數(shù)控臥車讓刀現(xiàn)象及輪廓誤差故障分析與修復(fù)

杜晉軍 蔣濤濤

(二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司鑄鍛公司，四川618000)

CCK61200×140數(shù)控臥式車床，其數(shù)控刀架及各進(jìn)給軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要承擔(dān)支承輥、軸類、核電、火電類等產(chǎn)品的精加工任務(wù)。機(jī)床采用SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床有三個(gè)進(jìn)給軸W、X、Z和一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸SP，其中X軸和Z軸可實(shí)現(xiàn)兩軸聯(lián)動(dòng)控制。由于機(jī)床Z軸長(zhǎng)期存在讓刀現(xiàn)象和輪廓誤差，導(dǎo)致機(jī)床加工效率低，維修和生產(chǎn)成本高，加工產(chǎn)品質(zhì)量精度得不到提高。

圖1 刀架及各進(jìn)給軸傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structural diagram of tool carrier and feed shaft driving systems

1 機(jī)床存在的問(wèn)題

該機(jī)床主要存在兩個(gè)較大的問(wèn)題：

(1)機(jī)床W軸(大縱向)車削外圓時(shí)，Z軸(上縱向)常有出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象和Z軸輪廓誤差報(bào)警故障，但報(bào)警故障可復(fù)位消除。出現(xiàn)讓刀后，造成加工面粗糙度差，不能滿足工藝技術(shù)要求。Z軸輪廓誤差故障報(bào)警后，機(jī)床突然停車，在加工過(guò)程中突然停車不僅會(huì)損壞刀片，更嚴(yán)重的是容易發(fā)生焊刀、挖刀等現(xiàn)象，造成質(zhì)量事故。

(2)機(jī)床X軸(橫向)和Z軸(上縱向)執(zhí)行聯(lián)動(dòng)走刀、或者Z軸上單獨(dú)進(jìn)給時(shí)，SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)常出現(xiàn)Z軸驅(qū)動(dòng)器輸出受限(300608)、伺服驅(qū)動(dòng)過(guò)熱和伺服電機(jī)過(guò)熱等報(bào)警，復(fù)位后故障可消除。上述報(bào)警發(fā)生后也會(huì)引起停車，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量存在不可估量的威脅。

2 故障產(chǎn)生原因分析

2.1 故障產(chǎn)生原因

(1)W軸(大縱向)車削外圓時(shí)，Z軸(上縱向)出現(xiàn)讓刀現(xiàn)象和Z軸輪廓誤差報(bào)警故障。由于車削外圓時(shí)，進(jìn)給方向與加工工件之間存在一個(gè)反作用力，與W軸進(jìn)給方向相反的作用力傳遞到與W軸平行的Z軸，產(chǎn)生了與W軸運(yùn)動(dòng)方向相反的位移，導(dǎo)致發(fā)生讓刀現(xiàn)象。

(2)由于Z軸有位置反饋光柵尺，屬于全閉環(huán)控制，當(dāng)Z軸處于靜態(tài)時(shí)，位移量超過(guò)位置反饋光柵尺的零速誤差監(jiān)控范圍，就會(huì)觸發(fā)Z軸輪廓誤差報(bào)警。

根據(jù)上述分析，消除讓刀現(xiàn)象和排除Z軸輪廓誤差報(bào)警根本就是克服或者抵消W軸進(jìn)給時(shí)與加工工件本體產(chǎn)生的反作用力，并在保證加工精度的前提下，適當(dāng)放大數(shù)控系統(tǒng)中零速誤差監(jiān)控范圍。

2.2 原因分析

(1)通過(guò)對(duì)Z軸伺服電機(jī)靜態(tài)電流及空載電流進(jìn)行檢測(cè)，并利用SIEMENS SimoCom U調(diào)試軟件在線監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)靜態(tài)電流及空載電流最大時(shí)為正常值的120%。由于Z軸機(jī)械傳動(dòng)鏈很短，伺服電機(jī)到滾珠絲杠只有一副傳動(dòng)齒，傳動(dòng)鏈上沒(méi)有超負(fù)荷的或附加的外力驅(qū)使伺服電機(jī)產(chǎn)生正常值的120%的過(guò)電流。對(duì)Z軸箱體滑動(dòng)面進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)Z軸鑲條(導(dǎo)向板)調(diào)整得太緊，致使Z軸靜態(tài)時(shí)的動(dòng)平衡狀態(tài)被破壞，造成Z軸運(yùn)行時(shí)阻力太大。

(2)軸靜態(tài)(零速)時(shí)的動(dòng)平衡狀態(tài)：數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)給軸靜態(tài)(零速)時(shí)并非完全靜止，指進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)進(jìn)入了零速公差帶。在零速控制延遲時(shí)間內(nèi)監(jiān)控進(jìn)給軸的零速誤差是否在MD36030設(shè)置的范圍內(nèi)，在這個(gè)范圍內(nèi)，進(jìn)給軸處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)，數(shù)控機(jī)床中動(dòng)態(tài)平衡調(diào)節(jié)范圍(MD36030)<0.01 mm。

(3)Z軸鑲條(導(dǎo)向板)調(diào)整不當(dāng)是造成Z軸伺服電機(jī)靜態(tài)電流及空載電流過(guò)流的直接原因。伺服電機(jī)靜態(tài)電流及空載電流長(zhǎng)時(shí)間超過(guò)正常值的120%，就會(huì)觸發(fā)伺服電機(jī)過(guò)流和發(fā)熱報(bào)警，更嚴(yán)重的會(huì)燒毀伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

3 修復(fù)方案

3.1 抵消或克服反作用力

(1)利用伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性來(lái)鎖定伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子達(dá)到鎖定Z軸，抵消或克服W軸進(jìn)給時(shí)與加工工件本體產(chǎn)生的反作用力，進(jìn)而消除讓刀現(xiàn)象和Z軸輪廓誤差報(bào)警。伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩指給電機(jī)通電后但驅(qū)動(dòng)器未給旋轉(zhuǎn)指令時(shí)，電機(jī)定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。Z軸電機(jī)的靜態(tài)扭矩為27.5 N·m，過(guò)刀架的最大回轉(zhuǎn)直徑為2000 mm，單刀架的最大切削力為12.5 kN。上縱向進(jìn)給量范圍為0.06～125 mm/min。上縱向快速移動(dòng)速度為750 mm/min。通過(guò)計(jì)算：

F=P/V=27.5/125(750)=220 N

只要使刀架克服≥220 N的力，就可以鎖緊上縱向。利用優(yōu)化Z軸、PLC控制程序及調(diào)試相關(guān)參數(shù)，激活伺服電機(jī)靜態(tài)扭矩功能，無(wú)需增加任何成本，實(shí)施周期短。

(2)利用伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性來(lái)鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子，鎖定Z軸。通過(guò)分析機(jī)床電氣控制原理圖和PLC控制程序發(fā)現(xiàn)，數(shù)控刀架三個(gè)軸(X/Z/W)在MDA和AUTO方式中，X和Z可以聯(lián)動(dòng)，W軸和X/Z為邏輯互鎖關(guān)系，即W軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，X/Z軸禁止運(yùn)動(dòng)；X/Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，W軸禁止運(yùn)動(dòng)。這種控制方式下，W軸進(jìn)給切削時(shí)，X、Z因無(wú)使能而使伺服電機(jī)處于自由狀態(tài)，稍有大于滑動(dòng)面的阻力就會(huì)使Z軸發(fā)生讓刀。

3.2 優(yōu)化PLC控制程序

為了使W軸進(jìn)給時(shí)，Z軸伺服電機(jī)上電并加載使能，滿足激活伺服電機(jī)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩特性達(dá)到鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子。通過(guò)仔細(xì)分析PLC控制程序，并充分考慮機(jī)床操作的安全性，優(yōu)化了部分PLC控制程序。優(yōu)化后的PLC控制程序如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的PLC 控制程序Figure 2 PLC control procedure after optimization

程序修改后，解除了W軸運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)Z軸的使能互鎖，在機(jī)床AUTO和MAD方式下，Z軸驅(qū)動(dòng)使能(V39020002.1)一直加上，驅(qū)動(dòng)器使伺服電機(jī)上電，激活靜態(tài)扭矩，鎖定電機(jī)轉(zhuǎn)子，進(jìn)而通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)鏈鎖定Z軸。

3.3 進(jìn)給軸鑲條調(diào)整

數(shù)控機(jī)床進(jìn)給軸鑲條(導(dǎo)向板)調(diào)整非常重要，鑲條調(diào)整是否合理直接影響進(jìn)給軸運(yùn)行的穩(wěn)定性及加工產(chǎn)品的質(zhì)量。

(1)進(jìn)給軸鑲條事先必須經(jīng)過(guò)很好的配研，保證與其滑動(dòng)面的接觸面達(dá)70%以上。

(2)必須調(diào)整Z軸兩邊鑲條恰當(dāng)合理，當(dāng)Z軸反向移動(dòng)時(shí)，用百分表檢測(cè)刀架擺動(dòng)量應(yīng)≤0.015 mm。

(3)利用SIEMENS SimoCom U調(diào)試軟件在線監(jiān)控Z軸，同向及反向運(yùn)行無(wú)突變的高電流長(zhǎng)時(shí)間出現(xiàn)；并且在SINUMERIK802D數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面監(jiān)視，在進(jìn)給運(yùn)行時(shí)，Z軸是否有突變的電流出現(xiàn)和過(guò)大的跟隨誤差；通過(guò)合理調(diào)整Z軸鑲條，在不同的方式下，使Z軸在相同負(fù)載時(shí)的運(yùn)行電流基本穩(wěn)定，跟隨誤差很小，且沒(méi)有突變可視為Z軸鑲條調(diào)整至最佳狀態(tài)。

3.4 優(yōu)化伺服驅(qū)動(dòng)

優(yōu)化CCK61200×140數(shù)控機(jī)床三個(gè)進(jìn)給軸W、X、Z伺服驅(qū)動(dòng)，伺服驅(qū)動(dòng)優(yōu)化可使驅(qū)動(dòng)器調(diào)節(jié)器與機(jī)械負(fù)載之間恰當(dāng)匹配，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到盡可能高的動(dòng)態(tài)特性，以實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)穩(wěn)定高精度調(diào)節(jié)，以提高機(jī)床加工精度和產(chǎn)品表面的粗糙度。

4 結(jié)論

(1)CCK61200×140數(shù)控臥式車床在設(shè)計(jì)上存在缺陷，在實(shí)際生產(chǎn)中，機(jī)床的Z軸長(zhǎng)期存在讓刀現(xiàn)象、Z軸輪廓誤差報(bào)警、伺服系統(tǒng)維修頻率高等諸多不利因素。通過(guò)上述維修方案的實(shí)施，不僅消除了Z軸讓刀現(xiàn)象和Z軸輪廓誤差報(bào)警，維修頻率及維修費(fèi)用也大幅度降低。相比增加機(jī)械夾緊/防松機(jī)構(gòu)或更換帶抱閘的伺服電機(jī)節(jié)約成本達(dá)12萬(wàn)余元。

(2)CCK61200×140數(shù)控臥式車床運(yùn)行半年中，從未出現(xiàn)過(guò)讓刀現(xiàn)象和Z軸輪廓誤差報(bào)警，加工產(chǎn)品精度得到提升，產(chǎn)品表面粗糙度達(dá)到Ra≥3.2 μm。

(3)在實(shí)際數(shù)控機(jī)床維修及改良過(guò)程中，應(yīng)開(kāi)闊思路，多探討交流，尋求簡(jiǎn)單易操作的維修及改良方案，充分利用和挖掘數(shù)控系統(tǒng)特殊功能在維修與精度提升中的應(yīng)用，不僅事半功倍，還可收到滿意的效果。

(4)機(jī)床進(jìn)給軸鑲條調(diào)整最佳狀態(tài)綜合因素判斷標(biāo)準(zhǔn)：正、反向運(yùn)行時(shí)用百分表檢測(cè)擺動(dòng)量<0.015 mm；在數(shù)控系統(tǒng)監(jiān)控畫(huà)面中監(jiān)視實(shí)時(shí)，電流值和跟隨誤差的變化均在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、很小的范圍內(nèi)。