電氣控制系統(tǒng)故障診斷與維修

1、第3章 機(jī)床電氣與PLC的故障診斷及維修數(shù)控機(jī)床電氣控制系統(tǒng)的故障“弱電”故障C N CP L CM D I / C R T伺服驅(qū)動(dòng)單元輸入輸出單元“強(qiáng)電”故障繼電器接觸器開(kāi)關(guān)熔斷器電動(dòng)機(jī)電源變壓器電磁鐵行程開(kāi)關(guān) 本節(jié)主要講述數(shù)控機(jī)床強(qiáng)電控制系統(tǒng)的故障診斷、維修及日常維護(hù)。 3.1 機(jī)床電氣 電源是數(shù)控系統(tǒng)乃至整個(gè)機(jī)床正常工作的能量來(lái)源，它失效或故障的直接結(jié)果是造成系統(tǒng)的停機(jī)甚至毀壞整個(gè)系統(tǒng)。電源配置應(yīng)盡量做到以下幾點(diǎn)： 提供獨(dú)立的配電箱而不與其他設(shè)備串用。 電網(wǎng)供電質(zhì)量較差的地區(qū)應(yīng)配備三相交流穩(wěn)壓裝置。電源始端有良好的接地。 電柜內(nèi)電器元件的布局和交、直流電線的敷設(shè)要相互隔離3.1.1電源配

2、置電源配置原理圖 電氣原理圖主要用來(lái)描述電氣線路的構(gòu)成及其工作原理，表明電氣控制系統(tǒng)中各電氣元件的作用及相互關(guān)系，對(duì)電氣控制系統(tǒng)的安裝接線、運(yùn)行維護(hù)、故障分析和維修管理等有重要的作用。大型數(shù)控機(jī)床的電氣圖往往有幾十頁(yè)，甚至上百頁(yè)，數(shù)控機(jī)床維修人員應(yīng)該多研讀電氣圖紙，并且消化吸收，弄清各元器件之間的相互關(guān)系及控制信號(hào)的來(lái)龍去脈，這樣才能在機(jī)床發(fā)生故障時(shí)，快速、準(zhǔn)確判斷故障原因，解除故障，及時(shí)恢復(fù)生產(chǎn)。 3.1.2 根據(jù)電氣原理圖診斷電氣控制系統(tǒng)故障例2：按數(shù)控機(jī)床的起動(dòng)按鈕，顯示器無(wú)顯示，數(shù)控裝置無(wú)任何輸出。分析與處理過(guò)程：1.由電源配置原理圖可知，在各自動(dòng)空氣開(kāi)關(guān)接通的情況下，開(kāi)關(guān)電源的24V

3、直流電壓經(jīng)過(guò)KA0的常開(kāi)觸點(diǎn)給數(shù)控裝置供電，由于開(kāi)關(guān)電源和繼電器的故障率較高，所以首先檢查這兩個(gè)器件是否正常。2.常用萬(wàn)用表判定開(kāi)關(guān)電源是否存在故障，在通電的情況下測(cè)量其各輸出點(diǎn)電壓是否正常，若無(wú)輸出，再測(cè)量其輸入端有無(wú)交流電壓，若無(wú)交流輸入或交流輸入不正常，則根據(jù)電氣原理圖，向前檢查交流電路是否正常；若交流輸入正常，則可判斷開(kāi)關(guān)電源故障。3.如果開(kāi)關(guān)電源有直流24V電壓輸出，則測(cè)量繼電器觸點(diǎn)的一端L+和開(kāi)關(guān)電源M之間是否有電壓輸出，如果沒(méi)有，則可判定是繼電器KA0故障，否則，檢查至數(shù)控裝置的電源接線是否可靠。例3：按下機(jī)床起動(dòng)按鈕，數(shù)控裝置起動(dòng)，沒(méi)有報(bào)警顯示，但各進(jìn)給軸均不動(dòng)作。分析與處理過(guò)

4、程1.由電源配置原理圖可知，伺服驅(qū)動(dòng)器電源模塊PSM的主回路電源經(jīng)接觸器KM0的主觸點(diǎn)引入，由下圖可知，KM0線圈的通斷由PSM的內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)控制。2.在機(jī)床正常起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)數(shù)控裝置起動(dòng)完成后，PSM內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)接通，應(yīng)該聽(tīng)到接觸器KM0吸合的聲音，而此時(shí)卻沒(méi)有聽(tīng)到。3.檢查接觸器KM0,用萬(wàn)用表測(cè)得線圈電壓為0，觸點(diǎn)沒(méi)有吸合，所以各軸均不動(dòng)作。4.根據(jù)下圖，使用萬(wàn)用表測(cè)量CX3的1、3引腳，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部觸點(diǎn)已經(jīng)接通，所以，應(yīng)該是KM0接觸器線圈的電源故障。5.經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)電源在接線端子排上的導(dǎo)線松動(dòng)，旋緊后故障排除例4：按下機(jī)床起動(dòng)按鈕，數(shù)控裝置起動(dòng)，沒(méi)有報(bào)警顯示，但各進(jìn)給軸均不動(dòng)作。分析

5、與處理過(guò)程1.由電源配置原理圖可知，伺服驅(qū)動(dòng)器電源模塊PSM的主回路電源經(jīng)接觸器KM0的主觸點(diǎn)引入，由下圖可知，KM0線圈的通斷由PSM的內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)控制。2.在機(jī)床正常起動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)數(shù)控裝置起動(dòng)完成后，PSM內(nèi)部繼電器觸點(diǎn)接通，應(yīng)該聽(tīng)到接觸器KM0吸合的聲音，而此時(shí)卻沒(méi)有聽(tīng)到。3.檢查接觸器KM0,用萬(wàn)用表測(cè)得線圈電壓為0，觸點(diǎn)沒(méi)有吸合，所以各軸均不動(dòng)作。4.使用萬(wàn)用表測(cè)量CX3的1、3引腳，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部觸點(diǎn)已經(jīng)接通，應(yīng)該是KM0接觸器線圈的電源故障。5.經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)電源在接線端子排上的導(dǎo)線松動(dòng)，旋緊后故障排除。 數(shù)控機(jī)床一般在電磁環(huán)境比較惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用，電磁干擾較大，而且電氣柜中各種電氣

6、部件之間，電源電纜、驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力電纜、信號(hào)電纜之間也存在著電磁干擾。干擾會(huì)影響數(shù)控機(jī)床的可靠性和穩(wěn)定性，是造成數(shù)控系統(tǒng)“軟”故障，且容易被忽視的一個(gè)重要因素。因此，為了使數(shù)控機(jī)床能夠穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，采取了各種措施提高數(shù)控機(jī)床的抗干擾能力。 3.1.3數(shù)控機(jī)床的抗干擾 正確連接機(jī)床、系統(tǒng)的地線抗干擾措施：例5： 某配套FANUC 0i-MC的立式加工中心，在回參考點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)參考點(diǎn)位置不穩(wěn)定，參考點(diǎn)定位精度差的故障分析與處理過(guò)程：1. 可能的原因是：編碼器零位脈沖不良或回參考點(diǎn)速度太低。由于參考點(diǎn)零位脈沖檢查需要有示波器進(jìn)行，維修時(shí)一般可以先檢查回參考點(diǎn)速度和位置增益

7、的設(shè)置。2.經(jīng)檢查該機(jī)床在手動(dòng)方式下工作正常，參考點(diǎn)減速速度、位置環(huán)增益設(shè)置正確，測(cè)量編碼器+5V電壓正常，回參考點(diǎn)的動(dòng)作過(guò)程正確。因此，可以初步判定故障是由于編碼器零位脈沖受到干擾而引起的。例5：3.在參數(shù)設(shè)置正確時(shí)，可能的原因?yàn)椤傲忝}沖”信號(hào)不良。由于零位脈沖的信號(hào)脈寬較窄，它對(duì)干擾十分敏感，因此必須針對(duì)以下幾方面進(jìn)行檢查：編碼器的供電電壓必須在+5V0.2V的范圍內(nèi)，當(dāng)小于4.75V時(shí)，將會(huì)引起“零脈沖”的輸出干擾；編碼器反饋的屏蔽線必須可靠連接，并盡可能使位置反饋電纜遠(yuǎn)離干擾源與動(dòng)力線路；編碼器本身的“零脈沖”輸出必須正確，滿足系統(tǒng)對(duì)零位脈沖的要求；參考點(diǎn)減速開(kāi)關(guān)所使用的電源必須平穩(wěn)，

8、不允許有大的脈動(dòng)。4.進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該軸編碼器連接電纜的屏蔽線脫落，重新連接后，參考點(diǎn)定位恢復(fù)穩(wěn)定，定位精度達(dá)到原機(jī)床要求。1.除非進(jìn)行必要的調(diào)整和維修，否則不允許隨意開(kāi)啟電柜，更不允許加工時(shí)敞開(kāi)柜門。2.注意觀察電柜內(nèi)粉塵堆積情況，定期清潔電柜內(nèi)的粉塵，定期更換過(guò)濾網(wǎng)。3.定期檢查各個(gè)接線端子的連接情況，防止由于螺釘松動(dòng)引起的各種故障發(fā)生。4.定期檢查機(jī)床的接地是否變差，三相電壓是否平衡。5.定期檢查機(jī)床潤(rùn)滑情況、機(jī)械情況、鐵屑清除情況、活動(dòng)電纜防護(hù)情況、并觀察冷卻液是否泄漏。6.定期檢查備份的數(shù)據(jù)是否有效。7.定期對(duì)程序區(qū)進(jìn)行清理，將不用的程序及時(shí)刪除。3.1.4 電氣控制系統(tǒng)的日常維護(hù)

9、8.定期更換存儲(chǔ)器用電池9.對(duì)機(jī)床每一次停機(jī)原因進(jìn)行詳細(xì)的記錄10.經(jīng)常觀察機(jī)床的使用情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并制止可能引起機(jī)床故障或安全事故的各種違章操作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床出現(xiàn)的各種異常現(xiàn)象。11.若CNC系統(tǒng)長(zhǎng)期不用閑置的情況下，要經(jīng)常給系統(tǒng)通電，防止潮氣，保證電子元件性能的穩(wěn)定。12.在每一次長(zhǎng)期停機(jī)前檢查機(jī)床的狀況并做好數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作，在每一次長(zhǎng)期停機(jī)后的首次開(kāi)機(jī)前認(rèn)真檢查一遍機(jī)床電柜的情況3.1.4 電氣控制系統(tǒng)的日常維護(hù)PLC（programmable logic controller）稱為可編程控制器，獨(dú)立的PLC可以作為很多自動(dòng)化設(shè)備的通用控制器,由于其控制功能強(qiáng)、使用方便、性價(jià)比高、抗干擾能

10、力強(qiáng)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。 在數(shù)控系統(tǒng)中，CNC和PLC分工合作完成對(duì)數(shù)控機(jī)床的控制，PLC主要實(shí)現(xiàn)M、S、T指令的處理以及數(shù)控機(jī)床的外圍輔助電器的控制，因此，也稱為可編程機(jī)床控制器,稱之為PMC（programmable machine tool controller）。 3.2數(shù)控系統(tǒng)中的PLC機(jī)床操作面板上的各按鍵、開(kāi)關(guān)信號(hào)都是直接進(jìn)入PLC面板上的各種指示燈信號(hào)則由PLC的輸出信號(hào)控制2、機(jī)床外部開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)3、PLC的輸出信號(hào)機(jī)床側(cè)至PMCPMC至機(jī)床CNC至PMCPMC至CNC3.2.2 FANUC 0i系統(tǒng)中PMC的信息交換CNCPMCMT（機(jī)床）YXFGFANUC PMC中

11、的信號(hào)類型字母信號(hào)類型字母信號(hào)類型X來(lái)自機(jī)床側(cè)的輸入信號(hào)(MT-PMC)C計(jì)數(shù)器Y由PMC輸出到機(jī)床側(cè)的信號(hào)(PMC-MT)T定時(shí)器F來(lái)自CNC的輸入信號(hào)(CNC-PMC)K保持型繼電器G由PMC輸出到CNC的信號(hào)(PMC-CNC)D數(shù)據(jù)表R內(nèi)部繼電器L標(biāo)記號(hào)A信息顯示請(qǐng)求信號(hào)P子程序號(hào) 例如：當(dāng)按下數(shù)控機(jī)床的急停按鈕時(shí)，*ESP從機(jī)床側(cè)送到PLC，輸入地址為X8.4，該地址是CNC生產(chǎn)廠家定義的，用戶不能改變。按下按鈕時(shí)，急停按鈕的接常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)， X8.4由“1”變“0”，通過(guò)PMC程序使G8.4產(chǎn)生相應(yīng)的下降沿，如圖所示。當(dāng)G8.4為“0”時(shí)CNC被復(fù)位，并使機(jī)床處于急停狀態(tài). 除急停信

12、號(hào)外，還有一些X信號(hào)的地址也是固定的，不能隨意改動(dòng)，例如各軸返回參考點(diǎn)的減速信號(hào)，對(duì)應(yīng)地址X9.0X9.3，分別是第1 4軸返回參考點(diǎn)的減速信號(hào)，如圖所示。這些減速信號(hào)在PMC程序中不需要處理。各具體信號(hào)的地址及功能參見(jiàn)附錄3.2.3西門子802D系統(tǒng)中PLC的信息交換 在西門子802D數(shù)控系統(tǒng)中，NCK、PLC、機(jī)床三者之間的信息交換和FANUC系統(tǒng)相似，只是具體的表示方法不同。 字母信號(hào)類型字母信號(hào)類型I由機(jī)床側(cè)輸入到PLC的信號(hào)(MT-PLC) T定時(shí)器Q由PLC輸出到機(jī)床側(cè)的信號(hào)(PLC-MT)M標(biāo)志存儲(chǔ)器VNCK和PLC之間的信號(hào)(PLCNCK) SM特殊狀態(tài)存儲(chǔ)器C計(jì)數(shù)器A累加器西

13、門子PLC中的信號(hào)類型V地址的含義 在西門子802D數(shù)控系統(tǒng)中，PLC和NCK之間的信息交換通過(guò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的V地址來(lái)實(shí)現(xiàn)，V表示PLC存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)區(qū)，字母V后面跟8位數(shù)字，分別代表不同的含義，如圖所示。 例7：V38001000表示數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)地址為38001000的一個(gè)字節(jié)，該字節(jié)的數(shù)據(jù)由PLC送給NCK，其中V38001000.0代表數(shù)控機(jī)床第一軸的負(fù)限位開(kāi)關(guān)信號(hào)。V38011000.0則代表數(shù)控機(jī)床第二軸的負(fù)限位開(kāi)關(guān)信號(hào)，如下表所示。在原理圖中，X軸負(fù)限位開(kāi)關(guān)的輸入地址為I1.3，經(jīng)下圖所示的PLC程序送給V38001000.0，該地址的信號(hào)狀態(tài)由PLC送給NCK，NCK使X軸運(yùn)動(dòng)停止，并

14、輸出報(bào)警信息。例：對(duì)于西門子802D系統(tǒng)，機(jī)床急停信號(hào)的輸入地址可以在允許的范圍內(nèi)由PLC程序編制者或者程序使用者自行定義，例如把急停按鈕的信號(hào)與I2.0對(duì)應(yīng)的端子連接，如圖所示梯形圖程序，當(dāng)急停按鈕按下時(shí)，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，V26000000.1被置“1”，該信號(hào)從PLC送給NCK，使機(jī)床處于急停狀態(tài)。V26000000各位的含義如表所示與PLC相關(guān)的故障主要有三種表現(xiàn)形式有明確的報(bào)警信息，通過(guò)報(bào)警信息可直接找到故障原因有報(bào)警信息，但不能反映真正的故障原因沒(méi)有報(bào)警信息及故障提示3.3通過(guò)PLC進(jìn)行故障診斷PLC是CNC與數(shù)控機(jī)床之間信號(hào)傳遞與處理的中間環(huán)節(jié)，機(jī)床側(cè)的開(kāi)關(guān)、按鍵、傳感器等輸入信號(hào)首

15、先送給PLC處理；CNC對(duì)機(jī)床側(cè)的控制信號(hào)也要經(jīng)過(guò)PLC傳遞給機(jī)床側(cè)的繼電器、接觸器、電磁閥、指示燈等電器元件；PLC還要把指令執(zhí)行的結(jié)果及機(jī)床的狀態(tài)反饋給CNC。3.3.1 FANUC 0i系統(tǒng)通過(guò)PMC進(jìn)行故障診斷 FANUC 0i系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，用于PMC程序的編輯、監(jiān)控及診斷，幫助調(diào)試及維修人員快速、準(zhǔn)確查找故障原因。 定時(shí)器設(shè)定畫面計(jì)數(shù)器設(shè)定畫面系統(tǒng)的診斷功能畫面 當(dāng)編程了某個(gè)指令，而這個(gè)指令卻看起來(lái)沒(méi)有執(zhí)行時(shí)，可以通過(guò)診斷號(hào)000到015觀察系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)。當(dāng)自動(dòng)運(yùn)行停止或暫停時(shí)，可以通過(guò)診斷號(hào)020到025確定系統(tǒng)的內(nèi)部狀態(tài)。 例8：一數(shù)控機(jī)床在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)中，每當(dāng)執(zhí)行M

16、8（切削液噴淋）這一輔助功能指令時(shí)，加工程序就不再往下執(zhí)行了。此時(shí)，管道是有切削液噴出的，系統(tǒng)無(wú)任何報(bào)警提示分析與處理過(guò)程：1.調(diào)出診斷功能畫面，發(fā)現(xiàn)診斷號(hào)000為1，即系統(tǒng)正在執(zhí)行輔助功能，切削液噴淋這一輔助功能未執(zhí)行完成（在系統(tǒng)中未能確認(rèn)切削液是否己噴出，而事實(shí)上切削液已噴出）。2.查閱電氣圖，發(fā)現(xiàn)在切削液管道上裝有流量開(kāi)關(guān)，用以確認(rèn)切削液是否已噴出。在執(zhí)行M8這一指令并確認(rèn)有切削液噴出的同時(shí)，在PMC程序的信號(hào)狀態(tài)監(jiān)控畫面中檢查該流量開(kāi)關(guān)的輸入點(diǎn)X2.2，而該點(diǎn)的狀態(tài)為0（有噴淋時(shí)應(yīng)為1），于是故障點(diǎn)可以確定為在有切削液正常噴出的同時(shí)這個(gè)流量開(kāi)關(guān)未能正常動(dòng)作所致。3.因此重新調(diào)整流量開(kāi)關(guān)

17、的靈敏度，對(duì)其動(dòng)作機(jī)構(gòu)噴上潤(rùn)滑劑，防止動(dòng)作不靈活，保證可靠動(dòng)作。在作出上述處理后，進(jìn)行試運(yùn)行，故障排除例9：一配備FANUC 0i-MC系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，在執(zhí)行G90 G01 Z0 時(shí)，無(wú)故停止，進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，再次執(zhí)行到這一段時(shí)又停止，無(wú)任何報(bào)警。分析與處理過(guò)程：1.調(diào)出診斷功能畫面，發(fā)現(xiàn)005為1，說(shuō)明系統(tǒng)處于各伺服軸互鎖狀態(tài)或啟動(dòng)鎖住信號(hào)被輸入。2.當(dāng)PMC的以下信號(hào)為0時(shí)機(jī)床進(jìn)入伺服軸互鎖狀態(tài)。 G8.0 禁止所有伺服軸移動(dòng) G130.0 禁止系統(tǒng)定義的第一伺服軸移動(dòng) G130.1 禁止系統(tǒng)定義的第二伺服軸移動(dòng) G130.2 禁止系統(tǒng)定義的第三伺服軸移動(dòng)3.打開(kāi)PMC狀態(tài)表，檢查上述伺服軸

18、互鎖信號(hào)，發(fā)現(xiàn)G130.0為0，而Z軸是系統(tǒng)定義的第一軸。4.打開(kāi)PMC梯形圖，從梯形圖查找使G130.0為0的原因，和刀架抬起、落下到位的接近開(kāi)關(guān)信號(hào)有關(guān)。5.檢查兩個(gè)接近開(kāi)關(guān)，發(fā)現(xiàn)刀架已落下到位，而抬起到位開(kāi)關(guān)因沾有鐵屑，而發(fā)出誤信號(hào)3.3.2西門子802D系統(tǒng)通過(guò)PLC進(jìn)行故障診斷西門子802D系統(tǒng)提供了強(qiáng)大的系統(tǒng)功能，用于PLC程序的編輯、監(jiān)控及診斷，幫助調(diào)試及維修人員快速、準(zhǔn)確查找故障原因。按下MDI鍵盤上的SYSTEM鍵，顯示如圖所示畫面1。按PLC軟鍵，顯示畫面2，可以使用診斷功能，并可以調(diào)試PLC。1西門子802D系統(tǒng)的PLC畫面2 STEP7連接功能可以使PLC與外部S7-200編程軟件包進(jìn)行通訊，按PLC狀態(tài)軟鍵，顯示PLC狀態(tài)畫面，在相應(yīng)的輸入?yún)^(qū)輸入符號(hào)名稱或者操作地址，屏幕顯示信號(hào)的當(dāng)前值。PLC狀態(tài)表 按狀態(tài)表軟鍵，顯示PLC狀態(tài)表，用此功能可以很快查找到PLC信號(hào)，并可進(jìn)行觀察和修改。該畫面缺省設(shè)定下顯示3個(gè)表：輸入端、標(biāo)志、輸出端，起始地址為0?？梢酝ㄟ^(guò)編輯板軟鍵顯示其他區(qū)域，并設(shè)定新的起始地址。 Programming Tool PLC 802界面 考慮PLC程序的安全，早期的802D系統(tǒng)不具有梯形圖在線顯示功能。而后期的802D系統(tǒng)，為了方便調(diào)試維修，則增加了該功能，用戶可以直接打開(kāi)梯形圖并實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)行狀態(tài)，但不能在線編輯、修改梯形圖