成型磨床測量系統故障分析與排除

李瀟飛，韓躍偉，王永智

（中車西安車輛有限公司，陜西西安 710086）

0 引言

隨著我國鐵路運輸的蓬勃發展，對鐵路運輸的要求逐步向多、快方向集中，這就對作為鐵路貨車的主要承載部件——車軸的加工質量提出了很高要求。為保證新造貨車轉向架車軸的加工質量，中車西安車輛有限公司引進了日本豐田工機公司生產的成型磨床，用來加工新造貨車轉向架車軸。

日本豐田公司成型磨床系統主要包括成型磨削砂輪、機床床身、液壓系統、控制系統及測量系統等，可完成成型砂輪自動修磨整型、車軸加工的自動磨削及磨削過程的實時測量監控。隨著該成型磨床的使用時間越來越長，成型磨床系統各部件逐漸老化，故障也隨之增多。在日常使用過程中，主要體現在軟、硬件兩個方面，其中軟件方面程序的故障比較多，但易于處理；硬件方面的故障影響因素很多，分析處理比較困難，直接影響到設備的正常運轉和現場生產的順利進行。本文就成型磨床測量系統軟硬件方面的疑難故障分析及維修排除進行研究。

1 故障原因

隨著成型磨床使用年限的不斷增加，機床測量系統在使用過程中時常出現故障報警，造成加工程序中斷的現象也越來越頻繁。對于系統偶發故障報警，只要進行手動復位后即可繼續工作。而對于嚴重的硬件故障報警，手動復位無法徹底消除，這時就需要根據系統的報警信息進行相應處理。機床測量系統常見的報警信息如下：

（1）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），B013 Head is out of measuring range，意為自動測量故障（AMP 故障），測量超出范圍。

（2）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A023/022 Detector cable cut or shortciuited Cboard，意為自動測量故障（AMP 故障），檢測電纜斷路或短路。

（3）報警號為G468，報警文本為AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A130 Part/process Nos are wrong 19-07-25 Correct part/process Nos，意為自動測量故障（AMP 故障），程序編號錯誤。

2 成型磨床測量系統工作原理

日本豐田成型磨床的測量系統主要由測量裝置、驅動裝置、測量儀三部分組成。

測量裝置安裝在驅動裝置上；驅動裝置安裝在成型磨床本體上；測量儀獨立安裝，通過數據通信電纜與測量裝置、成型磨床控制主機及控制柜之間實現數據處理、信息傳送及命令執行。在車軸磨削加工過程中，當被加工車軸經過粗磨，消除車軸表面的加工刀紋后，控制主機就會發出指令，驅動裝置驅動測量裝置對正在加工的車軸進行實時測量。在整個加工過程中，測量裝置始終保持著對工件的實時測量，并將加工過程中的尺寸變化量實時傳遞給機床控制系統，再由成型磨床主機根據車軸的實時尺寸信息發出相應的控制信號，如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等，控制機床的加工動作。車軸磨削加工完成后，主機會記錄車軸加工各個部位的數據信息，與測量系統實時通信，根據系統正定系數對車軸磨削加工尺寸進行自動補償，并為車軸磨削加工的下一次工作循環做好準備，從而實現車軸磨削加工過程的閉環控制。

在整個車軸磨削加工實時測量過程中，操作人員無需停機就能看到系統對加工車軸的實時測量數據，減少了操作工的勞動強度，提高生產效率，降低廢品率，且磨削加工出的車軸尺寸一致性較高，大大降低了下個工序（基軸制加工輪轂孔）的加工難度，保證了輪對組裝的合格率。

2.1 測量裝置

測量裝置俗稱測頭，其中與被加工車軸表面接觸的部分稱為測子（圖1）。測量裝置端頭的耐磨材料是金剛石，在車軸磨削加工過程中，起著把被測車軸磨削加工尺寸的實時變化量轉化為測量信號的作用，是測量儀的主體。在砂輪磨削車軸加工的整個過程中，測量裝置的2 個金剛石測子始終與磨削加工車軸的表面接觸，將被磨削加工車軸直徑的變化量通過測子、測桿及位移放大杠桿，推動測量裝置中位移傳感器的磁芯和電感線圈產生相對位移，從而將尺寸的變化轉換為電感量的變化，形成變化的電壓信號，并通過數據通信電纜反饋到測量儀。由測量系統將此信號進行處理，并將處理結果傳遞給主機。

圖1 測量裝置

2.2 驅動裝置

測量裝置的進退由驅動裝置帶動，驅動裝置為雙液壓缸驅動，并安裝有導向桿，保證了測量裝置在運動過程中的精確定位。被磨削加工的車軸裝夾好后，磨削砂輪快速前進，當磨削砂輪進給到預定磨削加工位置時，主機控制驅動裝置帶動測量裝置進入測量工位。磨削加工車軸達到預設置的尺寸后，磨削砂輪快速退回，同時驅動裝置帶動測量裝置退出測量工位，以便操作者裝卸車軸。

2.3 測量儀

測量儀獨立安裝，通過數據通信電纜與測量裝置、成型磨床主機及控制柜連接，實現數據處理、傳送及通信（圖2）。在車軸磨削加工過程中，測量裝置將測量信號通過數據通信電纜傳遞到測量儀，在整個測量過程中，測量儀始終顯示被磨削車軸的實時尺寸，并將其尺寸變化量實時傳遞給主機控制系統。它是測量系統的控制中樞，起著數據收集分析、處理及傳遞的作用。

圖2 測量儀

3 故障原因分析及排除

在程序運行過程中出現嚴重故障時，會導致測量系統報警，造成程序中斷、不能繼續工作。此類嚴重故障報警一般與測量裝置、驅動裝置、測量儀有關，下面分別對3 種故障報警進行分析排除。

3.1 測量裝置故障

測量裝置的故障主要表現為超出測量范圍報警，斷路或短路報警。

3.1.1 超出測量范圍報警

B013 Head is out of measuring range，測量超出范圍報警主要有系統相對零點不準、系統機械零點不準及放大杠桿機構板簧壓力不足3 種原因。

3.1.1.1 系統相對零點不準

上標準車軸→頂起車軸→左/右定寸裝置出（此時測量裝置停在測量位置）→按PREV/1/1（2）進入測量儀校準界面→按SHIFT+ZERO ADJ 進行系統零點校準操作，然后進行正常磨削加工操作，注意磨削加工過程中實時監控磨削尺寸，分段停機進行手動測量，并將測量數據與自動測量數據進行比較。若兩者相同，則說明此次偏差為系統零點位置不準造成，只要重新校準系統零點即可。若兩者測量數據仍然相差較大，則為系統機械零點不準，就需要對系統機械零點重新進行校準操作。

3.1.1.2 系統機械零點不準

上標準軸→頂起車軸→左/右定寸裝置出（此時測量裝置停在測量位置）→按PREV/2/1（2）進入測量儀機械零點校準界面→調整上下接觸子使零點公差控制在±10 μm 內→按SHIFT+ZERO SET 進行系統機械零點校準操作，然后按上述步驟進行系統零點校準。

3.1.1.3 放大杠桿板簧壓力不足

如果是放大杠桿板簧壓力不足造成的偏差，表現為當測量裝置處于自由狀態時，上、下測桿向內用手輕輕相對壓緊時，測量系統顯示測量數據有變化，說明測量裝置還有動作間隙行程（正常情況測子接觸工件表面后是無行程的），這表現為上、下接測子端頭與工件表面之間接觸的壓力不夠，從而導致測量結果出現偏差，此時需要打開測量裝置，對確定有行程間隙的測桿的壓力板簧進行預壓緊調整，直到消除間隙行程即可排除故障。

3.1.2 測量裝置斷路或短路報警

針對A 023 /022 Detector cable cutor shortciuited Cboard，檢測電纜斷路或短路報警，需要對測量裝置的電源及信號線路進行校對，通過檢測故障測頭并與正常測頭的檢測信號互相進行對比，判斷一組測頭為數據線故障，另一組測頭為傳感器輸出故障（圖3），詳細測量并記錄兩組測頭所有的原始詳細信息，做好相應標識，拍照留底，并畫出接線原理圖（圖4）。仔細校對確認無誤，然后對測頭拆解，將兩組測頭中判斷為好的傳感器、接口電路板、數據線、連接接頭進行重新組裝，在直徑不到1 cm的接口電路板上正反面焊接了15 根數據線，焊接后對比存留原始信息，檢測確認無誤，組裝上機測試，進行系統相對零點校準后，進行試加工，確認機床工作狀態正常。

圖3 傳感器輸出故障

圖4 接線原理

3.2 驅動裝置故障

驅動裝置故障主要表現為驅動油缸無動作或驅動油缸無法到達測量位置。此種情況一般無報警，基本可以斷定為機械故障，此時需要做以下工作：①查液壓系統壓力是否正常；②檢查電磁閥是驅動信號是否正常；③打開油缸進油口查看是否有油，判定電磁閥動作是否正常；④打開油缸回油口，檢查回油口是否一直出油，判斷油缸是否串缸；⑤驅動油缸不能到達測量位置且油缸無故障，多數為維修過程中導向桿安裝不當或導向套端頭排氣孔堵塞造成，檢查導向桿的導向套端頭排氣孔是否暢通，疏通排氣孔重新安裝導向桿并即可解決。

3.3 系統測量儀故障

如果排除了系統測量裝置及驅動裝置故障，可確定為系統測量儀有關方面的故障。系統測量儀故障主要表現為系統A 130 Part/process Nosare wrong 19-07-25 Correct part/process No s，程序編號錯誤報警（圖5）。

圖5 測量儀報警

報警內容顯示程序編號錯誤，需要調整程序編號，但實際操作中程序編號并未發生變換，由此可以判定不是程序故障，而是電氣故障。

首先，應對相對容易檢查的所有外圍相關電源線、數據通信電纜線以及各個線纜插頭部分進行測量檢測，確保各個數據通信電纜及插頭無故障。然后調出系統測量儀的控制I/OMONITO R頁面，通過此界面顯示的信息，可以對機床測量系統所有的I/O狀態進行實時觀察，通過此界面的顯示信息，觀察到測量儀共有35 個輸入點，從I 000 至I 034，有48 個輸出點，從I 040 至I 087，數值為1 表示該點為高電平，對應信號為該I/O 有輸入/輸出，數值為0 表示該點為低電平，對應信號為該I/O 沒有輸入/輸出。

根據說明書可知正常工作狀態時測量系統各I/O 點數值。將報警狀態的I/O 點數值與正常狀態的I/O 點數值進行對比，發現I 040 輸出點有異常，該I/O 點正常時數值應為0（低電平），而此時該點的顯示值為1（高電平），所以可以確定I 040 輸出點故障（圖6）。也就是說，測量儀實際輸入無故障，但輸出有故障報警。

圖6 I/O 數值

為進一步確認分析結果，打開系統測量儀，對I/O 板上所有I/O 點進行測量對比，發現所有輸入點的電平信號與正常狀態時的電平信號一致，輸出點的電平信號除I 040 輸出點與正常時相反外，其他輸出點電平信號均與正常時的電平信號一致（圖7）。因此，可以斷定I 040 輸出故障導致了系統報警。經檢測I 040 在系統輸入信號正常時，持續輸出故障報警信號。經進一步檢測發現，該點輸出光電耦合器短路故障，更換光電耦合器后故障排除。

圖7 I/O 板

4 結束語

由于日本豐田成型磨床自動化程度高，故障診斷過程比較復雜，系統的報警信息只能對故障判定起到提示輔助作用。所以在日常生產中成型磨床故障時，必須首先分析具體的故障原因，找出報警的真正故障點，然后通過相應操作程序，維修或更換損壞配件來消除報警。通過不斷的分析摸索，積累維修經驗，為后期的故障維修提供參考。