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       摘 要：數(shù)控機床急停故障是數(shù)控機床使用過程中最為普遍和常見的故障，針對 FANUC Oi 系統(tǒng)數(shù)控機床，介紹了數(shù)控機床急停的硬件及軟件控制原理，對數(shù)控機床急停故障進行了具體分析，提出了一種“追根尋源”的數(shù)控機床急停故障排除方法，可以有效快速地排除數(shù)控機床急停故障，提高數(shù)控機床使用價值。
 
      關鍵詞：追根尋源；數(shù)控機床；故障排除；急停
 
      數(shù)控機床急停控制的目的是在緊急情況下，使機床上的所有運動部件制動，并在最短的時間內停止運行。當數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)自動報警信息后，需按下急停按鈕，待查看報警信息并排除故障后，再松開急停按鈕，使系統(tǒng)復位并恢復正常。在急停狀態(tài)下修改參數(shù)，在發(fā)生意外或關機時按下急停按鈕，可以有效保護強電對控制板元件的沖擊和安全。急停故障是指旋開急停按鈕后機床始終復位，進給軸無法獲取使能信號和 PMC（Programmable Machine Controller）無Y 功能輸出的一種現(xiàn)象。可見，數(shù)控機床急停是數(shù)控機床安全性的重要內容，能否及時正確處理數(shù)控機床急停故障將直接影響到機床操作安全及加工效率。本文以 FANUC Oi 數(shù)控系統(tǒng)分析了其控制原理及常見故障的處理方法。
 
       1 、急停控制外圍連接
 
      一般來說，急停的產生有兩種途徑：一是機床運動過程中，在緊急情況下，人為按下急停按鈕，數(shù)控機床進入急停狀態(tài)，主軸運轉及伺服進給會立即停止工作；二是機床發(fā)生超程或伺服報警等故障，系統(tǒng)自動使機床進入急停狀態(tài)。在急停回路設計時，所有的急停信號串聯(lián)在一起，任何一個按鈕按下時，都將產生急停[1]。
  
      FANUC Oi-D 數(shù)控系統(tǒng)的性能比 Oi-C 更強，使用了速度更高的 CPU，提高了 CNC 的處理速度；具有標配嵌入式以太網功能。Oi-D 數(shù)控系統(tǒng)是高性價比、高可靠性、高集成度的小型化數(shù)控系統(tǒng)。圖 1 為FANUC Oi-D 數(shù)控系統(tǒng)急停按鈕與超程開關硬件連接示意圖。
   
      如圖 1 所示，進給軸超程開關為動斷觸點，急停按鈕與每個進給軸的超程開關串接，當沒有按急停按鈕或進給軸運動沒有超程時，KA1 繼電器吸合，相應的 KA1 觸點閉合，則 Oi-D 系統(tǒng)的 I/O 模塊 X8.4處信號為 1，同時另一個 KA1 觸點也閉合。ai 伺服單元的電源模塊 CX4 插座的 2、3 管腳接收急停信號，閉合為沒有急停信號[2]。
 

                      圖 1 急停按鈕與超程開關硬件連接示意圖
   
     KA1 觸點閉合后，若 Oi-D 系統(tǒng)和 ai 伺服單元本身以及之間的連接沒有故障，則 ai 電源模塊內部的MCC 觸點閉合，即 CX3 的管腳 1、4 接通，如圖 1 所示。使用該伺服單元內部的 MCC 觸點來控制外部交流接觸器吸合，當外部交流接觸器 KM 吸合，三相交流 220 V 電源模塊就施加到了伺服單元的主電源輸入端 L1、L2、L3，數(shù)控系統(tǒng)和伺服單元就能正常工作。
 
     通過圖 1 可以看出，當按下急停按鈕或軸運動到超程位置時，KA1 繼電器斷開（急停繼電器），Oi-D系統(tǒng) I/O 模塊的 X8.4 為低電平，系統(tǒng)急停，同時電源模塊連接的 KA1 也斷開，伺服單元的內部觸點斷開，外部交流接觸器失電，主電源斷開。若由于急停按鈕斷開導致急停，只需松開急停按鈕，使其閉合即可解除急停；若是由于超程開關斷開導致急停，則要求必須有超程解除按鈕才能解除，如圖 1 中的 SB1 按鈕所示。
 
     2 、急停功能 PMC 控制
 
     2.1 功能信號
 
     急停信號有 X 硬件信號和 G 軟件信號兩種，X信號是機床側輸入到 PMC 的信號，G 信號為 PMC 輸入到數(shù)控系統(tǒng) CNC 的信號。急停硬件信號地址為X8.4，其信號地址是固定的。數(shù)控系統(tǒng)直接讀取該信號，當 X8.4 信號為“0”時，系統(tǒng)出現(xiàn)緊急停止報警。與急停報警緊密相關的信號還有 G8.4 信號，該信號是PMC 送到 CNC 的緊急停止信號。若G8.4 為“0”，系統(tǒng)則出現(xiàn)緊急停止報警。CNC 直接讀取機床信號 X8.4和 PMC 的輸入信號 G8.4，兩個信號中任意一個信號為 0 時，進入緊急停止狀態(tài)。通常在急停狀態(tài)下，機床準備好信號 G70.7 斷開；第一串行主軸不能正常工作，G71.1 信號也斷開[3]。急停功能信號如表 1 所示。CNC 系統(tǒng)、系統(tǒng) PMC 及機床的信號關系圖 2 所示。
 
 
                              表 1 急停功能信號
  
      
  
  

        
  
                        圖 2 CNC 系統(tǒng)、系統(tǒng) PMC 及機床的信號關系
 
 
     2.2 急停 PMC 程序
 
     急停功能程序實時性要求高，通常放在 PMC 第一級程序處理，G8.4 信號為 PMC 將 X8.4 和其他相關的信號進行綜合處理的輸出信號，如圖 3 所示。
  
  

      
  
                         圖 3 急停信號 PMC 處理
 
   
     圖 3 中，梯形圖在 X8.4 后面串接了一個 Xn.m信號，比如某些機床的刀庫門開關、機床限位開關等。若 Xn.m 為“0”，即使急停控制回路一切正常（X8.4 為“1”），緊急停止 G8.4 仍為“0”，系統(tǒng)仍然出現(xiàn)緊急停止報警。因此，當出現(xiàn)“緊急停止”故障時，不僅要查看圖 1 所示的信號，還要查看圖 3 中各信號，這樣才能排除該類故障。
 
     3、 FANUC Oi 數(shù)控系統(tǒng)急停診斷方法
 
     通過對 FANUC Oi 數(shù)控系統(tǒng)的急停控制原理分析，不難看出，G8.4 信號是緊急停止信號樹的“根”，其他外圍 X 信號或 R 信號是這一信號樹上的“枝”，當出現(xiàn)“緊急停止”不能解除的故障時，如果只查找圖 1 所示的信號而不從圖 3 中的 G8.4 著手“追根尋源”，則往往不能解決問題。在機床出現(xiàn)了急停故障時候，通常可以圍繞 X8.4 和 G8.4 信號，采用“追根尋源”的方式進行檢查，已達到事半功倍的效果。
 
     當數(shù)控機床出現(xiàn)急停故障時候，解決問題的關鍵在于從 G8.4 信號入手，使用 PMC 信號狀態(tài)圖進行診斷，翻頁找到相應的信號地址 G8.4，觀察 G8.4 信號是否為 0，如果不為 0 則說明 PMC 參數(shù)、PMC 程序等有問題，要逐一進行檢查排除；如果為 0，則說明 G8.4回路、急停控制回路、急停按鈕等出問題，要針對急停PMC 梯形圖進行檢查，對 PMC 梯形圖中引起 G8.4 為0 的具體觸點一一排除。“追根尋源”的數(shù)控機床急停故障排除方法具體實施過程可參照流程圖 4 進行。
  

     
  
                圖 4 “追根尋源”的數(shù)控機床急停故障診斷方法
 
 
     4 、其他數(shù)控系統(tǒng)急停故障診斷方法
 
     對于 FANUC Oi 數(shù)控系統(tǒng)急停故障可以采用以上方法，同時其他數(shù)控系統(tǒng)急停故障都可以采用同 樣的思路和方法來檢查，關鍵要注意到不同數(shù)控系統(tǒng)中有關急停功能信號的地址不同，只要能正確的查找急停信號地址狀態(tài)、分析梯形圖原理、掌握機床電氣線路檢查的方法和原理，那么所有的急停故障都會迎刃而解。對于 FANUC O 系列系統(tǒng)（OMC/OMD/OTC/OTD/OTE 等），其“急停”信號（*ESP）的輸入地址一般固定為 X21.4，對于這些系統(tǒng)可以直接檢查輸入信號的狀態(tài)，并進行處理。在大部分帶有內部 PLC 的數(shù)控系統(tǒng)中（如：SIENENS802D/810D/840D/810M）等，“急停”信號（*ESP）無固定的輸入點（地址），它是由 PLC 程序傳輸 CNC 的內部信號，但其內部信號的地址是固定不變的。在這種情況下，應根據機床 PLC 程序，找出、檢查與“急停”信號（*ESP）相關的 PLC 輸入點，通過檢測這些輸入信號的狀態(tài)，最終確定引起“急停”的原因，并加以解決。*ESP 在 SIEMENS 常用系統(tǒng)中的內部信號地址如下：SIEMENS810/820GA3 中為：Q78.1SIEMENS802S/C/D 中為：V26000000.1SIEMENS810/840D 中為：DB10/DBB56.1
對于“急停”報警，應對照 PLC 程序，利用系統(tǒng)的信號狀態(tài)診斷功能，首先檢查以上內部信號的狀態(tài)，確定相關的 PLC 輸入點，并加以解決。
 
      5 、數(shù)控系統(tǒng)急停故障實例
 
     （1） 急停按鈕及主軸潤滑液位過低引起的急停故障維修故障現(xiàn)象：有一臺CK5085di 數(shù)控車床，配置 FANUCOi TD 數(shù)控系統(tǒng)，開機顯示急停報警，無法加工。分析及處理過程：通過對照機床 PMC 狀態(tài)圖檢查 G8.4 信號為 0，說明急停信號輸入系統(tǒng)；進一步通過信號狀態(tài)圖檢查 X8.4 信號，發(fā)現(xiàn)也為 0，對照機床電氣原理圖，檢查急停按鈕及急停回路，發(fā)現(xiàn)機床手動操作合上的急停按鈕斷線，重新連接，復位急停按鈕后，再按 Reset 鍵，X8.4 信號顯示為 1，但機床依然急停；再進一步使用梯形圖檢查 G8.4 回路，在電氣原理圖中找到 X2.3 信號為主軸潤滑箱液位報警信號，打開車床側柜門，發(fā)現(xiàn)主軸潤滑液位已經超過下刻線，添加潤滑液后，觀察 X2.3 變?yōu)?1，G8.4 也就為1，機床復位后，正常工作。原來，這臺車床為主軸獨立潤滑，潤滑電機開機運轉，為防止缺油主軸軸承損壞，將液位報警與急停在梯形圖中串聯(lián)。
 
     （2）液壓電動機互鎖引起的急停故障維修故障現(xiàn)象：某配套 FANUC 0T 的數(shù)控車盒，開機后出現(xiàn)“NOT READY”顯示，且按下“液壓起動”按扭后，液壓電動機不工作，“NOTREADY”無法消除。分析及處理過程：經了解，該機床在正常工作情況下，應在液壓起動后，CNC 的“NOTREADY”自動消失，CNC 轉入正常工作狀態(tài)。 對照機床電氣原理圖
檢查機床的“急停”輸入（X21.4）為“急停”開關、X/Z軸“超程保護”開關、液壓電動機過載保護自動開關、伺服電源過載保護自動開關這幾個開關的常閉觸點的串聯(lián)。 經檢查這些信號，發(fā)現(xiàn)液壓電動機過載保護的自動開關已跳閘。通過測試，確認液壓電動機無短路，液壓系統(tǒng)無故障，合上空氣開關后，機床正常工作，且未發(fā)生跳閘現(xiàn)象。
 
     （3）機床超極限保護引起急停的故障維修故障現(xiàn)象：某配套 SIEMENS 810M GA3 的立式加工中心，開機后顯示“ALM2000”機床無法正常起動。分析及處理過程：SIEMENS 810M GA3 系統(tǒng)出現(xiàn)ALM2000（急停）的原因是 CNC 的“急停”信號生效。在本系統(tǒng)中，“急停”信號是 PLC 至 CNC 的內部信號，地址為 Q78.1（德文版為 A78.1）。通過 CNC 的“診斷”頁面檢查發(fā)現(xiàn) Q78.1 為“0”，引起了系統(tǒng)急停。進一步檢查機床的 PLC 程序，Q78.1 為“0”的原因是由于系統(tǒng) I/O 模塊中的“外部急停”輸入信號為“0”引起的。對照機床電氣原理圖，該輸入信號由各進給軸的“超極限”行程開關的常閉觸點串聯(lián)而成。 經測量，機床上的 Y 方向“超極限”開關觸點斷開，導致了“超極限”保護動作，實際工作臺亦處于“超極限”狀態(tài)。 鑒于機床 Y 軸無制動器，可以比較方便地進行機械手動操作，維修時在機床不通電的情況下，通過手動旋轉 Y 軸的絲杠，將 Y 軸退出“超極限”保護，再開機后機床恢復正常工作。
 
     （4）垂直進給軸超極限保護引起急停的故障維修故障現(xiàn)象：某配套 SIEMENS 810MGA3 的立式加工中心，開機后顯示“ALM2000”機床無法正常起動。分析及處理過程：分析及處理過程同上。經檢查、測量，發(fā)現(xiàn)機床故障的原因是 Z 方向“超極限”開關觸點斷開，使“超極限”保護動作，Z 工作臺亦處于“超極限”位置。 由于該機床 Z 軸為垂直進給軸，伺服電動機帶有制動器，無法簡單地利用機械手動操作退出 Z 軸，維修時通過將機床的“Z 超極限”信號進行瞬時短接，在取消了“超極限”保護后，手動移動機床 Z 軸，退出“超極限”保護位置，然后再恢復“超極限”，機床恢復正常工作[4]。
    
      6、 結束語
 
     數(shù)控機床由于技術越來越先進、復雜，對維修人員的要求也就越來越高。數(shù)控機床急停故障又是數(shù)控設備使用過程中一種常見的復雜故障，由于引起這類故障現(xiàn)象的原因很多，有電氣、PMC、參數(shù)等多方面的原因，在排除此類問題時，假如沒有一種清晰的、科學的思路就會困難重重。經過大量實踐驗證，文中所提及的這種“追根尋源”的數(shù)控機床急停故障排除方法，是一種高速、有效的數(shù)控機床急停故障排除方法，為提高數(shù)控機床運行效率奠定了一定基礎，具有重要的現(xiàn)實應用及指導價值。