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数控机床加工精度异常故障的诊断和处理
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数控机床加工精度异常故障的诊断和处理
李银川
摘要：系统参数发生变化或改动，机械故障，机床电气参数未优化电机运行异常，机床位置环异常或控制逻辑不妥，是生产中数控机床加工精度异常故障的常见原因。
关键词：数控机床加工精度异常故障诊断
生产中经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。此类故障隐蔽
性强，诊断难度比较大。形成这类故障的原因主要有五个方面：{1}机床进给单位被改动或变化。{2}机床各个轴的零点偏置[NULLOFFSET]异常。{3}轴向的反向间隙[BACKLASH]异常。{4}电机运行状态异常，即电气及控制部分异常。{5}机械故障，如丝杠，轴承，轴联器等部件。另外加工程序的编制，刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。
1．系统参数发生变化或改动
系统参数主要包括机床进给单位，零点偏置，反向间隙等。例如SIMENS，FANUC数系统，其进给单位有公制和英制两种。机床修理过程中某些处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕后应作适时的调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或连结松动也可能造成参数实测值的变化，需要对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。
2．机械故障导致的加工精度异常
一台THM6350立式加工中心，采用SIMENS840D系统。在加工联杆模具过程中，忽然发现Z轴进给异常，造成至少1毫米的切削误差量（Z向过切）。调查中了解到：故障是忽然发生的。机床在点动，MDI（手动数据输入方式）操作方式下各个轴运行正常，且回参考点正常；无任何报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。分析认为，主要应对以下几个方面逐一进行检查。
[1]检查机床精度异常时正在运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿，加工坐标系（G54G59）的校对和计算。
[2]在点动方式下，反复运动Z轴，经过视，触，听对其运动状态诊断，发现Z向运动噪
音异常，特别是快速点动，噪音更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。
[3]检查机床Z轴精度。用手摇脉冲发生器移动Z轴，（将其倍率定为1X100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1毫米），配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，脉冲器每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=dl=d2=d3.=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度也良好。而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：①机床运动距离d1>d=0.1mm(斜率大于1)；②表现出为d1=0.1>d2>d3(斜率小于1)；③机床机构实际没移动，表现出最标准的反向间隙；④机床运动距离与脉冲器给定数值相等（斜率等于1），恢复到机床的正常运动。无论怎样对反向间隙（参数1851）进行补偿，其表现出的特征是：除了③阶段能够补偿外，其他各段变化依然存在，特别是①阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，①阶段移动的距离也越大。
分析上述检查认为存在几点可能原因：一是电机有异常；二是机械方面有故障；三是丝杠存在间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。检查结果是电机运行正常；在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感。而正常情况下，应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经过拆卸检查发现其轴承确实受损，且有滚珠脱落。更换后机床恢复正常。
3．机床电气参数未优化电机运行异常
有一台北京产的立式数控铣床，配备SIMENS840D系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定的现象。有手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较厉害，停止是抖动不明显，尤其是点动方式下比较明显。分析认为，故障原因有两点，一是丝杠反向间隙很大；二是X轴电机工作异常。利用SIMENS系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行补偿；调整伺服增益参数及脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常。
4．机床位置环异常或控制逻辑不妥
一台TH61140加工中心，系统是FANUC18I，全闭环控制方式。加工过程中，发现该机床Y轴精度异常，精度误差最小为0.006mm，最大为1.4mm。检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在MDI（手动数据输入方式）方式下，以G54坐标系运行一段程序即“G00G90G54Y80F100；M30；”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，记录下该数值。然后在手动方式下，将机床点动到其他任意位置，再次在MDI方式下运行上次的程序段，待机床停止后，发现此时机床机械坐标数值显示为“-1046.992”，同第一次执行后的数值相比差了0.387mm。按照同样的方法，将Y轴点动到不同的位置，反复执行该程序段显示器上显示的数值不定。用百分表对Y轴进行仔细检查，发现机械位置实际误差同数显显示出的误差基本一致，从而认为故障原因为Y轴重复定位误差过大。对Y轴的反向间隙及定位精度进行检查，重新做补偿，均无效果。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题。但为什么产生如此大的误差，却未出现相应的报警信息呢？进一步检查发现，次轴为垂直方向的轴，当Y轴松开时主轴箱向下掉，造成了误差。
对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在Y轴松开时，先把Y轴使能加载，再把Y轴松开；而在夹紧时，先把轴夹紧后，再把Y轴使能去掉。调整后机床故障得以解决。
参考文献：
1、蒋建强数控机床故障诊断与维修北京：电子工业出版社201*2、张秀玲数控机床维修技师手册北京：机械工业出版社201*
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提高PLC控制系统的可靠性研究
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提高PLC控制系统的可靠性研究
可编程序控制器是在程序控制器和微机控制的基础上发展起来的微机技术跟继电器常规控制概念相结合的产物，并已成为自动化控制系统的基本装置。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就三菱的F系列，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、输出器件中的接触、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。
下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。简述了影响可编程序控制器控制系统可靠性的主要因素，并就可编程序控制器的工作环境、电源的要求、接地和连接线的方式、降级操作设计、控制系统的输入电路和输出电路与可编程序控制的软件程序编制等多个方面，提出了一些可行的方法和措施。
关键词：可编程序控制器；外围设备；软件程序；可靠性。
目录
第1章：从PLC外围设备来考虑提高PLC的可靠性………..51.1工作环境的要求…………………………………………….51.2电源的要求………………………………………………….51.3接地和接线………………………………………………….51.4降级操作设计………………………………………………61.5PLC的I/O电……………………………………………….6第二章从PLC的软件程序来考虑提高控制系统的可靠性…….7
2.1运行状况超时检测……………………………………….72.2逻辑错误检测……………………………………………..8
第三章结束语………………………………………………………9
前言
可编程序控制器（以下简称PLC）是在程序控制器和微机控制的基础上发展起来的微机技术跟继电器常规控制概念相结合的产物，从广义上讲，PLC是一种计算机系统，比一般计算机具有更强的与工业过程相连接的输入输出接口，并已成为自动化控制系统的基本装置。PLC已经广泛应用于机械、冶金、化工、汽车、轻工等行业中，已基本取代了传统的继电器和接触的逻辑控制。用PLC来控制系统设备，其工作的可靠性要比单纯继电器和接触器控制大大提高。就PLC本身而言，平均无故障时间一般已可达3万~5万小时：而三菱的F系统，据称其平均无故障时间已达30万小时。所以，整个PLC控制系统的可靠性，主要取决于PLC的外围设备，比如输入器件中的行程开关、按钮、接近开关，输出器件中的接触器、继电器和电磁阀等。另外，从软件程序的编制来考虑，如果能编制出一个带有监控的程序，对提高系统的可靠性也有很大好处。下面就如何提高PLC控制系统的可靠性进行一些探讨。
第1章从PLC外围设备来考虑提高PLC的可靠性
PLC是专为工业生产环境而设计的控制设备,当工作环境较为恶劣，如电磁干扰较强，湿度高、电源、输入和输出电路等易受到干扰时，会使控制系统的可靠性受到影响。1．1工作环境的要求
一般PLC工作的环境温度应在00C-550C的范围，并要避免太阳光直接照射；安装时要远离的热源，保证足够大的散热空间和通风条件；空气的相对湿度应小于85%，不结露，以保证PLC的绝缘良好。PLC应避免安装在有振动的场所；对振动源允许的条件则应按照产品说明书的要求，安装减振橡胶垫或采取其他防振措施。空气中有粉尘和有害气体时，应将PLC封闭安装.。1.2电源的要求
不同的PLC产品,对电源的要求也不同,这里包括电源的电压等级、频率、交流纹波系数和输入输出的供电方式等。
对电磁干扰较强、而对PLC可靠性要求以较高的场合，PLC的供电应与动力供电和控制电路供电分开，必要时，可采用带屏蔽的隔离变压器供电、串联LC滤波电路等。在设计时，外接的直流电源应采用稳压电源，供电功率应留有20%-30%的余量。对由控制本身提供的真流电源，应了解它所能提供的最大电流，防止过电流造成设备的损坏。1.3接地和接线
(1)PLC的良好接地是正常运行的前提,在设计时,PLC的接地应与动力设备的接地分开,采用专用接地;如不能分开接地时,应采用共用接地;绝对禁止采用共通接地方法.如图1所示,接地点应尽可能靠近PLC,接地线的径应大于4mm,接地电阻一般应小于10欧姆
(a)专用接地
（2）PLC的接线包括输入线和输出接线。输入接线的长度不宜过长，一般不大于30m；在线路距离较长时，可采用中间继电器进行信号的转换。输入接线的COM端与输出接线的COM端不能接在一起。输入接线与输出接线的电缆应分开设置。必要时，可在现场分别设置接线箱。集成电路或晶体管设备的输入信号和输出信号的接线必须采用屏蔽电缆，屏蔽层的接地端应为一点接地，接地点宜在控制器侧。
1.5PLC的I/O电路
(1)由于PLC是通过输入电路接受开关量|、模拟量等输入信号的，因此输入电路的元器件质量的好坏和连接方式直接影响着控制系统
（b）共用接地
（c）共通接地
PLC外设备PLC外设备PLC外设备的可靠性，比如：按钮、行程开关等输入开关量的触点接触是否良好、接线是否牢固等。设备上的机械限位开关是比较容易产生故障的元件，在设计时，应尽量选用可靠性高的接近开关代替机械限位开关。此外，按钮的常开和常闭触点的选择也会影响到系统的可靠性。现以一个简单的起动、停止控制线路为例，图2和图3所示的是两个控制线路和它们对应梯形图，这两个控制线路的控制功能完全一样，按下起动按钮，输出动作；按下停止按钮，输出断开；但它们的可靠性不一样，假设输出断开为安全状态，那么图形3的可靠性要比图2的高，这是因为SBI、SB2都有发生故障的可能，而最常见的现象是输入电路开路。当采用图3电路时，不论SBI、SB2开关本身开路还是接线开路，输出都安全状态，保证了系统的安全和可靠。
X001X002X001X002
图2起，停控制线路
(2)在输入端有感性负荷时,为了防止反冲感应电势损坏模块,在
图3起，停控制线路负荷两端并接电容C和电阻R(交流输入信号),或并接续流二极管D(直流输入信号).如图表4所示，在采取交流输入方式时，CR的选择要适当才能起到较好的效果。通过试验装置的测试，当负荷容量在10VA以下，一般0.1微乏+120欧姆;负荷容量在10VA以上时,一般选0.47微乏+47欧姆较适宜.要采取直流输入方式时,经试验得知,二极管的额定电流应选为IA,额定电压要大于电源电压的3倍。
PLCPLC(a)交流输入方式(b)直流输入方式
图4输入端有感性负荷时的方式
(3)在输出端有感性负载时,通过试验得知,若是交流负载场合,应在负载的两端并接CR浪涌吸收器;如交流是100V、200V、电压而功率为400VA左右时，CR浪涌吸收器为0.47UF+47欧姆,如图5所示.CR愈靠近负载,其抗干效果愈好;若是直流负载场合,则在负载的两端并接续流二极管D,如图6所示.二极管也要靠近负载,其反向耐压应是负载电压的4倍.PLc图5输出端交流感性负载负载
PLc
图6输出端直流感性
2:从PLC的软件程序来虑提高控制系统的可靠性2.1运行状况超时检测
为了提高PLC控制系统工作的可靠性,可以专门设置一个定时器,作为监控程序部分,对系统的运行状态进行检测.若程序运行能正常结束,则该定时器就即被清零,若程序运行发生故障,如出现死循环等,该定时器在设定的时间内就无法清零,此时PLC发出报警信号.在设计应用程序时,使用这种方法来实现对系统各部分运行状态的监控.如果用PLC来控制某一对象时,编制程序时可定义一个定时器来对这一对象的运行状态进行监视,该定时器的设定时间即为这一对象工作所需的最大时间，当启动该对象运行时，同时也启动该定时器，若该对象的运行程序在程序在规定的时间结束工作，发出一个工作完成信号，使该定时器清零，说明这一对象的运行程序正常，否则属运行不正常，发出报警信号或停机信号。监控程序的梯形如图7所示，图中定时器T1为检测元件，X001为控制对象动作信号，X002为动作完成信号，M2为报警或停机信号。假设被控对象运行程序完成一次循环需要50s，则定时器K,值可取510（T1为100ms定时器）。当X001=1时，被控对象运行开始，T1开始计时，如在规定的时间内被控对象的运行程序能正常结束，则X002动作，M1复位，定时器T1被清零，等待下一次循环的开始；若在规定时间没有发出被控对象运行完成的动作信号，则判断为故障，T1的触点闭合，接通M2发出报警信号或停机信号。
2.2逻辑错误检测
在系统正常运行时，可编程序控制器的输入、输出信号和内部信号（如辅助继电器的状态）相互之间存在着确定的关系，如出现异常的逻辑信号，则说明出现了故障。因此，可以编写一些常见故障的异常逻辑关系，一旦异常逻辑关系为NO状态，就应该按故障处理。例如某机械运动过程中先后有两个限位开关对应的PLC输入地址分别为X001，X002，在两个信号不会同时为NO状态，如果他们同时为NO状态，就说明至少有一个限位开关被卡死，应该停机处理。如图（8）梯形图中，这两个限位开关对应的输入继电器的常开触点X001，X002串联，来驱动一个表示限位开关故障的辅助继电器M0，当M0为NO状态时就发出报警信号或停机信号
图（8）逻辑错误检测程序
2.3.降级操作设计
降级操作是指在设计时，将手动操作包括在内的设计，例如，紧
急停车的设计，关键设备的开停和再启动功能的设计等。这样，一旦发生故障，可采用降级的操作，即对部分或全部设备进行手动的开停操作，以避免设备的损坏或对人员的伤害。此外，在设计中也可考虑从全自动到半自动、直至手动的操作等。3结束语
PLC控制系统的工作可靠性与多种因素有关,有此客观因素也影响着控制系统的稳定性.通过采取设计正确的硬件线路、选择质量高的元器件、改善工作环境、编制监控程序等措施，可以使PLC控制系统的工作可靠性和稳定性得到很大的提高。
参考文献
（1）廖常初.可编程控制器基础及应用.北京：机械工业出版
社,201*.
（2）三菱公司.FX2系列可编程序控制器使用手册.201*.
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