數(shù)控機(jī)床伺服刀塔的維修研究

盧 森

（中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州貴陽(yáng) 550016）

0 引言

機(jī)床制造的迅速發(fā)展，伺服刀塔越來越多地應(yīng)用到一些中高檔的數(shù)控機(jī)床上。面對(duì)公司數(shù)控伺服刀塔在中高端機(jī)床的應(yīng)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(chǔ)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(dòng)中的實(shí)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(jié)構(gòu)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(jī)、機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)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(jī)作為轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力。

伺服電機(jī)后置編碼器，采集電機(jī)位置信息，反饋給伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)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(dòng)方式下，執(zhí)行換刀指令后，Z 軸移動(dòng)到指定換刀點(diǎn)，主軸定位，之后機(jī)床便一直處于等待狀態(tài)，Z 軸燈閃爍，機(jī)床沒有進(jìn)一步的動(dòng)作，也沒有提示或報(bào)警。

原因分析：換刀過程中出現(xiàn)非正常停止，換刀動(dòng)作并未完成，又沒有報(bào)警產(chǎn)生。從梯形圖中可看到，Z 軸移動(dòng)到位，主軸定位信號(hào)也已完成，PLC 已將刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的啟動(dòng)信號(hào)發(fā)至刀塔伺服驅(qū)動(dòng)器。查看機(jī)床電器柜內(nèi)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，臺(tái)達(dá)ASDA-A2 伺服驅(qū)動(dòng)，面板顯示AL060。查閱臺(tái)達(dá)驅(qū)動(dòng)手冊(cè)部分，臺(tái)達(dá)ASDA 驅(qū)動(dòng)相關(guān)異警見表1，表1 中AL060 描述，初步診斷為驅(qū)動(dòng)器零點(diǎn)信號(hào)缺失，造成驅(qū)動(dòng)器尋找目標(biāo)刀號(hào)失敗，使換刀流程在這一步處于等待狀態(tài)。機(jī)床廠家并未將驅(qū)動(dòng)報(bào)警狀態(tài)反饋回機(jī)床PLC，讓機(jī)床并不知道驅(qū)動(dòng)器的異常狀態(tài)，沒有產(chǎn)生報(bào)警并一直處于等待狀態(tài)。

表1 臺(tái)達(dá)ASDA 驅(qū)動(dòng)相關(guān)異警

解決方法：查看這臺(tái)機(jī)床的驅(qū)動(dòng)裝置，并未見到外部電池，本著先讓機(jī)床恢復(fù)加工的思路，先對(duì)驅(qū)動(dòng)作了零點(diǎn)重置。參數(shù)設(shè)置過程如下：P2-08 先設(shè)30，再設(shè)28，斷電上電；P2-69 設(shè)為1；P2-08 設(shè)為271，P2-71 設(shè)為1；P0-49 設(shè)為1；觀察P0-51、P0-52；完成零點(diǎn)重置。設(shè)置完成后，由操作者執(zhí)行換刀指令，換刀正常。如果此時(shí)刀號(hào)不對(duì)，將轉(zhuǎn)塔轉(zhuǎn)動(dòng)到正對(duì)的一號(hào)刀位，重新做一遍零點(diǎn)重置即可。

小結(jié)：針對(duì)這臺(tái)機(jī)床的轉(zhuǎn)塔伺服電機(jī)，當(dāng)P2-71 設(shè)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(dāng)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(diǎn)丟失，也是因?yàn)樵摍C(jī)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(diǎn)信號(hào)丟失。機(jī)床伺服驅(qū)動(dòng)的報(bào)警信號(hào)并未做到機(jī)床內(nèi)置PLC 里，即使驅(qū)動(dòng)狀態(tài)異常，系統(tǒng)并不可知。關(guān)于報(bào)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(jī)，F(xiàn)ANUC 0i 系統(tǒng)）換刀故障。

故障現(xiàn)象：刀塔轉(zhuǎn)動(dòng)不到位，造成換刀1007（Turret Counter Error）報(bào)警。手動(dòng)狀態(tài)下，能暫時(shí)恢復(fù)刀塔正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但不久又會(huì)出現(xiàn)同樣的報(bào)警，且故障頻度越來越高，已經(jīng)嚴(yán)重影響加工進(jìn)度。而該故障出現(xiàn)，伴隨著刀號(hào)也錯(cuò)亂，極易造成機(jī)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(yàn)發(fā)現(xiàn)，手動(dòng)狀態(tài)下，當(dāng)?shù)端樦粋€(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(dòng)的數(shù)碼顯示發(fā)現(xiàn)，刀塔轉(zhuǎn)動(dòng)不到位時(shí)，驅(qū)動(dòng)顯示的位置值處于正常狀態(tài)。那么，問題很可能出在機(jī)械連接上，當(dāng)伺服電機(jī)按伺服驅(qū)動(dòng)要求轉(zhuǎn)動(dòng)到位時(shí)，機(jī)械連接部件并未到達(dá)指定目標(biāo)，造成鎖緊裝置無法正常工作而報(bào)警。

月修中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注回火器濾網(wǎng)的清洗、安裝情況，對(duì)濾網(wǎng)片不好安裝的，要對(duì)底盤進(jìn)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(jī)會(huì)清洗回火器，且根據(jù)各燒嘴壓力情況適時(shí)更換干凈的回火器；水冷套管變形較多時(shí)，應(yīng)排查、更換回火器；確認(rèn)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(rèn)后再停爐吹風(fēng)冷卻；做好漏風(fēng)、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(jī)拆下，打開連接部件。檢查發(fā)現(xiàn)，電機(jī)軸與刀塔旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過軸套連接，軸的180°方向各裝了一個(gè)平鍵，兩個(gè)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(fù)正常。

小結(jié)：平鍵的磨損，造成徑向很大的反向間隙。由此也解釋了當(dāng)?shù)端樢粋€(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，尚可工作的情況?；謴?fù)刀號(hào)錯(cuò)位，機(jī)床廠家設(shè)計(jì)了組合件功能，即“調(diào)整方式”下，同時(shí)按住“Reset”鍵、“手動(dòng)”鍵和“復(fù)位”鍵，直到機(jī)床頂部信號(hào)燈變?yōu)榫G色，即可將當(dāng)前加工刀位置為1 號(hào)刀位。

2.3 典型故障3

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

故障現(xiàn)象：轉(zhuǎn)動(dòng)刀塔，刀塔不動(dòng)，之后顯示換刀超時(shí)報(bào)警。

分析1：由于這臺(tái)機(jī)床是十一長(zhǎng)假后，操作者第一次開機(jī)床。操作中發(fā)現(xiàn)，X、Z 軸均正常，但刀塔不動(dòng)。這臺(tái)機(jī)床的伺服刀塔，在之前由于電池掉電的原因，丟失過原點(diǎn)，也成功地設(shè)置原點(diǎn)并恢復(fù)正常使用。這次的刀塔不動(dòng)，考慮大長(zhǎng)假這個(gè)因素，原點(diǎn)丟失，是最先考慮的可能。三菱805 系統(tǒng)的原點(diǎn)設(shè)置涉及參數(shù)2049（編碼器類型）、6437.1（手動(dòng)刀塔鎖緊松開模式）、D394（手輪觸發(fā)T 模式）。按照原點(diǎn)重新設(shè)置流程做了一遍，卻發(fā)現(xiàn)如下問題：①以前刀塔原點(diǎn)丟失，屏幕會(huì)顯示Z70 絕對(duì)位置丟失，但這一次卻沒有任何提示；②設(shè)置過程中，手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)刀塔時(shí)，卻常因?yàn)榈端欧D(zhuǎn)動(dòng)異常而停止。多次設(shè)置后，刀塔轉(zhuǎn)動(dòng)并未能恢復(fù)正常。多次的設(shè)置，有時(shí)刀塔能轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)刀位，其后轉(zhuǎn)動(dòng)便不再受控，有時(shí)亂轉(zhuǎn)，有時(shí)不動(dòng)。

分析2：三菱的數(shù)控系統(tǒng)，加上機(jī)床沒有圖紙，使得分析故障原因異常艱難。由于轉(zhuǎn)動(dòng)中有異響，便和機(jī)修一起，對(duì)刀塔進(jìn)行局部分解，仔細(xì)檢查后并未發(fā)現(xiàn)異常，先排除掉機(jī)械方面的因素。通過技術(shù)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(guān)工作正常，由此也搜尋到控制刀塔伺服驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出信號(hào)，轉(zhuǎn)動(dòng)的輸出信號(hào)也正常。檢查刀塔電機(jī)動(dòng)力線、編碼器連線，沒有查出異常。對(duì)比刀塔伺服電機(jī)編碼器和Z 軸伺服電機(jī)編碼器發(fā)現(xiàn)，型號(hào)一樣，于是進(jìn)行了置換，置換后，刀塔試運(yùn)行一段時(shí)間后（一度以為已好），再次出現(xiàn)刀塔換刀異常。最后，將重點(diǎn)懷疑對(duì)象伺服驅(qū)動(dòng)器和伺服電機(jī)拆下，一起外委檢查及修理。

解決方法：排除掉諸多相關(guān)因素，在無法完全確定故障點(diǎn)的情況下，將刀塔伺服驅(qū)動(dòng)及電機(jī)一起送到專業(yè)機(jī)構(gòu)檢查并修理。結(jié)果出來，為刀塔的伺服驅(qū)動(dòng)器部件損壞。將修好的伺服驅(qū)動(dòng)安裝，再用常規(guī)的零點(diǎn)重置流程設(shè)置刀塔原位后，刀塔恢復(fù)正常使用。

小結(jié)：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(hào)不正常、電機(jī)故障、機(jī)械故障、驅(qū)動(dòng)器故障都會(huì)引發(fā)刀塔不轉(zhuǎn)動(dòng)故障。有資料的情況下，順著換刀流程檢查各級(jí)信號(hào)，將是技術(shù)性維修的依據(jù)。這臺(tái)機(jī)床由于特殊原因，只有零星的參考價(jià)值不大的資料。整個(gè)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(shù)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(tái)灣福裕，F(xiàn)ANUC 0i 系統(tǒng)）刀塔故障。

故障現(xiàn)象：機(jī)床正常使用，刀塔轉(zhuǎn)動(dòng)中時(shí)常發(fā)生錯(cuò)位，機(jī)床不報(bào)警，從而造成打刀或零件報(bào)廢。

原因分析：伺服刀塔靠電池記憶刀塔伺服電機(jī)后置編碼器絕對(duì)值位置，造成刀號(hào)錯(cuò)亂，多是由于下面兩個(gè)方面的原因引起。①伺服驅(qū)動(dòng)電池掉電，致使刀塔位置信號(hào)丟失；②電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)中，電機(jī)軸與刀塔實(shí)際位置發(fā)生傳動(dòng)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(shí)際位置不符，用錯(cuò)誤的刀位繼續(xù)下面的工序，必然造成事故。

解決方法：這臺(tái)機(jī)床是過渡期的產(chǎn)品，設(shè)計(jì)上有不完善的地方。由于PLC 控制程序里，缺少到位檢測(cè)及伺服驅(qū)動(dòng)報(bào)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(bǔ)完善。這樣，即便因故換刀不到位，機(jī)床將會(huì)處于報(bào)警停止?fàn)顟B(tài)，避免錯(cuò)誤的刀位繼續(xù)加工，造成更大的損失。增設(shè)的PLC 程序如圖3 中方框部分。

圖3 修改PLC 程序

小結(jié)：修改PLC 程序后的機(jī)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(kuò)大化。雖然后期該機(jī)床出現(xiàn)過刀塔故障，但由于保護(hù)程序的作用，機(jī)床會(huì)由于故障處于停止?fàn)顟B(tài)，待機(jī)床故障排除后，機(jī)床方可正常運(yùn)行。

3 伺服刀塔的保養(yǎng)及意見建議

伺服刀塔的構(gòu)造，決定故障產(chǎn)生的可能因素。從現(xiàn)場(chǎng)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(duì)性提出建議，以預(yù)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(jī)編碼器重要數(shù)據(jù)的保存提供能源，當(dāng)電池電壓低或耗盡后，作為數(shù)控系統(tǒng)有時(shí)不能提供電池電壓低的報(bào)警。這就需要對(duì)所有帶伺服刀塔電池的機(jī)床做好紀(jì)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(duì)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(guān)注油箱液壓油的損耗，可以作為定期檢查的項(xiàng)目。

4 結(jié)束語(yǔ)

伺服刀塔的故障，表現(xiàn)各異。但經(jīng)由工作原理進(jìn)行故障分析，找出故障點(diǎn)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(yàn)，為以后維修提供重要的參考。