數控機床軟故障的排除與設備管理的完善

張永福 王紅芳

1.故障現象

意大利IMT公司生產的S10/3T-2型活塞橢圓、精槽組合加工立式車床，用于加工轎車活塞的三個環槽和橢圓、型線。控制系統采用GE FANUC 160i數控系統，配置電主軸和X、Z、U三個全閉環伺服軸，X、Z軸插補加工環槽，X軸按加工程序設定運行到位后，由U軸和Z軸插補加工活塞橢圓和型線，基本結構見圖1。

該機床先是因為硬盤物理性損壞，造成基于Windows2000操 作 系 統 的FANUC系統HSSB驅動、BOP以及嵌入BOP由IMT公司開發的活塞外圓編程、加工等軟件因缺少安裝程序而無法修復。后經付費請IMT公司和FANUC公司的維修人員一起，更換新硬盤，安裝相關軟件后，機床控制功能恢復正常生產，但隨后出現加工精槽時不定時撞刀故障，故障發生時控制系統沒有報警，加工程序仍然能繼續運行。

2.檢修過程

測量發生撞刀時加工的活塞，發現撞刀都發生在環槽已基本加工完，外圓還沒有開始加工的程序處，環槽加工的寬度尺寸正常。據此分析故障發生的原因：①機械方面，因環槽加工的寬度尺寸正常，可基本排除故障由Z軸引起。又因機床所有進給軸均為全閉環控制，發生故障時系統沒有報警，所以因X軸的貼塑導軌、滾珠絲杠和絲杠軸承等局部損壞造成故障的可能性不大；經檢查X軸定位精度和重復定位精度均滿足要求，不存在振蕩現象，所以故障也不是因為兩軸運行或換向時發生振蕩造成。盡管如此，還是對X軸的相關部件進行了檢查和調整。②電氣方面，若X軸光柵尺局部污染或損壞，造成位置反饋信號失調，就會引起故障。于是將X軸的光柵尺封閉，使X軸由全閉環暫時更改為半閉環方式，調整好相關參數后生產，機床加工的產品合格，但生產三個班次后，又出現撞刀現象。

操作人員提出在硬盤損壞前沒有撞刀現象發生，當時用的是英文 Windows2000操作系統，而重裝后用的是中文Windows2000操作系統，懷疑是由于操作系統的不一致，使系統中某項條件滿足時影響加工程序的執行，造成總是在同一位置出現撞刀現象，于是決定重新用英文版Windows2000安裝系統。因為GE FANUC 160i數控系統國內用量少，缺少相關資料，經相關人員的努力，安裝完正版英文Windows2000操作系統后，又將相關控制軟件安裝并設置正確，使機床控制功能恢復，但正常加工兩個班次后再次出現同樣的撞刀故障。通過檢查確認X軸的相關部件完好，故障發生時系統沒有報警發生，說明電氣控制部分正常。

為確定下一步故障檢修思路，又組織了相關人員，進行充分分析和討論，認為可能原因為：①機床加工時，活塞定位采用液壓缸拉動四個拉爪將活塞拉緊的定位方式，為避免加工橢圓時活塞變形，在加工環槽時用高壓（1.3MPa），加工橢圓和型線時切換為低壓（0.6MPa）。因為活塞的三個環槽用三把刀同時加工，在加工到槽底時，切削力最大，這時若拉緊力不能滿足要求，勢必造成活塞因松動而撞刀。②加工完活塞環槽開始退刀時，X、Z軸均要反向，兩軸以插補運動方式按斜線運動。若Z軸絲杠反向間隙大，在當前的全閉環工作方式下反向運行，若出現振蕩也會造成撞刀故障的發生。根據以上原因分析，制定并進行了以下檢修過程：

（1）首先檢查活塞定位拉緊力，發現液壓壓力在加工過程中確有變化，進一步檢查發現平衡Z軸油缸的氮氣蓄能器中氮氣量正常，但用于穩定拉緊油缸油壓的氮氣蓄能器中氮氣量已少了很多，造成高低壓切換時拉力不穩定。將氮氣蓄能器中氮氣充到要求數量，又檢修了所有相關油路的密封圈和電磁閥，確認油路不存在泄露后，要求操作者再試加工。但由于加工精槽所用刀具已全部撞壞，新的還沒有購進，便用比精車環槽刀更薄的粗車環槽刀僅加工環槽，不加工外圓，先驗證故障是否因拉緊油壓變化造成。經過四個班次的連續加工故障沒有出現，第五個班換上精車環槽刀后加工到第九只活塞，又出現相同撞刀故障。

（2）這次撞刀發生時，操作人員正好觀察到加工程序的運行情況，確認撞刀發生在即將加工到槽底但尚未加工完成時，這時沒有活塞拉緊高低壓的切換動作，也沒有X軸和Z軸的換向。

（3）在排除X軸和液壓系統的問題后，又檢查了Z軸的定位精度和重復定位精度都滿足要求。在檢修Z軸托板時，發現固定Z軸托板楔鐵的螺栓有所松動。兩個人在水平方向用力拉動Z軸托板，通過用表檢量，Z軸托板在水平方向有0.5mm的位移量。將Z軸的三條托板楔鐵緊固，又檢測相關部件后，換好刀加工驗證，機床恢復正常。

3.故障原因分析

當三把槽刀加工到接近活塞環槽底時切削力達到最大，使得Z軸在水平方向的受力也達到最大，因固定Z軸托板楔鐵的螺栓松動，一旦由于活塞材料構造不一致等因素導致切削力增大，超過Z軸靠自身重力維持在水平方向的穩定，這時主軸高速運轉，便導致了撞刀故障。

4.完善設備管理措施

這次設備故障歷時一個多月，不僅花費近三萬元的維修費，還造成四千余元的刀具損失費，更嚴重的是影響了產品按時交付，引起客戶抱怨。為避免類似故障的重復發生，結合這次故障發生原因和維修過程，完善了設備管理的相關制度。

（1）配置開放式控制系統關鍵設備的硬盤備份、存檔管理規定的完善。在以前的設備管理規定中，只要求對設備通過CF卡、計算機和刻錄光盤等方式做好數控機床的系統數據、PMC程序、參數和刀補等數據的前期備份和存檔。通過這次故障意識到，針對應用越來越多帶有硬盤的開放式控制系統，包括工控機，SIEMENS公司產840D系統和FANUC公司產160i系統等，許多因缺少安裝軟件（有的因涉及系統、設備生產廠家的專利技術，也不提供安裝軟件），一旦硬盤或相關硬件損壞，自己無法恢復，特別是進口設備，往往需要聯系國外生產廠家，不僅費用高，同時會造成修復時間延誤，嚴重影響生產。為此，在設備管理規程中增加了將硬盤做Ghost或重要硬盤直接克隆備份，并就備份資料和克隆硬盤的存檔、借用、歸還等進行了嚴格規定。

（2）對設備日常維護工作嚴格檢查、考核制度的完善。這次故障雖然最終證明不是由于液壓壓力變動引起，但氮氣蓄能罐中氮氣缺少了卻沒有在日常點檢時發現；Z軸楔鐵固定螺栓松動沒有在設備定保時被檢查出來；根據加工環槽寬度滿足要求，想當然認為Z軸正常等，都說明設備日常點檢和定保工作雖有規定，但沒有做到位，檢查和考核制度不完善。為此，重新修訂了設備的日常點檢、定保及相關獎懲制度，使設備操作者、維修人員和管理人員都明確了自己在設備維護中應擔負的職責，真正將設備點檢、定保及檢查工作做到位。

由于數控設備的加工速度快、加工精度高和適合大規模生產等優點，應用越來越廣泛，進口設備的數量也越來越多。這就要求設備管理工作必須同步跟上，才能提高設備運行的穩定性、減少維修時間和降低維修成本，保證實現利潤最大化。