數(shù)控機(jī)床重力軸失電異常下墜問(wèn)題改造

上海通用東岳動(dòng)力總成有限公司 (264006)郭 興

重力軸失電情況下異常下墜，指的是垂直軸的伺服系統(tǒng)急?；蛘弋惓５綦姷惹闆r發(fā)生時(shí)，由于自身重力和剎車(chē)響應(yīng)等原因，垂直軸的位置會(huì)有一個(gè)下墜，異常情況下，這種下墜量甚至?xí)^(guò)3mm。

這種異常下墜的危害很大，例如，會(huì)導(dǎo)致斷刀、機(jī)械磨損或者精度下降等。下面通過(guò)一個(gè)實(shí)際案例的介紹，闡述類似問(wèn)題的危害以及根治措施。

1.典型案例

我們公司缸蓋機(jī)加工生產(chǎn)線的一臺(tái)加工中心，發(fā)生一起停機(jī)時(shí)間超過(guò)120h 的重大停機(jī)事故，下面對(duì)整個(gè)維修過(guò)程作簡(jiǎn)單的介紹。

(1)故障現(xiàn)象 維修人員接到生產(chǎn)線操作工的報(bào)警:機(jī)床正常加工換刀過(guò)程中異響。接到報(bào)警后，切斷設(shè)備電源，檢查換刀臂，發(fā)現(xiàn)換刀臂滑銷脫落，如圖1 所示。

(2)維修過(guò)程 圖2 是整個(gè)故障的主要步驟羅列，在筆者的另外一篇文章里有詳細(xì)的記錄。此處不再詳細(xì)復(fù)述。

圖1

如圖2 所示，正常換刀過(guò)程中，當(dāng)?shù)毒呶赐耆迦胫鬏S內(nèi)部時(shí)，機(jī)床發(fā)生報(bào)警急停，由于設(shè)備本身設(shè)計(jì)缺陷，此時(shí)，主軸在設(shè)備發(fā)生急停的情況下，會(huì)有一個(gè)異常下墜(超過(guò)3mm)，由于此時(shí)刀具未完全脫開(kāi)換刀臂，這樣，換刀臂就受到了主軸下墜的外力下拉，導(dǎo)致?lián)Q刀臂內(nèi)部軸承異常磨損、主軸內(nèi)錐孔磨損、換刀位置丟失等。

因?yàn)樵诋?dāng)初處理故障的時(shí)候，這個(gè)設(shè)計(jì)缺陷，我們并不知曉，導(dǎo)致了后面走了很多彎路，粗略計(jì)算損失至少46h 停機(jī)。

設(shè)備發(fā)生故障，急停時(shí)的狀態(tài)如圖3 所示;Y 軸異常下墜，帶動(dòng)換刀臂錯(cuò)位，如圖4 所示。

2.FANUC 防止重力軸異常下墜的原理

了解了垂直軸使能丟失后異常下墜問(wèn)題的影響嚴(yán)重程度，我們來(lái)看一下為什么筆者稱之為“機(jī)床設(shè)計(jì)缺陷”。

該設(shè)備使用的控制系統(tǒng)是FANUC 最新的16i 系統(tǒng)，F(xiàn)ANUC 系統(tǒng)對(duì)重力軸異常下墜問(wèn)題，有一整套的解決方案，按照經(jīng)驗(yàn)，重力軸在使能丟失的情況下，允許的下墜量應(yīng)控制在0.1mm 以內(nèi)。下面詳細(xì)介紹FANUC 防止重力軸異常下墜的原理以及改造過(guò)程。

圖2

圖3

圖4

FANUC 系統(tǒng)對(duì)重力軸異常下墜的解決思路是:盡可能縮短剎車(chē)響應(yīng)時(shí)間。即為了使重力軸在伺服電源斷開(kāi)之前，能夠迅速剎車(chē)，使重力軸盡量保持在原來(lái)的位置。

從控制角度，有兩種方法可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的:①當(dāng)檢測(cè)到伺服電源斷開(kāi)時(shí)，剎車(chē)立刻生效。②當(dāng)伺服電源斷開(kāi)時(shí)，始終保持電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁，直到電動(dòng)機(jī)剎車(chē)生效。

這里我們只介紹第一種方法，這種方法是相對(duì)簡(jiǎn)單，且經(jīng)過(guò)我們反復(fù)驗(yàn)證有效的措施。電氣硬件控制回路如圖5 所示。

具體改造如圖6 所示。

圖6 中圓框的觸點(diǎn)是后期改造新增的。

圖5

圖6

具體控制時(shí)序圖如圖7 所示。

圖7

根據(jù)上圖可以知道，從檢測(cè)到電源斷開(kāi)到剎車(chē)起效，所用的時(shí)間包括:接觸器響應(yīng)時(shí)間+剎車(chē)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間，即接觸器復(fù)位時(shí)間+剎車(chē)動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。

我們?nèi)MRON 的繼電器(型號(hào)G2R)作為試驗(yàn)用繼電器，實(shí)際測(cè)量它的復(fù)位時(shí)間為:10msFANUC伺服電動(dòng)機(jī)內(nèi)置剎車(chē)的響應(yīng)時(shí)間，根據(jù)說(shuō)明手冊(cè)，如附表所示。

即，若取OMRON 繼電器和α12i 電動(dòng)機(jī)為例，計(jì)算整個(gè)剎車(chē)響應(yīng)時(shí)間為

試驗(yàn)結(jié)果表

3.改造效果驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)上面的改造，通過(guò)MCCOFF 直接觸發(fā)剎車(chē)信號(hào)，過(guò)程中減少了NC 到PLC 的傳輸時(shí)間、PLC 掃描時(shí)間及I/O 信號(hào)傳輸時(shí)間，因此，極大地提高了剎車(chē)響應(yīng)速度。下面是機(jī)床上的實(shí)測(cè)結(jié)果:

第1 步:改造之前將機(jī)床起動(dòng)，回到HOME 位置，記錄Y 軸絕對(duì)坐標(biāo)，Y 100.0;拉下電控柜主切斷開(kāi)關(guān)，模擬伺服異常掉電的情況，等待幾分鐘，上電，記錄機(jī)床Y 軸絕對(duì)坐標(biāo)值，Y 96.7。由此說(shuō)明機(jī)床在異常失電的情況下，重力軸下墜量為100.0mm-96.7mm=3.3mm。

第2 步:經(jīng)過(guò)上面的改造之后，重復(fù)上面的操作，異常斷電后，機(jī)床絕對(duì)坐標(biāo)值為Y 99.970，即同樣的異常失電情況，Y 軸下墜量為0.03mm，異常失電情況下的重力軸下墜問(wèn)題得到了很好的抑制。

至此，整個(gè)改造結(jié)束。

4.項(xiàng)目改造總結(jié)

觸發(fā)項(xiàng)目改造的經(jīng)歷是非常痛苦的，當(dāng)然，也正是這段經(jīng)歷使得我們的整個(gè)改造，越發(fā)顯得意義重大。

對(duì)于此類隱性設(shè)計(jì)問(wèn)題，常規(guī)功能驗(yàn)證很難有效捕捉。針對(duì)該問(wèn)題，我們的做法是在項(xiàng)目驗(yàn)收時(shí)，通過(guò)功能測(cè)試進(jìn)行逐一確認(rèn)驗(yàn)收，即增加“失電、急停狀態(tài)下，重力軸下墜量的驗(yàn)證”(要求下墜量要少于0.1mm)，在項(xiàng)目階段即把該問(wèn)題暴露出來(lái)，及時(shí)拉動(dòng)解決，是一種非常切實(shí)可行的控制措施。