高速電主軸裝刀系統(tǒng)改造應(yīng)用

蔚騰 陳國良 張瑞

摘要：本文針對實際工作中一例電主軸裝刀系統(tǒng)故障的改造案例，分析研究了該故障發(fā)生的原因，介紹了該故障的解決方案和排除過程。

關(guān)鍵詞：差動連接;模擬量PLC;流量檢測;伯努利方程

1.引言

我公司一臺五軸加工中心機床在運行過程中偶發(fā)刀具掉落但機床無報警提示，依然高速加工的故障，存在極大的安全隱患。該機床主軸拉刀機構(gòu)的控制和檢測全部由液壓控制，PLC控制程序固化在機床廠自主設(shè)計開發(fā)的一個K11模塊中，無法進行分析。

2.故障現(xiàn)象描述及分析

2.1故障現(xiàn)象描述

機床在運行過程中，偶爾出現(xiàn)主軸拉刀機構(gòu)誤動作，刀爪松開導(dǎo)致主軸上裝夾的刀具掉落現(xiàn)象，但系統(tǒng)并未發(fā)出報警，程序仍繼續(xù)運行。由于此時機床正高速運轉(zhuǎn)，極易造成人員傷害及工件、設(shè)備的損壞，存在極大的安全隱患。

2.2故障分析

該數(shù)控機床刀具夾緊方式為液壓控制，由于旋轉(zhuǎn)密封的密封圈老化造成冷卻液進入液壓系統(tǒng)油路，導(dǎo)致控制主軸拉刀機構(gòu)的液壓閥組出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，當(dāng)泄漏的油量積累到一定程度時就會引起機床拉刀機構(gòu)誤動作，導(dǎo)致主軸刀具掉落。機床裝卸刀系統(tǒng)由液壓泵、蓄能器、三位五通電磁換向閥、流量檢測器和液壓缸等元器件組成，系統(tǒng)連接方式為差動連接。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行主軸裝刀動作時，液壓泵和三位五通電磁換向閥左側(cè)線圈同時得電，液壓油經(jīng)過流量檢測器進入液壓缸左側(cè)的腔體內(nèi)，同時推動液壓缸右側(cè)的腔體內(nèi)液壓油通過回路流入油箱中。電路控制方式為渦輪流量檢測裝置將檢測數(shù)據(jù)輸入到K11模塊中，通過K11模塊中程序處理將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號，反饋至西門子PLC模塊中。

3.解決方案

針對上述故障問題，首先要確保當(dāng)主軸刀具夾持位置出現(xiàn)偏差時，系統(tǒng)能夠觸發(fā)相應(yīng)報警，提示操作人員及時切斷機床主軸及坐標(biāo)的進給使能，有效保障設(shè)備和人員安全。另外還要外加一套刀具位置檢測來檢測刀具是否夾緊。

3.1增加油質(zhì)檢測裝置

由伯努利方程式P+ρgh+（1/2）* ρv2=c可知，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏或混油狀況時，壓強必然發(fā)生變化，導(dǎo)致主軸拉刀裝置發(fā)生竄動，容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此在原液壓油路中增加了油質(zhì)檢測裝置，該裝置會將檢測結(jié)果反饋至PLC。PLC對輸入模擬量信號進行處理，并將結(jié)果與預(yù)警值進行比較，當(dāng)油液發(fā)生嚴重變質(zhì)時，檢測數(shù)據(jù)誤差將超過預(yù)警值，此時PLC輸出報警，提示操作人員及時更換液壓油，同時禁止機床正常運行。

3.2 增加位置檢測裝置

增加模擬量位置檢測開關(guān)，編譯有刀夾緊、無刀夾緊、主軸松刀PLC程序，該程序與K11模塊的裝卸刀輸出狀態(tài)相互比較，起到雙重保護作用，保障機床能夠正常運行起到應(yīng)急生產(chǎn)要求。

3.3實施步驟

1.使用PG/PC通過適配器與NCU通訊連接。

2.通過STEP-7軟件將機床的PLC程序下載至電腦端。

3.打開機床的PLC硬件組態(tài)界面，新安裝一個16位數(shù)字I/O模塊和16位的模擬量A/O模塊。

4.將硬件組態(tài)重新上傳到NCU模塊中，重新NCK復(fù)位即可生效。

在編譯裝卸刀PLC程序時，因為位置檢測開關(guān)為模擬量開關(guān)，模擬量程序的編譯不僅需要編譯邏輯控制程序，還涉及到模擬量的轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)和使用問題。例如：測距范圍0-10mm，位置開關(guān)輸出信號為4-20ma，20ma對應(yīng)數(shù)字量為32000，4ma所對應(yīng)數(shù)字量為6400。

傳感器測量距離L=10cm時，輸出電流I=20ma，模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量=32000，測距L=0cm時，輸出電流=4ma，模塊數(shù)字量AIW=6400。T與AIW的關(guān)系曲線圖（如圖4），根據(jù)三角形相似定理可知：△ABM～△CDM。故可列出：

Lx=10*（AIW-6400）/（32000-6400）。根據(jù)此方法可推導(dǎo)出距離傳感器經(jīng)過模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后在轉(zhuǎn)換為被測量的電流的轉(zhuǎn)換公式。

4.結(jié)論

本次技術(shù)改造，不僅可實現(xiàn)在油脂變質(zhì)時提示操作人員及時換油，并且新增的刀具夾緊檢測報警解決了該機床在運行過程中可能的安全隱患。

參考文獻：

[1] SINUMERIK 840D 系統(tǒng)調(diào)試及維修技巧，電子工業(yè)出版社

[2] 機床電氣控制技術(shù)，機械工業(yè)出版社

（作者單位：西安飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司設(shè)備廠）