摘要: Heavy cut 225 數控鏜銑床在加工時隨機發生挖刀故障。通過分析發現，工件原點坐標變化是導致挖刀故障的主要原因。針對該故障原因，給出了具體的處理方法，徹底排除了故障。
關鍵詞: Heavy cut 225 數控鏜銑床; 挖刀故障; 故障排除
Heavy cut 225 數控鏜銑床( 見圖1) 為捷克產進口設備，主要包括1 個主軸和4 個進給軸，主軸采用直流電機和西門子6ＲA70 直流調速裝置，數控與手動雙控制方式; 進給軸用西門子840C 配611D 伺服裝置驅動西門子1FT6 系列伺服電機控制，其中X、Y、Z 均采用用閉環控制，W 軸采用半閉環控制; 用西門子S5 可編程控制器來實現過程控制。通過PＲOFIBUS-DP 現場總線進行PLC 與傳動裝置之間的數據交換。
圖1 機床模型
該設備為某公司生產某些重要部件的指定設備，因此對其可靠性要求非常高。然而在生產的過程中突發隨機性故障，X、Y、Z 三個坐標軸分別發生了挖刀現象，挖刀深度達到十幾個甚至幾十個毫米不等，對該公司造成了極大的損失。
1、 故障分析與處理
1. 1 故障說明
設備開機并沒有任何故障報警能正常運行及加工，故障發生前機床往往會出現突發的劇烈抖動，后數控系統出現報警，按下緊急停止按鈕，再按復位鍵報警可被消除，運行動作正常，返回機床參考點后，再按照加工程序走到工件原點開始加工，隨后發生挖刀故障。
1. 2 故障原因分析
第一步分析和尋找到故障發生的主要點和其他相關點，縮小故障源的查找范圍。
首先把故障發生到出現挖刀的過程分成兩個時間段來分別考慮: 第一段，機床劇烈抖動，機床出現可復位的報警; 第二段，返回機床參考點后開到工件參考點加工。
由于故障發生時，操作者都是采用先按復位鍵的方式，因此當時的機床報警是什么，無法準確判斷，但一般而言，硬件損壞之類的報警是無法采用復位進行消除的，另一方面就現象來看導致機床劇烈抖動，可能與帶上負載后電機所輸出的扭矩突然不足有關系。這臺采用的是西門子840C 數控系統配611D 伺服裝置，與840D 配611D 伺服裝置的情況略有不同，就是840C 數控系統配611D 伺服裝置時數控部分多了幾塊軸卡，即數控發出的指令先發送給軸卡，再通過設備總線傳送到611D 伺服裝置控制電機進給。所以對整個環節之間的連線進行了排查，確保其屏蔽狀況良好、插接可靠，并對數控部分進行了除塵。但這一段可能并不是發生挖刀故障的最主要的原因，因此開始分析第二段。在第二段里，因為出現劇烈抖動，操作者按下了急停，再復位消除故障，機床返回了機床參考點，再根據程序返回工件原點開始加工，作者再把這個過程，分成單步執行，機床回機床參考點后再開到開始設置的工件原點，發現工件原點的坐標已經不在機床程序定義的工件原點的坐標處，出現了一定的偏移量。工件原點坐標出現了變化也就是說后面所有自動程序的基準偏移了，從而導致故障的發生。這應該就是產生挖刀故障的主要原因。
1. 3 故障處理
找到故障的發生段后，開始進行逐項分析，查找故障的原因。
首先由于3 個坐標全部是位移故障，并且全部是全閉環控制的軸，那么引起故障的主要因素應該是位置環部分，位置環板沒有任何報警，且故障隨機發生，因此基本排除位置環板硬件損壞的可能性。引起故障的第一順位鎖定在光柵尺。
分別打開X、Y、Z 軸護蓋，對每一個軸的光柵尺進行檢查，發現X 軸光柵尺盒下面有油膜，那么X軸尺子存在被污染的可能性，需對尺子進行清洗; Z軸的讀數頭上有非常多的鋁屑，從而判斷Z 軸的光柵尺安裝存在問題，讀數頭與尺盒摩擦導致尺盒脫落出鋁屑對尺子造成了一定的污染。因此首先用拔尺器將尺子抽出采用無水酒精和絲綢清洗后，逐一檢查尺面確定無傷痕后再放入光柵尺收納盒內; 第二步，對尺盒進行處理，由于尺盒內壁已經摩擦出毛刺，因此先使用極細水砂紙對毛刺部分進行打磨處理，再用無水酒精反復沖刷尺盒，將里面的鋁屑徹底清理干凈，再將尺子按要求回裝尺盒與讀數頭。
安裝時必須按照要求( 見圖2) ，特別是讀數頭的安裝需要特別注意，否則可能還會導致其他故障的發生。
圖2 光柵尺安裝圖
接下來是Y 軸。Y 軸為垂直軸，其光柵尺安裝沒有問題，采用激光干涉儀對尺子精度進行了檢查，尺子精度良好。所以決定通過分析回機床參考點的過程來查找原因。
機床回參考點的過程是: 該坐標軸為負方向回參考點，在接收到回參考點指令以后，首先從當前點開始按照參數MD34020 ( ＲEFP-VELO-SEAＲCH-CAM)尋找參考點開關，找到參考點開關后再根據參數MD34040 ( ＲEFP-VELO-SEAＲCH-MAＲKEＲ) 尋找第一個零脈沖信號，找到第一個零脈沖信號后再根據參數MD34080 找到機床參考點。
作者采用的是海德漢LB302C 系列的光柵尺，該系列尺子是每50 mm 就分布了一個零脈沖信號點，而非以前的只有一個零脈沖磁片的形式。作者使用的機床參考點減速開關采用的是外部硬限位，該限位的撞塊為梯形。
在這臺設備的數控軸回參考點的全過程中，尋找參考點的速度、零脈沖信號、尋找零脈沖信號的速度、返回參考點的距離等環節都是相對比較精確的，而尋找第一個零脈沖信號指令的激活點是整個過程中相對不準確的環節。由于它采用的是外部硬限位的方式，隨著使用時間的增長，元器件的老化，尋找零脈沖觸發信號的發出每次都可能存在細微的差異。而作者現在采用的LB302C 系列光柵尺具有每50 mm 分布一個零脈沖信號的特性，那么尋找零脈沖觸發信號發出點的位置與光柵尺零脈沖信號點的相對位置可能直接導致參考點偏差一個零脈沖間隔距離。從數據分析上作者推測，目前光柵尺的其中一個零脈沖點( 點A) 的位置剛好在尋找零脈沖觸發信號發出點的偏差范圍內，這就導致兩種情況發生:第一種( 如圖3) ，尋找零脈沖觸發信號在點A前發出，那么找的第一個零脈沖信號就是點A，找到X1這個參考點。
圖3 脈沖觸發模型圖1
第二種( 如圖4) ，尋找零脈沖觸發信號在點A后發出，那么找的第一個零脈沖信號就變成了點B，找到的參考點成了X2了。
根據以上分析，這就是造成參考點偏移的主要原因。作者將撞塊移動了一個距離，使其空間位置如圖5 所示。
圖5 脈沖觸發模型圖3
運行后發現每次斷電后再開啟時，原點坐標向下掉了1 ～ 2 mm。通過觀察發現，由于Y 軸為垂直軸，其電機帶有抱匝，上電時抱匝打開上電機使能，電機靠使能被鎖住，掉電時斷開電機使能并合上抱匝，查看PLC 程序，發現抱匝與使能的上電和掉電指令是同步發出的，但實際上電機抱匝要完全打開和關閉是需要一定的時間的，而使能的上電和掉電卻是非常迅速的，兩者實際上的不同步以及Y 軸方向的自重很大，使得在軸使能已經關閉而抱匝還沒有完全閉合的那一瞬間，由于自重很大導致其下滑1 ～ 2 mm，就是造成該現象的主要原因。針對這個分析，對PLC 程序進行了修改，改變抱匝與使能的掉電時序，讓掉電時先抱匝掉電，先讓抱匝把電機鎖住再關閉電機使能，這樣徹底解決了掉電時由于自重而下滑的問題。到此故障已經全部消除。
2 、結論
( 1) 相近的故障現象，可能由不同的因素導致，要善于從相同中找出不同的因素，逐一排查。
( 2) 在修理和改造設備的時候，有時會忽略某些電氣部件的安裝細節的重要性，但這些細節引起的故障往往不是立刻體現在設備上，而是通過較長時間的累積才發生的，而一旦發生可能引起的經濟損失將更大。所以在今后的修理過程中應該引起重視。
( 3) 有的時候故障可能不僅僅是一個因素造成的，而是多個因素的集中表現。
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