摘要：文章以沈阳华中数控CAK36S型数控车床为例，详细阐述了数控机床中急停电路的工作原理、发生故障的类型及原因，并结合具体实例，对故障维修的思路与方法进行了详尽的论述。

急停故障是数控机床中常见的故障之一，本文以沈阳华中CAK36S型数控车床为例，对急停电路的工作原理、故障发生的原因及处理方法予以剖析。

1．急停的概念及意义

“ 急停” 即“ 紧急情况(Emergency)，需要停止”，急停回路的设置是当机床处于紧急情况下， 系统能够立即处于“急停”状态，以防事故进一步扩大。数控机床进入急停状态后，主轴、伺服驱动与刀架等动力电路立即断电，并进入锁死与抱闸状态。

引起CNC系统启动“急停”程序的可以是外部操作人员，也可以是内部系统监控程序。当操作人员发现机床在运行过程中出现重大程序或操作错误，如产品的报废带来重大损失， 机床飞车、撞刀等严重机床故障，乃至造成人身伤害时，应迅速果断拍下操作面板上的紧急停止按钮，迫使系统立即启动急停程序，进入急停状态；而内部监控程序启动急停程序，则一般为机床在启动或机床运行过程中，通过监测电气、机械等外围情况是否能够满足运行条件，当不能满足运行条件时，即进入急停程序状态。出现此类情况大多为故障所致，本文讨论的急停故障正是属于此种情况。

2．急停的工作原理

华中CAK36S型沈阳数控车床急停控制电路如图1所示。图1中的SB7为“超程解除”按钮，Q3～Q6分别为X轴+X向、―X 向，Z 轴+Z 向、―Z 向超程限位开关，QF0为主轴电动机散热风扇的空气开关辅助触点，以确保在主电动机风扇通电的情况下，可正常启动系统。另ES1端子和手轮的“ 急停按钮” 串接后， 接入数控系统的专用信号检测点(即本电路的急停按钮是接在了手轮连接线处，为节省篇幅，图中并未画出)。

与急停相关部分的控制电路如图2所示。

当X 、Z 轴的行程在规定的“有效区域”，即Q3～Q6任意一个行程开关没有被压下(致使其断开)，操作面板的“急停按钮”未被按下(按下后断开)，同时主电动机散热风扇通电(电动机可以很好地散热，不会被烧毁)→CNC的专用信号端子ES3输出低电平→KA28继电器线圈通电→主触点闭合，接通PLC输入端口的X2.4(见图2a)，“外部允许”信号有效，KA28继电器另一路触点接入变频器的“外部故障”输入引脚(高电平为故障，见图2b)，通知变频器外部电路正常；当CNC系统检测到伺服系统的准备好“READY”信号(PLC的X2.5)、主轴报警信号(PLC的X3.0)，外部允许(PLC的X2.4)，同时一切正常后→CNC系统向伺服驱动器通过PLC Y0.2发送“使能信号”，同时PLC Y0.0“允许运行”信号有效(见图2a)→KA20继电器线圈通电→KM0接触器通电并自锁→伺服系统三相220V交流电源(图中并未画出)，刀架、冷却电路所需的110V交流电源接入(见图2c)→系统启动完毕，进入待机状态。

当Q3～Q6其中任意一个行程开关一旦被压下(即X、Z轴任意一方向超程)或QF0断开→KA28继电器线圈断电→ 外接变频器第3脚的KA28继电器主触点断开→ 变频器工作在“ 故障” 模式(禁止电动机运转)，同时PLC的X2.4“外部允许”信号无效→PLC Y0.0 “允许运行”信号无效→KA20继电器线圈断电→伺服系统、刀架冷却等电路的动力电源被断开，系统处于“急停”状态。

由此可见，当X 、Z轴任意一方向超程时，系统将进入急停状态，为了“解除急停”状态，可以通过手动按下操作面板上的“超程解除”按钮，旁路Q3～Q6行程开关，强制使KA28通电，“外部允许”信号有效，机床处于“临时正常”状态，而此时按下对应超程轴的反方向运动手动按钮， 可使超程轴移动至“ 有效区域”，行程开关被“松开”后， 系统的“ 急停” 状态被解除。

综上所述，数控系统中的硬件急停一般为系统厂家采用专用的PLC接入检测点，对其硬件进行检测，一旦发现运行条件不能满足事先约定的规定要求时，便启动急停程序，进入急停状态。

3．引起急停故障的类型及原因

发生急停故障的原因一般分为由软件引起与硬件引起，如果机床不是在调试阶段，又没有修改参数，则硬件故障较为常见。故障的类型及原因如附表所示。

4．维修实例

下面结合一个具体急停故障实例，说明其维修过程：

(1)故障现象。华中数控CAK36S型沈阳数控车床，机床开机回参考点的过程中，Z 轴行程至全行程大约过半时机床出现急停。转入手动状态后， 按下“超程解除”按钮，使Z 轴负向移动，急停状态可以解除，再次返回到回参考点操作，当Z 轴再次正向移动到大约同样坐标位置，又出现急停。

为了验证其他功能状态情况如何，转入手动状态后，当Z 轴运行至大约同样位置，系统同样发生急停，进入急停状态。

(2)故障分析。根据机床屏幕现象及电气柜元部件的状态(继电器已经断开)，可以判断这是一起典型的急停故障。又根据“超程解除”按钮可以解除急停状态，初步判断是Z 轴正向移动受限所致。

(3)故障诊断。首先从软件方面着手，检查和坐标轴行程相关的重要参数“软限位”是否有人为改动。通过参数菜单打开相应操作项，查看正向软限位为―8000μm(打开同样型号硬件配置的机床进行查看，也是做了如此设置)，本机床的零点偏差设置为零，回参考点位置后即为机床坐标系的原点，负向8 000μm，即在回参考点后的负向8mm处，此机床采用正向移动回参考点的方式，参考点设在了Z轴的正向行程极限位置附近，而软限位的设置紧靠参考点，当前产生急停的滞留位置距离软限位的位置相差甚远，显然不是软限位所引起。为了确保排除软件故障，又认真核对了其他相关参数设置，并未发现有何异常。

其次检查硬件。先对元部件进行排查。与超程硬件相关的有操作面板的急停按钮，±X、±Z的行程开关。对Ｚ 向、X 向的行程开关是否良好，挡块位置是否偏移，操作面板的急停按钮是否卡滞(弹簧老化不能复位)等都进行了详细检查，特别是和Z 向行程相关的元部件，并未发现异常。

排除了元部件的原因后，最有可能出现的问题就是连接线了。为了判断问题是否出在了连接线上，将行程开关的连接线从接线端子处断开(即线号495#与499#之间的Z 向行程连接线，491#、495#之间连接线为X向行程开关连接线)，然后用万用表的欧姆挡进行测量，结果连接线导通情况正常。

经检查和Ｚ向行程相关的行程开关、挡块及连接线等硬件一切正常，但却在Z向移动过程中产生了急停现象，结果有些令人费解。后经仔细分析电气原理图及现场布线图发现：在超程回路中除了Z 向，还有X向。 X 向与Z向的连接电缆都是穿过与Z 向平行的电缆保护导动链管路连接至机床电气柜的(见图3)，因为电缆一直随Z 轴移动而弯曲移动，当行程至曲率半径最小处时(图3中B 处)，很容易引起电缆断线。为此，将电气柜中的495#线断开，用万用表对OT2与495#线之间进行测量，结果发现断路，最后经进一步诊断确定为X 负向至接线排端子的连接线(495#线)断线。

(4)故障排除。因为是线路断线，所以故障排除工作主要是把新的电缆换上即可，由于其他行程开关及回参考点的连接线同样老化， 所以考虑在此次维修中一并换掉。因为线路是从电气柜连接至行程开关现场，布线需要涉及到穿管路，所以维修工作也主要是穿电缆工作。将旧的电缆从行程开关及接线端子排处拆下，同时拆开电缆保护导动链管路，将旧电缆的一端和新的电缆绑接好，一人从一端拖拽旧电缆，另一人从另一端放线、规整并推送新电缆，直至新电缆从另一端全部被拖拽出。穿缆成功后，重新制作连接头、线卡、线号和标签，同时安装套管，按电气连接图连接，检查无误后通电试车，结果一切正常。

(5)心得体会。本故障通过“超程解除” 按钮可以恢复正常状态，其实可以确定和硬件相关，而软限位只有在回参考点之后才起作用，所以可以排除故障是由于软件限位引起的。

由于本故障是在Z 向移动时产生限位急停，很容易想到故障原因和Z 向轴控制回路相关(也正是因为此对维修思路产生了误导)，其实由于X、Z 向电缆穿在同一管路中，需经常移动弯曲，当Z 向移动至保护导动链管路曲率半径最小处时(图3中B 处)，会对其中的电缆造成较大的影响，而此时的X 向电缆断路，同样会造成急停链回路断开引起急停，如果直接检测急停链回路，排除了Z向故障后，可以直接对X 向进行检测，也很容易检测出X 向连接线断路；另在Z轴行程至某处时产生急停，也容易想到与位置相关的电缆存在问题，而与位置移动相关的电缆就是拖动管路中的电缆，如果先卸开电缆保护导动链管路，轻轻地触动电缆，会发现急停故障时而出现时而消失，据此也可很快确定是哪根电缆发生了故障。

本故障是属于电气元部件“ 虚接” 现象所引起， 表象是和Z 轴相关，而其实是和Z 轴的移动过程中Z 轴的位置相关，引起故障的原因并非和Z 轴的电气相关，而问题的根源恰恰出在X轴，本故障现象具有一定地迷惑性。

5. 结语

急停故障是数控机床中常见的故障现象之一，引起该故障的原因是多方面的，但最终的根源却是一致的，不外乎是外围硬件电路及内部软件逻辑错误，在多数情况下若不是人为改动，软件发生故障的几率较小，多为硬件故障所致，这就要求维修人员一方面熟知原理，另一方面需要耐心细致，处理故障讲究方法与原则，只有这样才能尽快缩小故障范围，确诊故障部位，及时排除故障。本文虽然是以华中数控车床为例进行的阐述，但维修的方法原则以及指导思想是相通相近的，所以对其他数控系统类型的机床同样具有参考、借鉴的指导意义。

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作者：华北机电学校焦连岷等。原文刊登于《金属加工(冷加工)》2016年第24期62页，金属加工版权所有。