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數(shù)控機床加工精度異常故障的診斷和處理

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數(shù)控機床加工精度異常故障的診斷和處理

李銀川

摘要：系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或改動，機械故障，機床電氣參數(shù)未優(yōu)化電機運行異常，機床位置環(huán)異�；蚩刂七壿嫴煌祝�是生產(chǎn)中數(shù)控機床加工精度異常故障的常見原因。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床加工精度異常故障診斷

生產(chǎn)中經(jīng)常會遇到數(shù)控機床加工精度異常的故障。此類故障隱蔽

性強，診斷難度比較大。形成這類故障的原因主要有五個方面：{1}機床進給單位被改動或變化。{2}機床各個軸的零點偏置[NULLOFFSET]異常。{3}軸向的反向間隙[BACKLASH]異常。{4}電機運行狀態(tài)異常，即電氣及控制部分異常。{5}機械故障，如絲杠，軸承，軸聯(lián)器等部件。另外加工程序的編制，刀具的選擇及人為因素，也可能導致加工精度異常。

1．系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或改動

系統(tǒng)參數(shù)主要包括機床進給單位，零點偏置，反向間隙等。例如SIMENS，F(xiàn)ANUC數(shù)系統(tǒng)，其進給單位有公制和英制兩種。機床修理過程中某些處理，常常影響到零點偏置和間隙的變化，故障處理完畢后應作適時的調(diào)整和修改；另一方面，由于機械磨損嚴重或連結(jié)松動也可能造成參數(shù)實測值的變化，需要對參數(shù)做相應的修改才能滿足機床加工精度的要求。

2．機械故障導致的加工精度異常

一臺THM6350立式加工中心，采用SIMENS840D系統(tǒng)。在加工聯(lián)桿模具過程中，忽然發(fā)現(xiàn)Z軸進給異常，造成至少1毫米的切削誤差量（Z向過切）。調(diào)查中了解到：故障是忽然發(fā)生的。機床在點動，MDI（手動數(shù)據(jù)輸入方式）操作方式下各個軸運行正常，且回參考點正常；無任何報警提示，電氣控制部分硬故障的可能性排除。分析認為，主要應對以下幾個方面逐一進行檢查。

[1]檢查機床精度異常時正在運行的加工程序段，特別是刀具長度補償，加工坐標系（G54G59）的校對和計算。

[2]在點動方式下，反復運動Z軸，經(jīng)過視，觸，聽對其運動狀態(tài)診斷，發(fā)現(xiàn)Z向運動噪

音異常，特別是快速點動，噪音更加明顯。由此判斷，機械方面可能存在隱患。

[3]檢查機床Z軸精度。用手搖脈沖發(fā)生器移動Z軸，（將其倍率定為1X100的擋位，即每變化一步，電機進給0.1毫米），配合百分表觀察Z軸的運動情況。在單向運動精度保持正常后作為起始點的正向運動，脈沖器每變化一步，機床Z軸運動的實際距離d=dl=d2=d3.=0.1mm，說明電機運行良好，定位精度也良好。而返回機床實際運動位移的變化上，可以分為四個階段：①機床運動距離d1>d=0.1mm(斜率大于1)；②表現(xiàn)出為d1=0.1>d2>d3(斜率小于1)；③機床機構(gòu)實際沒移動，表現(xiàn)出最標準的反向間隙；④機床運動距離與脈沖器給定數(shù)值相等（斜率等于1），恢復到機床的正常運動。無論怎樣對反向間隙（參數(shù)1851）進行補償，其表現(xiàn)出的特征是：除了③階段能夠補償外，其他各段變化依然存在，特別是①階段嚴重影響到機床的加工精度。補償中發(fā)現(xiàn)，間隙補償越大，①階段移動的距離也越大。

分析上述檢查認為存在幾點可能原因：一是電機有異常；二是機械方面有故障；三是絲杠存在間隙。為了進一步診斷故障，將電機和絲杠完全脫開，分別對電機和機械部分進行檢查。檢查結(jié)果是電機運行正常；在對機械部分診斷中發(fā)現(xiàn)，用手盤動絲杠時，返回運動初始有非常明顯的空缺感。而正常情況下，應能感覺到軸承有序而平滑的移動。經(jīng)過拆卸檢查發(fā)現(xiàn)其軸承確實受損，且有滾珠脫落。更換后機床恢復正常。

3．機床電氣參數(shù)未優(yōu)化電機運行異常

有一臺北京產(chǎn)的立式數(shù)控銑床，配備SIMENS840D系統(tǒng)。在加工過程中，發(fā)現(xiàn)X軸精度異常。檢查發(fā)現(xiàn)X軸存在一定間隙，且電機啟動時存在不穩(wěn)定的現(xiàn)象。有手觸摸X軸電機時感覺電機抖動比較厲害，停止是抖動不明顯，尤其是點動方式下比較明顯。分析認為，故障原因有兩點，一是絲杠反向間隙很大；二是X軸電機工作異常。利用SIMENS系統(tǒng)的參數(shù)功能，對電機進行調(diào)試。首先對存在的間隙進行補償；調(diào)整伺服增益參數(shù)及脈沖抑制功能參數(shù)，X軸電機的抖動消除，機床加工精度恢復正常。

4．機床位置環(huán)異�；蚩刂七壿嫴煌�

一臺TH61140加工中心，系統(tǒng)是FANUC18I，全閉環(huán)控制方式。加工過程中，發(fā)現(xiàn)該機床Y軸精度異常，精度誤差最小為0.006mm，最大為1.4mm。檢查中，機床已經(jīng)按照要求設置了G54工件坐標系。在MDI（手動數(shù)據(jù)輸入方式）方式下，以G54坐標系運行一段程序即“G00G90G54Y80F100；M30；”，待機床運行結(jié)束后顯示器上顯示的機械坐標值為“-1046.605”，記錄下該數(shù)值。然后在手動方式下，將機床點動到其他任意位置，再次在MDI方式下運行上次的程序段，待機床停止后，發(fā)現(xiàn)此時機床機械坐標數(shù)值顯示為“-1046.992”，同第一次執(zhí)行后的數(shù)值相比差了0.387mm。按照同樣的方法，將Y軸點動到不同的位置，反復執(zhí)行該程序段顯示器上顯示的數(shù)值不定。用百分表對Y軸進行仔細檢查，發(fā)現(xiàn)機械位置實際誤差同數(shù)顯顯示出的誤差基本一致，從而認為故障原因為Y軸重復定位誤差過大。對Y軸的反向間隙及定位精度進行檢查，重新做補償，均無效果。因此懷疑光柵尺及系統(tǒng)參數(shù)等有問題。但為什么產(chǎn)生如此大的誤差，卻未出現(xiàn)相應的報警信息呢？進一步檢查發(fā)現(xiàn)，次軸為垂直方向的軸，當Y軸松開時主軸箱向下掉，造成了誤差。

對機床的PLC邏輯控制程序做了修改，即在Y軸松開時，先把Y軸使能加載，再把Y軸松開；而在夾緊時，先把軸夾緊后，再把Y軸使能去掉。調(diào)整后機床故障得以解決。

參考文獻：

1、蔣建強數(shù)控機床故障診斷與維修北京：電子工業(yè)出版社201*2、張秀玲數(shù)控機床維修技師手冊北京：機械工業(yè)出版社201*

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提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性研究

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內(nèi)容摘要

提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性研究

可編程序控制器是在程序控制器和微機控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微機技術(shù)跟繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，并已成為自動化控制系統(tǒng)的基本裝置。用PLC來控制系統(tǒng)設備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就三菱的F系列，據(jù)稱其平均無故障時間已達30萬小時。所以，整個PLC控制系統(tǒng)的可靠性，主要取決于PLC的外圍設備，比如輸入器件中的行程開關(guān)、輸出器件中的接觸、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監(jiān)控的程序，對提高系統(tǒng)的可靠性也有很大好處。

下面就如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行一些探討。簡述了影響可編程序控制器控制系統(tǒng)可靠性的主要因素，并就可編程序控制器的工作環(huán)境、電源的要求、接地和連接線的方式、降級操作設計、控制系統(tǒng)的輸入電路和輸出電路與可編程序控制的軟件程序編制等多個方面，提出了一些可行的方法和措施。

關(guān)鍵詞：可編程序控制器；外圍設備；軟件程序；可靠性。

目錄

第1章：從PLC外圍設備來考慮提高PLC的可靠性………..51.1工作環(huán)境的要求…………………………………………….51.2電源的要求………………………………………………….51.3接地和接線………………………………………………….51.4降級操作設計………………………………………………61.5PLC的I/O電……………………………………………….6第二章從PLC的軟件程序來考慮提高控制系統(tǒng)的可靠性…….7

2.1運行狀況超時檢測……………………………………….72.2邏輯錯誤檢測……………………………………………..8

第三章結(jié)束語………………………………………………………9

前言

可編程序控制器（以下簡稱PLC）是在程序控制器和微機控制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的微機技術(shù)跟繼電器常規(guī)控制概念相結(jié)合的產(chǎn)物，從廣義上講，PLC是一種計算機系統(tǒng)，比一般計算機具有更強的與工業(yè)過程相連接的輸入輸出接口，并已成為自動化控制系統(tǒng)的基本裝置。PLC已經(jīng)廣泛應用于機械、冶金、化工、汽車、輕工等行業(yè)中，已基本取代了傳統(tǒng)的繼電器和接觸的邏輯控制。用PLC來控制系統(tǒng)設備，其工作的可靠性要比單純繼電器和接觸器控制大大提高。就PLC本身而言，平均無故障時間一般已可達3萬~5萬小時：而三菱的F系統(tǒng)，據(jù)稱其平均無故障時間已達30萬小時。所以，整個PLC控制系統(tǒng)的可靠性，主要取決于PLC的外圍設備，比如輸入器件中的行程開關(guān)、按鈕、接近開關(guān)，輸出器件中的接觸器、繼電器和電磁閥等。另外，從軟件程序的編制來考慮，如果能編制出一個帶有監(jiān)控的程序，對提高系統(tǒng)的可靠性也有很大好處。下面就如何提高PLC控制系統(tǒng)的可靠性進行一些探討。

第1章從PLC外圍設備來考慮提高PLC的可靠性

PLC是專為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設計的控制設備,當工作環(huán)境較為惡劣，如電磁干擾較強，濕度高、電源、輸入和輸出電路等易受到干擾時，會使控制系統(tǒng)的可靠性受到影響。1．1工作環(huán)境的要求

一般PLC工作的環(huán)境溫度應在00C-550C的范圍，并要避免太陽光直接照射；安裝時要遠離的熱源，保證足夠大的散熱空間和通風條件；空氣的相對濕度應小于85%，不結(jié)露，以保證PLC的絕緣良好。PLC應避免安裝在有振動的場所；對振動源允許的條件則應按照產(chǎn)品說明書的要求，安裝減振橡膠墊或采取其他防振措施�？諝庵杏蟹蹓m和有害氣體時，應將PLC封閉安裝.。1.2電源的要求

不同的PLC產(chǎn)品,對電源的要求也不同,這里包括電源的電壓等級、頻率、交流紋波系數(shù)和輸入輸出的供電方式等。

對電磁干擾較強、而對PLC可靠性要求以較高的場合，PLC的供電應與動力供電和控制電路供電分開，必要時，可采用帶屏蔽的隔離變壓器供電、串聯(lián)LC濾波電路等。在設計時，外接的直流電源應采用穩(wěn)壓電源，供電功率應留有20%-30%的余量。對由控制本身提供的真流電源，應了解它所能提供的最大電流，防止過電流造成設備的損壞。1.3接地和接線

(1)PLC的良好接地是正常運行的前提,在設計時,PLC的接地應與動力設備的接地分開,采用專用接地;如不能分開接地時,應采用共用接地;絕對禁止采用共通接地方法.如圖1所示,接地點應盡可能靠近PLC,接地線的徑應大于4mm,接地電阻一般應小于10歐姆

(a)專用接地

（2）PLC的接線包括輸入線和輸出接線。輸入接線的長度不宜過長，一般不大于30m；在線路距離較長時，可采用中間繼電器進行信號的轉(zhuǎn)換。輸入接線的COM端與輸出接線的COM端不能接在一起。輸入接線與輸出接線的電纜應分開設置。必要時，可在現(xiàn)場分別設置接線箱。集成電路或晶體管設備的輸入信號和輸出信號的接線必須采用屏蔽電纜，屏蔽層的接地端應為一點接地，接地點宜在控制器側(cè)。

1.5PLC的I/O電路

(1)由于PLC是通過輸入電路接受開關(guān)量|、模擬量等輸入信號的，因此輸入電路的元器件質(zhì)量的好壞和連接方式直接影響著控制系統(tǒng)

（b）共用接地

（c）共通接地

PLC外設備PLC外設備PLC外設備的可靠性，比如：按鈕、行程開關(guān)等輸入開關(guān)量的觸點接觸是否良好、接線是否牢固等。設備上的機械限位開關(guān)是比較容易產(chǎn)生故障的元件，在設計時，應盡量選用可靠性高的接近開關(guān)代替機械限位開關(guān)。此外，按鈕的常開和常閉觸點的選擇也會影響到系統(tǒng)的可靠性。現(xiàn)以一個簡單的起動、停止控制線路為例，圖2和圖3所示的是兩個控制線路和它們對應梯形圖，這兩個控制線路的控制功能完全一樣，按下起動按鈕，輸出動作；按下停止按鈕，輸出斷開；但它們的可靠性不一樣，假設輸出斷開為安全狀態(tài)，那么圖形3的可靠性要比圖2的高，這是因為SBI、SB2都有發(fā)生故障的可能，而最常見的現(xiàn)象是輸入電路開路。當采用圖3電路時，不論SBI、SB2開關(guān)本身開路還是接線開路，輸出都安全狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的安全和可靠。

X001X002X001X002

圖2起，�？刂凭�路

(2)在輸入端有感性負荷時,為了防止反沖感應電勢損壞模塊,在

圖3起，停控制線路負荷兩端并接電容C和電阻R(交流輸入信號),或并接續(xù)流二極管D(直流輸入信號).如圖表4所示，在采取交流輸入方式時，CR的選擇要適當才能起到較好的效果。通過試驗裝置的測試，當負荷容量在10VA以下，一般0.1微乏+120歐姆;負荷容量在10VA以上時,一般選0.47微乏+47歐姆較適宜.要采取直流輸入方式時,經(jīng)試驗得知,二極管的額定電流應選為IA,額定電壓要大于電源電壓的3倍。

PLCPLC(a)交流輸入方式(b)直流輸入方式

圖4輸入端有感性負荷時的方式

(3)在輸出端有感性負載時,通過試驗得知,若是交流負載場合,應在負載的兩端并接CR浪涌吸收器;如交流是100V、200V、電壓而功率為400VA左右時，CR浪涌吸收器為0.47UF+47歐姆,如圖5所示.CR愈靠近負載,其抗干效果愈好;若是直流負載場合,則在負載的兩端并接續(xù)流二極管D,如圖6所示.二極管也要靠近負載,其反向耐壓應是負載電壓的4倍.PLc圖5輸出端交流感性負載負載

PLc

圖6輸出端直流感性

2:從PLC的軟件程序來慮提高控制系統(tǒng)的可靠性2.1運行狀況超時檢測

為了提高PLC控制系統(tǒng)工作的可靠性,可以專門設置一個定時器,作為監(jiān)控程序部分,對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行檢測.若程序運行能正常結(jié)束,則該定時器就即被清零,若程序運行發(fā)生故障,如出現(xiàn)死循環(huán)等,該定時器在設定的時間內(nèi)就無法清零,此時PLC發(fā)出報警信號.在設計應用程序時,使用這種方法來實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分運行狀態(tài)的監(jiān)控.如果用PLC來控制某一對象時,編制程序時可定義一個定時器來對這一對象的運行狀態(tài)進行監(jiān)視,該定時器的設定時間即為這一對象工作所需的最大時間，當啟動該對象運行時，同時也啟動該定時器，若該對象的運行程序在程序在規(guī)定的時間結(jié)束工作，發(fā)出一個工作完成信號，使該定時器清零，說明這一對象的運行程序正常，否則屬運行不正常，發(fā)出報警信號或停機信號。監(jiān)控程序的梯形如圖7所示，圖中定時器T1為檢測元件，X001為控制對象動作信號，X002為動作完成信號，M2為報警或停機信號。假設被控對象運行程序完成一次循環(huán)需要50s，則定時器K,值可取510（T1為100ms定時器）。當X001=1時，被控對象運行開始，T1開始計時，如在規(guī)定的時間內(nèi)被控對象的運行程序能正常結(jié)束，則X002動作，M1復位，定時器T1被清零，等待下一次循環(huán)的開始；若在規(guī)定時間沒有發(fā)出被控對象運行完成的動作信號，則判斷為故障，T1的觸點閉合，接通M2發(fā)出報警信號或停機信號。

2.2邏輯錯誤檢測

在系統(tǒng)正常運行時，可編程序控制器的輸入、輸出信號和內(nèi)部信號（如輔助繼電器的狀態(tài)）相互之間存在著確定的關(guān)系，如出現(xiàn)異常的邏輯信號，則說明出現(xiàn)了故障。因此，可以編寫一些常見故障的異常邏輯關(guān)系，一旦異常邏輯關(guān)系為NO狀態(tài)，就應該按故障處理。例如某機械運動過程中先后有兩個限位開關(guān)對應的PLC輸入地址分別為X001，X002，在兩個信號不會同時為NO狀態(tài)，如果他們同時為NO狀態(tài)，就說明至少有一個限位開關(guān)被卡死，應該停機處理。如圖（8）梯形圖中，這兩個限位開關(guān)對應的輸入繼電器的常開觸點X001，X002串聯(lián)，來驅(qū)動一個表示限位開關(guān)故障的輔助繼電器M0，當M0為NO狀態(tài)時就發(fā)出報警信號或停機信號

圖（8）邏輯錯誤檢測程序

2.3.降級操作設計

降級操作是指在設計時，將手動操作包括在內(nèi)的設計，例如，緊

急停車的設計，關(guān)鍵設備的開停和再啟動功能的設計等。這樣，一旦發(fā)生故障，可采用降級的操作，即對部分或全部設備進行手動的開停操作，以避免設備的損壞或?qū)θ藛T的傷害。此外，在設計中也可考慮從全自動到半自動、直至手動的操作等。3結(jié)束語

PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性與多種因素有關(guān),有此客觀因素也影響著控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性.通過采取設計正確的硬件線路、選擇質(zhì)量高的元器件、改善工作環(huán)境、編制監(jiān)控程序等措施，可以使PLC控制系統(tǒng)的工作可靠性和穩(wěn)定性得到很大的提高。

參考文獻

（1）廖常初.可編程控制器基礎(chǔ)及應用.北京：機械工業(yè)出版

社,201*.

（2）三菱公司.FX2系列可編程序控制器使用手冊.201*.

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