辛辛那提數(shù)控車床刀塔控制原理及故障分析

宓方瑋 田 軍 董春強(qiáng)

(中國(guó)工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽(yáng) 621900)

CINCINNATI－AILACRON系列數(shù)控車床是某企業(yè)20世紀(jì)90年代初購(gòu)買的設(shè)備。其采用ACRAMATIC 850TC數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)近20年的使用，元器件磨損老化，導(dǎo)致故障頻發(fā)，特別是刀塔故障表現(xiàn)尤為突出，嚴(yán)重影響設(shè)備使用。我們通過(guò)對(duì)機(jī)床技術(shù)資料的認(rèn)真分析和現(xiàn)場(chǎng)的反復(fù)檢查，在吃透其刀塔結(jié)構(gòu)及控制原理的基礎(chǔ)上陸續(xù)解決了一系列刀塔運(yùn)行故障，徹底消除了故障根源，恢復(fù)了設(shè)備正常運(yùn)行。

1 故障現(xiàn)象

故障主要表現(xiàn)在:刀塔轉(zhuǎn)速變慢或不穩(wěn)定，時(shí)快時(shí)慢;無(wú)法準(zhǔn)確分度，刀塔不到位;故障出現(xiàn)后刀盤(pán)處于伸出狀態(tài)，不能歸位;系統(tǒng)出現(xiàn)10976或10955號(hào)報(bào)警。出現(xiàn)上述問(wèn)題后即便排除了故障也會(huì)導(dǎo)致機(jī)床必須執(zhí)行一系列初始化操作，重新校準(zhǔn)各伺服軸、刀塔零位、卡盤(pán)、尾座等部件后才能正常啟動(dòng)，帶來(lái)很大麻煩。

2 刀塔控制原理分析

2.1 刀塔及運(yùn)行簡(jiǎn)介

CINCINNATI－AILACRON系列數(shù)控車床刀塔采用的是由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的雙聯(lián)的冠狀刀盤(pán)(Crown Turret)和盤(pán)式刀盤(pán)(Disc Turret)，各有6個(gè)刀位。工作時(shí)，由編程或手動(dòng)輸入指令，啟動(dòng)后，刀塔松開(kāi)并伸出，2個(gè)刀盤(pán)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)方向固定，不能反轉(zhuǎn)。分度到指令刀位附近時(shí)，減速并停止，刀塔縮回并夾緊，完成一次換刀操作。

2.2 刀塔控制原理

正常狀態(tài)下，刀塔完成一次換刀過(guò)程需要按照如下電氣及液壓控制順序進(jìn)行:

(1)當(dāng)一個(gè)換刀指令被執(zhí)行后，系統(tǒng)需要讀取初始刀位信息。刀位信息是由3個(gè)刀塔接近開(kāi)關(guān):14－LS、15－LS、16－LS提供的二進(jìn)制信號(hào)組合而成，見(jiàn)表1刀塔位置限位開(kāi)關(guān)組合邏輯表。每一個(gè)刀位對(duì)應(yīng)一組不同的二進(jìn)制碼，并在到達(dá)刀位后由I/O模塊上顯示出來(lái)。當(dāng)CNC系統(tǒng)讀取的初始刀位信息與指令刀位信息不一致時(shí)，換刀開(kāi)始執(zhí)行。

表1 刀塔位置限位開(kāi)關(guān)組合邏輯表

(2)SOL19為刀盤(pán)松開(kāi)/夾緊電磁閥，線圈得電后，推動(dòng)閥芯到42號(hào)位置，即刀盤(pán)松開(kāi)位置，參見(jiàn)圖1。液壓油輸向刀塔的放松油缸，刀塔開(kāi)始軸向移動(dòng)到放松位置。限位開(kāi)關(guān)8－LS和9－LS被觸發(fā)。

(3)2個(gè)刀盤(pán)放松時(shí)，限位開(kāi)關(guān)10－LS和11－LS處于觸發(fā)狀態(tài)，同時(shí)I/O模塊上的LED10－2點(diǎn)亮。

(4)電磁閥SOL21上電，閥芯移動(dòng)到如圖1的36號(hào)的位置，LED14－4點(diǎn)亮，加－減速電磁閥驅(qū)動(dòng)活塞開(kāi)始從凸輪(CAM)位置回退，同時(shí)液壓馬達(dá)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)。液壓馬達(dá)通過(guò)一組齒輪驅(qū)動(dòng)2個(gè)刀塔旋轉(zhuǎn)，當(dāng)閥的活塞從凸輪位置進(jìn)一步回退時(shí)旋轉(zhuǎn)速度加快。

(5)在相鄰分度位置之間，限位開(kāi)關(guān)13－LS斷開(kāi)，每一次到達(dá)一個(gè)分度位置時(shí)13－LS閉合，LED10－4點(diǎn)亮;13－LS的閉合和斷開(kāi)，系統(tǒng)計(jì)一個(gè)刀位位置的數(shù)，刀塔繼續(xù)旋轉(zhuǎn)直到目標(biāo)刀位，電磁閥SOL21掉電，閥芯從36號(hào)位置移動(dòng)到失電位置，LED14－4熄滅。

(6)加－減速電磁閥開(kāi)始朝凸輪方向前移，因?yàn)榛钊耙?，排油線路變得更加受限制，液壓馬達(dá)減速，刀塔旋轉(zhuǎn)速度降低。當(dāng)活塞到達(dá)凸輪位置最低點(diǎn)，液壓電動(dòng)機(jī)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)分度齒輪組向最終位置運(yùn)動(dòng)，并停止。

(7)限位開(kāi)關(guān)12－LS是用來(lái)檢測(cè)刀位凸輪旋轉(zhuǎn)到最終位置，即凸輪最低點(diǎn)的接近開(kāi)關(guān)。到達(dá)最終位置，12－LS接通，LED10－3點(diǎn)亮。參見(jiàn)圖2。

(8)到達(dá)目標(biāo)刀位，3個(gè)刀塔接近開(kāi)關(guān)顯示的二進(jìn)制碼符合指令要求，則刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)。

(9)電磁閥SOL19掉電，閥芯從42號(hào)位置移動(dòng)到掉電位置，LED14－3熄滅，2個(gè)刀塔開(kāi)始夾緊。

(10)當(dāng)2個(gè)刀盤(pán)夾緊后，限位開(kāi)關(guān)8－LS和9－LS接通，LED10－1點(diǎn)亮。

(11)再延遲1 s后，“CYCLE HOLD”被釋放，結(jié)束上述換刀順序的操作，并完成換刀任務(wù)。

3 故障分析

3.1 報(bào)警號(hào)含義及分析

報(bào)警號(hào)10976的含義是:TURRER ERROR LIMIT SW刀塔錯(cuò)誤——限位開(kāi)關(guān)。刀塔限位開(kāi)關(guān)故障或操作故障。

原因1:限位開(kāi)關(guān)反饋信號(hào)不正確時(shí)，按下了“GRID ALIGN”(柵格校準(zhǔn))鍵。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸出 SL－TURR－UNCL (19－SOL)OFF

輸入 LS－TURR－CLMP (9－LS) ON

輸入 LS－TURR－STR (13－LS) ON

輸入 LS－TURR－STR (12－LS) ON

原因2:在接收到刀塔松開(kāi)反饋信號(hào)時(shí)，試圖進(jìn)行程序換刀。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸出 SL－TURR－UNCL (19－SOL)OFF

輸入 LS－TURR－NUCL (11－LS) OFF

輸入 LS－TURR－CLMP (9－LS) ON

原因3:試圖使刀塔松開(kāi)，而在8 s內(nèi)未能收到正確的反饋信號(hào)。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸出SL－TURR－UNCL (19－SOL)ON

輸入LS－TURR－NUCL (11－LS) ON

輸入LS－TURR－STR (13－LS) ON

輸入LS－TURR－STR (12－LS) ON

原因4:在刀塔分度旋轉(zhuǎn)完成之前，已收到最終的刀塔位置信號(hào)。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸出SL－TURR－IND (21－SOL)ON

輸入LS－TURR－FNL (12－LS) OFF

原因5:試圖夾緊刀塔，而在10 s內(nèi)未能接收到正確的反饋信號(hào)。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸出SL－TURR－IND (21－SOL)OFF

輸入LS－TURR－FNL (12－LS) ON

輸入LS－TURR－NUCL (11－LS) ON

輸出SL－TURR－UNCL (19－SOL)OFF

輸入LS－TURR－CLMP (9－LS) ON

報(bào)警號(hào)10955的含義是:TURRET ERROR LS TUR STR刀塔分度失效。

原因:試圖進(jìn)行刀塔分度，而刀塔13－LS定時(shí)選通信號(hào)不正確。

正確的設(shè)備狀態(tài):

輸入LS－TURR－TR (13－LS) 通150 ms，斷250 ms。

3.2 故障分析

從上述刀塔控制原理和報(bào)警號(hào)含義分析，可知刀塔的控制涉及十分復(fù)雜的邏輯關(guān)系。按照刀塔換刀原理的順序?qū)ι婕暗降乃休斎?、輸出信?hào)進(jìn)行了檢查，正常換刀過(guò)程中這些信號(hào)和接近開(kāi)關(guān)都是正常的，但通過(guò)進(jìn)一步的觀察發(fā)現(xiàn)刀塔轉(zhuǎn)速一旦變慢就會(huì)出現(xiàn)上述故障，看來(lái)刀塔的轉(zhuǎn)速問(wèn)題是引發(fā)故障的根源。

通過(guò)對(duì)刀塔控制原理的進(jìn)一步分析，我們這樣解釋故障產(chǎn)生的原因:由于CINCINNATI 850TC數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)年代較早，沒(méi)有使用現(xiàn)在數(shù)控設(shè)備上通常使用的PLC，而是采用硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入、輸出的時(shí)序邏輯控制。在刀塔的控制上沒(méi)有采用伺服電動(dòng)機(jī)+脈沖編碼器的方式，而是采用了液壓馬達(dá)。液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速由液壓壓力控制，方向固定，不能反轉(zhuǎn)，加減速由凸輪旋轉(zhuǎn)推動(dòng)液壓缸桿控制流入液壓馬達(dá)的進(jìn)油量來(lái)實(shí)現(xiàn)。這就決定了換刀時(shí)必須按照設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)序進(jìn)行，一旦刀塔旋轉(zhuǎn)的速度過(guò)慢或過(guò)快都會(huì)破壞正常的邏輯控制順序，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有到達(dá)相應(yīng)的刀位，會(huì)造成超時(shí)錯(cuò)誤邏輯，從而引發(fā)上述報(bào)警。

4 故障處理

明確了故障原因，我們的維修就可以做到有的放矢了。造成液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速變慢的原因主要有以下幾個(gè)方面:液壓回路總壓力降低;刀塔液壓回路壓力由于泄漏或堵塞降低;SOL21電磁閥故障或閥芯活動(dòng)失靈或堵塞;油缸泄漏;液壓馬達(dá)漏油或存在故障;液壓馬達(dá)連接松動(dòng);SOL19故障造成刀盤(pán)放松沒(méi)有完全到位;凸輪機(jī)構(gòu)連接松動(dòng)等。

故障處理案例1:現(xiàn)象——刀塔速度慢。檢查液壓系統(tǒng)壓力為3.45 MPa，而正常時(shí)液壓系統(tǒng)壓力為4.14 MPa，調(diào)節(jié)壓力調(diào)整螺桿，最高壓力也僅能調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)到3.59 MPa。經(jīng)查液壓油使用期限過(guò)長(zhǎng)。清洗油路，更換液壓油和濾芯后，液壓回路壓力恢復(fù)到4.14 MPa的正常值，刀塔速度恢復(fù)正常。

故障處理案例2:現(xiàn)象——刀塔速度時(shí)快時(shí)慢。檢查液壓系統(tǒng)壓力為4.14 MPa，調(diào)節(jié)為4.48 MPa后，刀塔速度未見(jiàn)有明顯變化。拆下SOL21電磁閥進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)其閥芯活動(dòng)不甚靈活，用煤油清洗后，裝回，刀塔恢復(fù)正常。

故障處理案例3:現(xiàn)象——刀塔速度時(shí)快時(shí)慢。檢查液壓系統(tǒng)壓力為4.14 MPa，SOL21電磁閥亦正常，刀塔液壓回路各節(jié)點(diǎn)沒(méi)有漏油現(xiàn)象。進(jìn)一步的檢查發(fā)現(xiàn)液壓馬達(dá)的連接有松動(dòng)，存在間隙，調(diào)整后，刀塔恢復(fù)正常。

故障處理案例4:現(xiàn)象——刀塔無(wú)法旋轉(zhuǎn)。檢查刀盤(pán)夾緊/放松電磁閥SOL19無(wú)放松信號(hào)，機(jī)床I/O模塊上相應(yīng)的輸出信號(hào)SL－TURR－UNCL沒(méi)有輸出，LED15－3不亮。取出I/O模塊上的15號(hào)板卡，發(fā)現(xiàn)其中15－3的FU3保險(xiǎn)燒斷，更換后還是燒斷。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)19－SOL線圈損壞，更換19－SOL電磁閥和FU3保險(xiǎn)后，LED15－3點(diǎn)亮，故障消失。

5 結(jié)語(yǔ)

在該設(shè)備的維修過(guò)程中，我們有些維修人員一開(kāi)始往往依據(jù)報(bào)警信息的內(nèi)容去檢修，結(jié)果費(fèi)了半天力氣也沒(méi)有查出個(gè)所以然來(lái)，既耽誤了維修時(shí)間又耽誤了產(chǎn)品加工。所以說(shuō)要搞好數(shù)控維修工作一定要多看資料多積累，在搞明白控制原理的基礎(chǔ)上再去修理就會(huì)目的性明確，從而達(dá)到事半功倍的效果。