陳世雷

(瓦房店軸承股份有限公司 特大型分公司，遼寧 瓦房店 116300)

1 故障特征

RVU1250/125數(shù)控立式磨床(進(jìn)口設(shè)備)主要用于外徑1 250 mm以下內(nèi)、外圈的全工序磨加工，一次裝夾即可對(duì)柱面、錐面、端面等進(jìn)行磨削，同時(shí)系統(tǒng)配有車刀架，具有硬車能力。設(shè)備工作臺(tái)及主軸徑向與軸向跳動(dòng)≤2 μm，加工產(chǎn)品精度為P4。機(jī)床磨削軸承外圈時(shí)(Z軸做往復(fù)運(yùn)動(dòng))，Z軸出現(xiàn)嚴(yán)重抖動(dòng)并報(bào)警停車。調(diào)出西門子840D系統(tǒng)負(fù)載頁面觀察電流變化比例帶，可知Z軸上、下行時(shí)伺服傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載明顯處于不平衡狀況，上行時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)電流只有額定電流(12 A)的0～3.5%(0～0.4 A)，而下行時(shí)會(huì)高達(dá)5%～40%(0.6～4.8 A)，上、下行時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)電流相差極大。

2 分析與處理

引起Z軸抖動(dòng)的原因眾多，如電參數(shù)調(diào)整不合理，機(jī)械或液壓及輔助系統(tǒng)等因素。當(dāng)諸多因素混合在一起時(shí)，應(yīng)找出主要矛盾并進(jìn)行機(jī)電液一體化的調(diào)試。遵循優(yōu)化次要因素，揭示主要矛盾的處理原則，實(shí)施辦法為：(1) 液壓等輔助系統(tǒng)與機(jī)械及電氣的剝離；(2) 機(jī)械與電氣的剝離。突出兩個(gè)切入點(diǎn)，一是輔助儲(chǔ)能器與油缸連接部分；二是滾珠絲杠與伺服電動(dòng)機(jī)的連接部分。

由于Z軸上行時(shí)沒有振蕩，下行時(shí)出現(xiàn)激烈的抖動(dòng)直到停機(jī)，故懷疑是由于平衡氣缸的緩沖性能太低，以及液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)油時(shí)出現(xiàn)過沖引起的。因?yàn)樯闲袝r(shí)系統(tǒng)的總油泵會(huì)因系統(tǒng)壓力下降而頻繁啟動(dòng)補(bǔ)壓；下行時(shí)，油被壓入蓄能器，同時(shí)提升了系統(tǒng)壓力(因止回閥的作用，壓力波動(dòng)只能靠膠囊蓄能處理，懷疑蓄能器膠囊性能不足以緩沖壓力變化)，當(dāng)壓力達(dá)到6.1 MPa時(shí)，Z軸下移就會(huì)激烈地抖動(dòng)使伺服電動(dòng)機(jī)負(fù)載增大導(dǎo)致系統(tǒng)停機(jī)。確立了上述基點(diǎn)后，分析與處理脈絡(luò)依圖1所示流程進(jìn)行。

圖1 處理流程

2.1 穩(wěn)定Z軸電動(dòng)機(jī)負(fù)載

首先從改善Z軸電動(dòng)機(jī)負(fù)載平衡入手，使電動(dòng)機(jī)負(fù)載穩(wěn)定，進(jìn)而逼近故障本質(zhì)。蓄能器液壓平衡系統(tǒng)工作原理如圖2所示，整個(gè)設(shè)備總液壓油穩(wěn)定由數(shù)字式壓力開關(guān)檢測(cè)和控制，由總高壓進(jìn)油管進(jìn)油補(bǔ)壓；當(dāng)系統(tǒng)壓力高于由先導(dǎo)式減壓閥設(shè)定的壓力值時(shí)，先導(dǎo)式減壓閥動(dòng)作，接通總高壓進(jìn)油管與總泄壓回油管，使油泵供壓部分與蓄能器部分隔離。蓄能器、壓力表、閥門和Z軸氣缸組成了蓄能器主體平衡系統(tǒng)；數(shù)字式壓力開關(guān)作為檢測(cè)點(diǎn)連接供壓與受壓部分；手動(dòng)泄壓閥主要功能在于調(diào)試蓄能器系統(tǒng)油壓時(shí)，結(jié)合蓄能器本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作短時(shí)的開閉動(dòng)作，使系統(tǒng)泄壓，配合先導(dǎo)式減壓閥與數(shù)字式壓力開關(guān)的壓力設(shè)定可靈活調(diào)定p1-v1的狀態(tài)(圖3)。

圖3 高壓膠囊式蓄能器充壓狀態(tài)示意圖

p0-v0是膠囊中預(yù)充N2且蓄能器尚未充入液壓油的初始狀態(tài)；p1-v1是在p0-v0的基礎(chǔ)上接入系統(tǒng)，氣缸所處特定位置(氣缸升到最上端，膠囊氣體壓力與壓力表及數(shù)字式壓力開關(guān)處壓力相同時(shí))的狀態(tài)；結(jié)合p0-v0與p1-v1及氣缸全程壓下可以確定p2-v2的狀態(tài)。以伺服電動(dòng)機(jī)上、下行時(shí)電流負(fù)載平穩(wěn)為目的，整個(gè)調(diào)試過程是一個(gè)不斷的放氣、充氣，充油、泄油及根據(jù)西門子840D系統(tǒng)負(fù)載頁面中的電流變化比例來確定相關(guān)參數(shù)的過程。

(1)首先調(diào)整先導(dǎo)式減壓閥以確定系統(tǒng)壓力，同時(shí)關(guān)注平衡氣缸，發(fā)現(xiàn)影響Z軸動(dòng)態(tài)平衡的關(guān)鍵是氣囊的原始?jí)毫ΓS即進(jìn)行了參數(shù)標(biāo)定，確定新的原始充氣壓力p0為4.0 MPa，較原始數(shù)據(jù)(5.4 MPa)更為合理，即處于p0-v0狀態(tài)。

(2)以確保系統(tǒng)油量充足不斷流為前提，調(diào)定系統(tǒng)壓力p1為6.0 MPa (此時(shí)Z軸磨頭所處位置為最上端，即蓄能器處于p1-v1狀態(tài))。調(diào)整后伺服電動(dòng)機(jī)的上、下行負(fù)載(以電流比例顯示)都控制在額定電流的5%～10%(0.6～1.2 A)，系統(tǒng)達(dá)到了良好的平衡狀態(tài)。

(3)負(fù)載平衡后，設(shè)備Z軸上、下行負(fù)載有較大的改善，但Z軸抖動(dòng)情況仍沒有完全消除，僅降低了振動(dòng)頻次，說明故障尚未整體排除。

伴隨上述處理過程，又實(shí)施了極端性操作，即將氣囊油路閥門完全截止，氣缸油路放空，保證系統(tǒng)單程負(fù)載完全不變動(dòng)，此時(shí) Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)正常，但由于Z軸上行的伺服電動(dòng)機(jī)負(fù)載明顯加大，負(fù)載頁面顯示值高達(dá)60%(7.2 A)左右，使電動(dòng)機(jī)升溫較快、過熱保護(hù)動(dòng)作而停機(jī)。極端處理主要是印證平衡系統(tǒng)變載時(shí)對(duì)系統(tǒng)的影響，圍繞蓄能器對(duì)平衡系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，為后來確認(rèn)故障具體部位提供了反向證明，即波動(dòng)對(duì)于伺服電動(dòng)機(jī)來講，實(shí)質(zhì)是一種瞬間的失速，結(jié)合負(fù)載則是一種張力失衡。

(4)圖3中p2為氣缸下行至極限點(diǎn)后的壓力，必須大于6.0 MPa(6.8 MPa左右)，而變化的體積基本為氣缸全行程的容油量ΔV，蓄能器正常工作時(shí)壓力在p1～p2連續(xù)變化。

2.2 伺服系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整

拆解分析皮囊式蓄能器并確定液壓參數(shù)，排除了蓄能器作為主要故障因素的可能。隨后從電氣角度進(jìn)行調(diào)整，即：

(1)用互換法排除伺服系統(tǒng)硬件出現(xiàn)故障的可能；

(2)對(duì)速度環(huán)增益與積分時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，減少增益與適度延長積分時(shí)間，再對(duì)位置環(huán)的增益進(jìn)行調(diào)整，降低其跟隨性的精度，在設(shè)備效率適度損失的情況下，極大地改善了設(shè)備Z軸抖動(dòng)的情況，成功地將故障情形固定在僅當(dāng)Z軸上、下行換向時(shí)刻出現(xiàn)。這種狀況可理解為瞬時(shí)變載(已確立管路無殘存空氣)且故障點(diǎn)應(yīng)當(dāng)極小，位置位于負(fù)載交變處。

通過調(diào)整伺服系統(tǒng)、優(yōu)化蓄能器及液壓系統(tǒng)參數(shù)，確定了故障范圍，弱化了故障強(qiáng)度。而對(duì)伺服系統(tǒng)除電流環(huán)之外的速度與位置兩環(huán)調(diào)整，為今后對(duì)設(shè)備實(shí)施快捷的維護(hù)提供了手段。

2.3 機(jī)械關(guān)鍵點(diǎn)處理

設(shè)備機(jī)械部件的潤滑及外觀良好，排除了導(dǎo)軌與絲杠出現(xiàn)故障的可能。假設(shè)伺服電動(dòng)機(jī)本身無故障，對(duì)涉及速度環(huán)節(jié)與位置環(huán)節(jié)的編碼器與光柵尺接頭部分進(jìn)行檢查，沒有異常。而對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)與絲杠進(jìn)行點(diǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)絲杠的軸端軸承有輕微的振動(dòng)，在進(jìn)行相應(yīng)的安全處理即防止液壓升頂?shù)忍幹煤螅撻_電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠接頭，拆卸絲杠端蓋，發(fā)現(xiàn)四列背對(duì)背并聯(lián)角接觸球軸承下側(cè)兩軸承內(nèi)溝道有少量疲勞剝落，可以確認(rèn)此處是引起故障的一個(gè)節(jié)點(diǎn)(文2.1所述第(3)項(xiàng)及2.2中第(2)項(xiàng)也得以印證)。此處的缺損引起位置環(huán)跟隨誤差，因?yàn)槲⑿〉恼駝?dòng)信號(hào)一旦引入伺服傳感環(huán)節(jié)將被放大，伴隨著不同的伺服電參數(shù)表現(xiàn)為抖動(dòng)與爬行等不確定現(xiàn)象，用NSK 40TAC72BSUC10PN7B軸承對(duì)原軸承進(jìn)行了替換，故障完全排除。當(dāng)然，如果故障情況仍沒有消除，對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行檢查處置，將是解除故障的后續(xù)方向。

3 結(jié)束語

處置類似復(fù)合性故障首先應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定液壓參數(shù)，遵循先易后難原則，同時(shí)在調(diào)試的中期突出對(duì)電氣參數(shù)的調(diào)整，發(fā)揮電控對(duì)故障判定與導(dǎo)引作用，啟發(fā)維修人員對(duì)故障脈絡(luò)的疏理。而保持對(duì)關(guān)鍵部位微小機(jī)械故障的高度敏感，認(rèn)清高精度立式磨床設(shè)備的滾珠絲杠及滾珠絲杠支承軸承是其精度維護(hù)的關(guān)鍵。