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幾個小妙招,解決數控機床急停故障!
發布日期:2017-08-26 11:12:27 來源: 點擊:
急停故障是數控機床中常見的故障之一,本文以沈陽華中CAK36S型數控車床為例,對急停電路的工作原理、故障發生的原因及處理方法予以剖析。

1.急停的概念及意義

  “ 急停” 即“ 緊急情況(Emergency),需要停止”,急停回路的設置是當機床處于緊急情況下, 系統能夠立即處于“急停”狀態,以防事故進一步擴大。數控機床進入急停狀態后,主軸、伺服驅動與刀架等動力電路立即斷電,并進入鎖死與抱閘狀態。
  引起CNC系統啟動“急停”程序的可以是外部操作人員,也可以是內部系統監控程序。當操作人員發現機床在運行過程中出現重大程序或操作錯誤,如產品的報廢帶來重大損失, 機床飛車、撞刀等嚴重機床故障,乃至造成人身傷害時,應迅速果斷拍下操作面板上的緊急停止按鈕,迫使系統立即啟動急停程序,進入急停狀態;而內部監控程序啟動急停程序,則一般為機床在啟動或機床運行過程中,通過監測電氣、機械等外圍情況是否能夠滿足運行條件,當不能滿足運行條件時,即進入急停程序狀態。出現此類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型沈陽數控車床急停控制電路如圖1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 向超程限位開關,QF0為主軸電動機散熱風扇的空氣開關輔助觸點,以確保在主電動機風扇通電的情況下,可正常啟動系統。另ES1端子和手輪的“ 急停按鈕” 串接后, 接入數控系統的專用信號檢測點(即本電路的急停按鈕是接在了手輪連接線處,為節省篇幅,圖中并未畫出)。
  與急停相關部分的控制電路如圖2所示。
  當X 、Z 軸的行程在規定的“有效區域”,即Q3~Q6任意一個行程開關沒有被壓下(致使其斷開),操作面板的“急停按鈕”未被按下(按下后斷開),同時主電動機散熱風扇通電(電動機可以很好地散熱,不會被燒毀)→CNC的專用信號端子ES3輸出低電平→KA28繼電器線圈通電→主觸點閉合,接通PLC輸入端口的X2.4(見圖2a),“外部允許”信號有效,KA28繼電器另一路觸點接入變頻器的“外部故障”輸入引腳(高電平為故障,見圖2b),通知變頻器外部電路正常;當CNC系統檢測到伺服系統的準備好“READY”信號(PLC的X2.5)、主軸報警信號(PLC的X3.0),外部允許(PLC的X2.4),同時一切正常后→CNC系統向伺服驅動器通過PLC Y0.2發送“使能信號”,同時PLC Y0.0“允許運行”信號有效(見圖2a)→KA20繼電器線圈通電→KM0接觸器通電并自鎖→伺服系統三相220V交流電源(圖中并未畫出),刀架、冷卻電路所需的110V交流電源接入(見圖2c)→系統啟動完畢,進入待機狀態。
  當Q3~Q6其中任意一個行程開關一旦被壓下(即X、Z 軸任意一方向超程)或QF0斷開→KA28繼電器線圈斷電→ 外接變頻器第3腳的KA28繼電器主觸點斷開→ 變頻器工作在“ 故障” 模式(禁止電動機運轉),同時PLC的X2.4“外部允許”信號無效→PLC Y0.0 “允許運行”信號無效→KA20繼電器線圈斷電→伺服系統、刀架冷卻等電路的動力電源被斷開,系統處于“急停”狀態。
  由此可見,當X 、Z 軸任意一方向超程時,系統將進入急停狀態,為了“解除急停”狀態,可以通過手動按下操作面板上的“超程解除”按鈕,旁路Q3~Q6行程開關,強制使KA28通電,“外部允許”信號有效,機床處于“臨時正常”狀態,而此時按下對應超程軸的反方向運動手動按鈕, 可使超程軸移動至“ 有效區域”,行程開關被“松開”后, 系統的“ 急停” 狀態被解除。
  綜上所述,數控系統中的硬件急停一般為系統廠家采用專用的PLC接入檢測點,對其硬件進行檢測,一旦發現運行條件不能滿足事先約定的規定要求時,便啟動急停程序,進入急停狀態。

3.引起急停故障的類型及原因
  發生急停故障的原因一般分為由軟件引起與硬件引起,如果機床不是在調試階段,又沒有修改參數,則硬件故障較為常見。故障的類型及原因如附表所示。

4.維修實例
  下面結合一個具體急停故障實例,說明其維修過程:
  (1)故障現象。華中數控CAK36S型沈陽數控車床,機床開機回參考點的過程中,Z 軸行程至全行程大約過半時機床出現急停。轉入手動狀態后, 按下“超程解除”按鈕,使Z 軸負向移動,急停狀態可以解除,再次返回到回參考點操作,當Z 軸再次正向移動到大約同樣坐標位置,又出現急停。
為了驗證其他功能狀態情況如何,轉入手動狀態后,當Z 軸運行至大約同樣位置,系統同樣發生急停,進入急停狀態。
  (2)故障分析。根據機床屏幕現象及電氣柜元部件的狀態(繼電器已經斷開),可以判斷這是一起典型的急停故障。又根據“超程解除”按鈕可以解除急停狀態,初步判斷是Z 軸正向移動受限所致。
  (3)故障診斷。首先從軟件方面著手,檢查和坐標軸行程相關的重要參數“軟限位”是否有人為改動。通過參數菜單打開相應操作項,查看正向軟限位為―8000μm(打開同樣型號硬件配置的機床進行查看,也是做了如此設置),本機床的零點偏差設置為零,回參考點位置后即為機床坐標系的原點,負向8 000μm,即在回參考點后的負向8mm處,此機床采用正向移動回參考點的方式,參考點設在了Z 軸的正向行程極限位置附近,而軟限位的設置緊靠參考點,當前產生急停的滯留位置距離軟限位的位置相差甚遠,顯然不是軟限位所引起。為了確保排除軟件故障,又認真核對了其他相關參數設置,并未發現有何異常。
  其次檢查硬件。先對元部件進行排查。與超程硬件相關的有操作面板的急停按鈕,±X、±Z的行程開關。對Z 向、X 向的行程開關是否良好,擋塊位置是否偏移,操作面板的急停按鈕是否卡滯(彈簧老化不能復位)等都進行了詳細檢查,特別是和Z 向行程相關的元部件,并未發現異常。
  排除了元部件的原因后,最有可能出現的問題就是連接線了。為了判斷問題是否出在了連接線上,將行程開關的連接線從接線端子處斷開(即線號495#與499#之間的Z 向行程連接線,491#、495#之間連接線為X 向行程開關連接線),然后用萬用表的歐姆擋進行測量,結果連接線導通情況正常。
  經檢查和Z 向行程相關的行程開關、擋塊及連接線等硬件一切正常,但卻在Z 向移動過程中產生了急停現象,結果有些令人費解。后經仔細分析電氣原理圖及現場布線圖發現: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與Z 向平行的電纜保護導動鏈管路連接至機床電氣柜的(見圖3),因為電纜一直隨Z 軸移動而彎曲移動,當行程至曲率半徑最小處時(圖3中B 處),很容易引起電纜斷線。為此,將電氣柜中的495#線斷開,用萬用表對OT2與495#線之間進行測量,結果發現斷路,最后經進一步診斷確定為X 負向至接線排端子的連接線(495#線)斷線。

  (4)故障排除。因為是線路斷線,所以故障排除工作主要是把新的電纜換上即可,由于其他行程開關及回參考點的連接線同樣老化, 所以考慮在此次維修中一并換掉。因為線路是從電氣柜連接至行程開關現場,布線需要涉及到穿管路,所以維修工作也主要是穿電纜工作。將舊的電纜從行程開關及接線端子排處拆下,同時拆開電纜保護導動鏈管路,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、規整并推送新電纜,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、線卡、線號和標簽,同時安裝套管,按電氣連接圖連接,檢查無誤后通電試車,結果一切正常。

  (5)心得體會。本故障通過“超程解除” 按鈕可以恢復正常狀態,其實可以確定和硬件相關,而軟限位只有在回參考點之后才起作用,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 向移動時產生限位急停,很容易想到故障原因和Z 向軸控制回路相關(也正是因為此對維修思路產生了誤導),其實由于X、Z 向電纜穿在同一管路中,需經常移動彎曲,當Z 向移動至保護導動鏈管路曲率半徑最小處時(圖3中B 處),會對其中的電纜造成較大的影響,而此時的X 向電纜斷路,同樣會造成急停鏈回路斷開引起急停,如果直接檢測急停鏈回路,排除了Z 向故障后,可以直接對X 向進行檢測,也很容易檢測出X 向連接線斷路;另在Z 軸行程至某處時產生急停,也容易想到與位置相關的電纜存在問題,而與位置移動相關的電纜就是拖動管路中的電纜,如果先卸開電纜保護導動鏈管路,輕輕地觸動電纜,會發現急停故障時而出現時而消失,據此也可很快確定是哪根電纜發生了故障。
  本故障是屬于電氣元部件“ 虛接” 現象所引起, 表象是和Z 軸相關,而其實是和Z 軸的移動過程中Z 軸的位置相關,引起故障的原因并非和Z 軸的電氣相關,而問題的根源恰恰出在X軸,本故障現象具有一定地迷惑性。

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