成型磨床測量系統(tǒng)故障分析與排除

李瀟飛，韓躍偉，王永智

（中車西安車輛有限公司，陜西西安 710086）

0 引言

隨著我國鐵路運(yùn)輸?shù)呐畈l(fā)展，對鐵路運(yùn)輸?shù)囊笾鸩较蚨?、快方向集中，這就對作為鐵路貨車的主要承載部件——車軸的加工質(zhì)量提出了很高要求。為保證新造貨車轉(zhuǎn)向架車軸的加工質(zhì)量，中車西安車輛有限公司引進(jìn)了日本豐田工機(jī)公司生產(chǎn)的成型磨床，用來加工新造貨車轉(zhuǎn)向架車軸。

日本豐田公司成型磨床系統(tǒng)主要包括成型磨削砂輪、機(jī)床床身、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及測量系統(tǒng)等，可完成成型砂輪自動修磨整型、車軸加工的自動磨削及磨削過程的實(shí)時測量監(jiān)控。隨著該成型磨床的使用時間越來越長，成型磨床系統(tǒng)各部件逐漸老化，故障也隨之增多。在日常使用過程中，主要體現(xiàn)在軟、硬件兩個方面，其中軟件方面程序的故障比較多，但易于處理；硬件方面的故障影響因素很多，分析處理比較困難，直接影響到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和現(xiàn)場生產(chǎn)的順利進(jìn)行。本文就成型磨床測量系統(tǒng)軟硬件方面的疑難故障分析及維修排除進(jìn)行研究。

1 故障原因

隨著成型磨床使用年限的不斷增加，機(jī)床測量系統(tǒng)在使用過程中時常出現(xiàn)故障報警，造成加工程序中斷的現(xiàn)象也越來越頻繁。對于系統(tǒng)偶發(fā)故障報警，只要進(jìn)行手動復(fù)位后即可繼續(xù)工作。而對于嚴(yán)重的硬件故障報警，手動復(fù)位無法徹底消除，這時就需要根據(jù)系統(tǒng)的報警信息進(jìn)行相應(yīng)處理。機(jī)床測量系統(tǒng)常見的報警信息如下：

（1）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），B013 Head is out of measuring range，意為自動測量故障（AMP 故障），測量超出范圍。

（2）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A023/022 Detector cable cut or shortciuited Cboard，意為自動測量故障（AMP 故障），檢測電纜斷路或短路。

（3）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A130 Part/process Nos are wrong 19-07-25 Correct part/process Nos，意為自動測量故障（AMP 故障），程序編號錯誤。

2 成型磨床測量系統(tǒng)工作原理

日本豐田成型磨床的測量系統(tǒng)主要由測量裝置、驅(qū)動裝置、測量儀三部分組成。

測量裝置安裝在驅(qū)動裝置上；驅(qū)動裝置安裝在成型磨床本體上；測量儀獨(dú)立安裝，通過數(shù)據(jù)通信電纜與測量裝置、成型磨床控制主機(jī)及控制柜之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、信息傳送及命令執(zhí)行。在車軸磨削加工過程中，當(dāng)被加工車軸經(jīng)過粗磨，消除車軸表面的加工刀紋后，控制主機(jī)就會發(fā)出指令，驅(qū)動裝置驅(qū)動測量裝置對正在加工的車軸進(jìn)行實(shí)時測量。在整個加工過程中，測量裝置始終保持著對工件的實(shí)時測量，并將加工過程中的尺寸變化量實(shí)時傳遞給機(jī)床控制系統(tǒng)，再由成型磨床主機(jī)根據(jù)車軸的實(shí)時尺寸信息發(fā)出相應(yīng)的控制信號，如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等，控制機(jī)床的加工動作。車軸磨削加工完成后，主機(jī)會記錄車軸加工各個部位的數(shù)據(jù)信息，與測量系統(tǒng)實(shí)時通信，根據(jù)系統(tǒng)正定系數(shù)對車軸磨削加工尺寸進(jìn)行自動補(bǔ)償，并為車軸磨削加工的下一次工作循環(huán)做好準(zhǔn)備，從而實(shí)現(xiàn)車軸磨削加工過程的閉環(huán)控制。

在整個車軸磨削加工實(shí)時測量過程中，操作人員無需停機(jī)就能看到系統(tǒng)對加工車軸的實(shí)時測量數(shù)據(jù)，減少了操作工的勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，降低廢品率，且磨削加工出的車軸尺寸一致性較高，大大降低了下個工序（基軸制加工輪轂孔）的加工難度，保證了輪對組裝的合格率。

2.1 測量裝置

測量裝置俗稱測頭，其中與被加工車軸表面接觸的部分稱為測子（圖1）。測量裝置端頭的耐磨材料是金剛石，在車軸磨削加工過程中，起著把被測車軸磨削加工尺寸的實(shí)時變化量轉(zhuǎn)化為測量信號的作用，是測量儀的主體。在砂輪磨削車軸加工的整個過程中，測量裝置的2 個金剛石測子始終與磨削加工車軸的表面接觸，將被磨削加工車軸直徑的變化量通過測子、測桿及位移放大杠桿，推動測量裝置中位移傳感器的磁芯和電感線圈產(chǎn)生相對位移，從而將尺寸的變化轉(zhuǎn)換為電感量的變化，形成變化的電壓信號，并通過數(shù)據(jù)通信電纜反饋到測量儀。由測量系統(tǒng)將此信號進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果傳遞給主機(jī)。

圖1 測量裝置

2.2 驅(qū)動裝置

測量裝置的進(jìn)退由驅(qū)動裝置帶動，驅(qū)動裝置為雙液壓缸驅(qū)動，并安裝有導(dǎo)向桿，保證了測量裝置在運(yùn)動過程中的精確定位。被磨削加工的車軸裝夾好后，磨削砂輪快速前進(jìn)，當(dāng)磨削砂輪進(jìn)給到預(yù)定磨削加工位置時，主機(jī)控制驅(qū)動裝置帶動測量裝置進(jìn)入測量工位。磨削加工車軸達(dá)到預(yù)設(shè)置的尺寸后，磨削砂輪快速退回，同時驅(qū)動裝置帶動測量裝置退出測量工位，以便操作者裝卸車軸。

2.3 測量儀

測量儀獨(dú)立安裝，通過數(shù)據(jù)通信電纜與測量裝置、成型磨床主機(jī)及控制柜連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、傳送及通信（圖2）。在車軸磨削加工過程中，測量裝置將測量信號通過數(shù)據(jù)通信電纜傳遞到測量儀，在整個測量過程中，測量儀始終顯示被磨削車軸的實(shí)時尺寸，并將其尺寸變化量實(shí)時傳遞給主機(jī)控制系統(tǒng)。它是測量系統(tǒng)的控制中樞，起著數(shù)據(jù)收集分析、處理及傳遞的作用。

圖2 測量儀

3 故障原因分析及排除

在程序運(yùn)行過程中出現(xiàn)嚴(yán)重故障時，會導(dǎo)致測量系統(tǒng)報警，造成程序中斷、不能繼續(xù)工作。此類嚴(yán)重故障報警一般與測量裝置、驅(qū)動裝置、測量儀有關(guān)，下面分別對3 種故障報警進(jìn)行分析排除。

3.1 測量裝置故障

測量裝置的故障主要表現(xiàn)為超出測量范圍報警，斷路或短路報警。

3.1.1 超出測量范圍報警

B013 Head is out of measuring range，測量超出范圍報警主要有系統(tǒng)相對零點(diǎn)不準(zhǔn)、系統(tǒng)機(jī)械零點(diǎn)不準(zhǔn)及放大杠桿機(jī)構(gòu)板簧壓力不足3 種原因。

3.1.1.1 系統(tǒng)相對零點(diǎn)不準(zhǔn)

上標(biāo)準(zhǔn)車軸→頂起車軸→左/右定寸裝置出（此時測量裝置停在測量位置）→按PREV/1/1（2）進(jìn)入測量儀校準(zhǔn)界面→按SHIFT+ZERO ADJ 進(jìn)行系統(tǒng)零點(diǎn)校準(zhǔn)操作，然后進(jìn)行正常磨削加工操作，注意磨削加工過程中實(shí)時監(jiān)控磨削尺寸，分段停機(jī)進(jìn)行手動測量，并將測量數(shù)據(jù)與自動測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。若兩者相同，則說明此次偏差為系統(tǒng)零點(diǎn)位置不準(zhǔn)造成，只要重新校準(zhǔn)系統(tǒng)零點(diǎn)即可。若兩者測量數(shù)據(jù)仍然相差較大，則為系統(tǒng)機(jī)械零點(diǎn)不準(zhǔn)，就需要對系統(tǒng)機(jī)械零點(diǎn)重新進(jìn)行校準(zhǔn)操作。

3.1.1.2 系統(tǒng)機(jī)械零點(diǎn)不準(zhǔn)

上標(biāo)準(zhǔn)軸→頂起車軸→左/右定寸裝置出（此時測量裝置停在測量位置）→按PREV/2/1（2）進(jìn)入測量儀機(jī)械零點(diǎn)校準(zhǔn)界面→調(diào)整上下接觸子使零點(diǎn)公差控制在±10 μm 內(nèi)→按SHIFT+ZERO SET 進(jìn)行系統(tǒng)機(jī)械零點(diǎn)校準(zhǔn)操作，然后按上述步驟進(jìn)行系統(tǒng)零點(diǎn)校準(zhǔn)。

3.1.1.3 放大杠桿板簧壓力不足

如果是放大杠桿板簧壓力不足造成的偏差，表現(xiàn)為當(dāng)測量裝置處于自由狀態(tài)時，上、下測桿向內(nèi)用手輕輕相對壓緊時，測量系統(tǒng)顯示測量數(shù)據(jù)有變化，說明測量裝置還有動作間隙行程（正常情況測子接觸工件表面后是無行程的），這表現(xiàn)為上、下接測子端頭與工件表面之間接觸的壓力不夠，從而導(dǎo)致測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，此時需要打開測量裝置，對確定有行程間隙的測桿的壓力板簧進(jìn)行預(yù)壓緊調(diào)整，直到消除間隙行程即可排除故障。

3.1.2 測量裝置斷路或短路報警

針對A 023 /022 Detector cable cutor shortciuited Cboard，檢測電纜斷路或短路報警，需要對測量裝置的電源及信號線路進(jìn)行校對，通過檢測故障測頭并與正常測頭的檢測信號互相進(jìn)行對比，判斷一組測頭為數(shù)據(jù)線故障，另一組測頭為傳感器輸出故障（圖3），詳細(xì)測量并記錄兩組測頭所有的原始詳細(xì)信息，做好相應(yīng)標(biāo)識，拍照留底，并畫出接線原理圖（圖4）。仔細(xì)校對確認(rèn)無誤，然后對測頭拆解，將兩組測頭中判斷為好的傳感器、接口電路板、數(shù)據(jù)線、連接接頭進(jìn)行重新組裝，在直徑不到1 cm的接口電路板上正反面焊接了15 根數(shù)據(jù)線，焊接后對比存留原始信息，檢測確認(rèn)無誤，組裝上機(jī)測試，進(jìn)行系統(tǒng)相對零點(diǎn)校準(zhǔn)后，進(jìn)行試加工，確認(rèn)機(jī)床工作狀態(tài)正常。

圖3 傳感器輸出故障

圖4 接線原理

3.2 驅(qū)動裝置故障

驅(qū)動裝置故障主要表現(xiàn)為驅(qū)動油缸無動作或驅(qū)動油缸無法到達(dá)測量位置。此種情況一般無報警，基本可以斷定為機(jī)械故障，此時需要做以下工作：①查液壓系統(tǒng)壓力是否正常；②檢查電磁閥是驅(qū)動信號是否正常；③打開油缸進(jìn)油口查看是否有油，判定電磁閥動作是否正常；④打開油缸回油口，檢查回油口是否一直出油，判斷油缸是否串缸；⑤驅(qū)動油缸不能到達(dá)測量位置且油缸無故障，多數(shù)為維修過程中導(dǎo)向桿安裝不當(dāng)或?qū)蛱锥祟^排氣孔堵塞造成，檢查導(dǎo)向桿的導(dǎo)向套端頭排氣孔是否暢通，疏通排氣孔重新安裝導(dǎo)向桿并即可解決。

3.3 系統(tǒng)測量儀故障

如果排除了系統(tǒng)測量裝置及驅(qū)動裝置故障，可確定為系統(tǒng)測量儀有關(guān)方面的故障。系統(tǒng)測量儀故障主要表現(xiàn)為系統(tǒng)A 130 Part/process Nosare wrong 19-07-25 Correct part/process No s，程序編號錯誤報警（圖5）。

圖5 測量儀報警

報警內(nèi)容顯示程序編號錯誤，需要調(diào)整程序編號，但實(shí)際操作中程序編號并未發(fā)生變換，由此可以判定不是程序故障，而是電氣故障。

首先，應(yīng)對相對容易檢查的所有外圍相關(guān)電源線、數(shù)據(jù)通信電纜線以及各個線纜插頭部分進(jìn)行測量檢測，確保各個數(shù)據(jù)通信電纜及插頭無故障。然后調(diào)出系統(tǒng)測量儀的控制I/OMONITO R頁面，通過此界面顯示的信息，可以對機(jī)床測量系統(tǒng)所有的I/O狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時觀察，通過此界面的顯示信息，觀察到測量儀共有35 個輸入點(diǎn)，從I 000 至I 034，有48 個輸出點(diǎn)，從I 040 至I 087，數(shù)值為1 表示該點(diǎn)為高電平，對應(yīng)信號為該I/O 有輸入/輸出，數(shù)值為0 表示該點(diǎn)為低電平，對應(yīng)信號為該I/O 沒有輸入/輸出。

根據(jù)說明書可知正常工作狀態(tài)時測量系統(tǒng)各I/O 點(diǎn)數(shù)值。將報警狀態(tài)的I/O 點(diǎn)數(shù)值與正常狀態(tài)的I/O 點(diǎn)數(shù)值進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)I 040 輸出點(diǎn)有異常，該I/O 點(diǎn)正常時數(shù)值應(yīng)為0（低電平），而此時該點(diǎn)的顯示值為1（高電平），所以可以確定I 040 輸出點(diǎn)故障（圖6）。也就是說，測量儀實(shí)際輸入無故障，但輸出有故障報警。

圖6 I/O 數(shù)值

為進(jìn)一步確認(rèn)分析結(jié)果，打開系統(tǒng)測量儀，對I/O 板上所有I/O 點(diǎn)進(jìn)行測量對比，發(fā)現(xiàn)所有輸入點(diǎn)的電平信號與正常狀態(tài)時的電平信號一致，輸出點(diǎn)的電平信號除I 040 輸出點(diǎn)與正常時相反外，其他輸出點(diǎn)電平信號均與正常時的電平信號一致（圖7）。因此，可以斷定I 040 輸出故障導(dǎo)致了系統(tǒng)報警。經(jīng)檢測I 040 在系統(tǒng)輸入信號正常時，持續(xù)輸出故障報警信號。經(jīng)進(jìn)一步檢測發(fā)現(xiàn)，該點(diǎn)輸出光電耦合器短路故障，更換光電耦合器后故障排除。

圖7 I/O 板

4 結(jié)束語

由于日本豐田成型磨床自動化程度高，故障診斷過程比較復(fù)雜，系統(tǒng)的報警信息只能對故障判定起到提示輔助作用。所以在日常生產(chǎn)中成型磨床故障時，必須首先分析具體的故障原因，找出報警的真正故障點(diǎn)，然后通過相應(yīng)操作程序，維修或更換損壞配件來消除報警。通過不斷的分析摸索，積累維修經(jīng)驗(yàn)，為后期的故障維修提供參考。