盧 森

（中國航發(fā)貴州黎陽航空動力有限公司，貴州貴陽 550016）

0 引言

機床制造的迅速發(fā)展，伺服刀塔越來越多地應用到一些中高檔的數(shù)控機床上。面對公司數(shù)控伺服刀塔在中高端機床的應用越來越多且故障頻發(fā)的情況，研究并弄清數(shù)控伺服刀塔的工作原理，是分析并解決伺服刀塔故障的重要基礎和保障。論述基于伺服刀塔的基本控制原理，解決生產(chǎn)活動中的實際刀塔故障。

1 伺服刀塔一般原理

伺服刀塔由于生產(chǎn)廠家不同，結構和工作模式不完全相同，但工作原理大致相仿。

1.1 伺服刀塔一般工作原理

論述主要基于一般工作原理，來解析數(shù)控刀塔的工作流程。數(shù)控伺服刀塔，一般由伺服電機、機械傳動部件、液壓夾緊/松開裝置三大部分組成。一般伺服刀塔組成如圖1 所示。

圖1 一般伺服刀塔組成

1.2 換刀流程

正常情況下，伺服刀塔的換刀動作、換刀流程如圖2 所示。

圖2 換刀流程

1.3 重要組件

伺服刀塔通常采用帶編碼器的伺服電機作為轉(zhuǎn)動動力。

伺服電機后置編碼器，采集電機位置信息，反饋給伺服電機驅(qū)動器，進行位置控制。

2 伺服刀塔典型故障

2.1 典型故障1

某部件事業(yè)部QP640-L 鉆銑中心（上海偉楊，三菱M70 系統(tǒng)）換刀故障。

故障現(xiàn)象：MDI/自動方式下，執(zhí)行換刀指令后，Z 軸移動到指定換刀點，主軸定位，之后機床便一直處于等待狀態(tài)，Z 軸燈閃爍，機床沒有進一步的動作，也沒有提示或報警。

原因分析：換刀過程中出現(xiàn)非正常停止，換刀動作并未完成，又沒有報警產(chǎn)生。從梯形圖中可看到，Z 軸移動到位，主軸定位信號也已完成，PLC 已將刀盤轉(zhuǎn)動的啟動信號發(fā)至刀塔伺服驅(qū)動器。查看機床電器柜內(nèi)刀盤轉(zhuǎn)動裝置，臺達ASDA-A2 伺服驅(qū)動，面板顯示AL060。查閱臺達驅(qū)動手冊部分，臺達ASDA 驅(qū)動相關異警見表1，表1 中AL060 描述，初步診斷為驅(qū)動器零點信號缺失，造成驅(qū)動器尋找目標刀號失敗，使換刀流程在這一步處于等待狀態(tài)。機床廠家并未將驅(qū)動報警狀態(tài)反饋回機床PLC，讓機床并不知道驅(qū)動器的異常狀態(tài)，沒有產(chǎn)生報警并一直處于等待狀態(tài)。

表1 臺達ASDA 驅(qū)動相關異警

解決方法：查看這臺機床的驅(qū)動裝置，并未見到外部電池，本著先讓機床恢復加工的思路，先對驅(qū)動作了零點重置。參數(shù)設置過程如下：P2-08 先設30，再設28，斷電上電；P2-69 設為1；P2-08 設為271，P2-71 設為1；P0-49 設為1；觀察P0-51、P0-52；完成零點重置。設置完成后，由操作者執(zhí)行換刀指令，換刀正常。如果此時刀號不對，將轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動到正對的一號刀位，重新做一遍零點重置即可。

小結：針對這臺機床的轉(zhuǎn)塔伺服電機，當P2-71 設為1 后，顯示部分變?yōu)锳L061，由表1可知，該編碼器的電池電壓已不足，當盡早更換（注：后來發(fā)現(xiàn)電池安裝于CN1 電纜上的盒子里，已換新）。而零點丟失，也是因為該機床因故有多天斷電未使用，電池耗盡或低于正常值造成編碼器記憶的零點信號丟失。機床伺服驅(qū)動的報警信號并未做到機床內(nèi)置PLC 里，即使驅(qū)動狀態(tài)異常，系統(tǒng)并不可知。關于報警信息的處理，可考慮修改PLC 程序。

2.2 典型故障2

某分廠Viva Turn 數(shù)控臥車（沈一機，F(xiàn)ANUC 0i 系統(tǒng)）換刀故障。

故障現(xiàn)象：刀塔轉(zhuǎn)動不到位，造成換刀1007（Turret Counter Error）報警。手動狀態(tài)下，能暫時恢復刀塔正常轉(zhuǎn)動，但不久又會出現(xiàn)同樣的報警，且故障頻度越來越高，已經(jīng)嚴重影響加工進度。而該故障出現(xiàn)，伴隨著刀號也錯亂，極易造成機床事故和加工廢品。

原因分析：在排查故障中，經(jīng)過大量的試驗發(fā)現(xiàn)，手動狀態(tài)下，當?shù)端樦粋€方向轉(zhuǎn)動時，刀塔能正常換刀，一旦任由刀塔就近選刀，正反轉(zhuǎn)交替，前述故障就頻繁出現(xiàn)。通過觀察刀塔伺服驅(qū)動的數(shù)碼顯示發(fā)現(xiàn)，刀塔轉(zhuǎn)動不到位時，驅(qū)動顯示的位置值處于正常狀態(tài)。那么，問題很可能出在機械連接上，當伺服電機按伺服驅(qū)動要求轉(zhuǎn)動到位時，機械連接部件并未到達指定目標，造成鎖緊裝置無法正常工作而報警。

月修中應重點關注回火器濾網(wǎng)的清洗、安裝情況，對濾網(wǎng)片不好安裝的，要對底盤進行攻絲，以免松脫造成防爆片爆炸；要利用月中更換系統(tǒng)的機會清洗回火器，且根據(jù)各燒嘴壓力情況適時更換干凈的回火器；水冷套管變形較多時，應排查、更換回火器；確認爐區(qū)各燒嘴處是否有冷銅，若冷銅距燒嘴較近，宜先用大火燒融，確認后再停爐吹風冷卻；做好漏風、漏水等管道密封工作；后期要將各燒嘴冷卻水一律開至最大，更換使用狀況不良的蝶閥和不帶鋼絲的軟管。

解決方法：將刀塔伺服電機拆下，打開連接部件。檢查發(fā)現(xiàn)，電機軸與刀塔旋轉(zhuǎn)機構通過軸套連接，軸的180°方向各裝了一個平鍵，兩個平鍵處于極度磨損狀態(tài)。更換平鍵后安裝調(diào)試，刀塔恢復正常。

小結：平鍵的磨損，造成徑向很大的反向間隙。由此也解釋了當?shù)端樢粋€方向轉(zhuǎn)動時，尚可工作的情況?；謴偷短栧e位，機床廠家設計了組合件功能，即“調(diào)整方式”下，同時按住“Reset”鍵、“手動”鍵和“復位”鍵，直到機床頂部信號燈變?yōu)榫G色，即可將當前加工刀位置為1 號刀位。

2.3 典型故障3

某分廠SL2500 數(shù)控臥車（森精機三菱MSG-805 系統(tǒng)）刀塔故障。

故障現(xiàn)象：轉(zhuǎn)動刀塔，刀塔不動，之后顯示換刀超時報警。

分析1：由于這臺機床是十一長假后，操作者第一次開機床。操作中發(fā)現(xiàn)，X、Z 軸均正常，但刀塔不動。這臺機床的伺服刀塔，在之前由于電池掉電的原因，丟失過原點，也成功地設置原點并恢復正常使用。這次的刀塔不動，考慮大長假這個因素，原點丟失，是最先考慮的可能。三菱805 系統(tǒng)的原點設置涉及參數(shù)2049（編碼器類型）、6437.1（手動刀塔鎖緊松開模式）、D394（手輪觸發(fā)T 模式）。按照原點重新設置流程做了一遍，卻發(fā)現(xiàn)如下問題：①以前刀塔原點丟失，屏幕會顯示Z70 絕對位置丟失，但這一次卻沒有任何提示；②設置過程中，手動轉(zhuǎn)動刀塔時，卻常因為刀塔伺服轉(zhuǎn)動異常而停止。多次設置后，刀塔轉(zhuǎn)動并未能恢復正常。多次的設置，有時刀塔能轉(zhuǎn)動一個刀位，其后轉(zhuǎn)動便不再受控，有時亂轉(zhuǎn)，有時不動。

分析2：三菱的數(shù)控系統(tǒng)，加上機床沒有圖紙，使得分析故障原因異常艱難。由于轉(zhuǎn)動中有異響，便和機修一起，對刀塔進行局部分解，仔細檢查后并未發(fā)現(xiàn)異常，先排除掉機械方面的因素。通過技術手段，打開梯形圖，尋找線索，發(fā)現(xiàn)刀塔內(nèi)部鎖緊/松開接近開關工作正常，由此也搜尋到控制刀塔伺服驅(qū)動轉(zhuǎn)動的輸出信號，轉(zhuǎn)動的輸出信號也正常。檢查刀塔電機動力線、編碼器連線，沒有查出異常。對比刀塔伺服電機編碼器和Z 軸伺服電機編碼器發(fā)現(xiàn)，型號一樣，于是進行了置換，置換后，刀塔試運行一段時間后（一度以為已好），再次出現(xiàn)刀塔換刀異常。最后，將重點懷疑對象伺服驅(qū)動器和伺服電機拆下，一起外委檢查及修理。

解決方法：排除掉諸多相關因素，在無法完全確定故障點的情況下，將刀塔伺服驅(qū)動及電機一起送到專業(yè)機構檢查并修理。結果出來，為刀塔的伺服驅(qū)動器部件損壞。將修好的伺服驅(qū)動安裝，再用常規(guī)的零點重置流程設置刀塔原位后，刀塔恢復正常使用。

小結：沒有資料的伺服刀塔，修理難度很大。本次故障，刀塔不轉(zhuǎn)，引發(fā)故障的因素可能很多。鎖緊/松開信號不正常、電機故障、機械故障、驅(qū)動器故障都會引發(fā)刀塔不轉(zhuǎn)動故障。有資料的情況下，順著換刀流程檢查各級信號，將是技術性維修的依據(jù)。這臺機床由于特殊原因，只有零星的參考價值不大的資料。整個維修過程，查閱大量的參考資料，通過特殊渠道取得一些技術支持，并將可疑器件送檢才最終完成這次伺服刀塔的修理。

2.4 典型故障4

某分廠FBL300 數(shù)控臥車（臺灣福裕，F(xiàn)ANUC 0i 系統(tǒng)）刀塔故障。

故障現(xiàn)象：機床正常使用，刀塔轉(zhuǎn)動中時常發(fā)生錯位，機床不報警，從而造成打刀或零件報廢。

原因分析：伺服刀塔靠電池記憶刀塔伺服電機后置編碼器絕對值位置，造成刀號錯亂，多是由于下面兩個方面的原因引起。①伺服驅(qū)動電池掉電，致使刀塔位置信號丟失；②電機轉(zhuǎn)動中，電機軸與刀塔實際位置發(fā)生傳動脫節(jié)，而半閉環(huán)的控制模式，使得控制系統(tǒng)并不知道刀塔實際位置不符，用錯誤的刀位繼續(xù)下面的工序，必然造成事故。

解決方法：這臺機床是過渡期的產(chǎn)品，設計上有不完善的地方。由于PLC 控制程序里，缺少到位檢測及伺服驅(qū)動報警反饋環(huán)節(jié)，使得信息交換出現(xiàn)偏差。經(jīng)研究決定，通過更改PLC 程序來修補完善。這樣，即便因故換刀不到位，機床將會處于報警停止狀態(tài)，避免錯誤的刀位繼續(xù)加工，造成更大的損失。增設的PLC 程序如圖3 中方框部分。

圖3 修改PLC 程序

小結：修改PLC 程序后的機床，再未出現(xiàn)換刀不到位就去加工的現(xiàn)象，避免了故障擴大化。雖然后期該機床出現(xiàn)過刀塔故障，但由于保護程序的作用，機床會由于故障處于停止狀態(tài)，待機床故障排除后，機床方可正常運行。

3 伺服刀塔的保養(yǎng)及意見建議

伺服刀塔的構造，決定故障產(chǎn)生的可能因素。從現(xiàn)場維修所處理的故障看，由于電池和液壓造成的故障居多。由此，針對性提出建議，以預防性避免故障更多地產(chǎn)生。

3.1 電池定期更換

電池給伺服電機編碼器重要數(shù)據(jù)的保存提供能源，當電池電壓低或耗盡后，作為數(shù)控系統(tǒng)有時不能提供電池電壓低的報警。這就需要對所有帶伺服刀塔電池的機床做好紀錄并最好定期更換。

3.2 液壓系統(tǒng)的檢查

液壓系統(tǒng)異常，比如缺油或壓力不足，對伺服刀塔的損害很大。夾緊松開電磁閥靠正常的液壓保證。檢查液壓系統(tǒng)，關注油箱液壓油的損耗，可以作為定期檢查的項目。

4 結束語

伺服刀塔的故障，表現(xiàn)各異。但經(jīng)由工作原理進行故障分析，找出故障點是最根本的方法。前述幾例典型故障的排除，多經(jīng)由原理分析得到正解，也積累了大量的維修經(jīng)驗，為以后維修提供重要的參考。