童楠楠， 郭 鵬， 張 強(qiáng)， 閆治超， 馮春彪，徐小剛， 韓恒博， 李 旭

（寶雞鋼管西安石油專用管公司， 陜西 寶雞721008）

0 前 言

EMAG 公司生產(chǎn)的倒立式雙主軸VSC400DUO接箍車絲機(jī)， 刀塔是其中的核心設(shè)備， 其動(dòng)力多采用SIMOTICS T 力矩電機(jī)， 力矩電機(jī)為獲得大轉(zhuǎn)矩和高轉(zhuǎn)速， 多采用內(nèi)嵌式空心結(jié)構(gòu)[1-4]。 刀塔伺服控制故障報(bào)警種類繁多， 伺服報(bào)警因產(chǎn)生原因伴隨故障， 故障報(bào)警有“輪廓監(jiān)控”、 “耦合報(bào)警”、“速度控制輸出被限制”、 “逼近參考點(diǎn)失敗”、“靜態(tài)監(jiān)控”、 “轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)” 及“復(fù)位無使能” 等。 本研究根據(jù)伺服控制刀塔的工作原理， 并結(jié)合故障現(xiàn)象， 分別從伺服控制刀塔涉及的電氣、液壓及機(jī)械等方面， 詳細(xì)分析伺服控制刀塔的故障及排除思路， 并提出刀塔液壓故障的有效診斷方法， 為該類刀塔故障的排除及處理提供必要的技術(shù)支持。

1 常見故障

1.1 機(jī)械負(fù)載過大

EMAG 接箍車絲機(jī)刀塔采用SIMOTICS T力矩電機(jī)， 如圖1 所示。 在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因機(jī)械負(fù)載過大而導(dǎo)致力矩電機(jī)電流超出設(shè)定值時(shí)， 電機(jī)無法快速帶動(dòng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)， 于是就造成了在預(yù)定時(shí)間內(nèi)未到達(dá)預(yù)定位置， 導(dǎo)致伺服控制故障報(bào)警[5-8]。 此類故障一般會(huì)伴隨“靜態(tài)監(jiān)控”、 輪廓監(jiān)控” 或 “耦合報(bào)警”。 “輪廓監(jiān)控” 及 “耦合報(bào)警” 出現(xiàn)頻次較多， 且一般出現(xiàn)在刀塔瞬間啟動(dòng)時(shí)， 例如刀塔工位轉(zhuǎn)換及刀塔啟停過程， 可以在840D 監(jiān)控系統(tǒng)中檢查力矩電機(jī)的瞬間電流值進(jìn)行驗(yàn)證， 并為故障的判定提供一定的依據(jù)。

圖1 SIMOTICS T 力矩電機(jī)

在程序運(yùn)行過程中， 當(dāng)?shù)端枰\(yùn)動(dòng)時(shí)，NC 發(fā)出指令后， 若發(fā)現(xiàn)刀塔不能在設(shè)定的循環(huán)監(jiān)測(cè)周期內(nèi)到達(dá)給定的預(yù)定位置， 超出了公差帶， 就會(huì)出現(xiàn)“輪廓監(jiān)控” 報(bào)警。 此類故障首先判定為機(jī)械齒盤未完全松開， 應(yīng)檢查液壓機(jī)構(gòu)動(dòng)作是否正常， 手動(dòng)測(cè)試刀塔齒盤夾緊、 松開液壓壓力是否達(dá)到設(shè)定值， 并且檢查壓力顯示（壓力傳感器或壓力表） 是否有延時(shí)。

1.2 檢測(cè)元件或執(zhí)行元件失效

因數(shù)字計(jì)數(shù)器 （位置編碼器）、 磁環(huán) （位置標(biāo)定環(huán)）、 液壓閥組、 壓力傳感器易發(fā)生故障，此類故障辨別較容易且直觀。 根據(jù)其各自功能特點(diǎn)， 在其操作過程中可通過元件動(dòng)作或外觀進(jìn)行觀察， 手動(dòng)操作或驗(yàn)證檢查進(jìn)行判別。 一般故障多為 “耦合報(bào)警”、 “速度控制輸出被限制”、 “逼近參考點(diǎn)失敗”、 “靜態(tài)監(jiān)控”、“零標(biāo)識(shí)監(jiān)控”、 “限位開關(guān)故障”。 數(shù)字計(jì)數(shù)器和磁環(huán)如圖2 所示

圖2 數(shù)字計(jì)數(shù)器示意圖

“靜止監(jiān)控” 報(bào)警表示刀塔處于靜止時(shí)的實(shí)際位置超差。 刀塔在使能狀態(tài)， 位置編碼器是生效的， 電機(jī)帶著負(fù)載保持刀塔處于 “位置保持”狀態(tài)。 若此時(shí)出現(xiàn)實(shí)際位置超過了軸參數(shù)36030中所規(guī)定的公差帶， 則出現(xiàn) “靜止監(jiān)控” 報(bào)警?？梢岳斫鉃檫@是由于外力所致， 這個(gè)外力一般是指刀塔負(fù)載突然變大[9-13]。

各功能元件故障均伴隨其特有的故障狀態(tài)，位置偏移或零點(diǎn)缺失導(dǎo)致的各類故障報(bào)警， 應(yīng)首先對(duì)位置檢測(cè)元件進(jìn)行檢查及監(jiān)控， 對(duì)數(shù)字計(jì)數(shù)器、 磁環(huán)進(jìn)行清理及檢查； 因液壓鎖定或泄壓延時(shí)， 耦合故障或速度限制報(bào)警會(huì)單獨(dú)出現(xiàn)， 此時(shí)應(yīng)首先考慮液壓元件的可靠性。

1.3 伺服異常

（1） 軸參數(shù)加速度設(shè)置過大。 在這個(gè)過程中， 雖然刀塔機(jī)械負(fù)載合適， 但為了提高軸動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性， 增大軸加速度， 使得力矩電機(jī)瞬間過載， 導(dǎo)致無法驅(qū)動(dòng)負(fù)載或過電流報(bào)警， 因此出現(xiàn)伺服報(bào)警。 當(dāng)無法判定或無法正常消除故障時(shí)，可以將軸加速度32300 中的數(shù)值適當(dāng)減小。 在NC 與PLC 沒有進(jìn)行改動(dòng)時(shí)， 一般不做修改， 但不排除進(jìn)行人為修改的可能。

不排除力矩電機(jī)因使用時(shí)間過長(zhǎng)導(dǎo)致自身力矩出現(xiàn)偏差， 或磁鐵損壞導(dǎo)致的力矩不均衡或適應(yīng)性變差等故障， 此類故障需要專業(yè)電氣工程師進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷及測(cè)試， 并進(jìn)行適應(yīng)性試驗(yàn)， 確保設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性。

（2） 伺服故障。 這種情況下一般是由于功率模塊或控制模塊出現(xiàn)故障， 導(dǎo)致沒有實(shí)際電流輸出或輸出電流不足， 電機(jī)無法驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 此類故障建議考慮電機(jī)及位置編碼器是否異常， 但不排除因內(nèi)存不足導(dǎo)致的故障報(bào)警。

1.4 電機(jī)損壞

此類故障較易辨別， 一般報(bào)警為“逼近參考點(diǎn)失敗”、 “轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)” 及 “復(fù)位無使能”。 當(dāng)出現(xiàn) “轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)” 時(shí)， 首先進(jìn)行刀塔初始化， 當(dāng)?shù)端跏蓟療o法完成時(shí)， 則確認(rèn)電機(jī)損壞； 更換電機(jī)前需再次確認(rèn)位置編碼器是否異常， 有時(shí)位置編碼器損壞或松動(dòng)也會(huì)觸發(fā)刀塔各類報(bào)警。 電機(jī)損壞多為磁鐵轉(zhuǎn)子脫膠導(dǎo)致， 定子損壞情況較少。

2 常用故障處理思路

2.1 常用報(bào)警排查方法

（1） 確認(rèn)是否出現(xiàn)“轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)” 報(bào)警， 排除或確認(rèn)刀塔電機(jī)損壞。

（2） 打開刀塔電機(jī)前蓋， 手動(dòng)檢查液壓是否打開 （觀察壓力傳感器顯示及設(shè)定數(shù)值是否正常）， 當(dāng)液壓壓力遲緩或不足時(shí)， 易造成齒盤未脫開或未到位， 導(dǎo)致 “輪廓監(jiān)控” 及 “耦合故障”。 此類故障可觀察到壓力波動(dòng)或明顯齒盤卡滯， 可手動(dòng)松開齒盤后， 斷開液壓手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀塔， 感覺齒盤是否全部松開， 有無卡滯或輕微抖動(dòng)。 此類故障可能是換向閥卡滯導(dǎo)致， 可檢查后更換。 但不排除因?yàn)榈端鞴の坏稐U安裝不均衡導(dǎo)致的故障報(bào)警， 一般在刀塔存在間隙或刀塔電機(jī)使用時(shí)間較長(zhǎng)的情況下產(chǎn)生， 此類故障判定較難， 需要謹(jǐn)記。

（3） 當(dāng)換向閥確認(rèn)正常后， 故障未消除。 檢查位置編碼器是否固定位置不當(dāng)或松動(dòng)， 當(dāng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)時(shí)， 位置編碼器沒有跟隨上負(fù)載或檢查位置不當(dāng)， 此時(shí)NC 系統(tǒng)沒有來自位置環(huán)反饋信號(hào)， 則立刻會(huì)出現(xiàn)報(bào)警。 將位置編碼器重新固定好， 即可消除報(bào)警， 也有可能是因油污或鐵屑造成誤讀。

（4） 改變32000 （最大軸速度） 設(shè)定。 首先檢查MD32000 的設(shè)定值是否過大， 如果由于速度很大而使電流達(dá)到極限值， 位置調(diào)節(jié)回路將被斷開。 一般32000 設(shè)置為120， 當(dāng)無法解決或無法查詢問斷時(shí)， 可通過減小數(shù)值進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試，觀察是否可消除故障。 一般設(shè)置在80 以上不會(huì)影響加工循環(huán)周期； 當(dāng)設(shè)置在40 以下時(shí)， 加工節(jié)拍會(huì)增加10 s 左右。

（5） 改變32200 （伺服增益系數(shù)） 的設(shè)定。這個(gè)要檢查是否存在刀塔抖動(dòng)的情況， 抖動(dòng)一般是伺服增益系數(shù)存在問題， 需要做動(dòng)平衡測(cè)試[14-16]；若只有在停車時(shí)才會(huì)出現(xiàn)報(bào)警， 說明在制動(dòng)時(shí)刀塔不能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到要求的速度， 檢查32200 數(shù)值設(shè)定， 采取提高32200 數(shù)值的方法可以解決。 然而如果32200 數(shù)值太高， 坐標(biāo)軸將不穩(wěn)定而使機(jī)床的機(jī)械部分承擔(dān)不必要的應(yīng)力， 一般建議不要超過3。

（6） 為了確保刀塔齒盤松開， 可以適當(dāng)給刀塔增加液壓打開松開延時(shí)時(shí)間， 一般增加0.2～0.4 s為宜， 此類故障是因刀塔本身結(jié)構(gòu)卡滯導(dǎo)致， 維修后因定位孔變形或光潔度較差導(dǎo)致阻尼增大。

2.2 常見報(bào)警類別及排查

（1） 單獨(dú)出現(xiàn)“輪廓監(jiān)控” 報(bào)警， 有時(shí)伴隨“速度控制輸出被限制”、 “零點(diǎn)偏移”、 “靜態(tài)監(jiān)控” 等報(bào)警。 這種情況可以從 “診斷-服務(wù)顯示” 中， 選擇查看 “運(yùn)轉(zhuǎn)電流變化” 進(jìn)行診斷，此類故障初步判定力矩電機(jī)性能不穩(wěn)定導(dǎo)致； 或修改軸參數(shù)32200 （伺服增益系數(shù)） 或32000（最大軸速度）， 故障或有消除。

（2） 出現(xiàn)“零標(biāo)識(shí)監(jiān)控” 報(bào)警并伴有“伺服故障” 報(bào)警時(shí)， 基本可判斷為數(shù)字計(jì)數(shù)器、 磁環(huán)有污染， 出現(xiàn)數(shù)字計(jì)數(shù)器不能準(zhǔn)確識(shí)別磁環(huán)跟隨同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)位置。 此種故障處理方法為： 拆卸數(shù)字計(jì)數(shù)器清理， 將刀塔置于松開位置， 人工旋轉(zhuǎn)刀塔清理整圏磁環(huán)外表面油污， 安裝數(shù)字計(jì)數(shù)器， 在調(diào)試?yán)锼阉?“34080”， 依據(jù) “診斷-服務(wù)顯示” 里顯示的跟隨誤差， 在“34080” 中修改，直至旋轉(zhuǎn)到每一個(gè)刀位的跟隨誤差都在0.001 以內(nèi)， 故障就可完全消除。

（3） 出現(xiàn)“跟隨耦合” 故障報(bào)警并伴有“速度輸出被限制” 報(bào)警時(shí)， 一般采取手動(dòng)將刀塔置于松開位置， 人力旋轉(zhuǎn)刀塔， 在顯示器主界面觀察對(duì)應(yīng)軸參數(shù)是否跟隨刀塔旋轉(zhuǎn)位置變化， 若變化判定為數(shù)字計(jì)數(shù)器、 磁環(huán)元件正常， 若無變化則判斷為數(shù)字計(jì)數(shù)器、 磁環(huán)其中有一件元件必然損壞。 其次， 觀察前端蓋處夾緊、 松開壓力繼電器， 手動(dòng)夾緊、 松開觀察壓力上升下降變化速度， 判斷腔體中是否有空氣， 如有空氣則打開前端蓋處排氣孔， 手動(dòng)夾緊、 松開直至腔體內(nèi)空氣排干凈， 此類故障一般都可消除。

（4） 出現(xiàn)“速度輸出被限制” 并伴有“伺服控制故障” 報(bào)警時(shí)， 一般都是依據(jù)上述 （3） 中所述， 判斷刀塔加緊、 松開腔體中是否存在空氣， 導(dǎo)致刀塔旋轉(zhuǎn)時(shí)齒盤未完全脫開， 啟動(dòng)阻力較大。 其次， 將刀塔置于松開位置， 手動(dòng)旋轉(zhuǎn)刀塔， 初步判斷一下是否阻力較大， 一般出現(xiàn)阻力都是因?yàn)榈端D(zhuǎn)齒盤上的滾動(dòng)軸承損壞造成的， 需拆卸刀塔旋轉(zhuǎn)齒盤檢查更換滾動(dòng)軸承。 最后， 需要檢查同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁條是否有脫落、 缺失或者錯(cuò)位， 更換電機(jī)轉(zhuǎn)子后， 對(duì)電機(jī)做初始化， 調(diào)整每個(gè)刀位的跟隨誤差， 在主界面輸入短程序自動(dòng)運(yùn)行， 這類問題基本可排除。

3 結(jié) 論

（1） 刀塔故障中一般電磁換向閥出現(xiàn)故障概率為50%； 液壓系統(tǒng)不靈敏導(dǎo)致了刀塔運(yùn)轉(zhuǎn)過程中齒盤不到位或動(dòng)作緩慢， 導(dǎo)致報(bào)警增多。

（2） 壓力傳感器故障（限位開關(guān)故障居多）概率為5%， 一般為損壞或堵塞， 或在新裝時(shí)設(shè)置壓力不合適， 導(dǎo)致報(bào)警產(chǎn)生。

（3） 電機(jī)故障 （轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)居多）概率為25%， 一般為轉(zhuǎn)子脫膠所致。

（4） 位置編碼器故障 （“轉(zhuǎn)子位置同步出錯(cuò)” 及 “復(fù)位使能” 居多） 概率為15%， 其他類故障占比5%。

（5） 在故障處理過程中， 首先需要排除液壓故障， 壓力及閥的卡滯或不靈活是主要原因；其次， 刀塔數(shù)字計(jì)數(shù)器拆除清理后必須做刀塔初始化， 減少意外故障的產(chǎn)生。