幾個(gè)小妙招解決數(shù)控機(jī)床急停故障

摘要：文章以沈陽(yáng)華中數(shù)控CAK36S型數(shù)控車(chē)床為例，詳細(xì)闡述了數(shù)控機(jī)床中急停電路的工作原理、發(fā)生故障的類(lèi)型及原因，并結(jié)合具體實(shí)例，對(duì)故障維修的思路與方法進(jìn)行了詳盡的論述。急停故障是數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)的故障之一，本文以沈陽(yáng)華中CAK36S型數(shù)控車(chē)床為例，對(duì)急停電路的工作原理、故障發(fā)生的原因及處理方法予以剖析。1．急停的概念及意義“急?！奔础熬o急情況（Emergency），需要停止”，急?；芈返脑O(shè)置是當(dāng)機(jī)床處于緊急情況下，系統(tǒng)能夠立即處于“急?！睜顟B(tài)，以防事故進(jìn)一步擴(kuò)大。數(shù)控機(jī)床進(jìn)入急停狀態(tài)后，主軸、伺服驅(qū)動(dòng)與刀架等動(dòng)力電路立即斷電，并進(jìn)入鎖死與抱閘狀態(tài)。引起CNC系統(tǒng)啟動(dòng)“急停”程序的可以是外部操作人員，也可以是內(nèi)部系統(tǒng)監(jiān)控程序。當(dāng)操作人員發(fā)現(xiàn)機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)重大程序或操作錯(cuò)誤，如產(chǎn)品的報(bào)廢帶來(lái)重大損失，機(jī)床飛車(chē)、撞刀等嚴(yán)重機(jī)床故障，乃至造成人身傷害時(shí)，應(yīng)迅速果斷拍下操作面板上的緊急停止按鈕，迫使系統(tǒng)立即啟動(dòng)急停程序，進(jìn)入急停狀態(tài)；而內(nèi)部監(jiān)控程序啟動(dòng)急停程序，則一般為機(jī)床在啟動(dòng)或機(jī)床運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)監(jiān)測(cè)電氣、機(jī)械等外圍情況是否能夠滿(mǎn)足運(yùn)行條件，當(dāng)不能滿(mǎn)足運(yùn)行條件時(shí)，即進(jìn)入急停程序狀態(tài)。出現(xiàn)此類(lèi)情況大多為故障所致，本文討論的急停故障正是屬于此種情況。2．急停的工作原理華中CAK36S型沈陽(yáng)數(shù)控車(chē)床急?？刂齐娐啡鐖D1所示。圖1中的SB7為“超程解除”按鈕，Q3～Q6分別為X軸+X向、―X向，Z軸+Z向、―Z向超程限位開(kāi)關(guān)，QF0為主軸電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇的空氣開(kāi)關(guān)輔助觸點(diǎn)，以確保在主電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇通電的情況下，可正常啟動(dòng)系統(tǒng)。另ES1端子和手輪的“急停按鈕”串接后，接入數(shù)控系統(tǒng)的專(zhuān)用信號(hào)檢測(cè)點(diǎn)（即本電路的急停按鈕是接在了手輪連接線(xiàn)處，為節(jié)省篇幅，圖中并未畫(huà)出）。與急停相關(guān)部分的控制電路如圖2所示。當(dāng)X、Z

軸的行程在規(guī)定的“有效區(qū)域”，即Q3～Q6任意一個(gè)行程開(kāi)關(guān)沒(méi)有被壓下（致使其斷開(kāi)），操作面板的“急停按鈕”未被按下（按下后斷開(kāi)），同時(shí)主電動(dòng)機(jī)散熱風(fēng)扇通電（電動(dòng)機(jī)可以很好地散熱，不會(huì)被燒毀）→CNC的專(zhuān)用信號(hào)端子ES3輸出低電平→KA28繼電器線(xiàn)圈通電→主觸點(diǎn)閉合，接通PLC輸入端口的X2.4（見(jiàn)圖2a），“外部允許”信號(hào)有效，KA28繼電器另一路觸點(diǎn)接入變頻器的“外部故障”輸入引腳（高電平為故障，見(jiàn)圖2b），通知變頻器外部電路正常；當(dāng)CNC系統(tǒng)檢測(cè)到伺服系統(tǒng)的準(zhǔn)備好“READY”信號(hào)（PLC的X2.5）、主軸報(bào)警信號(hào)（PLC的X3.0），外部允許（PLC的X2.4），同時(shí)一切正常后→CNC系統(tǒng)向伺服驅(qū)動(dòng)器通過(guò)PLCY0.2發(fā)送“使能信號(hào)”，同時(shí)PLCY0.0“允許運(yùn)行”信號(hào)有效（見(jiàn)圖2a）→KA20繼電器線(xiàn)圈通電→KM0接觸器通電并自鎖→伺服系統(tǒng)三相220V交流電源（圖中并未畫(huà)出），刀架、冷卻電路所需的110V交流電源接入（見(jiàn)圖2c）→系統(tǒng)啟動(dòng)完畢，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)Q3～Q6其中任意一個(gè)行程開(kāi)關(guān)一旦被壓下（即X、Z

軸任意一方向超程）或QF0斷開(kāi)→KA28繼電器線(xiàn)圈斷電→外接變頻器第3腳的KA28繼電器主觸點(diǎn)斷開(kāi)→變頻器工作在“故障”模式（禁止電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)），同時(shí)PLC的X2.4“外部允許”信號(hào)無(wú)效→PLCY0.0“允許運(yùn)行”信號(hào)無(wú)效→KA20繼電器線(xiàn)圈斷電→伺服系統(tǒng)、刀架冷卻等電路的動(dòng)力電源被斷開(kāi)，系統(tǒng)處于“急?！睜顟B(tài)。由此可見(jiàn)，當(dāng)X、Z

軸任意一方向超程時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)入急停狀態(tài)，為了“解除急?！睜顟B(tài)，可以通過(guò)手動(dòng)按下操作面板上的“超程解除”按鈕，旁路Q(chēng)3～Q6行程開(kāi)關(guān)，強(qiáng)制使KA28通電，“外部允許”信號(hào)有效，機(jī)床處于“臨時(shí)正?！睜顟B(tài)，而此時(shí)按下對(duì)應(yīng)超程軸的反方向運(yùn)動(dòng)手動(dòng)按鈕，可使超程軸移動(dòng)至“有效區(qū)域”，行程開(kāi)關(guān)被“松開(kāi)”后，系統(tǒng)的“急停”狀態(tài)被解除。綜上所述，數(shù)控系統(tǒng)中的硬件急停一般為系統(tǒng)廠(chǎng)家采用專(zhuān)用的PLC接入檢測(cè)點(diǎn)，對(duì)其硬件進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)行條件不能滿(mǎn)足事先約定的規(guī)定要求時(shí)，便啟動(dòng)急停程序，進(jìn)入急停狀態(tài)。3．引起急停故障的類(lèi)型及原因發(fā)生急停故障的原因一般分為由軟件引起與硬件引起，如果機(jī)床不是在調(diào)試階段，又沒(méi)有修改參數(shù)，則硬件故障較為常見(jiàn)。故障的類(lèi)型及原因如附表所示。4．維修實(shí)例下面結(jié)合一個(gè)具體急停故障實(shí)例，說(shuō)明其維修過(guò)程：（1）故障現(xiàn)象。華中數(shù)控CAK36S型沈陽(yáng)數(shù)控車(chē)床，機(jī)床開(kāi)機(jī)回參考點(diǎn)的過(guò)程中，Z軸行程至全行程大約過(guò)半時(shí)機(jī)床出現(xiàn)急停。轉(zhuǎn)入手動(dòng)狀態(tài)后，按下“超程解除”按鈕，使Z軸負(fù)向移動(dòng)，急停狀態(tài)可以解除，再次返回到回參考點(diǎn)操作，當(dāng)Z軸再次正向移動(dòng)到大約同樣坐標(biāo)位置，又出現(xiàn)急停。為了驗(yàn)證其他功能狀態(tài)情況如何，轉(zhuǎn)入手動(dòng)狀態(tài)后，當(dāng)Z

軸運(yùn)行至大約同樣位置，系統(tǒng)同樣發(fā)生急停，進(jìn)入急停狀態(tài)。（2）故障分析。根據(jù)機(jī)床屏幕現(xiàn)象及電氣柜元部件的狀態(tài)（繼電器已經(jīng)斷開(kāi)），可以判斷這是一起典型的急停故障。又根據(jù)“超程解除”按鈕可以解除急停狀態(tài)，初步判斷是Z軸正向移動(dòng)受限所致。（3）故障診斷。首先從軟件方面著手，檢查和坐標(biāo)軸行程相關(guān)的重要參數(shù)“軟限位”是否有人為改動(dòng)。通過(guò)參數(shù)菜單打開(kāi)相應(yīng)操作項(xiàng)，查看正向軟限位為―8000μm（打開(kāi)同樣型號(hào)硬件配置的機(jī)床進(jìn)行查看，也是做了如此設(shè)置），本機(jī)床的零點(diǎn)偏差設(shè)置為零，回參考點(diǎn)位置后即為機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，負(fù)向8000μm，即在回參考點(diǎn)后的負(fù)向8mm處，此機(jī)床采用正向移動(dòng)回參考點(diǎn)的方式，參考點(diǎn)設(shè)在了Z

軸的正向行程極限位置附近，而軟限位的設(shè)置緊靠參考點(diǎn)，當(dāng)前產(chǎn)生急停的滯留位置距離軟限位的位置相差甚遠(yuǎn)，顯然不是軟限位所引起。為了確保排除軟件故障，又認(rèn)真核對(duì)了其他相關(guān)參數(shù)設(shè)置，并未發(fā)現(xiàn)有何異常。其次檢查硬件。先對(duì)元部件進(jìn)行排查。與超程硬件相關(guān)的有操作面板的急停按鈕，±X、±Z的行程開(kāi)關(guān)。對(duì)Ｚ

向、X

向的行程開(kāi)關(guān)是否良好，擋塊位置是否偏移，操作面板的急停按鈕是否卡滯（彈簧老化不能復(fù)位）等都進(jìn)行了詳細(xì)檢查，特別是和Z

向行程相關(guān)的元部件，并未發(fā)現(xiàn)異常。排除了元部件的原因后，最有可能出現(xiàn)的問(wèn)題就是連接線(xiàn)了。為了判斷問(wèn)題是否出在了連接線(xiàn)上，將行程開(kāi)關(guān)的連接線(xiàn)從接線(xiàn)端子處斷開(kāi)（即線(xiàn)號(hào)495#與499#之間的Z

向行程連接線(xiàn)，491#、495#之間連接線(xiàn)為X

向行程開(kāi)關(guān)連接線(xiàn)），然后用萬(wàn)用表的歐姆擋進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果連接線(xiàn)導(dǎo)通情況正常。經(jīng)檢查和Ｚ

向行程相關(guān)的行程開(kāi)關(guān)、擋塊及連接線(xiàn)等硬件一切正常，但卻在Z

向移動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生了急停現(xiàn)象，結(jié)果有些令人費(fèi)解。后經(jīng)仔細(xì)分析電氣原理圖及現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)圖發(fā)現(xiàn)：在超程回路中除了Z

向，還有X

向。

X

向與Z向的連接電纜都是穿過(guò)與Z

向平行的電纜保護(hù)導(dǎo)動(dòng)鏈管路連接至機(jī)床電氣柜的（見(jiàn)圖3），因?yàn)殡娎|一直隨Z軸移動(dòng)而彎曲移動(dòng)，當(dāng)行程至曲率半徑最小處時(shí)（圖3中B處），很容易引起電纜斷線(xiàn)。為此，將電氣柜中的495#線(xiàn)斷開(kāi)，用萬(wàn)用表對(duì)OT2與495#線(xiàn)之間進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)斷路，最后經(jīng)進(jìn)一步診斷確定為X

負(fù)向至接線(xiàn)排端子的連接線(xiàn)（495#線(xiàn)）斷線(xiàn)。（4）故障排除。因?yàn)槭蔷€(xiàn)路斷線(xiàn)，所以故障排除工作主要是把新的電纜換上即可，由于其他行程開(kāi)關(guān)及回參考點(diǎn)的連接線(xiàn)同樣老化，所以考慮在此次維修中一并換掉。因?yàn)榫€(xiàn)路是從電氣柜連接至行程開(kāi)關(guān)現(xiàn)場(chǎng)，布線(xiàn)需要涉及到穿管路，所以維修工作也主要是穿電纜工作。將舊的電纜從行程開(kāi)關(guān)及接線(xiàn)端子排處拆下，同時(shí)拆開(kāi)電纜保護(hù)導(dǎo)動(dòng)鏈管路，將舊電纜的一端和新的電纜綁接好，一人從一端拖拽舊電纜，另一人從另一端放線(xiàn)、規(guī)整并推送新電纜，直至新電纜從另一端全部被拖拽出。穿纜成功后，重新制作連接頭、線(xiàn)卡、線(xiàn)號(hào)和標(biāo)簽，同時(shí)安裝套管，按電氣連接圖連接，檢查無(wú)誤后通電試車(chē)，結(jié)果一切正常。（5）心得體會(huì)。本故障通過(guò)“超程解除”按鈕可以恢復(fù)正常狀態(tài)，其實(shí)可以確定和硬件相關(guān)，而軟限位只有在回參考點(diǎn)之后才起作用，所以可以排除故障是由于軟件限位引起的。由于本故障是在Z向移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生限位急停，很容易想到故障原因和Z向軸控制回路相關(guān)（也正是因?yàn)榇藢?duì)維修思路產(chǎn)生了誤導(dǎo)），其實(shí)由于X、Z

向電纜穿在同一管路中，需經(jīng)常移動(dòng)彎曲，當(dāng)Z向移動(dòng)至保護(hù)導(dǎo)動(dòng)鏈管路曲率半徑最小處時(shí)（圖3中B處），會(huì)對(duì)其中的電纜造成較大的影響，而此時(shí)的X向電纜斷路，同樣會(huì)造成急停鏈回路斷開(kāi)引起急停，如果直接檢測(cè)急停鏈回路，排除了Z

向故障后，可以直接對(duì)X

向進(jìn)行檢測(cè)，也很容易檢測(cè)出X

向連接線(xiàn)斷路；另在Z

軸行程至某處時(shí)產(chǎn)生急停，也容易想到與位置相關(guān)的電纜存在問(wèn)題，而與位置移動(dòng)相關(guān)的電纜就是拖動(dòng)管路中的電纜，如果先卸開(kāi)電纜保護(hù)導(dǎo)動(dòng)鏈管路，輕輕地觸動(dòng)電纜，會(huì)發(fā)現(xiàn)急停故障時(shí)而出現(xiàn)時(shí)而消失，據(jù)此也可很快確定是哪根電纜發(fā)生了故障。本故障是屬于電氣元部件“虛接”現(xiàn)象所引起，表象是和Z

軸相關(guān)，而其實(shí)是和Z軸的移動(dòng)過(guò)程中Z

軸的位置相關(guān)，引起故障的原因并非和Z

軸的電氣相關(guān)，而問(wèn)題的根源恰恰出在X軸，本故障現(xiàn)象具有一定地迷惑性。5.結(jié)語(yǔ)急停故障是數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)的故障現(xiàn)象之一，引起該故障的原因是多方面的，但最終的根源卻是