數控機床重力軸失電異常下墜問題改造

上海通用東岳動力總成有限公司 (264006)郭 興

重力軸失電情況下異常下墜，指的是垂直軸的伺服系統急停或者異常掉電等情況發生時，由于自身重力和剎車響應等原因，垂直軸的位置會有一個下墜，異常情況下，這種下墜量甚至會超過3mm。

這種異常下墜的危害很大，例如，會導致斷刀、機械磨損或者精度下降等。下面通過一個實際案例的介紹，闡述類似問題的危害以及根治措施。

1.典型案例

我們公司缸蓋機加工生產線的一臺加工中心，發生一起停機時間超過120h 的重大停機事故，下面對整個維修過程作簡單的介紹。

(1)故障現象 維修人員接到生產線操作工的報警:機床正常加工換刀過程中異響。接到報警后，切斷設備電源，檢查換刀臂，發現換刀臂滑銷脫落，如圖1 所示。

(2)維修過程 圖2 是整個故障的主要步驟羅列，在筆者的另外一篇文章里有詳細的記錄。此處不再詳細復述。

圖1

如圖2 所示，正常換刀過程中，當刀具未完全插入主軸內部時，機床發生報警急停，由于設備本身設計缺陷，此時，主軸在設備發生急停的情況下，會有一個異常下墜(超過3mm)，由于此時刀具未完全脫開換刀臂，這樣，換刀臂就受到了主軸下墜的外力下拉，導致換刀臂內部軸承異常磨損、主軸內錐孔磨損、換刀位置丟失等。

因為在當初處理故障的時候，這個設計缺陷，我們并不知曉，導致了后面走了很多彎路，粗略計算損失至少46h 停機。

設備發生故障，急停時的狀態如圖3 所示;Y 軸異常下墜，帶動換刀臂錯位，如圖4 所示。

2.FANUC 防止重力軸異常下墜的原理

了解了垂直軸使能丟失后異常下墜問題的影響嚴重程度，我們來看一下為什么筆者稱之為“機床設計缺陷”。

該設備使用的控制系統是FANUC 最新的16i 系統，FANUC 系統對重力軸異常下墜問題，有一整套的解決方案，按照經驗，重力軸在使能丟失的情況下，允許的下墜量應控制在0.1mm 以內。下面詳細介紹FANUC 防止重力軸異常下墜的原理以及改造過程。

圖2

圖3

圖4

FANUC 系統對重力軸異常下墜的解決思路是:盡可能縮短剎車響應時間。即為了使重力軸在伺服電源斷開之前，能夠迅速剎車，使重力軸盡量保持在原來的位置。

從控制角度，有兩種方法可以實現這個目的:①當檢測到伺服電源斷開時，剎車立刻生效。②當伺服電源斷開時，始終保持電動機勵磁，直到電動機剎車生效。

這里我們只介紹第一種方法，這種方法是相對簡單，且經過我們反復驗證有效的措施。電氣硬件控制回路如圖5 所示。

具體改造如圖6 所示。

圖6 中圓框的觸點是后期改造新增的。

圖5

圖6

具體控制時序圖如圖7 所示。

圖7

根據上圖可以知道，從檢測到電源斷開到剎車起效，所用的時間包括:接觸器響應時間+剎車動作響應時間，即接觸器復位時間+剎車動作響應時間。

我們取OMRON 的繼電器(型號G2R)作為試驗用繼電器，實際測量它的復位時間為:10msFANUC伺服電動機內置剎車的響應時間，根據說明手冊，如附表所示。

即，若取OMRON 繼電器和α12i 電動機為例，計算整個剎車響應時間為

試驗結果表

3.改造效果驗證

經過上面的改造，通過MCCOFF 直接觸發剎車信號，過程中減少了NC 到PLC 的傳輸時間、PLC 掃描時間及I/O 信號傳輸時間，因此，極大地提高了剎車響應速度。下面是機床上的實測結果:

第1 步:改造之前將機床起動，回到HOME 位置，記錄Y 軸絕對坐標，Y 100.0;拉下電控柜主切斷開關，模擬伺服異常掉電的情況，等待幾分鐘，上電，記錄機床Y 軸絕對坐標值，Y 96.7。由此說明機床在異常失電的情況下，重力軸下墜量為100.0mm-96.7mm=3.3mm。

第2 步:經過上面的改造之后，重復上面的操作，異常斷電后，機床絕對坐標值為Y 99.970，即同樣的異常失電情況，Y 軸下墜量為0.03mm，異常失電情況下的重力軸下墜問題得到了很好的抑制。

至此，整個改造結束。

4.項目改造總結

觸發項目改造的經歷是非常痛苦的，當然，也正是這段經歷使得我們的整個改造，越發顯得意義重大。

對于此類隱性設計問題，常規功能驗證很難有效捕捉。針對該問題，我們的做法是在項目驗收時，通過功能測試進行逐一確認驗收，即增加“失電、急停狀態下，重力軸下墜量的驗證”(要求下墜量要少于0.1mm)，在項目階段即把該問題暴露出來，及時拉動解決，是一種非常切實可行的控制措施。