常州轻工职业技术学院
数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO,12
授课日期
授课班级
03机电331
03机电332
课题
数控机床输入/输出(I／O)控制的故障诊断
授课类型
讲 授
课时数
教 学目 的
重 点难 点
教 具挂 图
教学过程及时间分配
主 要 教 学 内 容
教学方法的运用
输入/输出(I／O)故障是数控机床运行过程中员常见的故障，这是因为组成输入/输出 的各类开关元件长期暴露在外，受到机械磨损、油气侵蚀等因素的影响，造成开关可靠性下降以至失灵，引起机床动作障碍。数控机床的输入/输出由PLC控制完成，因此熟悉数控机床中的输入/输出开关元件，明确数控机床PLC控制的对象及状态信号的表示，有助于输入／输出故障的诊断。
1 数控机床PLC的功能
在数控机床中，除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对诸如主轴正、反转起动和停止、刀库及换刀机械手控制、工件夹紧松开、工作台交换、气液压、冷却和润滑等辅助动作进行顺序控制。顺序抑制的信息主要是I／O控制，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件，继电器、接触器和电磁阀等输出元件；同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等。现代数控机床均采用可编程逻辑控制器(PLC)来完成上述功能，数控机床PLC的形式有两种：一是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC，PLC在CNC外部，称为外装型PLC；二是采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC上在CNC内部，称为内装型PLC。
1.1 电源配置
PLC、CNC和机床三者之间的信息交换包括如下四部分：
1.1.1 机床至PLC
机床侧的开关量信号通过I／O单元接口输入至PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义，如在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧的某一开关信号通过I/O端子板输入至I／O模块中，参阅图0—1所示。设该开关信号用I10.2来定义，在软键功能DIAGNOSIS的PLC STATUS状态下，通过观察IBl0的第2位“0”或“1”来获知该开关信号是否有效。
1.1.2 PLC至机床
PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。如在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制，设该信号用Q1．4来定义，该信号通过I／O模块和I／O端子板输出至中间继电器线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的动作。同样，Q1．4信号可在PLC STATUS状态下，通过观察QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。
1.1.3 CNC至PLC
CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址)均由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能，通过CNC译码后直接送人PLC相应的寄存器中。如在SINUMERIK 810数控系统中，M03指令经译码后，送人FY27．3寄存器中。
1.1.4 PLC至CNC
PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变相增删。如SINUMERIK 810数控系统中，Q108．5为PLC至CNC的进给使能信号。
图6、1为内装式PLC输入/输出信息示意图。
1.2 数控系统PLC的功能
1.2.1 机床操作面板控制
将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，以控制数控系统的运行。机床操作面板上各类控制开关的功能详见第四章的第一节和第二节。
1.2.2 机床外部开关输人信号控制
将机床侧的开关信号送人PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等。
1.2.3 输出信号控制
PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阎，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却来电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。
1.2.4 伺服控制
控制主轴和伺服进给驱动装置的位能信号，以满足伺服驱动的条件，通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。
1.2.5 报警处理控制
PLC收集强电柜、机床测和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报答标志位置位，数控系统便显示报警号及报警文本以方便故障诊断。
1.2.6 软盘驱动装置控制
有些数控机床用计算机软盘取代了传统的光电阅读机。通过控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数、零点偏置和刀具补偿等数据的传输。
1.2.7 转换控制
有些加工中心的主轴可以立/卧转换，当进行立/卧转换时，PLC完成下述工作：①切换主轴控制接触器。②通过PLC的内部功能，在线自动修改有关机床数据位。③切换伺服系统进给模块，并切换用于坐标轴控制的各种开关、按键等。
2 PLC输入/输出元件
图6—2所示为内装式PLC输入/输出元件及连接方式。
输入端子板的作用是将机床外部开关的端子连接转换成I／O模块的针型插座连接，从而使外部控制信号输入至PLC中；同样，输出端子板的作用是将PLC的输出信号经针型插座转换成外部执行元件的端子连接。每个接线端子的编号与针型插坐的针脚编号相对应，从而使每个输入/输出信号在PLC中均有规定的地址。
2.1 输入元件
2.1.1 控制开关在数控机床的操作面板上，常见的控制开关有：①用于主轴、冷却、润滑及换刀等控制的按钮，这些按钮往往内装有信号灯，一般绿色用于起动，红色用于停止。②用于程序保护，钥匙插入方可旋转换作的旋钮式可锁开关。③用于紧急停止，装有突出蘑菇形钮帽的红色紧停开关。④用于坐标轴选择、工作方式选择和倍率选择等，手动旋转操作的转换开关。⑤在数控车床中，用于控制卡盘夹紧、放松，尾架顶尖前进、后退的脚踏开关等。图6—3a为按钮结构示意图，图6—3b为控制开关图形符号。
在图6—3a中，常态(末受外力)时，在复位弹簧2作用下，静触点3与桥式动触点4闭合，习惯上称为常闭(动断)触点；静触点5与桥式动触点4分断，称之为常开(动合)触点。当按下按钮帽1时，动触点4先和静触点3分断，然后再和静触点5闭合。
2.1.2 行程开关
行程开关又称限位开关，它将机械位移转变为电信号，以控制机械运动。按结构可分为直动式、滚动式和微动式。
2.1.1.1 直动式行程开关如图6—4a为直动式行程开关结构简闯，其动作过程与控制按钮类似，只是用运动部件上的撞块来碰撞行程开关的拉杆，触点的分合速度取决于撞块移动的速度。这类行程开天在机床上主要用于坐标轴的限位、减速或执行机构如液压缸、气缸活塞的行程控制。图6—4b为直动式行程开关推杆的形式，图6-4c为柱塞式行程开关外形图。
2.1.2.2 滚动式行程开关
如图6—5a为滚动式行程开关结构示意图，图6—5b为外形图。
在图6—5a中，当滚轮l受到向左的外力作用时，上转臂2向左下方转动，推杆4向右转动．并压缩右边弹簧12，同时下面的小滚轮5也很快沿着擒纵件6向右转动，小滚轮滚动又压缩弹簧11，当滚轮5走过擒纵件6的中点时，盘形弹簧3和弹簧7都使擒纵件6迅速转动，因而使动触点10迅速地与朽边的静触点8分开，并与左边的静触点9闭合。这类行程开关在机床上常用于各类防护门的限位控制。
图 6—5滚动式行程开关
a)结构示意图 b)外形图
1一滚轮2一上转臂 3一盘形弹篱4一推扦5—滚轮6—擒纵件7一弹簧(1) 8一动断触点 9--动合触点 l0一动触点11一压缩
弹簧 12一弹簧(2)
2.1.2.3 微动式行程开关图6—6a为采用弯片状弹簧的微动开关结构示意图，图6—6b为微动开关外形图。
图6—6微动开关
a)结构示意B b)外形图
l一动触点 2一拉杆 3—目簧片
4一动合触点 5一动断触点 6一外盒
当推杆2被压下时，弓簧片3产生变形，当到达预定的临界点时，弹簧片连同动触点l产生瞬时跳跃，使动断触点5断开，动合触点4闭合．从而导致电路的接通、分断或转换c激动开关的体积小，动作灵敏，在数控机床上常用于回转工作台和托盘交换等装置的位置控制。
从以上各开关的结构及动作过程来看，失效的形式一是弹簧或弹簧片卡死，造成触点不能闭合或断开；二是触点接触不良。诊断方法为：用万用表测量接线端，在动合、动断状态下观察是否断路或短路、另外要注意的是．与行程开关相接触的撞块，如图6—7所示．如果撞块设定的位置由于松动而发生偏移，就可能使行程开关的触点无动作或误动作，因此撞块的检查和调整是行程开关维护很重要的一个方面。
2.1.3 接近开关
这是一种在一定的距离(几毫米至十几毫米)内检测物体有无的传感器。它给出的是高电平或低电平的开关信号，有的还具有较大的负载能力，可直接驱动继电器工作。具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点。许多接近开关将检测头与测量转换电路及信号处理电路做在一个壳体内，壳体上多带有螺纹，以便安装和调整距离，同时在外部有指示灯，以指示传感器的通断状态。常用的接近开关有电感式、电容式、磁感式、光电式及霍尔式等。
2.1.3.1 电感式接近开关
如图6—8a为电感式接近开关的外形团，囤6—8b为电感式接近开关位置检测示意图，图6—9c为接近开关图形符号。
电感式接近开关内部大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以致停振。振荡和停振两种不同的状态，由整形放大器转换成开关信号，从而达到检测位置的目的。在数控机床中，电感式接近开关常用于刀库、机械手及工作台的位置检测。判断电感式接近开关好坏最简单的方法，就是用一块金属片去接近该开关，如果开关无输出，就可判断：①该开关已坏。②外部电源短路。在实际位置控制中，如果感应快和开关之间的间隙变大后，就会使接近开关的灵敏度下降甚至无信号输出，因此间隙的调整和检查在日常维护中是很重要的。
图6—8 电感式接近开关
a)外形图 b)位置检测示意图 c)接近开关图形符号
l-测头 2-纹 3—螺母4—指示灯 5一信号输出及电源电缆
6一运动部件 7--感应块 8一电感式接近开关 9—安装支架 10-轮轴感应盘
2.1.3.2 电容式接近开关电容式接近开关的外形与电感式接近开关类似，除了对金属材料的无接触式检测外，还可以对非导电性材料进行无接触式检测。
2.1.3.3 磁感应式接近开关磁感应式接近开关又称磁敏开关，主要对气缸内活塞位置进行非接触式检测。图6—9为磁感应式接近开关安装结构图。
固定在活塞上的永久磁铁由于其磁场矿的作用，便传感器内振荡线圈的电流发生变化，内部放大器将电流转换成输出开关信号。根据气缸形式的不同，磁感应式接近开关有绑带式安装和支架式安装等类型。
2.1.3.4 光电式接近开关图6—10a所示的光电式接近开关是一种遮断型的光电开关，又称光电断续器。当被测物4从发射器I和接收器3中间槽通过时，红外光束2被遮断，接收器接收不到红外线，而产生一个电脉冲信号。有些遮断型的光电式接近开关，其发射器和接收器做成二个独立的器件，如图6—10b所示。这种开关除了方形外观外．还有圆柱形的螺纹安装形式。图6—10c为反射型光电开关。当被测物4通过光电开关时，发射器1发射的红外光2通过被测物上的黑白标记反射到接收器3，从而产生一个电脉冲信号。
图6—10光电式接近开关
a)光电断续器外形及结构 b)遮断型光电开关外形 c)反射型光电开关外形及结构 1—发光二极管 2一红外光 3一光敏元件4一被测物 5一发射器 6一接收器
在数控机床中，光电式接近开关常用于刀架的刀位检测和柔性制造系统中物料传送的位置控制等。
2.1.3.5 霍尔式接近开关
霍尔式接近开关是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器和OC门等电路做在同—个芯片上的集成电路，因此，有时称霍尔式接近开关为霍尔集成电路。典型的有UGM3020等。
当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻态变为导通状态，输出低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。图6—12为霍尔式接近开关在LD4系列电动刀架中应用的示意图。
该刀架在数控车床中得到广泛的应用。动作过程为：换刀信号一电动机正转一刀台转位一刀位信号一电动机反转一初定位一精定位夹紧一电动机过电流停转一换刀结束应答。其中刀位信号是靠霍尔式接近开关和磁铁的检测获得的，刀架定轴上端装有4个霍尔接近开关，分别为4个刀位的位置，当刀台旋转时，带动磁铁一起旋转，到达规定刀位时，通过霍尔接近开关输出到位信号。如果某个刀位上的霍尔接近开关断路或损坏，就会造成刀台定位时不到位或过冲太大的现象。
在有些型号的电动刀架中，也有采用光电开关来进行刀位检测的，其控制方式类似于霍尔式接近开关，只不过用光电断续器代替霍尔式接近开关，用遮光片代替磁铁而已。
以上所列的接近开关，外接电源一般为直流+24v，输出信号有NPN和PNP型，这是在更换元件时应注意的一个问题。
2.1.4 压力开关
压力开关是利用被控介质，如液压泊在波纹管或橡皮膜上产生的压力与弹簧的反力相平衡的原理所制成的一种开关。图6~13为压力开关的结构示意图。
图6—13压力开关结构
1-罩壳 2-定轴 3-霍尔集成电路 4-磁钢 5-刀台 6-刀架座
2.1.5 温控开关
这是一种利用温度敏感元件，加热敏电阻值随被测温度变化而改变的原理所制成的开关。
热敏电阻经电子线路比较放大后，驱动小型继电器动作．从而迅速而准确地反映被测点的温度。热敏电阻有负温度系数热敏电阻（NTC)，正温度系数热敏电阻(PTC)两大类，两者均有线性型和突变型，前者用于温度测量，后者用于温度扑制。在伺服电动机中，将突变型热敏电阻埋没在电动机定子中，并与继电器串联，当电动机温度升到某一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，使继电器动作，从而实现温度控制和过热保护。
输出元件
2.2.1 接触器
在数控机床的电气控制中，接触器用来控制加油泵电动机、冷却泵电动机、润滑泵等电动机的频繁起停及驱动装置的电源接通和切断等。它由触点、电磁机构、弹簧、灭弧装置和支架底座等组成，通常分为交流接触器和直流接触器两类。
在图6—14中，当电磁线圈5通电后，电磁系统即把屯能转变为机械能，所产生的电磁力克服缓冲弹簧4与触点弹簧7的反作用力，使铁心6和衔铁3吸合，并带动动触桥1与静触点2闭合，从而完成接通主电路的操作。当电磁线圈断电或电压显著下降时，由于电磁力消失或过小，衔铁与动触桥则在弹簧反作用力作用下跳开，触点打开时产生的电弧在灭弧室8内冷却游离熄火，最后分断主电路。
对于单相交流电磁机构，一般在铁心端面安装一个铜制的短路环，以抑制衔铁产生的振动和噪声。对接触器的维护要求是：
1)定期检查交流接触器的零件，要求可动部位灵活，紧固件无松动。
2)保持触点表面的清洁，不允许粘有油污c当触点表面因电弧烧蚀而附有金属小珠粒时，应及时去掉。触点若已磨损，应及时调整，以消除过大的赵程。若触点厚度只剩下1/3 时．应及时更换。银和银合金触点表面因电弧作用而生成的黑色氧化膜不必挫去，因为这种氧化膜的接触电阻很低，不会造成接触不良，铿掉反而会缩短触点寿命。
3)接触器不允许在去掉灭弧罩的情况下使用，因为这样很可能发生短路事故。
4)若接触器已不能修复，应予更换。更换前应检查接触器的铭牌和线圈标牌上标出的参数。换上去的接触器其有关数据应符合技术要求；有些接触器还需要检查和调整触点的开距、超程、压力等，使各个触点的动作同步。
接触器常见的故障有：
1)线圈过热或烧损。这是由于线圈电压过高或过低或操作频率过高等因素所致。
2)噪声大。这是由于线团电压低，舶点弹簧压力过大或零件卡住等因素所致。
3)触点吸不上。这往往和电压过低、触点接触不良及触点弹簧压力过大等因素有关。
4)触点不释放。这和触点弹簧压力过小、触点熔焊及字件卡住等因素有关。
2.2.2 继电器
继电器是一种根据外界输入的信号来控制电路中电流“通”与“断”的自动切换电器。它主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。继电器和接触器在结构和动作原形上大致相同，但前者在结构上体积小，动作灵敏，没有灭弧装置，触点的种类和数量也较多。
中间继电器实质上是一种电压继电器，主要在电路中起信号传递与转换作用。由于中间继电器触头多，可实现多路控制，将小功率的控制信号转换为各方的触点动作，以扩充其他电器的控制作用，在数控机床中常采用线圈电压为直流+24v的中间继电器。图6—15a为中间继电器结构示意图。
在数控机床中，还有各类指示灯、液压和气动系统中的电磁阀、伺服电动机的电磁制动器等P比输出开关量的控制。
需要指出的是，内装式PLC的输入／输出采用直流+24v电源，由于受到输出容量的限制，直流开关输出量信号一般用于机床强电箱中的中间继电器线圈和指示灯等，每个+ 24v中间继电器的典型驱动电流为数十毫安。在开关量输出电路中，当被控制的对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载，或虽是直流负载，工作电压或电流超过PLC输出信号的最大允许值时，应首先驱动+24v中间继电器，然后用其触点控制强电线路中的接触器。同时应注意，中间继电器线圈上：要并联续流二极管，以便当线圈断电时，为电流提供放电回路，否则极易损坏驱动电路。图6—16所示为内装式PLC的输出控制。
有些外装式的PLC由于本身具有电源模块，输出容量较大，可以是交流220v，也可以是大容量的直流+24v，因此，可直接带动接触器或电磁阎线圈，如西门子的SIMATIC S5—115U等。
在电气控制柜中，各电气元件及与元器件端子相连接的导线均有编号，编号的名称与线路图上的标注相对应，因此，作为维修人员：①要熟悉电气线路图。②熟悉各元器件在控制柜中的位置及连线的走线等。这样，当出现输入/输出元件故障时，就能有的放矢，提高故障诊断酌正确性和效率。
3 数控机床PLC控制的故障诊断
3.1 PLC故障的表现形式当数控机床出现有关P比方面的故障时，一般有三种表现形式：①故障可通过CNC报警直接找到故障的原因。②故障虽有CNC故障显示，但不能反映故障的真正原因。③故障没有任何提示。对于后两种情况，可以利用数控系统的自诊断功能，根据PLC的梯形图和输入/输出状态信息来分析和判断故随的原因，这种方法是解决数控机床外围故障的基本方法。
SIEMENS数控系统也可以通过机外编程器，如PG685、PG710、PG750及装有专用软件的通用微机来实时观察PLC梯形图或流程图，通过RS232C和CNC通信，进行数据发送和接收，如图6—18a所示。图6—18b为编程器页面显示。
机外编程器的操作系统有S5—DOS和5S-DOS／SMATIC、SETP5编程软件包。
对FANUC系统而言，可以直接利用CNC系统上的DGNOS PARAM能跟踪梯形图的运行。同时，FANUC系统可用P—E或P—G编程器装置和FAPTLAD编程语言进行PLC编程，对10、11、12和15系统也可通过数控系统的MDA／CRT直接进行PLC编程和梯形图跟踪。
同样，对三菱MELDAS 50系列数控系统，也可通过MDI／CRT进行梯形图跟踪及PLC梯形图设计，编程方法同三菱FX系列PLC控制器。
3.2 数控机床PLC故障诊断的方法
3.2.1 根据报警号诊断故障现代数控系统具有丰富的自诊断功能，能在CRT上显不故障报警信息，为用户提供各种机床状态信息，充分利用CNC系统提供的这些状态信息，就能迅速准确地查明和排除故障。
对于只有报警号而无报警信息的报警，必须检查数据位，并与正常情况下的数据相比较，明确该数据位所表示的含义，以采取相应的措施。
3.2.2 根据动作顺序诊断故障数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是技照一定的顺序来完成的，因此，观察机械装置的运动过程，比较正常和故障时的情况，就可发现疑点，诊断出故障的原因。
3.2.3 根据控制对象的工作原理诊断故障
控机床的PLC程序是按照控制对象的工作原理来设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合PLC的I／O状态是故障诊断很有效的方法。
3.2.4 根据PLC的I／O状态诊断故障在数控机床中，输入/输出信号的传递，一般都要通过PLC的I／O接口来实现，因此，许多故障都会在PLC的I／O接口这个通道上反映出来。数控机床的这种特点为故障诊断提供了方便，只要不是数控系统硬件故障，可以不必查看梯形图和有关电路团，直接通过查询PLC的I／O接口状态，找出故障原因。这里的关键是要熟悉有关控制对象的PLC的I／O接口的通常状态和故障状态。
3.2.5 通过PLC梯形图诊断故障根据PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。用这种方法诊断机床故障首先应该搞清机床的工作原理、动作顺序和联锁关系，然后利用CNC系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC梯形图查看相关的输入/输出及标志他的状态，从而确认故障的原因。
上述方法是在已知PLC梯形图的情况下，通过CNC的内诊断功能中的PLC STATUS来查看输入/输出及标志字，以此来诊断故障。对SIEMENS数控系统，也可通过机外编程器实时观察PLC的运行情况。
3.2.6 动态跟踪梯形图诊断故障有些PLC发生故障时，查看输入/输出及标志状态均为正常，此时必须通过PLC动态跟踪，实时观察输入/输出及标志状态的瞬间变化根据PLC的动作原理作出诊断。
综上所述，PLC故障诊断的关键是：①要了解数控机床各组成部分检测开关的安装位置，如加工中心的刀库、机械手和回转工作台，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关、接近开关和压力开关等，弄清检测开关作为P比输入信号的标志。②了解执行机构的动作顺序．如液压缸、气缸的电磁换向阀等，弄清对应的PLC输出信号标志。③了解各种条件标志，如起动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号。④借助必要的诊断功能，必要时用编程器跟踪梯形图的动态变化，搞清故障的原因，根据机床的工作原理作出诊断。
因此，作为用户来讲．要注意资料的保存，作好故障现象及诊断的记录，为以后的故障诊断提供数据，提高故障诊断的效率。当然，故障诊断的方法不是单一的，有时要用几种方法综合诊断，以得到正确的诊断结果。
课后小记
数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO,12
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03机电332
课题
数控机床输入/输出(I／O)控制的故障诊断
授课类型
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教 学目 的
重 点难 点
教 具挂 图
教学过程及时间分配
主 要 教 学 内 容
教学方法的运用
输入/输出(I／O)故障是数控机床运行过程中员常见的故障，这是因为组成输入/输出 的各类开关元件长期暴露在外，受到机械磨损、油气侵蚀等因素的影响，造成开关可靠性下降以至失灵，引起机床动作障碍。数控机床的输入/输出由PLC控制完成，因此熟悉数控机床中的输入/输出开关元件，明确数控机床PLC控制的对象及状态信号的表示，有助于输入／输出故障的诊断。
1 数控机床PLC的功能
在数控机床中，除了对各坐标轴的位置进行连续控制外，还需要对诸如主轴正、反转起动和停止、刀库及换刀机械手控制、工件夹紧松开、工作台交换、气液压、冷却和润滑等辅助动作进行顺序控制。顺序抑制的信息主要是I／O控制，如控制开关、行程开关、压力开关和温度开关等输入元件，继电器、接触器和电磁阀等输出元件；同时还包括主轴驱动和进给伺服驱动的使能控制和机床报警处理等。现代数控机床均采用可编程逻辑控制器(PLC)来完成上述功能，数控机床PLC的形式有两种：一是采用单独的CPU完成PLC功能，即配有专门的PLC，PLC在CNC外部，称为外装型PLC；二是采用数控系统与PLC合用一个CPU的方法，PLC上在CNC内部，称为内装型PLC。
1.1 电源配置
PLC、CNC和机床三者之间的信息交换包括如下四部分：
1.1.1 机床至PLC
机床侧的开关量信号通过I／O单元接口输入至PLC中，除极少数信号外，绝大多数信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义，如在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧的某一开关信号通过I/O端子板输入至I／O模块中，参阅图0—1所示。设该开关信号用I10.2来定义，在软键功能DIAGNOSIS的PLC STATUS状态下，通过观察IBl0的第2位“0”或“1”来获知该开关信号是否有效。
1.1.2 PLC至机床
PLC控制机床的信号通过PLC的开关量输出接口送到机床侧，所有开关量输出信号的含义及所占用PLC的地址均可由PLC程序设计者自行定义。如在SINUMERIK 810数控系统中，机床侧某电磁阀的动作由PLC的输出信号来控制，设该信号用Q1．4来定义，该信号通过I／O模块和I／O端子板输出至中间继电器线圈，继电器的触点又使电磁阀的线圈得电，从而控制电磁阀的动作。同样，Q1．4信号可在PLC STATUS状态下，通过观察QBl的第4位“0”或“1”来获知该输出信号是否有效。
1.1.3 CNC至PLC
CNC送至PLC的信息可由CNC直接送入PLC的寄存器中，所有CNC送至PLC的信号含义和地址(开关量地址或寄存器地址)均由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变和增删。如数控指令的M、S、T功能，通过CNC译码后直接送人PLC相应的寄存器中。如在SINUMERIK 810数控系统中，M03指令经译码后，送人FY27．3寄存器中。
1.1.4 PLC至CNC
PLC送至CNC的信息也由开关量信号或寄存器完成，所有PLC送至CNC的信号地址与含义由CNC厂家确定，PLC编程者只可使用，不可改变相增删。如SINUMERIK 810数控系统中，Q108．5为PLC至CNC的进给使能信号。
图6、1为内装式PLC输入/输出信息示意图。
1.2 数控系统PLC的功能
1.2.1 机床操作面板控制
将机床操作面板上的控制信号直接送入PLC，以控制数控系统的运行。机床操作面板上各类控制开关的功能详见第四章的第一节和第二节。
1.2.2 机床外部开关输人信号控制
将机床侧的开关信号送人PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。这些控制开关包括各类控制开关、行程开关、接近开关、压力开关和温控开关等。
1.2.3 输出信号控制
PLC输出的信号经强电柜中的继电器、接触器，通过机床侧的液压或气动电磁阎，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却来电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。
1.2.4 伺服控制
控制主轴和伺服进给驱动装置的位能信号，以满足伺服驱动的条件，通过驱动装置，驱动主轴电动机、伺服进给电动机和刀库电动机等。
1.2.5 报警处理控制
PLC收集强电柜、机床测和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报答标志位置位，数控系统便显示报警号及报警文本以方便故障诊断。
1.2.6 软盘驱动装置控制
有些数控机床用计算机软盘取代了传统的光电阅读机。通过控制软盘驱动装置，实现与数控系统进行零件程序、机床参数、零点偏置和刀具补偿等数据的传输。
1.2.7 转换控制
有些加工中心的主轴可以立/卧转换，当进行立/卧转换时，PLC完成下述工作：①切换主轴控制接触器。②通过PLC的内部功能，在线自动修改有关机床数据位。③切换伺服系统进给模块，并切换用于坐标轴控制的各种开关、按键等。
2 PLC输入/输出元件
图6—2所示为内装式PLC输入/输出元件及连接方式。
输入端子板的作用是将机床外部开关的端子连接转换成I／O模块的针型插座连接，从而使外部控制信号输入至PLC中；同样，输出端子板的作用是将PLC的输出信号经针型插座转换成外部执行元件的端子连接。每个接线端子的编号与针型插坐的针脚编号相对应，从而使每个输入/输出信号在PLC中均有规定的地址。
2.1 输入元件
2.1.1 控制开关在数控机床的操作面板上，常见的控制开关有：①用于主轴、冷却、润滑及换刀等控制的按钮，这些按钮往往内装有信号灯，一般绿色用于起动，红色用于停止。②用于程序保护，钥匙插入方可旋转换作的旋钮式可锁开关。③用于紧急停止，装有突出蘑菇形钮帽的红色紧停开关。④用于坐标轴选择、工作方式选择和倍率选择等，手动旋转操作的转换开关。⑤在数控车床中，用于控制卡盘夹紧、放松，尾架顶尖前进、后退的脚踏开关等。图6—3a为按钮结构示意图，图6—3b为控制开关图形符号。
在图6—3a中，常态(末受外力)时，在复位弹簧2作用下，静触点3与桥式动触点4闭合，习惯上称为常闭(动断)触点；静触点5与桥式动触点4分断，称之为常开(动合)触点。当按下按钮帽1时，动触点4先和静触点3分断，然后再和静触点5闭合。
2.1.2 行程开关
行程开关又称限位开关，它将机械位移转变为电信号，以控制机械运动。按结构可分为直动式、滚动式和微动式。
2.1.1.1 直动式行程开关如图6—4a为直动式行程开关结构简闯，其动作过程与控制按钮类似，只是用运动部件上的撞块来碰撞行程开关的拉杆，触点的分合速度取决于撞块移动的速度。这类行程开天在机床上主要用于坐标轴的限位、减速或执行机构如液压缸、气缸活塞的行程控制。图6—4b为直动式行程开关推杆的形式，图6-4c为柱塞式行程开关外形图。
2.1.2.2 滚动式行程开关
如图6—5a为滚动式行程开关结构示意图，图6—5b为外形图。
在图6—5a中，当滚轮l受到向左的外力作用时，上转臂2向左下方转动，推杆4向右转动．并压缩右边弹簧12，同时下面的小滚轮5也很快沿着擒纵件6向右转动，小滚轮滚动又压缩弹簧11，当滚轮5走过擒纵件6的中点时，盘形弹簧3和弹簧7都使擒纵件6迅速转动，因而使动触点10迅速地与朽边的静触点8分开，并与左边的静触点9闭合。这类行程开关在机床上常用于各类防护门的限位控制。
图 6—5滚动式行程开关
a)结构示意图 b)外形图
1一滚轮2一上转臂 3一盘形弹篱4一推扦5—滚轮6—擒纵件7一弹簧(1) 8一动断触点 9--动合触点 l0一动触点11一压缩
弹簧 12一弹簧(2)
2.1.2.3 微动式行程开关图6—6a为采用弯片状弹簧的微动开关结构示意图，图6—6b为微动开关外形图。
图6—6微动开关
a)结构示意B b)外形图
l一动触点 2一拉杆 3—目簧片
4一动合触点 5一动断触点 6一外盒
当推杆2被压下时，弓簧片3产生变形，当到达预定的临界点时，弹簧片连同动触点l产生瞬时跳跃，使动断触点5断开，动合触点4闭合．从而导致电路的接通、分断或转换c激动开关的体积小，动作灵敏，在数控机床上常用于回转工作台和托盘交换等装置的位置控制。
从以上各开关的结构及动作过程来看，失效的形式一是弹簧或弹簧片卡死，造成触点不能闭合或断开；二是触点接触不良。诊断方法为：用万用表测量接线端，在动合、动断状态下观察是否断路或短路、另外要注意的是．与行程开关相接触的撞块，如图6—7所示．如果撞块设定的位置由于松动而发生偏移，就可能使行程开关的触点无动作或误动作，因此撞块的检查和调整是行程开关维护很重要的一个方面。
2.1.3 接近开关
这是一种在一定的距离(几毫米至十几毫米)内检测物体有无的传感器。它给出的是高电平或低电平的开关信号，有的还具有较大的负载能力，可直接驱动继电器工作。具有灵敏度高、频率响应快、重复定位精度高、工作稳定可靠及使用寿命长等优点。许多接近开关将检测头与测量转换电路及信号处理电路做在一个壳体内，壳体上多带有螺纹，以便安装和调整距离，同时在外部有指示灯，以指示传感器的通断状态。常用的接近开关有电感式、电容式、磁感式、光电式及霍尔式等。
2.1.3.1 电感式接近开关
如图6—8a为电感式接近开关的外形团，囤6—8b为电感式接近开关位置检测示意图，图6—9c为接近开关图形符号。
电感式接近开关内部大多由一个高频振荡器和一个整形放大器组成。振荡器振荡后，在开关的感应面上产生交变磁场，当金属物体接近感应面时，金属体产生涡流，吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以致停振。振荡和停振两种不同的状态，由整形放大器转换成开关信号，从而达到检测位置的目的。在数控机床中，电感式接近开关常用于刀库、机械手及工作台的位置检测。判断电感式接近开关好坏最简单的方法，就是用一块金属片去接近该开关，如果开关无输出，就可判断：①该开关已坏。②外部电源短路。在实际位置控制中，如果感应快和开关之间的间隙变大后，就会使接近开关的灵敏度下降甚至无信号输出，因此间隙的调整和检查在日常维护中是很重要的。
图6—8 电感式接近开关
a)外形图 b)位置检测示意图 c)接近开关图形符号
l-测头 2-纹 3—螺母4—指示灯 5一信号输出及电源电缆
6一运动部件 7--感应块 8一电感式接近开关 9—安装支架 10-轮轴感应盘
2.1.3.2 电容式接近开关电容式接近开关的外形与电感式接近开关类似，除了对金属材料的无接触式检测外，还可以对非导电性材料进行无接触式检测。
2.1.3.3 磁感应式接近开关磁感应式接近开关又称磁敏开关，主要对气缸内活塞位置进行非接触式检测。图6—9为磁感应式接近开关安装结构图。
固定在活塞上的永久磁铁由于其磁场矿的作用，便传感器内振荡线圈的电流发生变化，内部放大器将电流转换成输出开关信号。根据气缸形式的不同，磁感应式接近开关有绑带式安装和支架式安装等类型。
2.1.3.4 光电式接近开关图6—10a所示的光电式接近开关是一种遮断型的光电开关，又称光电断续器。当被测物4从发射器I和接收器3中间槽通过时，红外光束2被遮断，接收器接收不到红外线，而产生一个电脉冲信号。有些遮断型的光电式接近开关，其发射器和接收器做成二个独立的器件，如图6—10b所示。这种开关除了方形外观外．还有圆柱形的螺纹安装形式。图6—10c为反射型光电开关。当被测物4通过光电开关时，发射器1发射的红外光2通过被测物上的黑白标记反射到接收器3，从而产生一个电脉冲信号。
图6—10光电式接近开关
a)光电断续器外形及结构 b)遮断型光电开关外形 c)反射型光电开关外形及结构 1—发光二极管 2一红外光 3一光敏元件4一被测物 5一发射器 6一接收器
在数控机床中，光电式接近开关常用于刀架的刀位检测和柔性制造系统中物料传送的位置控制等。
2.1.3.5 霍尔式接近开关
霍尔式接近开关是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器和OC门等电路做在同—个芯片上的集成电路，因此，有时称霍尔式接近开关为霍尔集成电路。典型的有UGM3020等。
当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高电阻态变为导通状态，输出低电平，当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。图6—12为霍尔式接近开关在LD4系列电动刀架中应用的示意图。
该刀架在数控车床中得到广泛的应用。动作过程为：换刀信号一电动机正转一刀台转位一刀位信号一电动机反转一初定位一精定位夹紧一电动机过电流停转一换刀结束应答。其中刀位信号是靠霍尔式接近开关和磁铁的检测获得的，刀架定轴上端装有4个霍尔接近开关，分别为4个刀位的位置，当刀台旋转时，带动磁铁一起旋转，到达规定刀位时，通过霍尔接近开关输出到位信号。如果某个刀位上的霍尔接近开关断路或损坏，就会造成刀台定位时不到位或过冲太大的现象。
在有些型号的电动刀架中，也有采用光电开关来进行刀位检测的，其控制方式类似于霍尔式接近开关，只不过用光电断续器代替霍尔式接近开关，用遮光片代替磁铁而已。
以上所列的接近开关，外接电源一般为直流+24v，输出信号有NPN和PNP型，这是在更换元件时应注意的一个问题。
2.1.4 压力开关
压力开关是利用被控介质，如液压泊在波纹管或橡皮膜上产生的压力与弹簧的反力相平衡的原理所制成的一种开关。图6~13为压力开关的结构示意图。
图6—13压力开关结构
1-罩壳 2-定轴 3-霍尔集成电路 4-磁钢 5-刀台 6-刀架座
2.1.5 温控开关
这是一种利用温度敏感元件，加热敏电阻值随被测温度变化而改变的原理所制成的开关。
热敏电阻经电子线路比较放大后，驱动小型继电器动作．从而迅速而准确地反映被测点的温度。热敏电阻有负温度系数热敏电阻（NTC)，正温度系数热敏电阻(PTC)两大类，两者均有线性型和突变型，前者用于温度测量，后者用于温度扑制。在伺服电动机中，将突变型热敏电阻埋没在电动机定子中，并与继电器串联，当电动机温度升到某一定数值时，电路中的电流可以由十分之几毫安突变为几十毫安，使继电器动作，从而实现温度控制和过热保护。
输出元件
2.2.1 接触器
在数控机床的电气控制中，接触器用来控制加油泵电动机、冷却泵电动机、润滑泵等电动机的频繁起停及驱动装置的电源接通和切断等。它由触点、电磁机构、弹簧、灭弧装置和支架底座等组成，通常分为交流接触器和直流接触器两类。
在图6—14中，当电磁线圈5通电后，电磁系统即把屯能转变为机械能，所产生的电磁力克服缓冲弹簧4与触点弹簧7的反作用力，使铁心6和衔铁3吸合，并带动动触桥1与静触点2闭合，从而完成接通主电路的操作。当电磁线圈断电或电压显著下降时，由于电磁力消失或过小，衔铁与动触桥则在弹簧反作用力作用下跳开，触点打开时产生的电弧在灭弧室8内冷却游离熄火，最后分断主电路。
对于单相交流电磁机构，一般在铁心端面安装一个铜制的短路环，以抑制衔铁产生的振动和噪声。对接触器的维护要求是：
1)定期检查交流接触器的零件，要求可动部位灵活，紧固件无松动。
2)保持触点表面的清洁，不允许粘有油污c当触点表面因电弧烧蚀而附有金属小珠粒时，应及时去掉。触点若已磨损，应及时调整，以消除过大的赵程。若触点厚度只剩下1/3 时．应及时更换。银和银合金触点表面因电弧作用而生成的黑色氧化膜不必挫去，因为这种氧化膜的接触电阻很低，不会造成接触不良，铿掉反而会缩短触点寿命。
3)接触器不允许在去掉灭弧罩的情况下使用，因为这样很可能发生短路事故。
4)若接触器已不能修复，应予更换。更换前应检查接触器的铭牌和线圈标牌上标出的参数。换上去的接触器其有关数据应符合技术要求；有些接触器还需要检查和调整触点的开距、超程、压力等，使各个触点的动作同步。
接触器常见的故障有：
1)线圈过热或烧损。这是由于线圈电压过高或过低或操作频率过高等因素所致。
2)噪声大。这是由于线团电压低，舶点弹簧压力过大或零件卡住等因素所致。
3)触点吸不上。这往往和电压过低、触点接触不良及触点弹簧压力过大等因素有关。
4)触点不释放。这和触点弹簧压力过小、触点熔焊及字件卡住等因素有关。
2.2.2 继电器
继电器是一种根据外界输入的信号来控制电路中电流“通”与“断”的自动切换电器。它主要用来反映各种控制信号，其触点通常接在控制电路中。继电器和接触器在结构和动作原形上大致相同，但前者在结构上体积小，动作灵敏，没有灭弧装置，触点的种类和数量也较多。
中间继电器实质上是一种电压继电器，主要在电路中起信号传递与转换作用。由于中间继电器触头多，可实现多路控制，将小功率的控制信号转换为各方的触点动作，以扩充其他电器的控制作用，在数控机床中常采用线圈电压为直流+24v的中间继电器。图6—15a为中间继电器结构示意图。
在数控机床中，还有各类指示灯、液压和气动系统中的电磁阀、伺服电动机的电磁制动器等P比输出开关量的控制。
需要指出的是，内装式PLC的输入／输出采用直流+24v电源，由于受到输出容量的限制，直流开关输出量信号一般用于机床强电箱中的中间继电器线圈和指示灯等，每个+ 24v中间继电器的典型驱动电流为数十毫安。在开关量输出电路中，当被控制的对象是电磁阀、电磁离合器等交流负载，或虽是直流负载，工作电压或电流超过PLC输出信号的最大允许值时，应首先驱动+24v中间继电器，然后用其触点控制强电线路中的接触器。同时应注意，中间继电器线圈上：要并联续流二极管，以便当线圈断电时，为电流提供放电回路，否则极易损坏驱动电路。图6—16所示为内装式PLC的输出控制。
有些外装式的PLC由于本身具有电源模块，输出容量较大，可以是交流220v，也可以是大容量的直流+24v，因此，可直接带动接触器或电磁阎线圈，如西门子的SIMATIC S5—115U等。
在电气控制柜中，各电气元件及与元器件端子相连接的导线均有编号，编号的名称与线路图上的标注相对应，因此，作为维修人员：①要熟悉电气线路图。②熟悉各元器件在控制柜中的位置及连线的走线等。这样，当出现输入/输出元件故障时，就能有的放矢，提高故障诊断酌正确性和效率。
3 数控机床PLC控制的故障诊断
3.1 PLC故障的表现形式当数控机床出现有关P比方面的故障时，一般有三种表现形式：①故障可通过CNC报警直接找到故障的原因。②故障虽有CNC故障显示，但不能反映故障的真正原因。③故障没有任何提示。对于后两种情况，可以利用数控系统的自诊断功能，根据PLC的梯形图和输入/输出状态信息来分析和判断故随的原因，这种方法是解决数控机床外围故障的基本方法。
SIEMENS数控系统也可以通过机外编程器，如PG685、PG710、PG750及装有专用软件的通用微机来实时观察PLC梯形图或流程图，通过RS232C和CNC通信，进行数据发送和接收，如图6—18a所示。图6—18b为编程器页面显示。
机外编程器的操作系统有S5—DOS和5S-DOS／SMATIC、SETP5编程软件包。
对FANUC系统而言，可以直接利用CNC系统上的DGNOS PARAM能跟踪梯形图的运行。同时，FANUC系统可用P—E或P—G编程器装置和FAPTLAD编程语言进行PLC编程，对10、11、12和15系统也可通过数控系统的MDA／CRT直接进行PLC编程和梯形图跟踪。
同样，对三菱MELDAS 50系列数控系统，也可通过MDI／CRT进行梯形图跟踪及PLC梯形图设计，编程方法同三菱FX系列PLC控制器。
3.2 数控机床PLC故障诊断的方法
3.2.1 根据报警号诊断故障现代数控系统具有丰富的自诊断功能，能在CRT上显不故障报警信息，为用户提供各种机床状态信息，充分利用CNC系统提供的这些状态信息，就能迅速准确地查明和排除故障。
对于只有报警号而无报警信息的报警，必须检查数据位，并与正常情况下的数据相比较，明确该数据位所表示的含义，以采取相应的措施。
3.2.2 根据动作顺序诊断故障数控机床上刀具及托盘等装置的自动交换动作都是技照一定的顺序来完成的，因此，观察机械装置的运动过程，比较正常和故障时的情况，就可发现疑点，诊断出故障的原因。
3.2.3 根据控制对象的工作原理诊断故障
控机床的PLC程序是按照控制对象的工作原理来设计的，通过对控制对象工作原理的分析，结合PLC的I／O状态是故障诊断很有效的方法。
3.2.4 根据PLC的I／O状态诊断故障在数控机床中，输入/输出信号的传递，一般都要通过PLC的I／O接口来实现，因此，许多故障都会在PLC的I／O接口这个通道上反映出来。数控机床的这种特点为故障诊断提供了方便，只要不是数控系统硬件故障，可以不必查看梯形图和有关电路团，直接通过查询PLC的I／O接口状态，找出故障原因。这里的关键是要熟悉有关控制对象的PLC的I／O接口的通常状态和故障状态。
3.2.5 通过PLC梯形图诊断故障根据PLC的梯形图来分析和诊断故障是解决数控机床外围故障的基本方法。用这种方法诊断机床故障首先应该搞清机床的工作原理、动作顺序和联锁关系，然后利用CNC系统的自诊断功能或通过机外编程器，根据PLC梯形图查看相关的输入/输出及标志他的状态，从而确认故障的原因。
上述方法是在已知PLC梯形图的情况下，通过CNC的内诊断功能中的PLC STATUS来查看输入/输出及标志字，以此来诊断故障。对SIEMENS数控系统，也可通过机外编程器实时观察PLC的运行情况。
3.2.6 动态跟踪梯形图诊断故障有些PLC发生故障时，查看输入/输出及标志状态均为正常，此时必须通过PLC动态跟踪，实时观察输入/输出及标志状态的瞬间变化根据PLC的动作原理作出诊断。
综上所述，PLC故障诊断的关键是：①要了解数控机床各组成部分检测开关的安装位置，如加工中心的刀库、机械手和回转工作台，数控车床的旋转刀架和尾架，机床的气、液压系统中的限位开关、接近开关和压力开关等，弄清检测开关作为P比输入信号的标志。②了解执行机构的动作顺序．如液压缸、气缸的电磁换向阀等，弄清对应的PLC输出信号标志。③了解各种条件标志，如起动、停止、限位、夹紧和放松等标志信号。④借助必要的诊断功能，必要时用编程器跟踪梯形图的动态变化，搞清故障的原因，根据机床的工作原理作出诊断。
因此，作为用户来讲．要注意资料的保存，作好故障现象及诊断的记录，为以后的故障诊断提供数据，提高故障诊断的效率。当然，故障诊断的方法不是单一的，有时要用几种方法综合诊断，以得到正确的诊断结果。
课后小记
