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搖籃式五坐標(biāo)加工中心 C 軸轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)故障原因分析與處理

2021-1-27 來源：昌河飛機(jī)工業(yè)( 集團(tuán)) 有限責(zé)任公司作者：林超青

摘要: 針對 HS664ＲT，搖籃式五坐標(biāo)加工中心力矩電動機(jī)驅(qū)動的 C 軸轉(zhuǎn)臺故障，介紹了故障排查、處理方法和力矩電動機(jī)相位角同步設(shè)置步驟。

關(guān)鍵詞: 力矩電動機(jī); 相位角同步; 液壓抱閘裝置

1、 C 軸轉(zhuǎn)臺存在的故障和問題

HS664ＲT 搖籃式五坐標(biāo)加工中心在運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生 C 軸電動機(jī)過載過流報警，并伴有轉(zhuǎn)臺抖動現(xiàn)象。同時該機(jī)床在開機(jī)上電過程，經(jīng)常發(fā)生 A/C 液壓抱閘報警，機(jī)床無法上電，要反復(fù)多次才能上電。這種現(xiàn)象和故障持續(xù)一段時間后，C 軸轉(zhuǎn)臺徹底無法轉(zhuǎn)動，五軸機(jī)床只能當(dāng)三軸機(jī)床使用。

2、 C 軸轉(zhuǎn)臺無法轉(zhuǎn)動的原因分析

2．1 C 軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)

HS664ＲT 搖籃式五坐標(biāo)加工中心 C 軸轉(zhuǎn)臺主要是由轉(zhuǎn)臺本體( 框架) 、工作臺、軸承、液壓抱閘組件、力矩電動機(jī)( 定子和轉(zhuǎn)子組成) 、圓光柵和冷卻水道幾大主要部件組成，主要部件如圖 1 所示。力矩電動機(jī)定子、液壓抱閘組件安裝在轉(zhuǎn)臺本體上，力矩電動機(jī)轉(zhuǎn)子、工作臺安裝在軸承上，圓光柵安裝在工作臺上，力矩電動機(jī)轉(zhuǎn)子帶動工作臺旋轉(zhuǎn)，圓光柵測量旋轉(zhuǎn)角度和速度。

圖1 C軸轉(zhuǎn)臺

2．2 C 軸轉(zhuǎn)臺無法轉(zhuǎn)動的可能原因

根據(jù)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)可以分析得到 C 軸轉(zhuǎn)臺無法轉(zhuǎn)動可能的原因有如下幾個方面:

( 1) 力矩電動機(jī)損壞。轉(zhuǎn)子和定子之間有異物，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子和定子間隙不符合要求，定子線圈短路，電流增大，電流超過額定電流，致使伺服系統(tǒng)報警，電動機(jī)無法旋轉(zhuǎn)，使得 C 軸轉(zhuǎn)臺無法旋轉(zhuǎn)。

( 2) 圓光柵出現(xiàn)故障，導(dǎo)致工作臺旋轉(zhuǎn)角度和旋轉(zhuǎn)速度測量不準(zhǔn)確，從而導(dǎo)致機(jī)床工作臺無法旋轉(zhuǎn)。

( 3) 轉(zhuǎn)臺的自調(diào)心平面軸承損壞，軸承無法旋轉(zhuǎn)，由于機(jī)械卡死，將導(dǎo)致力矩電動機(jī)輸出扭矩超過規(guī)定值而出現(xiàn)電流、扭矩報警，機(jī)床工作臺無法旋轉(zhuǎn)。

( 4) 液壓抱閘組件變形損壞。由于 C 軸轉(zhuǎn)臺的鎖緊和松開采用液壓抱閘系統(tǒng)，液壓抱閘組件由磷青銅彈性變形圓環(huán)和圓環(huán)塑料油槽組成，工作臺液壓鎖緊是往塑料油槽充油，油槽變形，推動磷青銅彈性變形圓環(huán)變形，從而鎖緊工作臺。轉(zhuǎn)臺松開時，液壓油泄壓，磷青銅彈性變形圓環(huán)和圓環(huán)塑料油槽恢復(fù)原狀，轉(zhuǎn)臺就可以轉(zhuǎn)動了。如果磷青銅彈性變形圓環(huán)和圓環(huán)塑料油槽損壞，或彈性失效，導(dǎo)致磷青銅彈性變形圓環(huán)與工作臺的間隙過小，就會出現(xiàn)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動困難，力矩電動機(jī)出現(xiàn)電流過載，扭矩過大和旋轉(zhuǎn)過程抖動的情況。

( 5) 開機(jī)上電過程，經(jīng)常發(fā)生 A /C 液壓抱閘報警，導(dǎo)致機(jī)床轉(zhuǎn)臺無法轉(zhuǎn)動的可能原因一個是液壓抱閘組件或液壓管路有泄漏，導(dǎo)致鎖緊壓力達(dá)不到設(shè)定值，從而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)液壓鎖緊故障。另外可能的原因是液壓控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)無法正常工作，鎖緊壓力達(dá)不到設(shè)定值，出現(xiàn)故障，機(jī)床無法上電。

3、 C 軸轉(zhuǎn)臺無法轉(zhuǎn)動可能原因的處理

3．1 電動機(jī)損壞可能原因

拆開轉(zhuǎn)臺密封蓋，露出力矩電動機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子和定子之間部分區(qū)域有明顯的銹蝕現(xiàn)象，如圖 2 所示。冷凝水多，定子( 線圈) 有多處明顯短路燒焦如圖 3 所示，可以判斷力矩電動機(jī)已經(jīng)短路燒蝕損壞。冷凝水多的原因可能是冷卻水的溫度設(shè)定，使電動機(jī)內(nèi)外溫差過大，因此在電動機(jī)外部出現(xiàn)冷凝水。

圖2 電動機(jī)銹蝕

圖3 電動機(jī)燒蝕

檢查電動機(jī)水冷控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)冷凝水的溫度設(shè)定在17 ℃ ，而室溫有 28 ℃ 左右，所以會出現(xiàn)冷凝水現(xiàn)象。把水冷溫度設(shè)定在 24 ℃后，冷凝水現(xiàn)象消失。由于力矩電動機(jī)短路燒壞，所以要更換力矩電動機(jī)組件( 由定子和轉(zhuǎn)子組成，如圖 4) 。

圖4 力矩電動機(jī)（定子和轉(zhuǎn)子）

更換力矩電動機(jī)后進(jìn)行試車，發(fā)現(xiàn) C 軸轉(zhuǎn)臺還是無法旋轉(zhuǎn)。因此 C 軸轉(zhuǎn)臺無法旋轉(zhuǎn)不止力矩電動機(jī)損壞一個因素，還有其他原因。

3．2 C 軸圓光柵出現(xiàn)問題

如果 C 軸圓光柵出現(xiàn)問題，C 軸旋轉(zhuǎn)速度和角度測量不準(zhǔn)確，也會導(dǎo)致 C 軸無法轉(zhuǎn)動。該機(jī)床采用的是海德漢圓光柵，所以可以使用 PWT18 海德漢光檢測儀對光柵進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明，圓光柵信號正常，旋轉(zhuǎn)靈活，圓光柵故障的可能性排除。

3．3 轉(zhuǎn)臺的自調(diào)心平面軸承損壞

如果轉(zhuǎn)臺的自調(diào)心平面軸承損壞，軸承無法旋轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)不靈活，那工作臺的轉(zhuǎn)動也會出現(xiàn)轉(zhuǎn)動困難和抖動，導(dǎo)致力矩電動機(jī)電流和扭矩增大超限，出現(xiàn)報警，甚至燒壞電動機(jī)。把電動機(jī)和工作臺拆除后，露出自調(diào)心平面軸承( 如圖 5) ，發(fā)現(xiàn)軸承外觀完好，旋轉(zhuǎn)靈

活。因此自調(diào)心平面軸承損壞的可能性可以排除。

圖5 自調(diào)心平面軸承

3．4 液壓抱閘組件變形損壞

對于液壓抱閘組件變形損壞，導(dǎo)致工作臺無法旋轉(zhuǎn)的可能性，進(jìn)行下面的一些測試和檢查。把工作臺和力矩電動機(jī)安裝完好，斷開電動機(jī)電纜和液壓管路，此時液壓抱閘組件沒有壓力，處于無變形自由狀態(tài)，根據(jù) C 軸轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)，此時轉(zhuǎn)臺可以人為盤動旋轉(zhuǎn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺無法人為盤動，甚至用撬杠也無法盤動轉(zhuǎn)臺。由于力矩電動機(jī)是新購置的，沒有問題，所以出現(xiàn)問題可能是液壓抱閘組件變形損壞。為驗(yàn)證，把力矩電動機(jī)拆下，此時僅僅只有工作臺、自調(diào)心平面軸承、液壓抱閘組件，再次人為盤動轉(zhuǎn)臺，發(fā)現(xiàn)故障依舊。所以可以確認(rèn)，轉(zhuǎn)臺無法旋轉(zhuǎn)的另外一個原因是液壓抱閘組件損壞。拆下液壓組件，發(fā)現(xiàn)磷青銅彈性變形圓環(huán)表面有明顯的摩擦痕跡，因此可以確定磷青銅彈性變形圓環(huán)變形不正常。

圖6 磷青銅彈性變形圓環(huán)

圖7 磷青銅彈性變形圓環(huán)加工

通過測量發(fā)現(xiàn)，彈性變形圓環(huán)( 圖 6) 變形不夠，導(dǎo)致工作臺無法旋轉(zhuǎn)。因此可以對彈性變形圓環(huán)進(jìn)行加工( 圖 7) 保證足夠的變形余量。加工完成后，把彈性變形圓環(huán)、工作臺安裝完成后進(jìn)行測試，結(jié)果表明，工作臺可以正常旋轉(zhuǎn)，故障排除。

3．5 液壓管路有泄漏或控制系統(tǒng)有問題

排除力矩電動機(jī)和液壓抱閘組件故障后裝機(jī)試車，發(fā)現(xiàn)工作臺無法正常液壓鎖緊和松開。液壓鎖緊的壓力達(dá)不到要求，C 軸鎖緊設(shè)定值為 4 MPa，但是實(shí)際值只有 2 MPa，給液壓系統(tǒng)保持壓力的蓄能器壓力也會降到2 MPa，正常值是 4 MPa。由于壓力達(dá)不到要求，可能的原因是液壓管路有泄漏或控制系統(tǒng)有問題。

通過檢查液壓管路，沒有發(fā)現(xiàn)泄漏，液壓抱閘組件也沒有發(fā)現(xiàn)漏油現(xiàn)象。因此液壓系統(tǒng)泄漏的可能性可以排除。

對于控制系統(tǒng)問題，在數(shù)控系統(tǒng)中強(qiáng)制給出 C 軸鎖緊信號，PLC 有信號輸出，但是壓力還是 20 MPa 沒有變化。通過檢查發(fā)現(xiàn)雖然 PLC 有信號輸出，但是控制 C 軸鎖緊/松開的電磁閥沒有得電，電磁閥沒有切換動作，人為切換電磁閥閥芯位置，則液壓壓力就可以馬上達(dá)到 4 MPa。檢查電磁閥控制電纜和控制中間繼電器，發(fā)現(xiàn)控制電磁閥動作的中間繼電器損壞，雖然PLC 有信號輸出，但是中間繼電器沒動作，導(dǎo)致故障。更換中間繼電器后，C 軸能正常鎖緊/松開。

3．6 力矩電動機(jī)相位角同步設(shè)置

由于 C 軸轉(zhuǎn)臺采用的永磁體同步力矩電動機(jī)，新安裝的力矩電動機(jī)要進(jìn)行相位角同步設(shè)置，使轉(zhuǎn)子永久磁場與定子的電磁場同步。如果這個同步角度未測量或角度設(shè)定不對，將會導(dǎo)致電動機(jī)輸出力矩變小，出現(xiàn)無法帶動負(fù)載和機(jī)床抖動等故障。

相位角同步調(diào)試的步驟一般有以下幾個步驟: 第一步按伺服驅(qū)動調(diào)試軟件的要求，設(shè)置相關(guān)參數(shù)和狀態(tài)，把力矩電動機(jī)設(shè)置成相位角同步調(diào)試狀態(tài)，伺服驅(qū)動類型不同，則驅(qū)動調(diào)試軟件不同，參數(shù)和狀態(tài)設(shè)置要求也不同，力矩電動機(jī)相位角同步設(shè)置要根據(jù)驅(qū)動類型和調(diào)試軟件的要求進(jìn)行設(shè)置; 第二步，自動旋轉(zhuǎn)工作臺或手動旋轉(zhuǎn)工作臺，此時驅(qū)動系統(tǒng)會檢測到相位角偏差; 第三步，把驅(qū)動系統(tǒng)檢測到的相位角偏差值設(shè)置到相關(guān)參數(shù)中; 第四步，把力矩電動機(jī)從相位角同步調(diào)試狀態(tài)恢復(fù)成正常工作狀態(tài)。圖 8 是伺服驅(qū)動調(diào)試軟件進(jìn)行力矩電動機(jī)相位角同步設(shè)置的畫面。完成力矩電動機(jī)相位角同步設(shè)置后，對機(jī)床進(jìn)行測試，結(jié)果表明，故障排除，力矩電動機(jī)設(shè)置正常，機(jī)床能夠正常運(yùn)行。

圖8 力矩電動機(jī)相位角同步測量和設(shè)置

4 、結(jié)語

對于采用力矩電動機(jī)的轉(zhuǎn)臺故障，進(jìn)行故障排查時，要綜合機(jī)械，液壓和電氣等多種手段，才能取得比較好的效果。特別是更換力矩電動機(jī)還要進(jìn)行同步設(shè)置，如果不進(jìn)行相應(yīng)參數(shù)和相位角同步設(shè)置，即使是新電動機(jī)也會出現(xiàn)輸出扭矩小，無法帶動負(fù)載和機(jī)床抖動等現(xiàn)象，機(jī)床無法正常運(yùn)行。

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