數控機床伺服刀塔的維修研究

盧 森

（中國航發貴州黎陽航空動力有限公司，貴州貴陽 550016）

0 引言

機床制造的迅速發展，伺服刀塔越來越多地應用到一些中高檔的數控機床上。面對公司數控伺服刀塔在中高端機床的應用越來越多且故障頻發的情況，研究并弄清數控伺服刀塔的工作原理，是分析并解決伺服刀塔故障的重要基礎和保障。論述基于伺服刀塔的基本控制原理，解決生產活動中的實際刀塔故障。

1 伺服刀塔一般原理

伺服刀塔由于生產廠家不同，結構和工作模式不完全相同，但工作原理大致相仿。

1.1 伺服刀塔一般工作原理

論述主要基于一般工作原理，來解析數控刀塔的工作流程。數控伺服刀塔，一般由伺服電機、機械傳動部件、液壓夾緊/松開裝置三大部分組成。一般伺服刀塔組成如圖1 所示。

圖1 一般伺服刀塔組成

1.2 換刀流程

正常情況下，伺服刀塔的換刀動作、換刀流程如圖2 所示。

圖2 換刀流程

1.3 重要組件

伺服刀塔通常采用帶編碼器的伺服電機作為轉動動力。

伺服電機后置編碼器，采集電機位置信息，反饋給伺服電機驅動器，進行位置控制。

2 伺服刀塔典型故障

2.1 典型故障1

某部件事業部QP640-L 鉆銑中心（上海偉楊，三菱M70 系統）換刀故障。

故障現象：MDI/自動方式下，執行換刀指令后，Z 軸移動到指定換刀點，主軸定位，之后機床便一直處于等待狀態，Z 軸燈閃爍，機床沒有進一步的動作，也沒有提示或報警。

原因分析：換刀過程中出現非正常停止，換刀動作并未完成，又沒有報警產生。從梯形圖中可看到，Z 軸移動到位，主軸定位信號也已完成，PLC 已將刀盤轉動的啟動信號發至刀塔伺服驅動器。查看機床電器柜內刀盤轉動裝置，臺達ASDA-A2 伺服驅動，面板顯示AL060。查閱臺達驅動手冊部分，臺達ASDA 驅動相關異警見表1，表1 中AL060 描述，初步診斷為驅動器零點信號缺失，造成驅動器尋找目標刀號失敗，使換刀流程在這一步處于等待狀態。機床廠家并未將驅動報警狀態反饋回機床PLC，讓機床并不知道驅動器的異常狀態，沒有產生報警并一直處于等待狀態。

表1 臺達ASDA 驅動相關異警

解決方法：查看這臺機床的驅動裝置，并未見到外部電池，本著先讓機床恢復加工的思路，先對驅動作了零點重置。參數設置過程如下：P2-08 先設30，再設28，斷電上電；P2-69 設為1；P2-08 設為271，P2-71 設為1；P0-49 設為1；觀察P0-51、P0-52；完成零點重置。設置完成后，由操作者執行換刀指令，換刀正常。如果此時刀號不對，將轉塔轉動到正對的一號刀位，重新做一遍零點重置即可。

小結：針對這臺機床的轉塔伺服電機，當P2-71 設為1 后，顯示部分變為AL061，由表1可知，該編碼器的電池電壓已不足，當盡早更換（注：后來發現電池安裝于CN1 電纜上的盒子里，已換新）。而零點丟失，也是因為該機床因故有多天斷電未使用，電池耗盡或低于正常值造成編碼器記憶的零點信號丟失。機床伺服驅動的報警信號并未做到機床內置PLC 里，即使驅動狀態異常，系統并不可知。關于報警信息的處理，可考慮修改PLC 程序。

2.2 典型故障2

某分廠Viva Turn 數控臥車（沈一機，FANUC 0i 系統）換刀故障。

故障現象：刀塔轉動不到位，造成換刀1007（Turret Counter Error）報警。手動狀態下，能暫時恢復刀塔正常轉動，但不久又會出現同樣的報警，且故障頻度越來越高，已經嚴重影響加工進度。而該故障出現，伴隨著刀號也錯亂，極易造成機床事故和加工廢品。

原因分析：在排查故障中，經過大量的試驗發現，手動狀態下，當刀塔順著一個方向轉動時，刀塔能正常換刀，一旦任由刀塔就近選刀，正反轉交替，前述故障就頻繁出現。通過觀察刀塔伺服驅動的數碼顯示發現，刀塔轉動不到位時，驅動顯示的位置值處于正常狀態。那么，問題很可能出在機械連接上，當伺服電機按伺服驅動要求轉動到位時，機械連接部件并未到達指定目標，造成鎖緊裝置無法正常工作而報警。

月修中應重點關注回火器濾網的清洗、安裝情況，對濾網片不好安裝的，要對底盤進行攻絲，以免松脫造成防爆片爆炸；要利用月中更換系統的機會清洗回火器，且根據各燒嘴壓力情況適時更換干凈的回火器；水冷套管變形較多時，應排查、更換回火器；確認爐區各燒嘴處是否有冷銅，若冷銅距燒嘴較近，宜先用大火燒融，確認后再停爐吹風冷卻；做好漏風、漏水等管道密封工作；后期要將各燒嘴冷卻水一律開至最大，更換使用狀況不良的蝶閥和不帶鋼絲的軟管。

解決方法：將刀塔伺服電機拆下，打開連接部件。檢查發現，電機軸與刀塔旋轉機構通過軸套連接，軸的180°方向各裝了一個平鍵，兩個平鍵處于極度磨損狀態。更換平鍵后安裝調試，刀塔恢復正常。

小結：平鍵的磨損，造成徑向很大的反向間隙。由此也解釋了當刀塔順一個方向轉動時，尚可工作的情況?；謴偷短栧e位，機床廠家設計了組合件功能，即“調整方式”下，同時按住“Reset”鍵、“手動”鍵和“復位”鍵，直到機床頂部信號燈變為綠色，即可將當前加工刀位置為1 號刀位。

2.3 典型故障3

某分廠SL2500 數控臥車（森精機三菱MSG-805 系統）刀塔故障。

故障現象：轉動刀塔，刀塔不動，之后顯示換刀超時報警。

分析1：由于這臺機床是十一長假后，操作者第一次開機床。操作中發現，X、Z 軸均正常，但刀塔不動。這臺機床的伺服刀塔，在之前由于電池掉電的原因，丟失過原點，也成功地設置原點并恢復正常使用。這次的刀塔不動，考慮大長假這個因素，原點丟失，是最先考慮的可能。三菱805 系統的原點設置涉及參數2049（編碼器類型）、6437.1（手動刀塔鎖緊松開模式）、D394（手輪觸發T 模式）。按照原點重新設置流程做了一遍，卻發現如下問題：①以前刀塔原點丟失，屏幕會顯示Z70 絕對位置丟失，但這一次卻沒有任何提示；②設置過程中，手動轉動刀塔時，卻常因為刀塔伺服轉動異常而停止。多次設置后，刀塔轉動并未能恢復正常。多次的設置，有時刀塔能轉動一個刀位，其后轉動便不再受控，有時亂轉，有時不動。

分析2：三菱的數控系統，加上機床沒有圖紙，使得分析故障原因異常艱難。由于轉動中有異響，便和機修一起，對刀塔進行局部分解，仔細檢查后并未發現異常，先排除掉機械方面的因素。通過技術手段，打開梯形圖，尋找線索，發現刀塔內部鎖緊/松開接近開關工作正常，由此也搜尋到控制刀塔伺服驅動轉動的輸出信號，轉動的輸出信號也正常。檢查刀塔電機動力線、編碼器連線，沒有查出異常。對比刀塔伺服電機編碼器和Z 軸伺服電機編碼器發現，型號一樣，于是進行了置換，置換后，刀塔試運行一段時間后（一度以為已好），再次出現刀塔換刀異常。最后，將重點懷疑對象伺服驅動器和伺服電機拆下，一起外委檢查及修理。

解決方法：排除掉諸多相關因素，在無法完全確定故障點的情況下，將刀塔伺服驅動及電機一起送到專業機構檢查并修理。結果出來，為刀塔的伺服驅動器部件損壞。將修好的伺服驅動安裝，再用常規的零點重置流程設置刀塔原位后，刀塔恢復正常使用。

小結：沒有資料的伺服刀塔，修理難度很大。本次故障，刀塔不轉，引發故障的因素可能很多。鎖緊/松開信號不正常、電機故障、機械故障、驅動器故障都會引發刀塔不轉動故障。有資料的情況下，順著換刀流程檢查各級信號，將是技術性維修的依據。這臺機床由于特殊原因，只有零星的參考價值不大的資料。整個維修過程，查閱大量的參考資料，通過特殊渠道取得一些技術支持，并將可疑器件送檢才最終完成這次伺服刀塔的修理。

2.4 典型故障4

某分廠FBL300 數控臥車（臺灣福裕，FANUC 0i 系統）刀塔故障。

故障現象：機床正常使用，刀塔轉動中時常發生錯位，機床不報警，從而造成打刀或零件報廢。

原因分析：伺服刀塔靠電池記憶刀塔伺服電機后置編碼器絕對值位置，造成刀號錯亂，多是由于下面兩個方面的原因引起。①伺服驅動電池掉電，致使刀塔位置信號丟失；②電機轉動中，電機軸與刀塔實際位置發生傳動脫節，而半閉環的控制模式，使得控制系統并不知道刀塔實際位置不符，用錯誤的刀位繼續下面的工序，必然造成事故。

解決方法：這臺機床是過渡期的產品，設計上有不完善的地方。由于PLC 控制程序里，缺少到位檢測及伺服驅動報警反饋環節，使得信息交換出現偏差。經研究決定，通過更改PLC 程序來修補完善。這樣，即便因故換刀不到位，機床將會處于報警停止狀態，避免錯誤的刀位繼續加工，造成更大的損失。增設的PLC 程序如圖3 中方框部分。

圖3 修改PLC 程序

小結：修改PLC 程序后的機床，再未出現換刀不到位就去加工的現象，避免了故障擴大化。雖然后期該機床出現過刀塔故障，但由于保護程序的作用，機床會由于故障處于停止狀態，待機床故障排除后，機床方可正常運行。

3 伺服刀塔的保養及意見建議

伺服刀塔的構造，決定故障產生的可能因素。從現場維修所處理的故障看，由于電池和液壓造成的故障居多。由此，針對性提出建議，以預防性避免故障更多地產生。

3.1 電池定期更換

電池給伺服電機編碼器重要數據的保存提供能源，當電池電壓低或耗盡后，作為數控系統有時不能提供電池電壓低的報警。這就需要對所有帶伺服刀塔電池的機床做好紀錄并最好定期更換。

3.2 液壓系統的檢查

液壓系統異常，比如缺油或壓力不足，對伺服刀塔的損害很大。夾緊松開電磁閥靠正常的液壓保證。檢查液壓系統，關注油箱液壓油的損耗，可以作為定期檢查的項目。

4 結束語

伺服刀塔的故障，表現各異。但經由工作原理進行故障分析，找出故障點是最根本的方法。前述幾例典型故障的排除，多經由原理分析得到正解，也積累了大量的維修經驗，為以后維修提供重要的參考。