进行逻辑控制的程序。在将程序转换成某种格式（机器语言）后，CPU即对其进行译码和运算处理，并将结果存储在RAM和ROM中。CPU高速读出存储在存储器中的每条指令，通过算数运算来执行程序。如6-5图所示：2.顺序程序和继电
7、器电路的区别图6-6所示：继电器回路（A）和（B）的动作相同。接通A（按钮开关）后线圈B和C中有电流通过，C接通后B断开。PMC程序 A中，和继电器回路一样，A通后B、C接通，经过一个扫描周期后B关断。但在B中，A（按钮开关）接通后C接通，但B并不接通。所以通过图例我们可以明白PMC顺序扫描顺序执行的原理。2023-1-11103PMC的程序结构 对于FANUC的PMC来说，其程序结构如下：第一级程序第二级程序第三级程序（视PMC的种类不同而定）子程序结束。在PMC执行扫描过程中第一级程序每8ms 执行一次，而第二级程序在向CNC的调试RAM中传送时，第二级程序根据程序的长短被自动分割成n等分
8、，每8ms中扫描完第一级程序后，再依次扫描第二级程序，所以整个PMC的执行周期是n*8ms。具体如图6-7所示。输入输出信号的处理见图6-8所示：2023-1-11116.2.3 I/O LINK1概论对于PMC在数控机床上的应用来说信号地址可以分成两大类，内部地址（G、F）和外部地址（X、Y）。PMC采集机床侧的外部输入信号（如：机床操作面板、机床外围开关信号等）和NC内部信号（M、S、T代码，轴的运行状态等）经过相应的梯形图的逻辑控制，产生控制NC运行的内部输出信号（如：操作模式、速度、启动停止等）和控制机床辅助动作外部输出信号（如：液气压、转台、刀库等中间继电器）。如图6-9所示：202
9、3-1-11122I/O模块在FANUC系统中I/O单元的种类很多，下面将比较常用的模块介绍一下。表6-1 FANUC I/O模块比较列表。3I/O模块的连接（1）信号的连接 如图6-106-13所示。（2）I/O LINK的设定（地址分配）：如图6-15例，在6-14图中系统连接了3块I/O模块，第一块为机床操作面板，第二块为分线盘I/O模块，第三块为I/O unit-A模块。其物理连接顺序决定了其组号的定义即依次为第0组、第1组、第2组。其次再决定每一组所控制的输入输出的起始地址，如6-16图所示。确定好以上的条件后我们就可以开始进行实际的设定操作了。2023-1-11136.2.4 PM
10、C 指令系统指令系统在FANUC PMC中有两种指令：基本指令和功能指令。当设计顺序程序时，使用最多的是基本指令，基本指令共12条。功能指令便于机床特殊运行控制的编程，在FANUC系列的PLC中，规格型号不同时，只是功能指令的数目有所不同。本节FANUC-0i系统的PMC-SA1/SA3/SB7为例，介绍FANUC系统常用PMC功能指令的功能及指令格式,FANUC 0i mate C 系统PMC型号为SA1。1PMC基本指令基本指令只是对二进制位进行与、或、非的逻辑操作，基本指令如表6-3所列。2功能指令 2023-1-1114 SIEMENS 802D 数控系统采用内嵌型PLC，其PLC为S
11、7-200。用户使用的S7-200 PLC中的每一个I/O、内部存储单元、定时器和计数器等都被称为软元件。各个元件有其不同的功能，有固定的地址。编程时，用户只需要记住软元件的地址即可。每个软元件有一个地址与之对应，软元件的地址编排采用区域号加区域内编号的方式。即PLC内部根据软元件的功能不同，分成了很多区域，如I/O继电器区、定时器区、计数器区、特殊继电器区等，分别用I、Q、T、C、SM等来表示。6.3 SIEMENS 802D可编程控制器简介可编程控制器简介2023-1-11151输入继电器（I）2输出继电器（Q）3通用辅助继电器（M）4 特殊继电器（SM）：表6-4 特殊标志（SM）位定义
12、5定时器（T）6计数器（C）7变量存储器（V）8局部变量存储器（L）9累加器（AC）2023-1-11166.3.1 S7-200软元件类型及功能软元件类型及功能1数据类型及范围：不同长度的整数所表示的数值范如表6-5所示。2常数：几种常数形式分别如表6-6所示。2023-1-11176.3.2S7-200 中的数据类型中的数据类型1编址方式（1）位编址：（2）字节编址（3）字编址：（4）双字编址：2寻址方式（1）直接寻址：（2）间接寻址：2023-1-11186.3.3 S7-200的编址与寻址方式的编址与寻址方式 1指令系统S7-200 系列PLC主机中有两类基本指令集：SIMATIC指令
13、集和IEC 1131-3指令集，程序员可以任选一种。提供了许多类型的指令以完成广泛的自动化任务。SIMATIC指令集：是为S7-200系列PLC设计的，本指令通常执行时间短，而且可以用LAD、STL和FBD三种编程语言。IEC 1131-3指令集是不同PLC厂家的指令标准，它不能使用STL编程语言。关于PLC指令系统的详细介绍，请参阅相关文献，本书不做介绍。2023-1-11196.3.4S7-200指令系统和程序结构指令系统和程序结构 2PLC的程序结构S7-200 CPU的控制程序由主程序，子程序和中断程序组成；主程序：(OB1)每个项目只有一个主程序，在主程序中可以调用子程序和中断程序；
14、子程序：（SBR）可选的指令的集合，仅在被其他程序调用时执行。中断程序：中断程序不是被主程序调用，他们在中断事件发生时由操作系统调用；2023-1-11201S7-200 可编程控制器的编程软件 Programming Tool PLC 802 Version 3.1软件是基于STEP7 Micro/WIN32基础上开发的，编程软件为用户开发、编辑和监控自己的应用程序提供了良好的编程环境，如图6-35所示。2023-1-11216.3.5 SIEMENS 802D可编程控制器的可编程控制器的编程软件编程软件 数控机床可编程控制器故障的表现形式、数控机床可编程控制器故障诊断的方法。PMC的故障多
15、出现在点的输入输出是否正常，动作是否正常执行。要对其进行有效的诊断就要借助PMC提供的各项功能对PMC进行诊断。PMC的诊断分动态和静态两种。在诊断时一定先确定PMC为运行状态。本节以FANUC 0i mate c系统为例进行说明。6.4数控机床可编程控制器的故障诊断数控机床可编程控制器的故障诊断 2023-1-11221静态诊断静态诊断就是查看梯形图I/O模块的链接状况和查看PMC各个信号的ON/OFF状态。（1）查看PMC I/O LINK查看PMC模块链接是否正常。（2）在系统PMC运行情况下检查各个点的ON/OFF状态是否正常。2动态的进行诊断LADDER运行，动作若不能正常执行，并带
16、有误操作。（1）通过梯形图进行直接诊断，查看相关点的接通、关断（ON/OFF）状态。（2）利用TRACE进行点的状态跟踪2023-1-11236.4.1 PMC 故障诊断故障诊断在实际工作中，了解和熟悉 FANUC 系统丰富的操作功能，对外围故障的判断和排除有着事半功倍的作用。在这里，举例谈一下使用 FANUC 系统内嵌的强大、易用的 PMC 功能对外围故障的快速判断和排除。1功能1 操作方法：按功能键 SYSTEM 切换屏幕按PMC软键,再按相应的软键,便可分别进入PMCLAD梯形图程序显示功能、PMCDGNPMC的 I/0 信号及内部继电器显示功能、|PMCPRMPMC 参数和显示功能。2
17、023-1-11246.4.2 PMC在数控系统故障诊断中的应用在数控系统故障诊断中的应用举例举例2功能2 在FANUC系统的梯形图编程语言中，F 是来自 NC 侧的输入信号(NC PMC)，而G是由 PMC输出到NC的信号(PMC NC)。其中，G130 是 PMC 输出到 NC 侧的各轴互锁信号，当其中某一位被置为“1”时，允许对应的伺服轴移动；为“0”时，禁止对应的伺服轴移动。3功能3 PMC中的眼踪功能(TRACE)是一个可检查信号变化的履历，记录信号连续变化的状态，特别对一些偶发性的、特殊故障的查找、定位起着重要的作用。用功能键SYSTEM切换屏幕，按PMC软键PMCDGNTRACE
18、即可进入信号跟踪屏幕。2023-1-11256.4.2 PMC在数控系统故障诊断中的应用在数控系统故障诊断中的应用举例举例 数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失往往很大。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。由于数控机床日常出现的多为电气故障，所以电气维修更为重要。6.5 机床电气维护及故障诊断机床电气维护
19、及故障诊断 2023-1-11261人员条件数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。(1)首先是有高度的责任心和良好的职业道德。(2)知识面要广。(3)应经过良好的技术培训。(4)勇于实践。(5)掌握科学的方法。(6)学习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。(7)掌握一门外语，特别是英语。起码应做到能看懂技术资料。2物质条件(1)准备好通用的和某台数控机床专用的电气备件。2023-1-11276.5.1 数控机床维修的要求数控机床维修的要求(2)非必要的常备电器元件应做到采购渠道快速畅通。(3)必要的维修工具、仪器仪表等，最好配有笔记本电脑并装有必要的维修
20、软件。(4)每台数控机床所配有的完整的技术图样和资料。(5)数控机床使用、维修技术档案材料。3关于预防性维护预防性维护的目的是为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。(1)人员安排(2)建规建档(3)日常保养(4)提高利用率 2023-1-11281常见电气故障分类数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。(1)以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。(2)以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。(3)以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。(4)以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。(5)以机床的运动品质特性来衡量，则是
21、机床运动特性下降的故障。2故障的调查与分析这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作：询问调查 现场检查 故障分析 2023-1-11296.5.2维修与排故技术维修与排故技术确定原因 排故准备。下面把电气故障的常用诊断方法综列于下。(1)直观检查法：询问 目视 触摸 通电(2)仪器检查法(3)信号与报警指示分析法：硬件报警指示 软件报警指示(4)接口状态检查法(5)参数调整法(6)备件置换法(7)交叉换位法(8)特殊处理法2023-1-11303电气维修与故障的排除这是排故的第二阶段，是实施阶段。本节则列举几个常见电气故障做一简要介绍，供维修者参考。(1)电源(2)数控系统位置
22、环故障(3)机床坐标找不到零点(4)机床动态特性变差，工件加工质量下降，甚至在一定速度下机床发生振动(5)偶发性停机故障(6)接地4维修排故后的总结提高工作对数控机床电气故障进行维修和分析排除后的总结与提高工作是排故的第三阶段，也是十分重要的阶段，应引起足够重视。2023-1-11312023-1-11322023-1-1133图6-1 具有内装型PLC的CNC机床系统框图图6-2 具有独立型PLC的CNC机床系统框图2023-1-1134图6-3 PLC程序执行的过程2023-1-11352023-1-1136数控系统接收驱动负载电源公共端DI/DOGFXY*ESP，*DECx等保持型继电器
23、Counter (C)Timer(T)Keep relay(K)Data table(D)Variable table(D)中间继电器(R)图6-4 FANUC系统信息交换图机床图6-5 顺序程序执行过程2023-1-1137图6-6 顺序程序举例2023-1-11382023-1-1139输出信号输入信号-1-2-3输入信号输出信号接收电路驱动电路输入信号输出信号信号同步来自NC 到NC来自MT到MTNCMT周期时间1级程序2级程序-1-2-3-1图6-7 PMC程序执行顺序第1级程序第2级程序END1 END2 END END1END2图6-8 信号处理示意图2023-1-1140图6-9
24、 PMC 信息交换图注：所谓的高速处理信号为外部输入信号采用固定地址，由系统直接读取这些信号而不经过PMC处理，因此称之为高速输入信号。2023-1-1141表6-1 FANUC I/O模块比较列表 2023-1-1142装置名说明手轮连接信号点数输入/输出0i用I/O单元 模块在0i-C系列上使用的机床I/O接口，它和0i-B系列内置的I/O卡具有相同的功能有96/64机床操作面板模块是装在机床操作面板上带有矩阵开关和LED 有96/64操作盘I/O模块带有机床操作盘接口的装置，0i系统上常见。有48/322023-1-1143分线盘I/O模块是一种分散型的I/O模块，能适应机床强电电路输入
25、输出信号的任意组合的要求，由基本单元和最大三块扩展单元组成。有（注）96/64FANUC I/OUNIT A/B是一种模块结构的I/O装置，能适应机床强电输入输出任意组合的要求。无最大256/256I/O LINK轴使用 系列SVU（带I/O LINK）可以通过PMC外部信号来控制伺服电机进行定位。无128/128图6-10 漏型输入示意图2023-1-1144图6-11 源型输入示意图图6-12漏型输出示意图图6-13 源型输出示意图图6-14 I/O LINK连接示意图2023-1-1145图6-15 I/O 管脚示意图2023-1-1146图6-16 X设定2023-1-1147表6-3
26、 基本指令表2023-1-1148序号指令功能格式1（代码）格式2（FAPT LADDER键操作）1RDR读入指定的信号状态，并设置在ST0中2RD.NOTRN将读入的指定信号的逻辑状态取非后设到ST0中3WRTW将逻辑运算结果（ST0的状态）输出到指定的地址4WRT.NOTWN将逻辑运算结果（ST0的状态）取非后输出到指定的地址5ANDA逻辑与6AND.NOTAN将指定的信号状态取非后逻辑与7ORO逻辑或8OR.NOTON将指定的信号状态取非后逻辑或9RD.STKRS将寄存器的内容左移一位，把指定地址的信号状态设到ST010RD.NOT.STKRNS将寄存器的内容左移一位，把指定地址的信号状
27、态取非后设到ST011AND.STKASST0和ST1逻辑与后，堆栈寄存器右移一位12OR.STKOSST0和ST1逻辑或后，堆栈寄存器右移一位13SETSEYST0和指定地址中的信号逻辑或后，将结果返回到指定的地址中14RSTRSTST0的状态取反后和指定地址中的信号逻辑与，将结果返回到指定的地址中表6-4 特殊标志（SM）位定义2023-1-1149SM位描述SM 0.0该标志带有定义的信号“1”SM 0.1初始位置：第一个PLC循环时为1，后面循环为0SM 0.2缓冲区数据丢失，仅用于第一个PLC循环（0-数据未丢，1-数据已丢）SM 0.3上电：第一个PLC循环时为1，后面循环为0SM
28、 0.460秒周期（交替的0表示30秒，然后1表示30秒）SM 0.51秒周期（交替的0表示0.5秒，然后1表示0.5秒）SM 0.6PLC循环周期（交替的一个循环为0，然后另一个循环为1表6-5 整数长度及范围2023-1-1150整数长度无符号整数表示范围无符号整数表示范围十进制表示十六进制表示十进制表示十六进制表示字节B（8位）02550FF-128127807F字W（16位）0655350FFFF-327683276780007FFF双字D（32位）042949672950FFFFFFFF-214748364821474836477FFFFFFF进制书写格式举例十进制进制数值1090十
29、六进制16#十六进制值16#3F7D4二进制2#二进制值2#1010_1000_0001_1100ASCII码ASCII码文本Show terminals浮点数（实数）ANSI/IEEE 754-1985标准+1.033453E-36(正数)-1.033453E-36（负数）表6-6 常数表示图6-35 2023-1-1151 应用实例：应用实例：本公司的一台日本立式加工中心使用 FANUC 18i 系统，报警内容是 2086 ABNORMAL PALLET CONTACT(M/C SIDE)，查阅机床说明书，意思是“加工区侧托盘着座异常”，检测信号的 PMC 地址是 X6.2。该加工中心的A
30、PC 机构是双托盘大转台旋转交换式，观察加工区内堆积了大量的铝屑，所以判断是托盘底部堆积了铝屑，以至托盘底座气检无法通过。但此时报警无法消除，不能对机床作任何的操作。在FANUC 系统的梯形图编程语言中规定，要在屏幕上显示某一条报警信息，要将对应的信息显示请求位（A 线圈）置为“1”，如果置为“0”，则清除相应的信息。也就是说，要消除这个报警，就必须使与之对应的信息显示请求位（A），置为“0”。按PMCDGNSTATUS进入信号状态显示屏幕，查找为“1”的信息显示请求位（A）时，查得 A10.5 为“1”。2023-1-1152功能一应用实例功能一应用实例于是，进入梯形图程序显示屏幕PMCLA
31、D，查找 A10.5 置位为“1”的梯形图回路，发现其置位条件中使用了一个保持继电器的K9.1 常闭点，此时状态为“0”。查阅机床维修说明书，K9.1 的含义是：置“1”为托盘底座检测无效。故障排除过程：故障排除过程：在 MDI 状态下，用功能键OFFSET SETTING切换屏幕，按SETTING键将“参数写人”设为“1”，再回到PMCPRM屏幕下，按KEEPRL软键进入保持型继电器屏幕，将 K9.1 置位为“1”。按报警解除按钮。这时可使 A10.5 置为“0”，便可对机床进行操作。将大转台抬起旋转 45度，拆开护板，果然有铝屑堆积，于是将托盘底部的铝屑清理干净。将 K9.1 和“参数写人
32、”设回原来的值“0”。多次进行 APC 操作，再无此报警，故障排除。2023-1-1153功能一应用实例功能一应用实例 应用实例：应用实例：一国产加工专机使用 FANUC21M 系统，执行原点返回的 NC 程序时,当执行到“G91 G28 GOO ZO；”时，Z 轴无动作，CNC 状态栏显示为“MEM STRT MTN*”，即 Z轴移动指令已发出。用功能键MESSAGE切换屏幕，并无报警信息。用功能键SYSTEM切换屏幕，按“诊断”软键，这时005(INTERLOCK/START-LOCK)为“1”,即有伺服轴进入了互锁状态。故障排除过程：故障排除过程：进入梯形图程序显示功能屏幕，发现与Z 轴
33、对应的互锁信号G130.0 的状态为“0”，即互锁信号被输入至NC，检查其互锁原因，发现是一传感器被铝屑污染。擦拭后，将G130.0置为“1”，互锁解除，重新启动原点返回的NC程序，动作正常，故障排除。2023-1-1154功能二应用实例功能二应用实例 应用实例：应用实例：某国产加工中心使用的是 FANUC 0i 系统。在自动加工过程，NC 程序偶尔无故停止，上件端托盘已装夹好的夹爪自动打开（不正常现象），CNC 状态栏显示 MEM STOP*，此时无任何报警信息，检查诊断画面，并未发现异常，按NC启动便可继续加工。经观察，CNC 都是在执行M06（换刀）时停止，主要动作是ATC手臂旋转和主轴
34、（液压）松开/拉紧刀具。2023-1-1155功能三应用实例功能三应用实例 故障排除过程：故障排除过程：使用梯形图显示功能，追查上件侧的托盘夹爪（Y25.1）置为“1”的原因（估计与在自动加工过程，偶尔无故停止故障有关）。经查，怀疑与一加工区侧托盘夹紧的检测液压压力开关（X1007.4）有关。于是，使用TRACE信号跟踪功能，在自动加工过程中，监视 X1007.4的变化情况。当 NC 再次在 M06 执行时停止，在TRACE屏幕上，跟踪到 X1007.4在 CNC 无故停止时的一个采样周期从原来的状态“1”跳转为“0”，再变回“1”，从而确认该压力开关有问题。调整此开关动作压力，但故障依旧。于是将此开关更换，故障排除。事后分析，引起这个故障原因是主轴松开/夹紧工具时，液压系统压力有所波动（在合理的波动范围内），而此压力开关作出了反应以致造成在自动加工过程中，NC 程序偶尔无故停止的故障。2023-1-1156功能三应用实例功能三应用实例
