HAUSER S50坐標(biāo)磨床插磨失控故障分析與診斷

肖 亮

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南洛陽(yáng)）

一、前言

瑞士HAUSER S50-CNC311坐標(biāo)磨床是具有高精密零部件、高剛度結(jié)構(gòu)的高精密數(shù)控坐標(biāo)磨床。由于設(shè)備工作15年后，機(jī)床控制系統(tǒng)嚴(yán)重老化，效率低下。因此，在不改變機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)和性能的前提下，對(duì)機(jī)床的控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改造。采用西門(mén)子840D數(shù)控系，將X、Y軸直流伺服系統(tǒng)更換為交流系統(tǒng)。用進(jìn)口產(chǎn)品更換強(qiáng)電柜電氣元件。通過(guò)系統(tǒng)設(shè)定及PLC程序的編制，恢復(fù)設(shè)備的原有功能。通過(guò)系統(tǒng)軟件對(duì)機(jī)床的螺距誤差及背隙進(jìn)行補(bǔ)償，使設(shè)備的定位精度及重復(fù)定位精度達(dá)到出廠要求。為了防止插磨中過(guò)沖量大、不穩(wěn)定，導(dǎo)致插磨出來(lái)的底線成一條波浪線，所以在機(jī)床系統(tǒng)控制液壓缸的上下插磨回路中，設(shè)計(jì)插磨控制板，確保過(guò)沖量控制在0.5 mm內(nèi)，滿足零件加工要求。機(jī)床在執(zhí)行插磨加工零件過(guò)程中，出現(xiàn)插磨行程失控，插磨下行和上行不能切換。

二、S50-CNC311坐標(biāo)磨插磨功能

S50-CNC311坐標(biāo)磨執(zhí)行插磨功能的工作流程。啟動(dòng)機(jī)床液壓?jiǎn)卧?，在操作面板上啟?dòng)插磨指令。當(dāng)啟動(dòng)插補(bǔ)時(shí)，釋放插補(bǔ)信號(hào)，插補(bǔ)電壓信號(hào)傳至插磨控制板，控制板結(jié)合檢測(cè)模塊反饋信號(hào)，綜合處理后輸出插磨上行或下行信號(hào)，控制板輸出信號(hào)最終傳至控制插磨液壓缸的電磁閥，使液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)，執(zhí)行插補(bǔ)命令。同理執(zhí)行上沿插或下沿插指令。工作原理流程圖見(jiàn)圖1。

插磨控制板是控制插磨功能執(zhí)行的核心單元，通過(guò)PLC輸入指令，插磨控制板處理信號(hào)后，從輸出接口輸出指令來(lái)控制插磨執(zhí)行。通過(guò)插磨控制板的電路原理圖（圖2）可知，在插磨電路板一直有24 V直流電壓給5個(gè)CD4043觸發(fā)器、2個(gè)CD4069反相器供電，啟動(dòng)插磨瞬間U1觸發(fā)器有始能信號(hào)，信號(hào)傳遞給插磨下行，執(zhí)行插磨，同時(shí)U3觸發(fā)器在插磨過(guò)程中一直有始能信號(hào)，U6、U7反相器輸出信號(hào)一起控制插磨上行或下行。當(dāng)下行到位時(shí)，U7反相器工作，通過(guò)U3觸發(fā)器輸出信號(hào)控制插磨上行，由U4觸發(fā)器控制插磨下行。當(dāng)上行到位時(shí)，U6、U7反相器工作，通過(guò)U3觸發(fā)器輸出信號(hào)控制插磨下行。當(dāng)執(zhí)行上沿插時(shí)，通過(guò)U6、U7反相器信號(hào)處理插磨上行的切換，完成上沿插指令。同理下沿插，由U5觸發(fā)器控制插磨上行和下行的切換。

插磨的執(zhí)行機(jī)構(gòu)是一個(gè)雙重動(dòng)作的液壓缸，自動(dòng)往復(fù)插磨動(dòng)作是通過(guò)液壓缸帶動(dòng)的，通過(guò)控制液壓缸的動(dòng)作來(lái)控制整個(gè)機(jī)床的插磨功能。

機(jī)床局部結(jié)構(gòu)圖，如圖3所示。插磨刀具在Z方向動(dòng)作情況通過(guò)標(biāo)志塊312表示在標(biāo)尺308上；插磨限深器位置用擋塊313表示在標(biāo)尺308上?？梢酝ㄟ^(guò)手輪318適當(dāng)調(diào)整插磨限深器位置。插磨向上和向下的換向點(diǎn)在標(biāo)尺308上用自動(dòng)換向器306和307表示，兩個(gè)自動(dòng)換向器位置可通過(guò)旋鈕 315適當(dāng)調(diào)整。

圖1 工作原理流程圖

圖2 插磨板原理圖

當(dāng)標(biāo)志塊312置頂時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行插磨，標(biāo)志塊312快速下降到自動(dòng)換向器307時(shí)，自動(dòng)換向器307上的傳感器開(kāi)關(guān)檢測(cè)到標(biāo)志塊312，然后開(kāi)始慢速進(jìn)入插磨區(qū)間，進(jìn)行插磨下行。標(biāo)志塊312下降至自動(dòng)換向器306時(shí)，自動(dòng)換向器306傳感器開(kāi)關(guān)檢測(cè)到標(biāo)志塊312，插磨下行指令停止，轉(zhuǎn)而執(zhí)行插磨上行指令。標(biāo)志塊312上升至自動(dòng)換向器307時(shí)，自動(dòng)換向器307上的傳感器開(kāi)關(guān)檢測(cè)到標(biāo)志塊312。插磨上行指令停止，繼續(xù)執(zhí)行插磨下行指令。往復(fù)上行、下行插磨，來(lái)執(zhí)行插磨運(yùn)動(dòng)。

三、故障分析與診斷

針對(duì)故障，從PLC輸入輸出等方面入手，做如下假設(shè)。

（1）假設(shè)自動(dòng)換向器306上的傳感器未檢測(cè)到標(biāo)志塊，導(dǎo)致插磨下行指令沒(méi)有中止。原因可能是傳感器損壞或連接線接觸不良。

（2）假設(shè)有檢測(cè)到標(biāo)志塊PLC輸入信號(hào)，但信號(hào)處理器單元出現(xiàn)故障，致使PLC沒(méi)有插磨下行中止指令輸出和插磨上行指令的輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法插磨上行。原因可能是PLC插磨控制器內(nèi)部出現(xiàn)故障。

（3）假設(shè)PLC信號(hào)輸出有插磨上行和插磨下行中止的電信號(hào)，但在傳遞電信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)的過(guò)程中丟失了，同樣執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)法執(zhí)行插磨上行。原因可能是從PLC輸出信號(hào)接口到執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸入端之間的線路、繼電器、接口等元器件出現(xiàn)故障。

分析與機(jī)床插磨加工中相關(guān)的PLC輸入信號(hào)，在圖4中可以得知：開(kāi)啟插磨時(shí)，插磨開(kāi)啟輸入點(diǎn)E1有24 V電壓輸入，當(dāng)B550傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，則插磨下到位，E2就有24 V直流電壓輸入，同時(shí)把電壓信號(hào)傳遞給插磨控制板，輸出執(zhí)行插磨上行。當(dāng)B548傳感器檢測(cè)到目標(biāo)，則插磨上行到位，E3就有24V直流電壓輸入，同時(shí)把電壓信號(hào)傳遞給插磨控制板，輸出執(zhí)行插磨下行。

按上述假設(shè)進(jìn)行驗(yàn)證：首先通過(guò)觀察以及萬(wàn)用表檢測(cè)到E2有電壓，在插磨控制板上也檢測(cè)到有插磨下到位的輸入信號(hào)電壓。接著在PLC信號(hào)輸出接口未檢測(cè)到插磨上行輸出點(diǎn)有24 V直流電壓。

在插磨控制板上插磨下行輸出點(diǎn)一直有24 V直流電壓，而插磨上行輸出點(diǎn)未檢測(cè)到24 V電壓。因此可以判斷出插磨控制板出現(xiàn)故障，導(dǎo)致無(wú)法執(zhí)行插磨上行下行切換。

圖4 PLC輸入信號(hào)

機(jī)床是經(jīng)過(guò)大修改造后，采用PLC編程實(shí)現(xiàn)插磨加工，插磨中過(guò)沖量大且不穩(wěn)定，導(dǎo)致插磨出來(lái)的底線成一條波浪線，不能滿足加工要求。通過(guò)分析原因以及采取合理措施，在控制液壓缸上下插磨回路中，設(shè)計(jì)了一套插磨控制電路，用于控制插磨的過(guò)沖量，使過(guò)沖量控制在0.5 mm內(nèi)，滿足零件加工要求。因此插磨PLC控制板出現(xiàn)故障，無(wú)法維修，只能通過(guò)測(cè)繪重新制作控制板。

通過(guò)原理圖，制作出PCB板（圖5），校正PCB板后，把各元器件安裝焊接后得到插磨控制電路板（圖6）。安裝電路板后，插磨行程失控故障得以解決，且過(guò)沖量仍控制在0.5 mm內(nèi)，滿足零件加工要求，快速有效的恢復(fù)機(jī)床使用。

圖5 PCB板

圖6 電路板