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                      数控机床急停和超程故障诊断与维修

                      0 引言

                      现代的数控机床逐步向高速、高效、高精、复合等功能的方向发展。在一台高速和复杂的机床中保证高效生产,安全可靠性是一个必要条件。所以,评价一台机床的优劣,不仅需要看其功能有多强大,同时也需要关注其安全性能有多高。提高数控机床的安全性能,既可以减少生产事故、保护人员和机器安全,提高自身产品附加值。

                      1 数控机床急停和超程电路分析

                      数控机床常采用紧急停止按钮和超程处理方式,保证在危险的情况下,使数控机床能够快速的停止; 可以采用安全门防护装置,如带闭锁的或不带闭锁的机械式插片开关,防止人员随意进入危险的区域,保证维修人员在危险区域内安全地进行操作; 可以使用安全监控速度功能、调试使用按钮和电子手轮,监控机器的超速和停止状态,并且保证人员在打开安全门的情况下安全地调试机器。数控机床急停和超程处理是数控机床安全性的重要内容,一台机床在验收和使用时肯定涉及这两方面的内容。在 FANUC 数控系统应用中,急停和超程有以下几种常规处理方法。

                      急停按钮和超程开关串接外围硬件处理,急停按钮和超程开关硬件连接可以参考 CONNECTION MANUAL( HARDWARE) ( B-64303EN) ,以 0i-D 系统配置 ai 伺服单元为例,急停按钮和超程开关硬件连接示意图如图 1所示。

                      图 1 急停按钮与超程开关硬件连接示意图

                      进给轴超程开关为动断触点,急停按钮与每个进给轴的超程开关串接,当没有按急停按钮或进给轴运动没有超程时,KA1 继电器吸合,相应的 KA1 触点闭合,则 0i-D 系统的 I/O 模块 X8. 4 处信号为 1,同时另一个 KA1 触点一闭合。ai 伺服单元的电源模块 CX4 插座的 2、3 管脚接收急停信号,闭合为没有急停信号。

                      KA1 触点闭合后,若 0i-D 系统和 ai 伺服单元本身以及之间的连接没有故障,则 ai 电源模块内部的 MCC 触点闭合,即 CX3 的管脚 1、3 接通,如图 1 所示。使用该伺服单元内部的 MCC 触点来控制外部交流接触器吸合,当外部交流接触器 KM 吸合,三相交流 220V 电源模块就施加到了伺服单元的主电源输入端( L1,L2,L3) ,数控系统和伺服单元就能正常工作。

                      根据 CNC,PMC、机床三者之间的关系,虽然 X8. 4 为1,但真正要使系统无急停报警,还要取决于 G8. 4 是否为1,G8. 4 处信号用符号表示为* ESP。从符号功能可以看出,要使系统不急停,* ESP( G8. 4) 必须为 1,若为 0,系统就会急停。在维修当中还需要结合 PMC 梯形图,具体分析产生急停的原因,因为除急停按钮和超程开关引起系统急停外,可能还有其他原因引起系统急停。

                      通过图 1 可以看出,当按下急停按钮或轴运动到超程位置时,KA1 继电器断开( 急停继电器) ,0i-D 系统 I/O 模块的 X8. 4 为低电平,系统急停,同时电源模块连接的KA1 也断开,伺服单元的内部触点断开,外部交流接触器断电,主电源断开。若由于急停按钮断开导致急停,只要松开急停按钮,使其闭合即可解除急停,若由于超程开关断开导致急停,则在电路设计中要求必须有超程解除按钮,如图 1 中的 SB1 所示。

                      2 数控机床超程开关软件控制处理

                      数控机床超程开关既可以利用上面介绍的与急停按钮串联硬件保护外,也可以利用数控系统提供的专门 G地址信号来进行超程保护,还可以由机床制造商自行对超程开关编制软件进行保护和报警。但后两种方式有一个前提条件,即相应的超程开关必须分别作为 1 路输入 I/O模块的硬件输入信号。

                      a) 数控系统提供专门 G 地址信号控制处理

                      FANUC 数控系统提供了专门的 G 地址信号来实现硬件超程保护,专门的 G 地址信号如下所示。

                      当刀具超过机床超程开关设定的行程终点后试图继续移动时,超程开关动作,刀具减速并停止移动,并且显示超程报警。当系统提供的专门 G 地址信号( * +Ln 或* -Ln) 变为 0 时,控制装置执行如下动作:

                      1) 在自动运行情况下,即使只有其中的 1 个轴的 G地址信号变为 0,系统也会使所有轴都减速停止,发出报警,进入自动运行停止状态。

                      2) 在手动运行情况下,系统仅使 G 地址信号变为 0的轴方向信号变为 0 的方向的移动减速停止,已停止的轴可以向相反方向移动。

                      3) 存储变为 0 的轴方向信号。即使信号恢复为 1,在解除报警之前,仍然无法使该轴向该方向移动。通过手动运行把刀具反方向移动到安全位置,而后按下 RESET 键即可解除报警。

                      4) 当硬件正向超程时,* +Ln 信号为 0,显示屏显示“OY0506 轴正向超程( 硬限位) ”,当硬件负向超程时,* -Ln 信号为 0,显示屏显示“OT0506 轴负向超程 ( 硬限位) ”。

                      5) 是否使用数控系统提供的专门 G 地址信号实现硬件超程保护取决于参数3004#5( OTH) ,OTH 设置为0,使用专门G 地址信号; OTH 设置为 1,不使用专门 G 地址信号。

                      b) 机床制造商编制软件控制处理

                      当机床超程开关作为普通输入信号进入 I/O 模块后,机床制造商可以自行编制机床超程报警 PMC 程序。超程报警号定义为 EX1000 ~EX1999,当机床有硬件超程后,显示屏显示超程信息以及系统急停。基本思路是,编制梯形图程序把机床超程信号送给 PMC 的 A 地址,A 地址信号激活信息显示区的显示内容。软件程序编制见后面案例分析。

                      3 数控机床软件超程保护处理

                      数控机床软件超程指机床运动坐标超过系统参数设定的行程极限,就是一般统称的软件限位,一般数控机床软件限位在数控机床返回参考点后才起作用。

                      FANUC 数控系统提供的软件限位的参数有三组,分别是存储行程检测 1、存储行程检测 2 和存储行程检测 3。一般使用存储行程检测 1,存储行程检测 2 和存储行程检测 3 可以通过参数 8134#1 确定是否使用。以机床坐标系的值在参数中设定机械的可移动范围,当机床移动超过该设定的范围时,机床减速停止,并显示报警。接通电源,在执行手动返回参考点操作后软件限位功能有效,可以取代硬件的超程开关。两者都安装的情况下,两者都有效。软件限位工作示意图如图 2 所示。

                      图 2 软件限位工作示意图

                      以存储行程检测 1 为例,图 2 中间的空白区域就是存储行程检测 1 有效范围。各轴的存储行程检测 1 的正方向坐标值设置在参数 1320 中,各轴的存储行程检测 1 的负方向坐标值设置在参数 1321 中,设置单位为 mm 或( °) ,数据类型为轴参数,最小设置单位为系统检测单位。正向出现超程时,系统会产生 OT0500 系统超程报警信息; 负向出现超程时,系统会产生 0 系统超程报警信息。当系统出现软件超程报警时,可以选择 JPG 方式,按下超程轴相反方向的按键,使数控机床反方向退出超程范围,当数控机床退出超程范围后,按下 RESET 键后,使系统复位就可以解除软件超程报警。维修数控机床时可能会根据操作需要修改合理的运行行程范围。

                      4 实例分析

                      在维修与急停和超程有关的故障时,必须对照数控机床电气原理图以及上述处理方法,确认超程开关和急停按钮的电气连接以及超程参数设置,分析按上述介绍的哪一种方法才能快速进行故障诊断与维修。下面一个案例说明急停和超程故障诊断和维修过程。

                      某 0i-TD 系统数控车床,四个方向超程开关硬件接线如图3 所示,x 轴正、负超程信号输入地址分别为 X8. 0,X8. 1,z 轴正、负超程信号输入地址分别为 X8. 2,X8. 3,超程开关都是动断的,数控系统提供的专门 G 地址信号是:x 轴正、负超程信号( G114. 0 和 G116. 0) ,z 轴正、负超程信号( G114. 1 和 G116. 1) 。编制的局部梯形图如图 4所示。

                      图 3 数控车床超程开关硬件连线

                      图 4 数控系统提供专门 G 地址信号局部梯形图

                      在 JOG 方式下,z 轴正方向运动,当 z 轴机械挡块压到z 轴正方向超程开关时,超程开关 X8. 2 断开,经 PMC 梯形图处理后,G114. 1 为 0,显示屏上显示“OT0506 z 轴正方向超程”,z 轴停止正方向运动。然后在 JOG 方式下,使 z轴负方向运动,当 z 轴退出 z 轴正方向超程范围后,按 RE-SET 键后消除超程报警。这种超程处理方法不涉及超程解除按钮,也不会引起系统急停报警,但必须设置参数3004#5( OTH) ,OTH 设置为 0。

                      5 结语

                      实践经验指出要维修 FANUC 数控系统故障,必须熟悉 FANUC 数控系统提供的故障诊断与维修信息,熟悉丰富的技术资料,再熟悉一些典型故障现象,找 FANCU 数控系统产品是有共性,在维修当中,可以举一反三,借鉴经验,少走弯路,提高故障诊断和维修的能力。

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