CO2 激光切割機床故障處理

麻曉晨，匡文東

（山東五征集團有限公司，山東日照 262300）

0 引言

2013 年，公司結(jié)構(gòu)件車間引進2 臺團結(jié)普瑞瑪CP3000 的CO2激光切割機床。由于缺少此類設(shè)備維護維修經(jīng)驗，出現(xiàn)故障大多依賴生產(chǎn)廠家售后服務，導致維修周期長、維修成本高。通過分析故障原因，制定糾正預防措施，形成設(shè)備故障A4 報告等，避免故障再次發(fā)生。在此過程中不斷累積維修經(jīng)驗，提高設(shè)備維保人員技能水平，逐步實現(xiàn)由外委維修向自主+外委維修的模式轉(zhuǎn)變。

1 “掉高壓”故障維修

1.1 故障描述

在切割過程中，激光監(jiān)視器突然出現(xiàn)“2104”報警，查詢報警內(nèi)容為“掉高壓”。設(shè)備重啟后工作正常，但此后切割過程中間歇性出現(xiàn)該報警故障，且報警頻率越來越高。

1.2 原因分析

根據(jù)激光器工作原理，初步分析導致此報警的可能原因有5 點。

（1）高純氣體不純，特別是氣體中水分超標。水分進入諧振腔內(nèi)會使諧振腔內(nèi)等離子體電阻率下降，高壓電源電流異常增大。

（2）諧振腔泄漏，周圍空氣進入諧振腔內(nèi)。諧振腔在正常工作時為負壓，如果有泄漏點周圍空氣就會進入諧振腔。

（3）熱交換器或其密封圈滲漏，冷卻水進入諧振腔。

（4）混氣比不正確。混氣比不正確會導致激光功率下降，激光器會適當提高電源高壓電流增大功率，當高壓電流超過一定范圍就會出現(xiàn)報警。

（5）真空泵回流。真空泵單向閥密封不嚴，帶油蒸汽的廢氣回流至諧振腔，污損鏡片等內(nèi)光路元件，致使功率下降。

1.3 排查

（1）將氣體換到其他激光器上使用正常，排除氣體不純原因。

（2）將諧振腔抽真空至1 kPa（10 mbar）以下，關(guān)閉所有電磁閥，20 min 后壓力上升40 Pa（0.4 mbar），符合設(shè)備出廠要求，排除泄漏和熱交換器滲漏原因。

（3）檢測混氣比，重新調(diào)整。調(diào)整后故障依然存在，且出現(xiàn)頻率未下降，排除混氣比不正確原因。

（4）拆下真空泵與諧振腔之間管路，擦拭無油污。拆下前鏡、尾鏡和折返鏡，擦洗后重新安裝調(diào)整，故障依然存在，排除真空泵回流原因。

1.4 再排查

從設(shè)備工作狀態(tài)方面進行分析排查。在實際切割過程中觀察“掉高壓”前的變化，功率上升到1200 W 左右突然“掉高壓”。開啟“暖機”模式，逐漸提高暖機功率。當功率設(shè)定1500 W 時，測量輸出功率只有1200 W，且1#諧振腔內(nèi)出現(xiàn)“拉絲”現(xiàn)象。運行約20 s，激光器出現(xiàn)“掉高壓”報警，檢查激光器電源顯示“過電流”報警。檢測激光器電源電子元件，無異常。

測量電源監(jiān)控線路板（圖1），1#諧振腔檢測電壓輸出為8.4 V，2#～8#諧振腔電壓約為7.6 V，判斷為1#諧振腔油浸式倍壓電源損壞。拆解油浸式電源組（圖2），測量1#諧振腔倍壓電源變壓器、倍壓電容和倍壓二極管等電子元件，均無異常。測量降壓檢測電路，其中1 件100 kΩ 電阻實測值為116 kΩ。初步判斷導致設(shè)備出現(xiàn)“掉高壓”報警的原因是該電阻損壞。

1.5 應急措施

從其他舊線路板拆1 件100 kΩ、2 W 電阻，替換異常電阻。開啟暖機模式，逐漸提高設(shè)定功率，直至最大功率3000 W。觀察激光器工作狀態(tài)，未出現(xiàn)“掉高壓”報警，也無“拉絲”現(xiàn)象。

1.6 真因分析

（1）檢測2 臺激光器，共16 個降壓電阻，阻值均偏大5%以上。此電阻為碳膜電阻，碳膜電阻功率小，受電壓沖擊容易氧化，導致阻值逐漸變大。故判斷此處線路板設(shè)計時使用碳膜電阻不合理，應使用耐沖擊穩(wěn)定性更強的金屬膜電阻。

圖1 電源監(jiān)控線路板

圖2 油浸式電源組

（2）排查過程中發(fā)現(xiàn)的其他問題。混氣比與出廠設(shè)定偏差較大；高純氣體更換和使用不規(guī)范。

1.7 糾正預防措施

（1）采購100 kΩ、2 W 金屬膜電阻更換，避免出現(xiàn)該故障。

（2）修改操作保養(yǎng)指導書。增加電源電壓、電流定期檢測項目；調(diào)整混氣比，增加定期檢點調(diào)整項目；制定標準換氣操作步驟使用要求，宣貫培訓。

（3）對激光器用高純氣體（N2、CO2、He2）進行第三方檢驗，不合格的氣體要求供應商限期整改。

2 切割頭與板材頻繁碰撞問題解決

2.1 問題描述

（1）因板材經(jīng)常翹起，導致激光切割機床切割頭與翹起板材碰撞，致使電容頭、陶瓷體、切割嘴和四聯(lián)件等零部件損壞。碰撞后更換備件、調(diào)整等浪費大量時間，延誤生產(chǎn)。

（2）2018 年，因碰撞損壞零部件共計損失10.3 萬元，明細見表1（停機損失未計）。

表1 2018 年兩臺激光碰撞導致?lián)p失統(tǒng)計

2.2 原因分析

從人、機、料、法、環(huán)五要素分析可能原因。

（1）人。新員工操作不熟練，遇到板材翹曲不能及時處理或處理不當；操作工責任心差，發(fā)現(xiàn)可能會碰撞的情況不做處理；發(fā)生碰撞后未重新調(diào)整同軸，導致激光束偏射，燒壞電容頭；隨動未及時調(diào)整，導致碰撞再次發(fā)生。

（3）料。板材內(nèi)應力大，切割時板材受熱，應力釋放導致其翹曲。

（4）法。切割路徑設(shè)置考慮不充分，未考慮盡量避開易翹曲部位；未使用微連接。

（5）環(huán)。板材存放架短、存放時間長，以及過往人員踩踏，導致板材彎曲，切割過程中容易翹曲。

2.3 排查整改

（1）對所有操作工進行培訓、考核，制定相應獎懲制度。

（2）調(diào)整隨動靈敏度，在不影響使用的情況下調(diào)整至最高。

（3）板材上機前重新開平，釋放部分內(nèi)應力。

（4）編程、排版時優(yōu)化切割路徑，盡量避開易翹曲部位；使用微連接，減少工件翹起概率。

（5）加長板材存放架，避免兩頭下沉彎曲；重新規(guī)劃板料存放區(qū)，設(shè)置護欄，避免人員穿行踩踏。

式中：Φm為永磁磁通，R為氣隙磁阻。式(4)表明齒槽轉(zhuǎn)矩與永磁磁通的平方成正比關(guān)系。可見，如果適當降低磁通密度，可以降低齒槽轉(zhuǎn)矩，但同時也降低了電機的性能。因此，減小dR/dθ是抑制齒槽轉(zhuǎn)矩的可行辦法。由此得到的可降低齒槽轉(zhuǎn)矩的主要措施有：分數(shù)槽繞組、優(yōu)化磁極極弧和槽口寬、斜槽和斜極、磁極分段錯位、磁極偏移等。該電機不能用分數(shù)槽，考慮到電機的工藝性，磁鋼易碎不易加工等情況，所以將消除齒槽轉(zhuǎn)矩的方法定為電樞斜槽。

上述措施實施后，碰撞問題出現(xiàn)頻次略有下降，但未徹底解決問題。

2.4 分析視頻照片進行排查

（1）造成此問題遲遲得不到解決的根源是發(fā)生碰撞時專業(yè)人員不在現(xiàn)場，無法還原當時狀況。后續(xù)通過在設(shè)備上安裝監(jiān)控且每次碰撞后拍攝照片，分析視頻和照片資料，碰撞均是在切割完某一割縫后，空運行至下一割縫起點時發(fā)生。空運行前切割頭會向上移動一段距離（抬頭高度）。嘗試提高抬頭高度，解決問題。

（2）研究控制程序。觀察切割程序，發(fā)現(xiàn)空運行抬頭由子程序1012 和1022 控制。打開子程序分析控制原理。

（3）切割頭高度控制原理。利用傳感器感應計算距離板材高度，當需要空運行時，Z 軸負方向移動直至感應高度10 mm 處停止，再進行空運行動作。

2.5 真因分析

（1）這種控制方式存在以下缺點：①傳感器精準感應距離10 mm，距離越大，誤差越大。②不能預防碰撞，只能發(fā)生碰撞后停止運行。③使用PID 控制，發(fā)生碰撞時存在響應滯后問題，導致碰撞事故擴大。④只能感應到板材高度落差均勻變化的情況，無法感應板材高度落差突變的情況。

（2）根據(jù)操作工拍攝的碰撞現(xiàn)場照片（圖3），建立數(shù)圖模型（圖4），分析出現(xiàn)碰撞的情況：a 點向任意方向移動均會發(fā)生碰撞，b 點向左移動時會發(fā)生碰撞。

（3）根據(jù)數(shù)圖模型，計算工件最高翹起或下陷高度為30 mm，抬頭高度設(shè)置10 mm，不可能完全避免碰撞。但是目前這種控制方式，無法將抬頭高度設(shè)置到10 mm 以上。

圖3 碰撞現(xiàn)場照片

圖4 數(shù)圖模型

2.6 糾正預防措施

（1）制定調(diào)整方案。調(diào)整1#機床子程序，刪除Z 軸移動至傳感器檢測的10 mm 位置，更改為：Z 軸沿負方向相對移動35 mm，不再使用傳感器隨動控制，試運行無異常。連續(xù)運行24 h，無碰撞和異常，調(diào)整2#機床程序。

（2）驗證可行性。記錄調(diào)整前后Z 軸伺服電機負載率，調(diào)整前后最大負載率相差很小，且均不超過30%。

（3）驗證。連續(xù)運行至今（4 個月），未發(fā)生碰撞及異常。

3 總結(jié)

CO2激光切割機床“掉高壓”故障及切割頭碰撞現(xiàn)象，嚴重影響生產(chǎn)效率，造成大量損失。通過分析故障原因，排除故障，找出真因，制定糾正預防措施，徹底避免同類故障再次發(fā)生。研究設(shè)備結(jié)構(gòu)及原理，總結(jié)維修經(jīng)驗，實現(xiàn)了此類設(shè)備部分故障的自主維修。