大型數(shù)控鏜銑床疑難故障診斷方法研究及應(yīng)用

關(guān)進(jìn)良，姜 濤，趙洪杰，張 澤，黃 成

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

0 引言

制造業(yè)正處于由“大”變“強(qiáng)”的關(guān)鍵轉(zhuǎn)型階段，這對制造業(yè)的母機(jī)數(shù)控機(jī)床提出了更高的要求，如：制造精度高、加工范圍廣、工作效率高。大型數(shù)控鏜銑床基本符合以上要求，已廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛船舶、電力和冶金等領(lǐng)域。在大量實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)出解決典型疑難故障的有效方案，基本達(dá)到了降低設(shè)備停機(jī)時(shí)間，提高故障診斷效率的目的。

1 大型數(shù)控鏜銑床的特點(diǎn)

大型數(shù)控鏜銑床有著較強(qiáng)的“加工柔性”，兼具“鏜”和“銑”的功能，尤其是在安裝上直角銑頭后，大大拓展了設(shè)備使用功能，能夠?qū)Υ笾行蜌ざ晤?、艙體類等多種類型的產(chǎn)品進(jìn)行鏜孔、鉆孔、攻螺紋、銑外型、銑內(nèi)型（包括異形曲面）等工序的加工，是企業(yè)制造工藝中的關(guān)鍵重大設(shè)備。

大型數(shù)控鏜銑床有X、Y、Z、W、B、C（或A）共6 個(gè)伺服軸，加工殼段類產(chǎn)品時(shí)，可將C 軸豎直放置裝夾于B 軸水平回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，再配合中心架和工裝的方式進(jìn)行操作。依據(jù)機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)，分為6 軸4 聯(lián)動(dòng)和6 軸5 聯(lián)動(dòng)，或依據(jù)機(jī)床結(jié)構(gòu)形式，分為臥式（如刨臺(tái)式臥式鏜銑床）（圖1）和立式（如數(shù)控龍門鏜銑床）兩種。

圖1 數(shù)控刨臺(tái)式臥式鏜銑床結(jié)構(gòu)

2 典型疑難故障診斷方法及應(yīng)用

2.1 某進(jìn)口大型臥式鏜銑床主接觸器MCC 故障

故障現(xiàn)象：該設(shè)備采用FANUC Series 18i-MB 數(shù)控系統(tǒng)，待機(jī)時(shí)出現(xiàn)報(bào)警5136：FSSB：NUMBER OF AMPS IS SMALL和750：SPINDLE SERIAL LINK ERROR。同時(shí)機(jī)床液壓使能丟失，打開電氣柜發(fā)現(xiàn)標(biāo)號(hào)空開CP1 跳閘，當(dāng)重新開啟使能時(shí)，空開CP1 再次跳閘。

故障診斷分析及解決方案：該故障如果直接從報(bào)警內(nèi)容入手，故障原因涉及面較廣（包括伺服模塊、主軸模塊、電源模塊以及相關(guān)電纜連接均有故障可能）?？蓮摹翱臻_CP1 跳閘”尋找突破口，該空開下端接有AC 200 V 的兩根電纜（線號(hào)分別為R200 與T200），從機(jī)床電氣原理（圖2）可知，T200 接入電源模塊POWER SUPPLY MODULE（PSM）的CX3 接口，再從該接口出來后接入主接觸器MCC 線圈的一端，線圈的另一端接的是R200，因此CP1 跳閘原因可能是空開下端存在短路等異常情況。根據(jù)以上的分析，使用多用表檢測出MCC 線圈的電阻接近0 Ω，其他方面未發(fā)現(xiàn)異常，更換該接觸器后故障排除，機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖2 機(jī)床電氣原理

當(dāng)機(jī)床上電后，電源模塊自檢通過后，CX3 內(nèi)部繼電器的“常開觸點(diǎn)”閉合，主接觸器MCC 線圈得電，因其短路致使CP1 跳閘，同時(shí)主軸模塊和各伺服模塊無法正常上電啟動(dòng)，引起了5136#和750#兩個(gè)報(bào)警?？梢姡斫鈹?shù)控系統(tǒng)上電時(shí)序（圖3）對解決該故障有很大的幫助，即：當(dāng)控制電源單相200 V 接入，急停信號(hào)釋放時(shí)，如果沒有MCC 斷開信號(hào)MCOFF，主接觸器MCC 吸合，三相200 V 動(dòng)力電源接入，電源模塊就緒信號(hào)*CRDY 發(fā)出（* 表示低電平有效），如果伺服放大器已準(zhǔn)備好，發(fā)出*DRDY 信號(hào)，伺服就緒SA 信號(hào)發(fā)出，完成一個(gè)完整的上電周期。

圖3 上電時(shí)序

2.2 某大型數(shù)控鏜銑床主軸故障

故障現(xiàn)象：某大型數(shù)控鏜銑床采用華中數(shù)控HNC-848i 系統(tǒng)，在執(zhí)行加工程序過程中出現(xiàn)報(bào)警：主軸伺服電機(jī)電流超過驅(qū)動(dòng)設(shè)置的最大值。關(guān)機(jī)重啟后報(bào)警消失，試運(yùn)行一段時(shí)間后，報(bào)警復(fù)現(xiàn)，同時(shí)觀察到主軸空載時(shí)的負(fù)載不穩(wěn)定，有突變現(xiàn)象，且主軸電機(jī)有異響。

故障診斷分析及解決方案：根據(jù)故障現(xiàn)象，首先檢查主軸電機(jī)、編碼器以及相關(guān)電纜，經(jīng)檢查、測量后電機(jī)及電纜未發(fā)現(xiàn)異常，拆下編碼器發(fā)現(xiàn)內(nèi)部進(jìn)油污染。更換新的編碼器后，機(jī)床試運(yùn)行約2 h，故障復(fù)現(xiàn)，再次檢查編碼器，沒有被油污染，可見還存在其他故障點(diǎn)。

通過華中數(shù)控的專業(yè)軟件對主軸負(fù)載、主軸速度等重要指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控（圖4a）），發(fā)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)空載電流值波動(dòng)較大，正常時(shí)應(yīng)在縱坐標(biāo)軸0 附近，且機(jī)床出現(xiàn)報(bào)警的同時(shí)，發(fā)現(xiàn)主軸負(fù)載電流出現(xiàn)非常大的波動(dòng)（圖4b）），導(dǎo)致報(bào)警停機(jī)。為進(jìn)一步確定故障點(diǎn)，使用“機(jī)電分離法”，即把主軸電機(jī)和機(jī)械部分脫開，軟件監(jiān)控情況與“機(jī)電分離”之前一致，基本排除了機(jī)械傳動(dòng)部分的故障。故障點(diǎn)很可能在伺服驅(qū)動(dòng)模塊上，更換該模塊后故障徹底排除，機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行。

圖4 主軸運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控

主軸伺服的報(bào)警原因比較復(fù)雜，可通過專業(yè)軟件檢測法、機(jī)床在線診斷法以及機(jī)電分離法等手段，對涉及的故障點(diǎn)逐個(gè)排除，并盡可能降低返修率。

2.3 某6 軸4 聯(lián)動(dòng)數(shù)控鏜銑床B 軸故障

故障現(xiàn)象：某6 軸4 聯(lián)動(dòng)數(shù)控鏜銑床采用FANUC 數(shù)控系統(tǒng)，B 軸（機(jī)床工作臺(tái)）在0°～360°旋轉(zhuǎn)時(shí)位置精度合格，但超過這個(gè)范圍運(yùn)行時(shí)，位置精度超過允差值，不能正常使用，沒有任何報(bào)警提示。

故障分析及解決方案：此類故障沒有報(bào)警提示，首先檢查機(jī)械方面，校準(zhǔn)B 軸機(jī)械零點(diǎn)和檢查反向間隙（在半閉環(huán)狀態(tài)下），以及液壓、潤滑等方面均正常。在電氣方面，可能與硬件、機(jī)床參數(shù)等有關(guān)，使用專業(yè)儀器檢測B 軸編碼器和回零開關(guān)及其相關(guān)電纜，無異常。

利用激光干涉儀檢測位置精度，設(shè)置每30°讀取一次數(shù)據(jù)（30°一打，一圈12 個(gè)點(diǎn)），由圖5a）可看出，在B 軸旋轉(zhuǎn)0°～1800°之間，0°～360°和360°～1800°定位精度誤差的規(guī)律差異較大。為便于對比觀察，在清空螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)后，再次檢測位置精度（圖5b）），發(fā)現(xiàn)其規(guī)律基本一致。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，B 軸螺距補(bǔ)償數(shù)據(jù)只是在0°～360°之間生效，其他范圍內(nèi)無效（誤差過大），由此聯(lián)想到檢查參數(shù)1006，該參數(shù)主要作用是設(shè)定伺服軸類別（直線軸或旋轉(zhuǎn)軸）以及各類坐標(biāo)值的舍入方式，發(fā)現(xiàn)1006#0（ROTx）和1006#1（ROSx）均為0，查閱參數(shù)說明書可知，該參數(shù)設(shè)定B 軸“存儲(chǔ)型螺距誤差補(bǔ)償為直線軸類型”，于是將1006#0 由0 改為1，即設(shè)定B 軸“存儲(chǔ)型螺距誤差補(bǔ)償為旋轉(zhuǎn)軸類型”，再次使用激光干涉儀在0°～1800°之間檢測位置精度，誤差均在正常范圍內(nèi)，故障徹底排除。

圖5 B 軸激光檢測

故障原因是參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤，需要多次使用激光干涉儀檢測和數(shù)據(jù)分析，并要求對機(jī)床參數(shù)的功能及其設(shè)定方法有一定的了解，這也是排除此故障的關(guān)鍵所在。

3 結(jié)束語

大型數(shù)控鏜銑床因機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣控制系統(tǒng)都比較復(fù)雜，技術(shù)人員需要對機(jī)床比較熟悉，并在日常工作中及時(shí)做好故障記錄和總結(jié)，排除故障一般步驟是：①結(jié)合故障現(xiàn)象或報(bào)警內(nèi)容，認(rèn)真詢問機(jī)床操作人員故障出現(xiàn)時(shí)的設(shè)備狀態(tài)，充分了解故障發(fā)生過程中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，為后續(xù)解決故障提供思路；②根據(jù)具體故障現(xiàn)象，在理解報(bào)警原理的前提下，靈活運(yùn)用故障診斷方法，并充分利用機(jī)床資料進(jìn)行研究分析，把故障原因逐步縮小，直至具體故障點(diǎn)；③根據(jù)故障點(diǎn)及時(shí)排除故障，可設(shè)計(jì)并實(shí)施故障預(yù)防措施，避免類似故障再次發(fā)生，發(fā)揮出數(shù)控鏜銑床的最大價(jià)值。