CK5250A 數控立車表面振紋問題的分析與解決

申江波 張海濤 峭 巍

(①西安航天發動機廠，陜西西安 710007;②西安電爐研究所，陜西西安 710055)

CK5250A立式數控車床主要用于加工大型盤類和軸類零件，承擔著我廠重要型號產品的生產任務。其加工直徑為2.5 m，高度為5 m，且配備有FANUC數控系統，具有加工范圍廣，加工精度高等優點。但表面振紋問題一直是該設備的故障難題，造成該故障的因素很多，其原因復雜，分析判斷困難。

1 問題分析

所謂逆向分析法，就是由產生事物的結果去推斷其產生結果的原因的一種分析方法。結合現有故障的實際情況，以加工表面振紋形狀作為產生事物的結果，利用逆向分析的方法來找出故障的原因。

龍門立式車床故障現象主要表現為加工表面的不正常截面形狀，圖1是以0.2 mm/s的進給速度車成的正常和不正常截面形狀。

由兩種截面的形狀，可以看出被加工工件表面為間歇周期性的鋸齒形截面，必然與刀具的上下間歇性運動有關。根據加工表面的截面形狀，結合逆向分析法推理可以推斷，影響刀具上下浮動的直接性因素有兩個:一是溜板箱移動不穩定;二是Z軸滑枕間歇性的上下移動。

1.1 由溜板移動不平穩引起故障的分析

溜板箱在X軸方向的移動精度是由其滾珠絲杠的精度決定的，如果絲杠受沖擊損傷，將會導致加工表面的不平整，且會產生周期性表面振紋，周期的大小與絲杠的受損位置有關，且應該是固定不變的。

將設備X軸移動速度設為0.4 mm/s，加工出來的端面振紋間距為0.2 mm/s，其間距是進給速度的1/2，可見加工表面振紋周期是隨著X軸移動速度的變化而變化的，X軸的移動速度越快，其形成振紋的間距就越大。由此推斷，該振紋現象與絲杠無關，故由溜板箱移動不平穩造成的加工表面均勻振紋的可能性排除。

1.2 由滑枕異常引起故障的過程分析

滑枕的上下移動主要是由Z軸伺服電動機控制的，具體過程為:當系統給定Z軸位置后，將信號傳遞給Z軸的伺服機構，系統根據Z軸編碼器確定Z軸的具體位置。滑枕的移動是由伺服電動機直接控制的，因此先查看電動機的工作情況，發現電動機有間歇性工作現象，且其間隙周期與振動的周期一致。

再由設備說明書得知，當設備工作的時候，如果Z軸位置偏移原系統設定位置的±0.02 mm，Z軸伺服電動機即開始工作，當Z軸坐標與系統設定坐標保持一致時，伺服電動機停止工作?？梢园l現伺服電動機的控制誤差(±0.02 mm)與振動幅度是一致的。由此可以斷定，表面振紋是由Z軸伺服電動機的間歇性工作造成的。下面以伺服電動機的間歇性啟停為故障現象，并對故障形成的過程進行逆向分析。

由于滑枕為大質量金屬塊，因此需要一個配重平衡其重量，以便伺服電動機可以輕松且精確地控制好Z軸的位置。從圖2可知，滑枕的配重主要是由平衡油缸實現的，油缸的工作壓力為4～6 MPa之間，當蓄能器壓力低于4 MPa時，壓力繼電器打開，液壓泵開始工作。當壓力高于6 MPa時，壓力繼電器關閉，液壓泵停止工作。只要平衡油缸保持足夠的壓力，就可以對滑枕起到配重的作用。如果平衡油缸內的壓力不足或消失，滑枕就會因重力向下滑動，當滑動的距離大于0.02 mm，伺服電動機起動，并將滑枕提拉到系統設定位置后停機，停機后滑枕仍然下滑。伺服電動機的重復啟停，就會使滑枕間歇性的上下移動，加工時工件的表面便會產生周期性振紋。

由以上平衡油缸和伺服電動機在設備中的工作原理，并通過故障的現象，利用反推原理和逆向分析法可以推斷，伺服電動機的間歇性工作是由平衡油缸工作失效造成的，也就是說加工表面的振紋與平衡油缸的工作失效有關。因此可以由平衡油缸的工作失效為現象，去反推產生現象的原因，也就是對結果在先的分析。檢查平衡油缸的供油系統，發現設備在正常工作的時候，液壓泵無法工作。而引起液壓泵故障的可能性只有兩個，一是液壓泵電動機損壞，二是液壓泵的控制系統故障。一般情況下液壓泵電動機損壞的可能性比較小，故障極有可能是液壓泵的控制系統引起的。由圖2控制系統原理圖可知，壓力繼電器是控制液壓泵啟停的重要控制元件，它主要用于維持平衡油缸的工作壓力，因此壓力繼電器損壞就會導致液壓泵無法工作，平衡油缸配重作用喪失，致使伺服電動機反復工作，大大增加了伺服電動機的工作載荷，最終會使被加工表面產生振紋。

圖3為故障診斷流程，整個診斷過程的故障原因節點都是基于逆向分析和反推原理分析得出來的。從故障的現象——表面振紋的截面形狀入手，由截面形狀排除了絲杠損壞的可能，再由滑枕的運動規律，推斷出伺服電動機工作異常，通過逆向反推將故障原因鎖定在液壓泵的控制部分，追根溯源，最終將故障產生的原因——壓力繼電器的損壞挖掘了出來。

2 故障解決

對壓力繼電器進行檢測，發現壓力繼電器始終不工作。根據圖4壓力繼電器原理圖可知，壓力繼電器是由液壓油壓力控制的，當油壓低于工作壓力最低值時，活塞桿推動微動開關，繼電器電源接通，液壓泵啟動，當油壓高于工作壓力最高值時，活塞桿再次推動微動開關，繼電器電源斷開，液壓泵停止工作。再由壓力繼電器的工作原理可知，微動開關是直接控制繼電器工作的，因此將微動開關短接，發現壓力繼電器閉合，液壓泵回路連通，液壓泵啟動。可見繼電器單元工作正常，檢查進油口，發現進油口被堵塞，導致壓力油液無法推動活塞，使微動開關動作。清洗進油口，故障得以解決。

3 結語

利用反推原理和逆向分析法相結合的方法對設備故障進行分析，提高了故障分析的效率，縮短了維修周期，且大大增強了問題分析的準確性。

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