故障樹分析法在數(shù)控激光切割機(jī)故障診斷中的應(yīng)用

王成碩，李 斌，王 東，海明洋，高 峰

（天津航天長征火箭制造有限公司，天津 300457）

0 引言

數(shù)控激光切割機(jī)是一種利用激光束的熱能實現(xiàn)板材切割成形工件的設(shè)備。數(shù)控激光切割機(jī)由數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)床部分、激光器部分和輔助設(shè)備組成，是集光、機(jī)、電組成的一體化設(shè)備。數(shù)控激光切割機(jī)切割精度高、切割效率高、加工成本低，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造業(yè)中的各個行業(yè)。在實際生產(chǎn)中，數(shù)控激光切割機(jī)一旦發(fā)生故障不及時維修，往往會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，采用故障樹分析法對數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行故障分析，做到提前診斷制定維修方案[1-4]。

1 故障樹分析方法

FTA（fault tree analysis，故障樹分析法）是一種將系統(tǒng)不希望發(fā)生的故障作為頂事件，從上而下，按樹狀逐級細(xì)化尋找可能造成頂事件發(fā)生的各種因素的分析方法[5]。故障樹通過邏輯框圖表達(dá)，其中包含有頂事件、中間事件和底事件，相互之間通過邏輯門關(guān)系如或門、與門、非或門連接起來，形成故障樹，表達(dá)出引起頂事件發(fā)生的各類故障原因[6]。故障樹分析方法常用于系統(tǒng)的故障分析、預(yù)測和診斷，可以分為定性分析和定量分析，本文主要對數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行定性分析。

2 數(shù)控激光切割機(jī)故障樹分析

2.1 故障樹各級事件的確定

以一臺數(shù)控激光切割機(jī)為分析對象，其主要由CO2激光器、機(jī)床、伺服驅(qū)動裝置、數(shù)控系統(tǒng)、冷水機(jī)組、氣體系統(tǒng)及除塵系統(tǒng)組成。數(shù)控激光切割機(jī)是集光、機(jī)、電于一體的高度復(fù)雜的自動化系統(tǒng)，發(fā)生故障的形式多種多樣，而建立數(shù)控激光切割機(jī)故障樹的關(guān)鍵是確定頂事件，頂事件直接關(guān)系到最終的分析結(jié)果，是故障樹分析的重點[7]。

對數(shù)控激光切割機(jī)進(jìn)行故障樹分析，確定數(shù)控激光切割機(jī)故障樹的頂事件、中間事件時，優(yōu)先考慮對數(shù)控激光切割機(jī)影響最大的故障[8]。經(jīng)過分析數(shù)控激光切割機(jī)歷年的故障數(shù)據(jù)，最終選擇“切割工件異常”作為故障樹的頂事件。對頂事件的故障分析主要從CO2激光器、外光路、機(jī)床和工藝參數(shù)4個方面入手，最終確定其次級事件主要分為激光器故障、外光路異常、機(jī)床運(yùn)動故障、工藝參數(shù)設(shè)定異常4個故障。對各個次級事件根據(jù)故障數(shù)據(jù)和功能屬性進(jìn)一步分析，最終形成激光切割機(jī)的整機(jī)故障樹（圖1）。

圖1 數(shù)控激光切割機(jī)整機(jī)故障樹

2.2 數(shù)控激光切割機(jī)故障樹建立

CO2激光器主要由激光發(fā)生器和激光控制器組成，此外還包含有水冷機(jī)和氮氣瓶組等輔助設(shè)備。CO2激光器最常見故障是激光不出光、激光能量低和激光控制器故障，其中前2項故障最為常見，此外，由于CO2激光器的精密性和復(fù)雜性，造成故障發(fā)生原因的多種性，結(jié)合設(shè)備,結(jié)構(gòu)和已有的故障案例，經(jīng)分析得到3種故障的故障樹（圖2、圖3、圖4）。

外光路主要是將CO2激光器發(fā)射出的激光傳送到切割工件的表面，達(dá)到切割工件的目的。通常切割工件出現(xiàn)異常時，首先檢查的故障點就在外光路上。外光路出現(xiàn)故障主要是激光聚焦異常、氮氣供應(yīng)異常以及冷卻系統(tǒng)異常。3種故障形式中最常見的是激光聚焦異常，通過分析并結(jié)合已經(jīng)發(fā)生的故障案例，得到前兩種故障的故障樹（圖5、圖6），第三種故障的故障樹包含在圖2中。

圖2 激光不出光故障樹

機(jī)床系統(tǒng)作為數(shù)控激光切割機(jī)主要工作平臺，其性能直接影響切割工件的精度，因此機(jī)床的保養(yǎng)維修是平時設(shè)備維護(hù)的重點。機(jī)床系統(tǒng)故障主要分為電氣控制系統(tǒng)故障、機(jī)械系統(tǒng)故障和步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)故障。電氣控制系統(tǒng)主要包含CNC （Computer Number control,計算機(jī)數(shù)字控制）單元、PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）及各種電氣元件組成的電控柜，經(jīng)過分析各部分故障,形成電氣控制系統(tǒng)故障樹（圖7）。機(jī)械系統(tǒng)故障通常發(fā)生在傳動部件上，主要是滾珠絲杠、導(dǎo)軌和齒輪齒條，經(jīng)分析形成的故障樹如圖8所示。對于機(jī)械系統(tǒng)故障，最主要的預(yù)防措施是做好設(shè)備的定期保養(yǎng)和潤滑工作。步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)控制著切割運(yùn)動的軌跡，直接影響切割工件的成形精度，其中主要故障集中在步進(jìn)電機(jī)本身，經(jīng)分析最終得到步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)故障樹（圖9）。

數(shù)控激光切割機(jī)工藝參數(shù)設(shè)定異常，通常會引起切割工件微小的瑕疵，如切割件邊角有毛刺、切割斷面不光滑等，通過工藝參數(shù)的調(diào)整可解決上述問題，工藝參數(shù)的調(diào)整主要分為排版軟件設(shè)定異常和切割參數(shù)設(shè)定異常，而切割參數(shù)主要指切割速度、氮氣壓力和激光功率，因此其故障樹如圖10所示。以上工藝參數(shù)的調(diào)整考驗著一個設(shè)備操作人員的技術(shù)水平，需要不斷積累經(jīng)驗，才能使切割工件質(zhì)量變得更好。

以上所有故障樹均以代碼的形式構(gòu)建，樹頂事件及代碼：T切割工件異常。次級事件及代碼：G1激光器故障、G2外光路異常、G3機(jī)床運(yùn)動故障、G4工藝參數(shù)設(shè)定異常。其余各代碼的含義見表1、表2。

圖3 激光能量低故障樹

圖4 激光控制器故障故障樹

圖5 激光聚焦異常故障樹

圖6 氮氣供應(yīng)異常故障樹

圖7 電氣控制系統(tǒng)故障樹

圖8 機(jī)械系統(tǒng)故障樹

圖9 步進(jìn)運(yùn)動系統(tǒng)故障樹

3 數(shù)控激光切割機(jī)故障樹故障診斷案例

一臺數(shù)控激光切割機(jī)在切割工件過程中工件邊緣突然出現(xiàn)毛刺（圖11），無法達(dá)到質(zhì)量要求。

結(jié)合數(shù)控激光切割機(jī)故障樹，現(xiàn)場對故障樹各層級事件進(jìn)行逐一排查，確認(rèn)CO2激光器和機(jī)床無故障，工藝參數(shù)確認(rèn)無更改，滿足正常切割條件，因此將故障點確定為外光路故障。檢查外光路冷卻系統(tǒng)和氮氣供應(yīng)，確認(rèn)冷卻系統(tǒng)和氮氣壓力均無異常，滿足正常切割要求，因此確定故障點應(yīng)為激光聚焦異常。在聚焦鏡處對光路進(jìn)行重新打光測試，發(fā)現(xiàn)光路出現(xiàn)偏移現(xiàn)象，打光測試光斑如圖12所示。因此確定此次故障是激光光路偏移引起。調(diào)整外光路偏振鏡和反射鏡角度和位置，調(diào)整后的測試光斑如圖13所示。此時切割后的工件無毛刺，切割工件質(zhì)量滿足切割要求。應(yīng)用數(shù)控激光切割機(jī)故障樹，能對各種故障快速定位，找到故障原因并消除，提高設(shè)備維修效率。

圖10 工藝參數(shù)設(shè)定異常故障樹

圖11 切割工件表面毛刺

表1 數(shù)控激光切割機(jī)故障樹中間事件及代碼

表2 數(shù)控激光切割機(jī)故障樹底事件及代碼

4 結(jié)論

利用故障樹分析方法，以數(shù)控激光切割機(jī)為分析對象，確定“切割工件異常”為頂事件，結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特點和故障維修經(jīng)驗，建立數(shù)控激光切割機(jī)故障樹模型，通過實際故障診斷案例，證明故障樹模型的有效性，提高數(shù)控激光切割機(jī)維修效率。數(shù)控激光切割機(jī)故障樹模型可以結(jié)合今后的故障維修案例，進(jìn)一步豐富其結(jié)構(gòu)內(nèi)容，可以將該診斷方法同計算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，形成專家系統(tǒng)，更加有效地診斷激光切割機(jī)故障。

圖12 故障時測試光斑

圖13 調(diào)整后測試光斑