基于PLC 与自诊断技术的数控机床故障诊断探究

刘晓玲

（阿克苏职业技术学院，新疆 阿克苏 843000）

数控机床制造涉及计算机、液压技术等多个领域的专业知识，需要将其有机结合起来，提高系统运行的平稳性，降低故障发生的概率，在较短时间内明确故障发生原因并准确判断发生位置，确保系统正常运行。

1 数控机床故障诊断存在的问题

1.1 故障诊断不够及时

在数控机床发生系统故障时，难以在第一时间了解故障发生的原因，故障诊断的智能化程度较低。智能化诊断机械故障的方案仍然存在着较大的研究空间。当前，较多机械结构故障及机械元件的诊断技术体系尚不完善，难以完成智能诊断故障的目标。

1.2 诊断算法不够完善

当前，数控机床诊断算法尚不完善，诊断准确程度较差。例如，神经网络技术主要通过机床上的传感器搜集相关信息，完整性较差，准确率低于90%。数控机床的故障可能是由多种原因造成的，智能化诊断算法难以深入探究故障发生的具体原因，难以彻底清除故障。

1.3 诊断系统资源不足

当前，网络化的智能诊断技术硬件资源尚不完善，诊断系统资源匮乏。网络可以用来远程判断数控系统故障，将现场监测与故障诊断之间有序连接起来。若数控机床系统出现了故障，互联网通信程序会将报警信息传输到网络终端，完成远程诊断的任务。数控系统是开发联网通信程序的重要依据，需要占用较多资源实现控制功能，对于网络化智能诊断系统具有较高要求。

因此，为了解决数控系统的硬件资源问题，需要不断优化其系统框架，运用PLC 技术实现网络通信功能，承担部分数控系统任务，减少数控系统能源消耗。PLC 系统可以搜集系统故障信息，智能诊断数控机床工作情况，具有较大的应用价值。

2 PLC 技术在数控机床中的重要作用

在分析数控机床时，PLC 技术发挥着重要作用，使得管理人员明确管理工作重点，简化故障诊断过程，排除各类风险隐患，提高机床管理的现代化程度。PLC 与CNC 数控机床的配合可以提高数控机床的数字化程度。PLC 技术可实现对数控机床工作流程的监控，使其能够严格按照程序要求完成操作任务。PLC 是CNC 完成外部加工工作的重要通道，能够反馈出实际数据信息，满足现代化管理的要求。其工作原理图如图1 所示，Y 代表PLC 系统到机床的开关信号，X 和F 表示在数控机床运行过程中，传输信号与PLC 开关之间的信息链，G 表示PLC 系统到数控系统的开关信号，R 代表PLC 系统内部的寄存设备。在构建出PLC 系统、数控机床系统之后，可以逐渐优化机床管理机制，提高数控系统的运行效率，提升其便捷性。

图1 PLC 技术在数控机床中的工作原理

PLC 系统能够完成高效管理数控机床内部信息的目标，确保数控机床系统维持正常稳定的运行状态。同时，该系统可以管理数控机床系统的各种辅助设备，如实时监控数控机床中冷却液、刀具等使用状况，及时发现设备中存在的问题，以便管理人员能够及时完成更换与维修管理任务。PLC 技术可以增强数控机床运行过程中的数据交互功能，使得各个工作部门能够有效沟通，共同完成工作任务。若系统丧失了数据交互功能，工作人员可以将PLC 技术作为中心，划定详细的工作区间，降低诊断数控机床系统故障的难度。同时，PLC 系统具备数据传输功能，可以高效传输数控机床系统的数据信息，使得管理人员能够准确确定故障发生的位置，在短时间内完成信息传输工作，确保后续故障排除与维修工作的顺利开展。

3 数控机床自诊断技术分析

自诊断技术是当前数控机床系统中最为常用的诊断技术，可以根据诊断系统内部存储的信息编写程序，全面评估故障发生可能造成的危害，明确故障发生位置，用可视化的方式输出判断结果。根据PLC 终端输出的信息，管理人员可以明确发生故障的类型，并制定针对性的诊断策略，确保整个系统的正常运行。

在线自诊断技术、离线自诊断技术与开机自诊断技术是最为常用的3 种自诊断模式，在应用范围及操作过程上存在着较大差别。工作人员需要根据数控机床的实际工作状况选择相应的自诊断模式，充分发挥自诊断技术的作用。

通电状态下，数控机床系统内部可以运用相应的自我诊断软件控制关键部位，及时发现数控机床系统中出现的问题，在CRT 显示器中展现出系统故障信息，明确故障发生的具体位置。开机诊断技术是数控机床系统正常工作的重要前提，能够确保系统关键部分和数控指令的正确性。但开机诊断技术存在缺陷，只能定位模板或者点位上的故障，无法正确分析数控机床芯片的工作情况，忽略了芯片故障对系统可能产生的影响。

在线自诊断技术可以检测数控机床系统内部的工作状态信息，监测I/O 接口及各类数控设备的活动。若检测系统发现了异常状况，需要立即显示出相关信息，并及时发出报警信号，引起管理人员的注意。系统也可以运用PLC 技术及CNC 技术的综合指令自动处理故障信息。管理人员需要根据警报信号及系统信息有效排除系统故障，使得数控机床系统处于高效的工作状态。

离线自诊断技术能够确保数控机床系统故障诊断的真实性，不断优化故障发现与处理机制，检查系统是否需要停止工作状态。

4 数控机床故障特点分析

在使用PLC 可编程控制器进行数控机床故障诊断前，分析数控机床的故障特点找寻数控机床的故障原因并进行维修方法的选择，可极大程度提高维修效率，符合科学的故障诊断流程。数控机床的主要故障特点表现在以下几个方面：第一，数控机床表面因加工元件不同存在不同的几何图形，随着加工零件的增加导致几何图形磨损严重，且与原形状存在误差，若不及时修整，在使用过程中会因摩擦力增大导致加工元件出现变化较大的负荷现象，使得元件质量下降，影响后续使用，容易造成机床故障。第二，数控机床在进行零件加工过程中，机械装置的操作顺序逐渐完善，此状态下的工作较为稳定，不易发生故障，但可能受到人为因素的影响而出现故障问题。如工作人员操控机床工作时的操作步骤混乱，无法确保自身操作的系统性和正确性，使得数控机床的各个设备受到影响，容易引发故障。第三，数控机床使用时间较长处于零件磨损较严重的老化期时，会出现较多故障问题，严重导致机床损毁，而老化期出现的故障问题往往有规律可循，可采取科学合理的诊断方式进行故障排查，找出原因并进行维修。数控机床是安装自动化控制程序的车床，结构较为复杂，因此诊断工作难度较大，无法保障诊断结果的准确性与故障处理效果。

5 PLC 技术在数控机床故障维修中的应用思路

5.1 根据数据故障进行诊断

在进行数控机床故障诊断时，使用PLC 程序作为诊断手段，在对自动化控制机床各个部位进行检测并判断故障位置与故障原因时，可根据该机床的结构组成与主要功能对动作文本与自动报警进行调整，达到实时监测的效果。若数控机床在工作过程中发生故障或使用异常会引发自动报警，根据数据分析故障位置与故障原因，将其作为开展维修工作的主要凭据，提高故障诊断效率的同时保障数控机床的维修效果。数控机床设备运行环境的稳定性较差，可以将多个传感器有机融合起来，提高数控机床故障诊断效率，完善故障诊断体系。

5.2 根据动作故障诊断分析

在进行数控机床的诊断时，可根据数控机床的机械操作顺序进行诊断，依据不同加工零件的机械操作自动识别零件更换操作顺序来完成相对任务，对机械装置的运行情况与动作标准程度进行观测，与正常数控机床的动作操作顺序进行比对，发现其中存在的故障问题，找出故障动作顺序，查明故障原因，达到提升维修质量与维修精准度的目的。近几年来，研究人员想要将量子神经网络引入到数控机床故障诊断系统中，给诊断体系的发展提供了新方向。相比于传统神经网络，量子神经网络的计算能力较强，能够处理复杂程度较高的数据库信息，解决系统模糊性问题。

5.3 根据加工对象的工作原理进行分析

对于数控机床的诊断过程来说，在使用PLC 可编程控制器程序进行诊断与维修时，需要明确PLC 程序的使用原理与控制系统，规划较为全面的检修方案，达到高效诊断、高质量维修效果的目的，针对数控机床的实际使用需求进行方案的调整。为了达到更优质的诊断效果与诊断管理，可针对数控机床加工对象的加工步骤与工作原理进行分析，排除与工作原理不符的行为与加工效果，寻找可能存在的问题。

5.4 根据I/O 状态进行分析

在进行数控机床的诊断过程中，需要根据机床中输出与输入设备I/O 的运行状态与数据传输进行分析，采取科学合理的方法进行处理，得到准确的设备运行效果信息，处理问题过程中确保结果的准确与可靠性，使得问题分析较为全面，管理机制得到改善，提升维修管理质量。可加大针对I/O 设备的运行状态分析工作力度，使各个处理工作达到平衡，实现信息共享，以提升维修管理工作水平。

5.5 使用梯形图进行诊断

在应用PLC 可编程控制器进行数控机床的诊断过程中，使用梯形图对数控机床的故障检测进行分析处理，能够较为明确高效解决故障问题。在使用梯形图时，需要明确检测步骤与机床操作顺序，对控制系统中的自动诊断功能进行数据分析，达到控制系统的运行稳定效果，使得诊断管理效果较好。诊断维修前，首先明确诊断原因与故障位置，对症下药，提升诊断效率与维修效果。

6 PLC 和自诊断技术在数控机床故障诊断过程中需遵循的原则

为了确保数控机床工作顺利开展，需要充分运用PLC 技术与自诊断技术，将其纳入故障判断体系中，遵循科学性与实用性原则，从多个维度出发进行讨论，提高故障诊断与排除系统的现代化程度与智能化水平，为设备管理活动的顺利开展奠定强有力基础。

6.1 实用性原则

为了充分发挥出PLC 技术与自诊断技术的联合效用，需要严格遵循实用性原则。数控机床的诊断工作涉及多个领域，工作内容丰富多变，操作环节十分复杂，实现难度较高。为了有效应对此类问题，需要不断优化自诊断技术与PLC 技术的应用程序，提高应用方案的容错程度，避免故障判断过程受到外界环境变化的影响，有效简化操作过程，降低操作难度，在短时间内完成大量诊断任务，确保数控机床工作的顺利开展。

6.2 科学性原则

在数控机床系统中运用PLC 技术与自诊断技术需要遵循科学性原则，构建起高效工作的技术体系，从科学角度审视诊断步骤，优化工作流程。同时，需要明确PLC 技术的基本工作要求，明确自诊断工作的重点及难点，有效应对数控机床对于故障诊断及排除工作提出的要求。科学的指导理念、指导方法与指导精神能够丰富PLC 技术的现有资源信息，完善数控机床故障诊断系统的功能，提高故障判别及处理机制的现代化程度。

7 数控机床运行及故障诊断中PLC 技术的应用状况分析

数控机床系统十分复杂，主要由数控系统、程序控制系统、测量与检测系统等多个子系统组成，包括网络通信技术、机械技术等多个领域的知识，涉及到光、电等各个方面。数控机床各个部分的功能密切关联，对于设计人员及工艺人员的要求较高，通用性较强。在数控机床控制系统中，PLC 技术能够控制机床的操作面板，采集外部的输入信号信息，控制输出信号实现M、S、T等多个功能。

若在数控机床控制与诊断过程中应用了PLC 技术，则称其为可编程机床控制设备。PLC 系统具有十分强大的控制功能，可以编辑程序信息，诊断故障状况，使得调试人员迅速定位故障位置，明确故障发生原因。PLC 技术与计算机数字控制系统结合起来，能够高效完成信息交换任务。

CNC 与数控机床之间进行交互的中心部分即为PLC 系统。数控机床的开关、传感器及关键信息会传递给PLC 系统。同时，该系统也会处理CNC 对机床发出的控制信号信息，并将指令执行情况反馈给CNC 系统。若某个信号传输过程出现故障，或者其中一个元件并未严格按照相关要求操作，会对数控机床系统产生较大影响，导致其出现严重的故障。PLC 的信号检查可以确定故障所在位置，完成开关量的信号检测、输入及输出等多方面信息。

8 在数控机床故障诊断工作中PLC 技术与自诊断技术的综合应用分析

在数控机床故障诊断过程中，需要将PLC 技术与自诊断技术应用到操作全过程中，明确此类技术对于排除故障的重要价值，时刻遵循科学性与实用性的指导原则，提高数控机床工作的系统化程度，确保后续操作平稳有序进行。

8.1 PLC 技术与自诊断技术在机械急停报警中的应用

数控机床的故障可能会对整体运行产生影响，为了确保系统运行的安全性，有时需要紧急停止机械运行。数控机床系统的急停功能可以提高操作人员的安全性及机床的稳定性。故障检测与维修人员需要坚持实用性原则，分析系统整体运行状况，简化工作过程，避免系统故障产生的不利影响。

8.2 自动换刀类故障分析

自动换刀装置是加工中心与数控机床的重要组成部分。该部分具有多种多样的形式，如回转式刀架、自动转换刀架等。PLC 技术能够控制自动换刀操作的整个流程，完成顺序控制的任务。自动换刀的操作过程十分复杂，输入输出信号类型较多，需要明确换刀操作的具体流程之后再开展维修工作，有序完成机床诊断任务，迅速明确故障发生位置，明确故障发生原因。

通过分析机床PLC 系统的梯形图，可以明确回转式电动刀架的换刀流程。在数控机床系统发出换刀信号之后，PLC 系统会判断当前刀具型号与目标刀具型号是否一致，若一致则立即停止换刀操作流程。若不一致，需要运用寄存器停止刀架的旋转过程。在某刀具旋转之后，霍尔元件会发出刀具到位信号。反转时间是由外部的PLC 参数确定的，需要经过相关步骤优化此参数，获得良好的换刀效果。

8.3 PLC 技术与自诊断技术的工作流程

在数控机床故障诊断系统中应用PLC 技术与自诊断技术时，需要坚持科学的指导框架，简化必要的工作流程，排除技术盲点，确保技术体系能够覆盖故障诊断的全过程。PLC 技术与自诊断技术具有强大的优势，需要将二者有机结合起来，提高故障诊断工作的效率与质量。故障诊断人员需要根据自诊断技术得出的结果进行综合判断，明确可能发生故障的范围及可能出现的故障类型，为后续故障排除提供有力保障。管理人员需要观察PLC 寄存器等多个关键指标，确保控制信号的正常传输，提高数据搜集效率与质量，将可能发生的部位分为PLC、CNC 及机床一侧，运用多种先进的技术手段，明确故障发生的具体位置，制定针对性的处理策略，提高故障排除效率，减少数控机床停止运行的时间，确保数控机床产业的经济效益。

9 结束语

综上所述，PLC 技术及自诊断技术均具有十分明显的优势，需要遵循科学性与实用性原则，将2 种技术有机整合起来，与数控机床发展的实际状况相结合，推动数控机床系统、PLC 技术与自诊断技术的有效衔接，提高数控机床系统的故障诊断能力，确保数控机床系统处于平稳安全的运行状态，为后续工业生产活动及数控机床加工活动的正常开展奠定强有力基础。