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王明有完整版毕业论文
TianjinUniversityofTechnologyandEducation
毕业论文
专业：
机械维修及检测技术教育
班级学号：
机检0301-21
学生姓名：
王明有
指导教师：
李彬讲师
二〇〇八年六月
天津工程师范学院本科生毕业设计
PLC在数控机床故障诊断中的应用
PLCInNumerically-ControlledMachineTool
SeviceApplication
专业班级：
机检0301
学生姓名：
王明有
指导教师：
李彬讲师
系别：
机械工程系
2008年6月
摘要
随着数控技术在机床业的广泛普及，数控机床作为一种加工精度高、自动化程度高的机床，具有高效率、高质量、柔性好等特点，适合现代制造业生产的需要。
但当数控机床出现故障时，往往会影响生产。
因此掌握数控机床故障诊断与维修的技术和方法有着十分重要的意义。
随着数控机床的推广和使用，社会对掌握数控机床故障诊断与维修的高素质人才的需求也越来越迫切。
利用系统PLC丰富的指令系统，使梯形图的设计高效简洁，摆脱了复杂的逻辑关系；系统采用的内置PLC具有高度集成性，简化了外围电气控制线路的设计。
用PLC梯形图开发软件的编辑和监视功能，经过对程序进行编辑、修改、调试、试运行，加工中心各种操作功能设置准确、运行正常，在实际工作中都得到验证，实现了对加工中心工作过程有效控制的设计目标。
基于PLC的电气控制系统，既可用于新型机床电气控制系统的设计开发也可用于机床的数控改造和控制功能的二次开发，针对不同的控制要求，修改相应的程序就可以满足，具有高度的柔性和功能的可拓展性，符合数控系统开放性的发展趋势。
关键词：
数控机床；故障诊断；维修；PMC
ABSTRACT
Alongwithwidelyprevalenceofdigitalcontroltechnology,numerically-controlledmachinetoolhasonetypeoftoolhighworkingaccuracyandautomation,havesomefeaturessuchashighrate、flexibilityandsoon,meetthecaseofthefuturemachining.Butwhenfaulthappensinit,producewillbeaffected.Soitisnecessarytoholdthetechnologyandmethodsofdiagnosesoffaultofnumerically-controlledmachinetool.Alongwiththewidelyusemachinetool,itisnecessaryandurgentforthehightechnicianswhouseNCtechniquetogetdiagnosisthefault.
UsingthePLC’splentifulcommands,maketheladder’sdesignmoresimpleandmakeladdertobreakawayfromcomplexlogicalrelation；Inner-setPLCmakeithighlyintegrating，andmakethedesignofoutsidecontrolcircuitmoresimple.UsingthefunctionofeditanddetectwhichPLCladderdevelopsofthasowned.Throughediting、modifying、debuggingandtestrunningthePLC’scontrolprocedure,maketheNCmachinecenter’soperationfunctionsettingexactly、runningnormally,eachfunctionswereverifiedinreality,Realizedthevalidcontrolforworking-processofNCmachinecenter.
InviewofPLC’selectriccontrolsystem,thissystemcanbeusedbothindesignofnewmachine’scontrolsystemandinmachine’sNCreformorseconddevelopforcontrolfunction.Tocounterdifferentcontrolrequirement,reviserelevantproceduretorealizethegoal.Withhighflexibilityandfunction’sdevelopment,conformtothetendencyofNCsystem’sopencharacter.
Keywords:
NCmachine；faultdiagnoses；maintain；PMC
目录
1绪论1
1.1研究背景1
1.2数控故障诊断与维修技术人才的紧缺2
1.3课题研究的内容2
1.4数控机床故障诊断与维修的意义3
2数控机床中的PLC应用5
2.1数控机床的组成5
2.2数控机床可编程控制器的用途6
2.2.1数控机床PLC的功能7
2.2.2数控机床PLC的分类8
2.3数控系统的内制式PLC概述8
2.3.1独立式PLC的主要缺点8
2.3.2内置式PLC优点9
2.4FANUC-0iB系统内置式PLC的工作原理10
2.4.1顺序程序的构成及顺序程序的执行10
2.4.2PLC接口信号12
3数控机床数控系统PLC控制程序实例分析14
3.1第一级PMC程序14
3.2第二级PMC程序20
4故障实例分析27
4.1数控机床故障诊断方法27
4.2数控机床PLC故障维修方法与实例28
总结35
附录1：
外文资料36
附录2：
中文翻译42
致谢47
1绪论
1.1研究背景
从美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统，到现在已走过了54年历程。
数控系统由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式、小规模集成电路式、大规模集成电路式、小型计算机式、超大规模集成电路、微机式的数控系统几个发展阶段。
到80年代，数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性、性能价格比也越来越高。
进入90年代，由于计算机技术的飞速发展，推动数控机床技术更快的更新换代。
世界上许多数控机床生产厂家竞相开发开放式体系结构的新一代数控系统。
开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向大大发展。
这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动，可以大量采用通用微机的先进技术，继续向高集成度方向发展，其硬件、软件和总线规范都是对外开放的，为用户的二次开发带来极大方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用。
当今21世纪，世界上一切制成品无一不是直接或间接由机床所制造的机器或工具器械所制造的，因此机床又称为工作母机，其现代化程度直接关联着制造业的现代化程度，而机床的现代化程度又集中体现在数控机床上，数控机床是工厂自动化的基础，数控技术是数控机床的关键技术。
现代数控技术集传统的机械制造技术、计算机技术、成组技术与现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通讯技术、液压气动技术、光机电技术于一体，是现代制造技术的基础，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，使世界制造业的格局发生了巨大变化。
数控技术是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段，它的广泛使用给机械制造业的生产方式、产业结构、管理方式带来深刻的变化，它的关联效益和辐射能力更是难以估计；数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木;数控技术是国防现代化的重要战略物质，国外对高级数控机床的控制以及众所周知的“东芝事件”充分反映了数控机床在国防现代化方面所起的至关重要的作用；数控技术是国际技术和商业贸易的重要构成，工业发达国家把数
控机床视为具有高技术附加值、高利润的重要出口产品，世界贸易额逐年增加。
因此,数控技术是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。
专家们曾预言:
机械制造的竞争，其实质是数控的竞争。
有鉴于此，各工业发达国家都把提高数控技术水平作为提高制造业水平的重要源泉，竞相发展本国的数控产业。
我国政府已充分意识到发展数控技术的重要性，正积极采取各种有效措施大力发展我国的数控产业，把发展数控技术作为振兴机械工业的重中之重。
1.2数控故障诊断与维修技术人才的紧缺
近几年,我国的数控机床产业发展很快，数控机床的产量越来越大，数控机床的发展一方面要努力提高其质量和数量，另一方面要充分认识到数控机床应用和维护的重要性，认识到正确的使用和良好的维护、维修措施，是机床长期可靠运行的重要保障。
现在数控设备使用越来越广泛，随之而来的是如何保证设备的有效利用率，设备出现故障时，要尽快将设备恢复正常使用。
由于一些用户对数控机床的故障还不能及时做出正确的判断和处理，并且机床生产厂商因交通、通信、资金、技术人员的水平等因素不能及时派出维修人员到现场服务，据统计，目前国内各行业中的数控机床开动率仅达到20%-30%，由此可见，数控机床的故障诊断与维修是数控机床使用过程中重要的组成部分，也是目前制约数控机床充分发挥作用的因素之一，因此掌握数控机床的故障诊断与维修的技术和方法有着十分重要的意义。
为了解决这个问题，首先要求维修人员应有很高的素质，不但要求具有丰富的专业知识，如机电一体化技术、计算机原理、数控技术、PLc技术、自控技术、拖动原理和液压技术等，还要掌握机械加工常识和数控装置的简单编程，另外还要具有一定的英语水平，能够阅读英文技术资料。
要有足够的资料，包括机、电、液图样，机床参数备份，系统使用维修手册，PLC梯形图等。
还要有一定量的备件。
另外需要维修人员具有一定的经验，掌握一定的维修方法。
数控机床的生产厂商加强数控机床故障诊断与维修的力量，可以提高数控机床的质量，有利于数控机床的推广和使用.数控机床的使用单位及高等职业技术院校培养掌握数控机床的故障诊断与维修的技术人员，有利于提高数控机床的使用率。
随着数控机床的推广和使用，社会对掌握数控机床故障诊断与维修的高素质人才的需求也越来越迫切。
1.3课题研究的内容
作为机电一体化在机械加工领域中的典型产品，数控机床具有高精度、高效率和高适应性的特点，已在我国批量生产、大量引进和推广使用，给机械制造业的发展创
造了条件，带来很大的经济效益。
在数控机床电气控制系统中可编程控制器（PLC）是应用最广泛的控制装置，已成为自动化系统的基本装置。
PLC置于NC系统和机床之间，控制主轴、刀库等外部执行机构的动作，当前数控机床电气控制系统采用PLC已成为发展趋势。
PLC以微处理器为基础，是一种将计算机技术、自动控制技术和通信技术结合在一起的新型工业自动控制设备，面向控制过程、面向用户、适应工业环境，具有操作方便、可靠性高的特点，在包括数控机床在内的工业自动控制中得到广泛应用，成为新一代通用工业控制装置，与CAD/CAM技术、工业机器人并称为加工业自动化的三大支柱。
利用PLC代替传统的继电器-接触器控制，可以避免大量电器元件的更换，在逻辑关系改变时只需要相应的修改程序就可以实现目标，即节省时间，也节省成本，同时大幅度提高了机床自动化控制程度和电气控制系统的柔性。
数控机床的控制由数控装置和可编程控制器协调配合共同完成。
其中数控装置主要完成对各坐标轴的位置进行连续控制和管理。
但还需要对诸如主轴正转和反转、进给运动的启动和停止、刀库及换刀机械手控制、工件夹紧松开、工作台交换、冷却和润滑等辅助动作进行顺序控制。
顺序控制的信息主要是输入输出控制，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控制；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。
数控机床采用可编程逻辑控制器（PLC）来完成上述功能，输入/输出（I/O）故障是数控机床运行过程中最常见的故障，这是因为组成输入/输出的各类开关元件受到机械磨损、油气侵蚀等因素的影响，造成开关可靠性下降以致失灵，引起机床动作障碍。
因此，需要对PLC在机床上的编程使用、工作原理、故障诊断作一个综合分析。
1.4数控机床故障诊断与维修的意义
开展数控机床的故障诊断与维修，其意义体现在：
⑴技术的需要
现在尽管数控机床的新技术发展很快，但应该说，随着数控设备的大量运用，其控制方法已形成体系，即数控设备间具有一定共性，通过对其共性的理论进行总结、归纳，再结合对某一类典型的数控系统进行系统的培训学习，就可以形成对数控设备进行维修的思路。
⑵企业效益的需要
数控设备对于用户来说，其意义在于最大化地为企业服务，但在使用中，各种因素如误操作、设备元器件老化、元器件质量差等，都可能造成设备的故障甚至停机。
这将直接影响企业生产的顺利进行，所以企业应有掌握数控维修技术的人员，能够尽快对设备进行维修及恢复。
这些人员能够对一些普通故障进行维修，也将降低企业的维修成本。
⑶市场的需要
市场的需要直接推动了数控维修技术培训的开展，这个市场是指人才市场，数控设备的大量使用，需要一大批具备数控维修技术的人员为企业进行技术服务工作，大量企业需要这样的人员。
开展数控设备维修的学习及培训，有助于减少数控设备的故障停机时间，降低设备维修成本，提高企业的效益。
2数控机床中的PLC应用
2.1数控机床的组成
随着我国机械制造技术的迅速发展，机械产品的更新换代也越来越频繁，这就对制造装备在性能、精度、自动化及柔性方面提出了更高的要求。
通用机床设备自动化程度不高，难以加工轮廓及形状复杂的零件；自动化专用机床和生产线，虽然效率高，自动化程度高，但产品改型困难，而且开发周期长。
数控技术及采用该技术的数控机床正好满足了这些要求。
数控是控制装置在运行过程中不断地引入数值数据，从而对生产过程实现自动控制。
也就是说，使用数控机床时，可将其运行过程数字化，这些数字倍息包含了机床刀具运动轨迹、运行速度及其他工艺参数等，面这些数据可以根据要求很方便地实现编辑修改，满足了柔性化的要求。
数控机床是机电一体化的高技术产品，其中集合了机械制造、计算机技术、伺股驱动及检测技术、可编程控制技术、气动液压等技术。
其一般包括输入输出装置、数控装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、伺服驱动系统、检测装置、机床本体。
CNC数控系统的组成如图2-1所示。
图2-1CNC数控系统的组成
1输入输出装置
输入和输出装置是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。
输人装置可将数控加工程序和其他各种控制信息输人数控装置；输出装置可显示输入的内容和数控系统的工作状态等。
纸带阅读机、磁盘驱动器、银盘和操作面板、显示器等都属于输入输出装置。
⑵数控装置
数控装置（也称CNC系统）是数控系统的核心，它由硬件和软件共同完成数控任务。
数控装置执行系统程序、读取加工程序，经过加工程序段译码、预处理计算，然后根据加工程序段指令进行实时插补，并通过与各坐标伺服系统的位置、速度反馈信号比较，从而控制机床的各坐标铀的位移。
同时将辅助动作指令通过PLC传送给机床，并接收通过PLC返回的机床各部分信息，以决定下一步操作内容。
⑶可编程逻辑控制器（PLC）
数控机床通过CNC和和PLC共同完成控制功能，其中CNC主要完成数字计算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动的位置伺服控制等；而PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，它接收CNC的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等开关量动作信息，对开关量动作信息进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的夹紧、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助动作。
它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作（如手动操作机床），另一方面将一部分指令送往数控装置用于加工过程的控制。
⑷伺服驱动系统
伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统。
伺服单元接收来自数控装置的速度和位移指令。
这些指令经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。
因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的的大功率信号。
驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或规定的轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。
5机床本体
机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动执行部件（工作台、拖板及其传动部件）和支承部件（床身、立柱等），还包括具有冷却、润滑、转位和夹紧等功能的辅助装置。
2.2数控机床可编程控制器的用途
可编程控制器是一种数字逻辑运算系统．专为工业环境下运用而设计，它采用可编程序的存储器，用于存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等特定功能的用户指令，并通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。
数控机床作为自动控制设备，是在自动控制下进行工作的，数控机床所受的控制可分为两类：
一类是最终实现对各坐标轴运动的“数字控制”，即控制机床各坐标轴的移动距离，各轴运行的插补、补偿等；另一类是“顺序控制”，即在数控机床运行过程中，以CNC内部和机床的各行程开关、传感器、按钮、继电器等开关量信号状态为条件，并按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停、换向，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、冷却、润滑系统的运行等进行的控制。
与“数字控制”相比，“顺序控制”的信息主要是开关量信号。
在PLC出现以前，机床的顺序控制是以机械设备的运行状态和时间为依据，使其按预先规定好的动作次序顺序地进行工作的一种控制方式。
这种控制方式是由传统的继电器逻辑电路（RelayLogicCircuit,简称RLC）实现的。
这种电路是继电器、接触器、开关、按钮等分立元件用导线连接而成的电路。
在实际应用中，RLC存在一些难以克服的缺点，如只能实现定时、计数等有限几种功能控制，难以实现数控机床所需要的许多特殊的控制功能；修改控制逻辑需增减元件重新布线；继电器、接触器等元件体积较大，工作触点数有限；当机床受控对象较多时，RLC体积庞大、功耗高、可靠性差。
可编程控制器（ProgrammableLogiccontroller,简称PLC）是由计算机简化而来的，具有面向用户的指令和专用于存储用户程序的存储器；用户程序多采用图形符号和逻辑顺序关系与继电器电路十分近似的“梯形图”编辑，形象直观，工作原理易于理解和掌握；没有接触不良、触点熔焊、线圈烧断等故障；还可以和个人计算机等设备连接，方便地实现程序的显示、编辑、存储和传送等操作。
现在PLC已经成为数控机床不可缺少的控制装置。
2.2.1数控机床PLC的功能
（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。
（2）机床外部开关输入信号控制
将机床侧的开关信号送入PLC，经逻辑运算后，输出给控制对象。
这些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。
（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阀，对刀库、机械手和回转工作台等装置进行控制，另外还对冷却泵电动机、润滑泵电动机及电磁制动器等进行控制。
（4）伺服控制
控制主轴和伺服进给驱动装置的使能信号，以满足伺服驱动的条件，通过驱动装置驱动主轴电动机、进给伺服电动机和刀库电动机等。
（5）报警处理控制
PLC收集强电柜、机床侧和伺服驱动装置的故障信号，将报警标志区中的相应报警标志位置，数控系统使显示相应的报警号及报警提示信息，以方便故障诊断。
（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。
（7）转换控制
有些加工中心可以实现主轴立／卧转换，PLC完成的主要工作包括切换主轴控制接触器；通过PLC的内部功能，在线自动修改有关机床数据位；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。
2.2.2数控机床PLC的分类
数控机床PLC可分为两类，一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的“内置式”PLC，另一类是输人输出信号接口技术规范、输人/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能都符合数控机床控制要求的“独立式”PLC。
（1）内置式PLC与CNC间的信息传送在CNC内部实现，PLC与机床间的信息传送通过PLC的输入／输出接口电路来实现。
一般这种类型的PLC不能独立工作，只是CNC向PLC功能的扩展，两者是不能分离的。
在硬件上，内置式PLC可以和CPU共用一个CPU，也可以单独使用一个CPU。
由于CNC的功能和PLC的功能在设计时就一同考虑，CNC和PLC之间没有多余的连线，所以使得PLC信息可以通过CNC显示器显示，PLC编程更为方便，故障诊断功能和系统的可靠性也有提高。
FANUC-0iB系统采用了内置式PLC。
（2）独立式PLC和CNC是通过输入/输出接口电路连接的。
目前有许多厂家生产独立式PLC，选用独立式PLC．功能易于扩展和变更，当用户在向柔性制造系统（FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）发展时．不至于对原系统作很大的变动。
2.3数控系统的内制式PLC概述
所谓内置式PLC，就是利用数控系统的计算机硬件资源、输入输出控制板，结合软件技术在数控系统内集成PLC功能，有的公司称之为PMC（ProgrammableMachineControl）。
2.3.1独立式PLC的主要缺点
独立式PLC虽然有很多优点，但也有不足之处。
它的主要缺点是:
⑴PLC的软、硬件体系结构是封闭而不是开放的:
如专用总线、专家通信网络及协议，I/O模板不通用，甚至连机柜、电源模板亦各不相同。
⑵所有PLC的I/O模块，均被插在PLC的主机箱或附在PLC主机箱旁的扩充机箱内，不能被安置在前端现场。
这是因为PLC的I/O与主CPU通讯或产品的可靠性不足以保证其放置在恶劣现场环境中使用。
⑶当一台PLC操作能力达满负荷时，需要做系统扩充的话，没有其他的选择余地，只有更换另一个更高平台的PLC；而高一层次的PLC，往往需要更换成不同的应用程序，而原有的软件代码，必须用人逐一地转换到另一
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