推行數控機床模塊化維修根除企業生產環節之瓶頸

劉勝勇 張俊平

(①中國重汽集團濟南橋箱有限公司，山東 濟南250022;②山東同力達智能機械有限公司，山東 濟南250022)

1 模塊化維修的提出

1.1 公司數控機床現狀

某公司使用的300 余臺數控機床有立/臥式數控車床、車削中心、內/外圓數控磨床、立/臥式加工中心、花鍵銑床、直齒/螺旋齒滾齒機、研齒機、磨齒機等，它們有的配置了FANUC 0C/0D、0iA、0iB、0iC、0iD、18/18i、21/21i或31i的車床版與銑床版系統，有的配置了SINUMERIK 802 C/S base line(下稱bl)、802D、802D solution line(下稱sl)、828D、810/840D power line(下稱pl)或840D sl 的車床版與銑床版系統;它們有的對應使用FANUC 公司生產的外置I/O 單元、內置I/O 模塊、分線盤I/O 模塊或系統I/O UNIT-A，有的使用數控系統自帶I/O 接口(如SINUMERIK 802 C/S bl)，有的外接輸入輸出模塊PP72/48(如SINUMERIK 802D、802D sl)或PP72/48 D PN(如SINUMERIK 828D)，有的連接SIMATIC S7-300 I/O 模塊(如SINUMERIK 810D/840D pl、840D sl);它們有的采用液壓控制工件夾緊/松開、機械手裝料/卸料、主軸拉刀/松刀等輔助動作，有的采用氣壓控制工件夾緊/松開、防護門開啟/關閉等輔助動作，有的采用液壓與氣壓混合以分別控制齒輪擋位更換、主軸內孔吹屑等輔助動作。

這些數控機床因具有高精度、高效率及加工靈活可變的特點，絕大部分被安裝在產品加工鏈的關鍵環節(見圖1)，其加工精度高低直接決定著汽車部件的裝配精度甚至影響到汽車出廠后的行車安全。還有少量數控機床因其價格相當昂貴，而被配置為單一型的關鍵設備(見圖2)，其故障的解決速度直接關系著汽車零部件的生產進度甚至影響到汽車的整個生產鏈。

1.2 模塊化維修實施意義

實施數控機床模塊化維修，可以高度概括品種繁多的數控機床的工作原理——大致均是利用數字化的邏輯電信號控制機床的運動過程以獲得所需的輪廓軌跡和相應的控制功能，此過程包含工件夾緊/松開、刀具選擇、刀具與工件的相對位置、切削液開/關、主軸運行、伺服驅動、各機械耦合部件的潤滑及相應部位的冷卻降溫等方面。簡言之，數控機床就類似人的一只手，工作時它抓著刀具或工件，按照預定軌跡控制刀具或工件沿運動方向前進，最終加工出用戶要求的零件形狀或實現應有的用途。其刀具可以是割炬(如火焰、等離子、激光束、水射流和電極絲等)、焊槍(如單絲焊槍和雙絲焊槍等)、噴槍、車刀、鉆頭、銑刀、砂輪、銑齒刀/插齒刀及刻針等。

實施數控機床模塊化維修，可以使設備工程師及廣大維修技工在面對公司FANUC 或SINUMERIK 等系統的300 余臺數控機床的故障維修時，能夠舉一反三，簡化機床故障分析過程，提高維修效率和縮短機床停機時間，確保產品加工質量及生產節拍(尤其是瓶頸式生產環節)的連續性，促進企業經濟效益的穩步實現。

實施數控機床模塊化維修，除對本企業具有較強的現實意義和可觀的經濟效益外，還對同行業的其他企業及航空航天、鐵路、冶金、造船等其他行業具有很強的操作指導性和一定的參考價值。

2 FANUC/SINUMERIK 數控機床的模塊化組成

當今的數控機床主要由輸入/輸出裝置、數控系統(CNC 裝置和PLC 裝置)、伺服裝置(包含驅動電動機和位置檢測裝置在內的主軸驅動系統與進給驅動系統)和機床本體(床身和工作臺等)及輔助裝置(如ATC、潤滑、冷卻和排屑等)等部分組成(見圖3)。

(1)控制介質:在充分分析產品圖樣工藝信息、選擇相應加工路線和適合刀具的基礎上，按數控系統所允許的編程指令和代碼格式編輯加工程序。簡單的程序可在數控系統操作面板上直接編輯并存儲;復雜的且耗時較長的程序則需要離線編輯后，再用數控系統所支持的傳輸設備和傳輸方式導入數控系統中。常用的傳輸媒介有CF 卡(配相應的適配器)、適合USB 接口的U 盤和嵌入式以太網及計算機(配相應的數據線和傳輸軟件)4 種。

(2)輸入/輸出裝置:輸入/輸出裝置是數控機床與外部設備的接口，包括鍵盤、顯示器或示教器、鼠標、相應串口(USB 接口/RS232 接口和無線路由器等)等，主要負責加工程序的傳入和導出、在線編輯、參數的修改和顯示等任務。

(3)CNC 裝置:又稱計算機數控裝置，是數控機床的中樞指揮系統。它除了具有一般計算機的結構外，還有與數控機床功能有關的功能模塊和接口單元。它主要是由硬件和具有多任務并行處理、多重實時中斷特點的軟件組成，且軟件需要在硬件的支持下方能運行。

(4)PLC 裝置:又稱可編程序邏輯控制器，它可借助其內部存儲器實現邏輯控制——邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等。PLC 的主要功能為控制過程映像輸入信號、控制過程映像輸出信號、實現M功能控制及數據處理等。

(5)伺服裝置:它是數控系統與機床本體之間的聯系環節，當機床工作時數控系統的CNC 裝置將插補后的位置和速度指令以電信號形式傳送至主軸驅動系統或進給驅動系統進行功率的放大(將電信號放大為電動機適合的強電信號)并使尾部帶脈沖編碼器的異步電動機或同步電動機旋轉，從而以一定的速度控制機床運動部件移動并按程序指令加工出工件廓形。

(6)機床本體:指的是數控機床的機械結構件，可分為主運動部件和進給運動部件2 大部分。其中，主運動部件包含床身、箱體、立柱、導軌及主軸等，進給運動部件包含機床工作臺和傳動部件等。

(7)輔助裝置:它是現代數控機床的組成部分之一，是為提高機床的自動化程度和相關部位的使用壽命及減輕勞動者的工作強度而增加的裝置。它主要包括ATC 刀具自動交換、APC 工件自動交換、液壓系統、潤滑系統、氣動系統、冷卻裝置及排屑裝置等環節。

2.1 FANUC 系統的模塊化組成

細致分析FANUC 系統中PMC 裝置與CNC 裝置和機床本體的關系(見圖4)，可知:

(1)MT→PMC 的X 信號:在機床本體側，除跳轉信號SKIP(X0004/X1004)、急停信號* ESP(X0008.4/X1008.4)和減速信號* DECn(X0009/X1009)等高速處理信號由CNC 裝置直接讀取外，限位開關、操作按鈕、選擇開關、繼電器觸頭、光電開關和接近開關等開關量信號以及溫度傳感器、壓力開關和流量計等提供的連續變化的模擬量信號以隨意給定的X 信號形式輸入PMC 裝置中，并可將其理解為由操作者發出的使CNC 執行某一動作的G 信號的控制源。

(2)PMC→CNC 的G 信號:據用戶要求和X 輸入信號，PMC 裝置進行循環掃描處理，處理結果以特定G 信號形式通知CNC 裝置，如急停信號G8.4/* ESP、循環啟動G7.2/ST、方式選擇信號G43#0#1#2 等。

(3)CNC→PMC 的F 信號:CNC 裝置接收G 信號后執行某一動作，并以F 信號形式向PMC 裝置反饋運行結果，以使PMC 進行后續邏輯。在CNC 裝置讀取加工程序時，會對M 代碼或T 代碼進行譯碼處理并以F 信號形式送至PMC 裝置中邏輯處理。

(4)PMC→MT 的Y 信號:PMC 裝置經內部互鎖和自鎖等邏輯處理后，以Y 信號形式向外輸出至I/O裝置以控制機床電氣回路的線圈通/斷電，進而接通強電回路后驅動電磁閥、接觸器、繼電器和指示燈等外部執行元件動作，最終實現液壓系統、潤滑系統或氣動系統等輔助裝置的相關動作。

(5)PMC 內部R/T/C/K/D 信號:R 信號為PMC內部邏輯的輔助繼電器，T 信號相當于繼電器電路中的時間繼電器，C 信號為計數器，K 信號用于FANUC系統斷電情況下記憶所設定內容，D 信號為賦值和讀取等操作的保持型數據寄存器。

(6)伺服裝置:包括主軸驅動系統和進給驅動系統兩大部分，主要由電源模塊PSM、主軸放大器SPM、伺服放大器、主軸電動機、伺服電動機和位置檢測裝置等部件組成。

①電源模塊:PSM 將外界輸入的三相交流電整流、濾波成標準型DC300V 或高壓型DC600V 后，為主軸放大器和伺服放大器提供直流主回路電源;并將200R、200S 控制端輸入的交流電轉換成DC24V 和DC5V 的直流電，為控制回路電源(DC24V)及PSM 自身提供直流電源;電動機的再生能量通過PSM 的逆變塊反饋至電網，實現回饋制動。按系統的配置，PSM有α 系列和αi系列兩類，前者用于FANUC O/16/18/21/0iA 系統，后者用于FANUC 16i/18i/21i/0iB-D/30i系統。

②主軸放大器及主軸電動機:SPM 通過接口JA7B/JA7A 接收數控系統(接口JA7A/JD41)發出的串行主軸指令(位置控制和速度控制)，經變頻調速控制向主軸電動機輸出動力電;隨后，主軸電動機通過傳動機構帶動工件或刀具配合伺服進給運動做相應的旋轉運動。按功能系列不同，SPM 有α 系列和αi系列兩類，前者與α 系列PSM 配置使用，后者則與αi系列PSM 配置使用。

③伺服放大器及伺服電動機:伺服放大器經接口COP10B/COP10A 和FSSB 伺服串行總線接收數控系統(接口COP10A)的CNC 軸控制指令，以驅動伺服電動機按照指令運轉，同時伺服放大器上的JFn 接口接收電動機編碼器的反饋信號并將位置信息通過FSSB光纜反饋至CNC 裝置中，從而實現伺服電動機的閉環電流矢量控制及進給執行部件的速度和位置控制。伺服放大器有伺服單元SVU 和伺服模塊SVM 兩種。其中，SVU 的輸入電源為AC200V、50 Hz 三相交流電，電動機再生能量經SVU 上再生放電單元中的制動電阻消耗掉，SVU 有α 系列、β 系列、βi系列和一體型SVPM 四種，主要用于模擬主軸控制場合下進給電動機的驅動。SVM 的輸入電源為DC300V(標準型)或DC600V(高壓型)，電動機再生能量經PSM 反饋至電網中，SVM 有α 系列和αi系列兩種，一般用于串行主軸場合下進給軸電動機的驅動。

2.2 SINUMERIK 系統的模塊化組成

受篇幅所限，在此給出SINUMERIK 系統中PLC裝置與CNC 裝置(802D/802D sl 系統為PCU 面板，828D 系統為PPU 面板，810D pl 系統為CCU 模塊，840D pl/840D sl 系統為NCU 模塊)和機床本體的關系，如圖5 所示。

3 模塊化維修的現場應用典型案例

以“運轉立式車床頻繁突停致齒輪連續線癱瘓的處置”為例，說明數控機床模塊化維修的過程。

(1)情況說明:圖6 所示的被動錐齒輪連續生產線(簡稱連續線)是用來生產重型汽車STR(MAN)驅動橋上盤式被動錐齒輪的，正常情況下雙班作業可日產240 件(320 件)成品。

(2)故障現象:連續線處于循環狀態時，標號為MC1 或MC2 的PUMA V405 立式車床會在其執行加工程序過程中不定期地頻繁出現停機問題(每班15 次之多)，使得連續線不能繼續自動運行而嚴重影響生產節拍——日產量僅150 件STR 系列盤式被動錐齒輪。

①MC1/MC2 停機故障時，執行中的加工程序段停止無規律，屏幕坐標不變化。MC1/MC2 關機重啟并更換掉損壞刀尖及重新對刀處理后，連續線又能正常工作一小段時間。

②MC1/MC2 停機故障時，機床控制面板上［CYCLE START/循環啟動］按鈕的指示燈HL321 點亮呈綠色，表明PUMA V405 立式車床仍處于循環狀態;但主軸運轉已停止，車刀片的刀尖崩碎(每次故障損壞1 個刀尖)。

③MC1/MC2 停機故障時，位于MC1/MC2 操作門前、等待取料的Robot1 卡爪上的空氣管吹氣，MC1/MC2 操作門呈關閉狀態，并且MC1/MC2 上氣動三爪卡盤的切屑清潔氣管吹氣。

④MC1/MC2 單機運轉時，一直未發生此停機故障。

(3)診斷分析:嚴格按照“四步到位法維修要求”(即故障記錄到位→診斷分析到位→故障維修到位→維修記錄到位)的要求，在充分掌握連續線中各機床模塊化組成結構的基礎上，合理運用原理分析法、測量比較法等現代故障診斷分析方法，對故障原因展開排查。

①單機運轉時無故障而聯機加工時有故障，說明:MC1/MC2 的單機運轉用PMC 梯圖邏輯正常，故障可能為Robot1 與MC1/MC2 的交互邏輯出現異常，例如彼此間信號存在干擾、MC1/MC2 的聯機加工用PMC梯圖邏輯紊亂、Robot1 的聯機加工用PLC 梯圖(PLC品牌為臺達)邏輯紊亂等。

②按鈕指示燈HL321 點亮的邏輯控制(見圖7):聯機加工時，Robot1 經X8.7 向MC1/MC2 的PMC 傳送上料完成信號→MC1/MC2 的PMC 向其CNC 傳送循環啟動信號G7.2/ST→機床運轉啟動后MC1/MC2的CNC 向其PMC 傳送自動運轉啟動中信號F0.5/STL→MC1/MC2 的PMC 向外輸出Y32.1= 1 的信號→［CYCLE START］按鈕指示燈HL321 點亮。

MC1/MC2 停機故障期間，HL321 始終點亮，說明Y32.1=1 的狀態未改變，進而表明CNC 到PMC 的F0.5/STL 信號保持接通，即MC1/MC2 仍處于自動運轉中。

③Robot1 與MC1/MC2 間的信號交互過程(見圖8):MC1(MC2)向Robot1 發送上料請求信號Y1.6→Robot1 開始上料并向→MC1(MC2)傳送上料完成信號MC1(MC2)關門后夾緊工件并啟動加工加工→中經M21 指令使Robot1 提前移至機床操作門前以等待下料加工完MC1(MC2)執行M02 或M30 指令并向Robot1 發送下料請求信號→Robot1 在臺達ASD 型驅動器和伺服電動機的驅動下開始下料→Robot1 下料完畢后向→MC1(MC2)傳送下料完成信號MC1(MC2)的氣動三爪卡盤清潔吹氣以去除切屑→同時在Robot1 移出機床操作門后Robot1 卡爪的空氣管吹氣→一個加工循環結束。

④氣動三爪卡盤清潔吹氣的邏輯控制(見圖9):聯機加工時MC1 經地址X8.6 接收Robot1 傳送的下料完成信號→操作門關閉狀態下內部輔助線圈R623.2=1→吹氣請求線圈R622.4 接通并保持→吹氣線圈Y0.7接通并向外輸出→MC1 的三爪卡盤吹氣以去除積屑。

⑤由以上分析可知:在MC1(MC2)循環加工過程中，Robot1 向MC1(MC2)傳送了干擾信號——下料完成信號X8.6，遂致MC1(MC2)認為加工程序執行完并由PMC 裝置控制主軸停止運轉，但此時CNC 到PMC的F0.5/STL 信號仍保持接通而使得HL321 點亮呈綠色。

(4)解決措施:根據診斷分析的結果，本著“簡單、實用、快捷、穩定”的原則，對MC1 與MC2 的PMC 梯形圖中有關氣動卡盤吹氣的邏輯進行修改，也就是將CNC 到PMC 的F0.5/STL 信號的常閉觸點串聯在下料完成信號X8.6 之后(見圖9)，使得機床處于自動運行中時不會受到信號X8.6 接通的干擾而繼續執行加工程序，直至M02 或M30 指令執行完畢。

(5)維修效益:試機一段時間后，再也沒有出現“運轉立式車床頻繁突停致齒輪連續線癱瘓”的故障。如此，每天可省略刀片損失費用約1 800 元(15 片/天×120 元/片)，每天挽回生產損失費用1 800 元(90 件/天×20 元/件)。

4 結語

伴隨我國工業現代化進程的穩步推進、數控機床制造技術的快速發展與廣泛應用、及用戶對產品零件加工形狀與加工質量的要求愈來愈高，數控加工已被大量應用在汽車、航空航天、鐵路、冶金、造船等多種行業的產品制造過程中。這些關鍵單一型的數控機床在企業的生產經營和質量控制中，占據著重要的地位，有時甚至成為企業的“瓶頸”。因此，有必要在柔性化程度較高的加工制造業內推廣數控機床模塊化維修。

推廣數控機床模塊化維修，既離不開企業管理制度的引領和評比等手段的激勵，也離不開廣大維修工程師和維修技工孜孜不倦地學習與模塊化維修的深入實踐;既離不開社會范圍內數控機床模塊化維修經驗的相互交流和融合，也離不開國外先進制造技術與機床維修理論的借鑒和吸收。

希望文中關于數控機床模塊化維修的觀點、理論及案例介紹，不但可以起到拋磚引玉的作用，對維修人員俯瞰數控機床的模塊化維修起到一點幫助;還能為企業目標“裝備保工藝，工藝保質量，質量保效益”的實現貢獻力量，對消除生產環節的瓶頸——關鍵單一設備故障導致質量下滑甚至企業停產提供有效方法。

［1］劉勝勇.數控機床SINUMERIK 系統模塊化維修［M］.北京:機械工業出版社，2014.

［2］劉勝勇.數控機床FANUC 系統模塊化維修［M］.北京:機械工業出版社，2013.

［3］劉勝勇.車輛輪軸的加工與組裝［M］.北京:中國鐵道出版社，2012.