蔚騰 陳國(guó)良 張瑞

摘要：本文針對(duì)實(shí)際工作中一例電主軸裝刀系統(tǒng)故障的改造案例，分析研究了該故障發(fā)生的原因，介紹了該故障的解決方案和排除過(guò)程。

關(guān)鍵詞：差動(dòng)連接;模擬量PLC;流量檢測(cè);伯努利方程

1.引言

我公司一臺(tái)五軸加工中心機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中偶發(fā)刀具掉落但機(jī)床無(wú)報(bào)警提示，依然高速加工的故障，存在極大的安全隱患。該機(jī)床主軸拉刀機(jī)構(gòu)的控制和檢測(cè)全部由液壓控制，PLC控制程序固化在機(jī)床廠自主設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)K11模塊中，無(wú)法進(jìn)行分析。

2.故障現(xiàn)象描述及分析

2.1故障現(xiàn)象描述

機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，偶爾出現(xiàn)主軸拉刀機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，刀爪松開導(dǎo)致主軸上裝夾的刀具掉落現(xiàn)象，但系統(tǒng)并未發(fā)出報(bào)警，程序仍繼續(xù)運(yùn)行。由于此時(shí)機(jī)床正高速運(yùn)轉(zhuǎn)，極易造成人員傷害及工件、設(shè)備的損壞，存在極大的安全隱患。

2.2故障分析

該數(shù)控機(jī)床刀具夾緊方式為液壓控制，由于旋轉(zhuǎn)密封的密封圈老化造成冷卻液進(jìn)入液壓系統(tǒng)油路，導(dǎo)致控制主軸拉刀機(jī)構(gòu)的液壓閥組出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，當(dāng)泄漏的油量積累到一定程度時(shí)就會(huì)引起機(jī)床拉刀機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作，導(dǎo)致主軸刀具掉落。機(jī)床裝卸刀系統(tǒng)由液壓泵、蓄能器、三位五通電磁換向閥、流量檢測(cè)器和液壓缸等元器件組成，系統(tǒng)連接方式為差動(dòng)連接。當(dāng)系統(tǒng)執(zhí)行主軸裝刀動(dòng)作時(shí)，液壓泵和三位五通電磁換向閥左側(cè)線圈同時(shí)得電，液壓油經(jīng)過(guò)流量檢測(cè)器進(jìn)入液壓缸左側(cè)的腔體內(nèi)，同時(shí)推動(dòng)液壓缸右側(cè)的腔體內(nèi)液壓油通過(guò)回路流入油箱中。電路控制方式為渦輪流量檢測(cè)裝置將檢測(cè)數(shù)據(jù)輸入到K11模塊中，通過(guò)K11模塊中程序處理將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，反饋至西門子PLC模塊中。

3.解決方案

針對(duì)上述故障問(wèn)題，首先要確保當(dāng)主軸刀具夾持位置出現(xiàn)偏差時(shí)，系統(tǒng)能夠觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警，提示操作人員及時(shí)切斷機(jī)床主軸及坐標(biāo)的進(jìn)給使能，有效保障設(shè)備和人員安全。另外還要外加一套刀具位置檢測(cè)來(lái)檢測(cè)刀具是否夾緊。

3.1增加油質(zhì)檢測(cè)裝置

由伯努利方程式P+ρgh+（1/2）* ρv2=c可知，當(dāng)液壓系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏或混油狀況時(shí)，壓強(qiáng)必然發(fā)生變化，導(dǎo)致主軸拉刀裝置發(fā)生竄動(dòng)，容易發(fā)生掉刀現(xiàn)象。因此在原液壓油路中增加了油質(zhì)檢測(cè)裝置，該裝置會(huì)將檢測(cè)結(jié)果反饋至PLC。PLC對(duì)輸入模擬量信號(hào)進(jìn)行處理，并將結(jié)果與預(yù)警值進(jìn)行比較，當(dāng)油液發(fā)生嚴(yán)重變質(zhì)時(shí)，檢測(cè)數(shù)據(jù)誤差將超過(guò)預(yù)警值，此時(shí)PLC輸出報(bào)警，提示操作人員及時(shí)更換液壓油，同時(shí)禁止機(jī)床正常運(yùn)行。

3.2 增加位置檢測(cè)裝置

增加模擬量位置檢測(cè)開關(guān)，編譯有刀夾緊、無(wú)刀夾緊、主軸松刀PLC程序，該程序與K11模塊的裝卸刀輸出狀態(tài)相互比較，起到雙重保護(hù)作用，保障機(jī)床能夠正常運(yùn)行起到應(yīng)急生產(chǎn)要求。

3.3實(shí)施步驟

1.使用PG/PC通過(guò)適配器與NCU通訊連接。

2.通過(guò)STEP-7軟件將機(jī)床的PLC程序下載至電腦端。

3.打開機(jī)床的PLC硬件組態(tài)界面，新安裝一個(gè)16位數(shù)字I/O模塊和16位的模擬量A/O模塊。

4.將硬件組態(tài)重新上傳到NCU模塊中，重新NCK復(fù)位即可生效。

在編譯裝卸刀PLC程序時(shí)，因?yàn)槲恢脵z測(cè)開關(guān)為模擬量開關(guān)，模擬量程序的編譯不僅需要編譯邏輯控制程序，還涉及到模擬量的轉(zhuǎn)換公式推導(dǎo)和使用問(wèn)題。例如：測(cè)距范圍0-10mm，位置開關(guān)輸出信號(hào)為4-20ma，20ma對(duì)應(yīng)數(shù)字量為32000，4ma所對(duì)應(yīng)數(shù)字量為6400。

傳感器測(cè)量距離L=10cm時(shí)，輸出電流I=20ma，模塊轉(zhuǎn)換數(shù)字量=32000，測(cè)距L=0cm時(shí)，輸出電流=4ma，模塊數(shù)字量AIW=6400。T與AIW的關(guān)系曲線圖（如圖4），根據(jù)三角形相似定理可知：△ABM～△CDM。故可列出：

Lx=10*（AIW-6400）/（32000-6400）。根據(jù)此方法可推導(dǎo)出距離傳感器經(jīng)過(guò)模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后在轉(zhuǎn)換為被測(cè)量的電流的轉(zhuǎn)換公式。

4.結(jié)論

本次技術(shù)改造，不僅可實(shí)現(xiàn)在油脂變質(zhì)時(shí)提示操作人員及時(shí)換油，并且新增的刀具夾緊檢測(cè)報(bào)警解決了該機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中可能的安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 機(jī)床電氣控制技術(shù)，機(jī)械工業(yè)出版社

（作者單位：西安飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司設(shè)備廠）