CK5250A 數(shù)控立車表面振紋問題的分析與解決

申江波 張海濤 峭 巍

(①西安航天發(fā)動(dòng)機(jī)廠，陜西西安 710007;②西安電爐研究所，陜西西安 710055)

CK5250A立式數(shù)控車床主要用于加工大型盤類和軸類零件，承擔(dān)著我廠重要型號產(chǎn)品的生產(chǎn)任務(wù)。其加工直徑為2.5 m，高度為5 m，且配備有FANUC數(shù)控系統(tǒng)，具有加工范圍廣，加工精度高等優(yōu)點(diǎn)。但表面振紋問題一直是該設(shè)備的故障難題，造成該故障的因素很多，其原因復(fù)雜，分析判斷困難。

1 問題分析

所謂逆向分析法，就是由產(chǎn)生事物的結(jié)果去推斷其產(chǎn)生結(jié)果的原因的一種分析方法。結(jié)合現(xiàn)有故障的實(shí)際情況，以加工表面振紋形狀作為產(chǎn)生事物的結(jié)果，利用逆向分析的方法來找出故障的原因。

龍門立式車床故障現(xiàn)象主要表現(xiàn)為加工表面的不正常截面形狀，圖1是以0.2 mm/s的進(jìn)給速度車成的正常和不正常截面形狀。

由兩種截面的形狀，可以看出被加工工件表面為間歇周期性的鋸齒形截面，必然與刀具的上下間歇性運(yùn)動(dòng)有關(guān)。根據(jù)加工表面的截面形狀，結(jié)合逆向分析法推理可以推斷，影響刀具上下浮動(dòng)的直接性因素有兩個(gè):一是溜板箱移動(dòng)不穩(wěn)定;二是Z軸滑枕間歇性的上下移動(dòng)。

1.1 由溜板移動(dòng)不平穩(wěn)引起故障的分析

溜板箱在X軸方向的移動(dòng)精度是由其滾珠絲杠的精度決定的，如果絲杠受沖擊損傷，將會(huì)導(dǎo)致加工表面的不平整，且會(huì)產(chǎn)生周期性表面振紋，周期的大小與絲杠的受損位置有關(guān)，且應(yīng)該是固定不變的。

將設(shè)備X軸移動(dòng)速度設(shè)為0.4 mm/s，加工出來的端面振紋間距為0.2 mm/s，其間距是進(jìn)給速度的1/2，可見加工表面振紋周期是隨著X軸移動(dòng)速度的變化而變化的，X軸的移動(dòng)速度越快，其形成振紋的間距就越大。由此推斷，該振紋現(xiàn)象與絲杠無關(guān)，故由溜板箱移動(dòng)不平穩(wěn)造成的加工表面均勻振紋的可能性排除。

1.2 由滑枕異常引起故障的過程分析

滑枕的上下移動(dòng)主要是由Z軸伺服電動(dòng)機(jī)控制的，具體過程為:當(dāng)系統(tǒng)給定Z軸位置后，將信號傳遞給Z軸的伺服機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)根據(jù)Z軸編碼器確定Z軸的具體位置?；淼囊苿?dòng)是由伺服電動(dòng)機(jī)直接控制的，因此先查看電動(dòng)機(jī)的工作情況，發(fā)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)有間歇性工作現(xiàn)象，且其間隙周期與振動(dòng)的周期一致。

再由設(shè)備說明書得知，當(dāng)設(shè)備工作的時(shí)候，如果Z軸位置偏移原系統(tǒng)設(shè)定位置的±0.02 mm，Z軸伺服電動(dòng)機(jī)即開始工作，當(dāng)Z軸坐標(biāo)與系統(tǒng)設(shè)定坐標(biāo)保持一致時(shí)，伺服電動(dòng)機(jī)停止工作?？梢园l(fā)現(xiàn)伺服電動(dòng)機(jī)的控制誤差(±0.02 mm)與振動(dòng)幅度是一致的。由此可以斷定，表面振紋是由Z軸伺服電動(dòng)機(jī)的間歇性工作造成的。下面以伺服電動(dòng)機(jī)的間歇性啟停為故障現(xiàn)象，并對故障形成的過程進(jìn)行逆向分析。

由于滑枕為大質(zhì)量金屬塊，因此需要一個(gè)配重平衡其重量，以便伺服電動(dòng)機(jī)可以輕松且精確地控制好Z軸的位置。從圖2可知，滑枕的配重主要是由平衡油缸實(shí)現(xiàn)的，油缸的工作壓力為4～6 MPa之間，當(dāng)蓄能器壓力低于4 MPa時(shí)，壓力繼電器打開，液壓泵開始工作。當(dāng)壓力高于6 MPa時(shí)，壓力繼電器關(guān)閉，液壓泵停止工作。只要平衡油缸保持足夠的壓力，就可以對滑枕起到配重的作用。如果平衡油缸內(nèi)的壓力不足或消失，滑枕就會(huì)因重力向下滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)的距離大于0.02 mm，伺服電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，并將滑枕提拉到系統(tǒng)設(shè)定位置后停機(jī)，停機(jī)后滑枕仍然下滑。伺服電動(dòng)機(jī)的重復(fù)啟停，就會(huì)使滑枕間歇性的上下移動(dòng)，加工時(shí)工件的表面便會(huì)產(chǎn)生周期性振紋。

由以上平衡油缸和伺服電動(dòng)機(jī)在設(shè)備中的工作原理，并通過故障的現(xiàn)象，利用反推原理和逆向分析法可以推斷，伺服電動(dòng)機(jī)的間歇性工作是由平衡油缸工作失效造成的，也就是說加工表面的振紋與平衡油缸的工作失效有關(guān)。因此可以由平衡油缸的工作失效為現(xiàn)象，去反推產(chǎn)生現(xiàn)象的原因，也就是對結(jié)果在先的分析。檢查平衡油缸的供油系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)備在正常工作的時(shí)候，液壓泵無法工作。而引起液壓泵故障的可能性只有兩個(gè)，一是液壓泵電動(dòng)機(jī)損壞，二是液壓泵的控制系統(tǒng)故障。一般情況下液壓泵電動(dòng)機(jī)損壞的可能性比較小，故障極有可能是液壓泵的控制系統(tǒng)引起的。由圖2控制系統(tǒng)原理圖可知，壓力繼電器是控制液壓泵啟停的重要控制元件，它主要用于維持平衡油缸的工作壓力，因此壓力繼電器損壞就會(huì)導(dǎo)致液壓泵無法工作，平衡油缸配重作用喪失，致使伺服電動(dòng)機(jī)反復(fù)工作，大大增加了伺服電動(dòng)機(jī)的工作載荷，最終會(huì)使被加工表面產(chǎn)生振紋。

圖3為故障診斷流程，整個(gè)診斷過程的故障原因節(jié)點(diǎn)都是基于逆向分析和反推原理分析得出來的。從故障的現(xiàn)象——表面振紋的截面形狀入手，由截面形狀排除了絲杠損壞的可能，再由滑枕的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，推斷出伺服電動(dòng)機(jī)工作異常，通過逆向反推將故障原因鎖定在液壓泵的控制部分，追根溯源，最終將故障產(chǎn)生的原因——壓力繼電器的損壞挖掘了出來。

2 故障解決

對壓力繼電器進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)壓力繼電器始終不工作。根據(jù)圖4壓力繼電器原理圖可知，壓力繼電器是由液壓油壓力控制的，當(dāng)油壓低于工作壓力最低值時(shí)，活塞桿推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，繼電器電源接通，液壓泵啟動(dòng)，當(dāng)油壓高于工作壓力最高值時(shí)，活塞桿再次推動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，繼電器電源斷開，液壓泵停止工作。再由壓力繼電器的工作原理可知，微動(dòng)開關(guān)是直接控制繼電器工作的，因此將微動(dòng)開關(guān)短接，發(fā)現(xiàn)壓力繼電器閉合，液壓泵回路連通，液壓泵啟動(dòng)。可見繼電器單元工作正常，檢查進(jìn)油口，發(fā)現(xiàn)進(jìn)油口被堵塞，導(dǎo)致壓力油液無法推動(dòng)活塞，使微動(dòng)開關(guān)動(dòng)作。清洗進(jìn)油口，故障得以解決。

3 結(jié)語

利用反推原理和逆向分析法相結(jié)合的方法對設(shè)備故障進(jìn)行分析，提高了故障分析的效率，縮短了維修周期，且大大增強(qiáng)了問題分析的準(zhǔn)確性。

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