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摘要：本文通过西门子数控系统机床故障现象的分析，阐述了西门子PLC在机床中的构成及作用，采取正确的应对措施修改了PLC程序梯形图，修复车拉床径向进给轴X1/X2突然失控下滑的故障。

关键词：车拉床  失控  下滑  西门子  PLC   梯形图

一、机床的故障现象

广西五鑫机械有限公司曲轴加工线，一台主轴轴颈车拉床偶有出现径向进给轴X1/X2突然失控下滑，使刀盘撞击到工件，撞坏刀具，正在加工的工件报废，经观察发现是在以下情况下出现下滑。

1.自动加工中一个轴颈加工结束，Z1/Z2进给轴向下一个轴颈移动时;

2.自动加工中在一个轴颈加工过程的U1/U2旋转轴旋转换刀过程中;

3.在一个曲轴加工结束打开机床防护门（准备检查加工结果）的瞬间;

4.当按下“紧急停止”按钮后时。

二、车拉床系统控制及刀盘移动轴机械结构

车拉床主要由数字控制系统及机械床身组成，本文所涉及的车拉床控制系统采用西门子SIEMENS SINUMERIK 840D数字控制系统。

2.1  车拉床的NCN控制

西门子数字控制系统常见类型有SINUMERIK802、SINUMERIK810、SINUMERIK820、SINUMERIK 840D等，而SINUMERIK 840D数字控制系统，是西门子公司在数控领域的创新技术与先进理念的最佳体现，通过系统的不同设定，就可以应用于车、铣、钻、磨等各种加工工艺和控制，SINUMERIK 840D数控系统主要功能硬件是由数字控制单元（NCU）、电源模块、驱动器、OP0xx 、MCP、PCU、PLC 的 I/O 模块等组成。NCU单元的接口示意图如图1所示。

2.2 车拉床的PLC控制

车拉床的输入输出是由西门子PLC控制管理，PLC也称为可编程序控制器，是专门为工业环境应用而设计的计算机。它采用可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟量输入、输出控制各种类型的机械或生产过程，它具有丰富的输入、输出接口和较强的驱动能力。SINUMERIK840D 系统的 PLC 部分使用的是西门子 SIMATIC S7-300 的软件及模块，在同一导轨上，从左到右依次为电源模块，接口模块及信号模块，PLC的CPU是集成在NCU中，通过NCU（图1）上的X111接口与PLC模块连接。

数控机床除了对各轴进行伺服进行伺服控制外，还要对各机械动作进行逻辑轴的控制和状态检测，西门子数字控制系统 840D集成了PLC的CPU，外部输入、输出开关信号必须通过外挂的I/O模块与系统的NCU连接，当控制的输入、输出点数多时，就需采用S7-300系列模块， PLC模块主要对操作面板控制、轴使能控制、换刀动作有关的液压或气压控制、润滑控制、冷却控制、报警及态度信息的控制。

2.3 刀盘移动轴机械结构

车拉床设计有左右两个刀盘，刀盘分别安装在左右动力头上，动力头的导轨与水平面夹角为60度。动力头上下移动轴（刀盘径向进给轴）分别为X1和/X 2轴。该机床中X 1轴和X 2轴是垂直运行的直线进给轴。为了消除重力的影响，两轴均采用液压配重。油缸缸底在下方，与导轨（机床床身）作刚性连接，活塞向上，与两轴动力头刚性连接。在数控操作编写程序时，两轴向上运行定义为正方向，两轴向下运行定义为负方向。

下面就机床在各个状态下以右动力头X 2轴为例对动力头受力情况进行分析：机床开机正常后即进入到进给允许状态（FEED ENABLE）即Q 57.4（X2轴进给充许信号）输出为ON，X 2轴处于伺服锁紧状态，进入计算机监控PLC程序梯形图分析：当X2轴伺服电机刹车松开Q 57.5为ON，X2轴配重油缸供油电磁阀（21Y70）Q25.0为ON ，液压控制系统向液压配重油缸供液压油。这时X 2轴受力情况为向下的重力分量Fg、配重油缸活塞对X 2轴向上的力为Fb及伺服电机对X轴2的力Fx，此时两轴受力平衡，处于相对静止状态，受力情况如图2所示。

通过对动力头的受力分析，在两轴处于伺服锁紧状态下，要使刀盘下滑必须克服配重液压油缸向上的力。而造成X1/X2数控轴在伺服状态突然下滑的可能原因是：

（1）是数控系统异常，突然给X1/X2数控轴一个不受控的向下命令值，使X轴突然不受控下滑;

（2）是配重液压油缸突然失压不起作用。

在图3中伺服电机对两轴的作用力，在不同状态下力的方向是不一样的，两轴向下运行时则作用力向下，两轴向上运行时则作用力向上;两轴不运行时处于伺服锁紧状态。

如果数字控制系统发生异常，刀盘异常下滑随时都有可能发生，但不会在特定情况下下滑。而且在处理故障过程中曾更换过命令值及相关输出系统板，故障并不能排除。在机床自动加工中，进入计算机监控PLC程序梯形图时发现当X1/X2轴向上运行或停止时X1/X2轴配重油缸供油电磁阀（21Y70）Q25.0为ON得电，当X1/X2轴向下运行时配重油缸供油电磁阀（21Y70）Q25.0为OFF失电，相关程序梯形图如图3所示

程序梯形图中F90.2是来自CNC的信号，通过PLC的数据块DB32读取CNC状态。当X1/X2轴向上运行或停止时为OFF ，当X1/X2向下运行时为ON ;Q57.5是X2轴的刹车输出点，刹车时NC信号F90.2为ON ，使Q25.0输出（配重油缸电磁阀输出点）由ON 变为OFF， 电磁阀关闭液压控制系统不再向配重油缸供油，由于液压机械的原因（窜油等）配重油缸没有起到配重的作用，并且这时伺服电机对X轴的力是向下的，就会使X轴突然下滑并报警。所以在以下加工中会出现故障：

（1）自动加工中一个轴颈加工结束，Z1/Z2进给轴向下一个轴颈移动时。

（2）自动加工中在一个轴颈加工过程的U1/U2旋转轴旋转换刀过程中。

这两种情况下都会使液压控制系统不向配重油缸供油。

而刀盘异常是在以下情况发生：

（1）在一个曲轴加工结束打开机床防护门（准备检查加工结果）的瞬间。

（2）当按下“紧急停止”按钮后时。

按“紧急停止”前，系统处于伺服状态中，液压控制系统向配重油缸供油，受力平衡。但在当打开机床防护门的瞬间（按“紧急停止”后），就会使液压控制系统不向配重油缸供油。打开防护门、按急停会使系统退出进给允许状态，Q56.4输出（进给允许）为OFF，而使Q57.5输出（X2轴电机刹车）为OFF，造成Q25.0输出（配重油缸电磁阀输出点）为OFF，液压控制系统停止向配重油缸供油。

三、维修应对措施

通过分析，认为刀盘异常下滑最大可能是在液压控制系统不向配重油缸供油时，由于液压机械的原因（窜油等）配重油缸没有起到配重的作用，至使动力头在重力作用下快速下滑。经综合考虑后认为，电气技术的解决方案是：对在加工过程中刀盘突然异常下滑的，修改PLC程序梯形图，只要有允许信号（Q57.4为ON）液压控制系统就向配重油缸供油，相关程序梯形图修改如图4所示。

对打开防护门、按急停也会造成刀盘异常下滑的，只要一启动机床（Q56.4为ON）液压控制系统就向配重油缸供油，相关程序梯形图修改如图5所示。

在对PLC程序梯形图进行修改后，刀盘异常下滑现象消除。

四、结论

通过分析排除了故障，车拉床刀盘异常下滑是因为液压控制系统不对配重油缸供油时，配重油缸没有起到配重的作用，刀盘在重力的作用下快速下滑。虽然可以通过修改PLC程序梯形图，控制液压控制系统向配重油缸一直供油达到了消防除故障的目的。但如果配重油缸电磁阀输出点所在输出模块损坏也会造成以上现象。所以维修重在维护，把故障控制在维护之中，设备是企业的生命，设备要保持正常运行，防止或减少事故的发生，把故障消灭在萌芽之中，除了发生故障应及时修理外，还应坚持定期检查，经常维护保养。

参考文献

【1】刘朝华 .西门子840D/810D数控系统安装与调试.机械工业出版社 2020年4月

【2】罗萍.西门子PLCS7-300＼400工程实例.人民邮电出版社2020年8月

【3】左维 陈昌安 西门子数控系统结构及应用（SINUMERIK 840D sl）机械工业出版社2020年8月