王 歡，吳達(dá)晟，洪 煥

（杭州杭氧壓縮機(jī)有限公司，浙江杭州 311305）

1 案例概況

某廠MCMG 180 LG 型落地銑鏜床在運(yùn)行過(guò)程中，故障問(wèn)題突發(fā)，主要表現(xiàn)為主軸箱平衡系統(tǒng)前吊點(diǎn)鋼絲繩在未達(dá)到使用期限的情況下即發(fā)生斷裂。針對(duì)這一問(wèn)題，技術(shù)人員初步推斷其源自主軸箱平衡系統(tǒng)工作異常，因此對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，結(jié)果顯示，主軸箱液壓平衡缸的活塞始終處于液壓平衡缸內(nèi)部，無(wú)論如何調(diào)整滑枕伸出量，前吊點(diǎn)的鋼絲繩都完全繃緊，同時(shí)后吊點(diǎn)鋼絲繩幾乎不承擔(dān)外力。同時(shí)，在檢查電液比例閥控制模塊后發(fā)現(xiàn)，其存在接觸不良問(wèn)題，但重新插拔后，液壓平衡缸活塞問(wèn)題并未解決，因此推斷PLC程序也存在問(wèn)題，需要做進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整。

2 故障原因分析

在確定主軸箱平衡系統(tǒng)存在工作異常后，結(jié)合該主軸箱平衡系統(tǒng)的設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)其進(jìn)行受力分析如圖1 所示：L 表示主軸箱的前后吊點(diǎn)之間的距離；O 和O′分別表示主軸箱平衡前與平衡后的重心位置；S 表示主軸箱重心位置在補(bǔ)償前與補(bǔ)償后的距離差值；L1和L2分別表示主軸平衡前和平衡后的鋼絲繩前/后吊點(diǎn)與主軸箱重心位置之間的距離；L3表示鋼絲繩前吊點(diǎn)與滾珠絲杠之間的距離；主軸箱的自重則以G 表示。同時(shí)，在主軸箱平衡前，前吊點(diǎn)鋼絲繩和后吊點(diǎn)鋼絲繩的所受拉力分別為FA和FB，這兩項(xiàng)指標(biāo)在平衡后記作FA′和FB′。滾珠絲杠對(duì)鋼絲繩也存在一個(gè)支撐力，用FC表示。

圖1 主軸箱平衡系統(tǒng)的受力分析

根據(jù)圖1 中的受力分析結(jié)果，由于此時(shí)的主軸箱平衡系統(tǒng)處于受力平衡狀態(tài)，因此存在如下關(guān)系：

將式（1）和式（2）聯(lián)立，求解后可得出如下關(guān)系：

根據(jù)上述關(guān)系式不難看出，前吊點(diǎn)鋼絲繩受到的拉力與滑枕的伸出量成正相關(guān)，這主要是由于滑枕的伸出導(dǎo)致主軸箱重心位置的變化。由此也可推斷出，僅有主軸箱重心位置變化量S（也即滑枕伸出量）這一因素會(huì)影響前吊點(diǎn)鋼絲繩的拉力[1-2]。另外，通過(guò)該關(guān)系式也可推導(dǎo)出，主軸箱重心位置變化量對(duì)前吊點(diǎn)鋼絲繩所受拉力的影響并非固定，該影響因素又受到主軸箱前后吊點(diǎn)之間的距離L 的影響，二者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，因此適當(dāng)增大L 的值也具有可行性[3]。

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際情況并針對(duì)圖1 做進(jìn)一步分析可知，前吊點(diǎn)附近的液壓平衡缸的運(yùn)行是增大前吊點(diǎn)鋼絲繩拉力的關(guān)鍵因素，這種情況可根據(jù)如下關(guān)系式予以描述：

其中，P 表示液壓平衡缸的供油壓力，SA表示液壓平衡缸的活塞面積。

綜合上述力學(xué)關(guān)系式和圖1 進(jìn)行分析后可知，在主軸箱平衡系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)滑枕伸出量增大時(shí)，液壓平衡缸將隨之進(jìn)行向下的回縮運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)前吊點(diǎn)鋼絲繩的牽拉，此時(shí)前吊點(diǎn)鋼絲繩的拉力也將逐步增大。在這一過(guò)程中，為確保系統(tǒng)始終保持平衡，其關(guān)鍵則在于滑枕伸出量和液壓平衡缸的位移量之間存在固定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如這種對(duì)應(yīng)關(guān)系不存在，則故障就不可避免[4]。

結(jié)合實(shí)際故障現(xiàn)象即可確定故障的主要原因如下：當(dāng)主軸箱平衡系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，由于滑枕伸出過(guò)程中并未伴隨著液壓平衡缸的運(yùn)動(dòng)，而是始終保持活塞在液壓平衡缸內(nèi)的狀態(tài)，此時(shí)前吊點(diǎn)鋼絲繩始終受到較高的拉力，其承受的力顯著超出限值，進(jìn)而造成鋼絲繩過(guò)早斷裂。而活塞未發(fā)生運(yùn)動(dòng)則源于主軸箱平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的控制程序運(yùn)行異常，應(yīng)當(dāng)對(duì)以上問(wèn)題進(jìn)行針對(duì)性的維修。

3 維修措施

針對(duì)已查明的故障原因，按照以下步驟對(duì)主軸箱平衡補(bǔ)償系統(tǒng)故障問(wèn)題進(jìn)行維修作業(yè)。該平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的液壓原理如圖2 所示。

圖2 液壓原理

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，鋼絲繩受力的變化源于補(bǔ)償油缸壓力的變化，而補(bǔ)償油缸壓力則受到電液比例閥的控制。從理論角度分析可知，電液比例閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，補(bǔ)償油缸可提供最大的壓力。基于該原理，設(shè)計(jì)平衡補(bǔ)償?shù)倪壿嫞▓D3）。

圖3 平衡補(bǔ)償控制邏輯

當(dāng)滑枕向工件方向移動(dòng)時(shí)，主軸箱重心前移，電液比例閥開(kāi)度降低，液壓油通過(guò)A 口進(jìn)入補(bǔ)償油缸，提高補(bǔ)償油缸內(nèi)壓力，以推動(dòng)活塞向工件的反方向移動(dòng)，提升前吊點(diǎn)鋼絲繩的拉力。當(dāng)滑枕位置保持不變時(shí)，電液比例閥各個(gè)部件均處于靜止?fàn)顟B(tài)，補(bǔ)償油缸油路也被隔離在整體系統(tǒng)之外，并通過(guò)電液比例閥的截止作用保壓，此時(shí)前吊點(diǎn)鋼絲繩的拉力也保持不變。當(dāng)滑枕遠(yuǎn)離工件方向移動(dòng)時(shí)，主軸箱重心向后移動(dòng)，電液比例閥開(kāi)度增大，油缸內(nèi)液壓油通過(guò)B 路，流經(jīng)電液比例閥泄出，使活塞向工件方向移動(dòng)，前吊點(diǎn)鋼絲繩拉力也隨之下降。因此，基于該平衡邏輯設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子電路，將滑枕移動(dòng)的距離ΔL 轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，從而通過(guò)控制電液比例閥，再控制其針對(duì)油缸進(jìn)行補(bǔ)油或卸油操作，以實(shí)現(xiàn)平衡補(bǔ)償[5]。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電子電路中電信號(hào)的有效控制，采用型號(hào)為S7-300 的PLC 進(jìn)行控制?；谠揚(yáng)LC 器件，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，將滑枕位置轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出，通過(guò)電液比例閥的電路板，再將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部處理從而控制閥芯開(kāi)口尺寸，達(dá)到控制油缸壓力的目的。將比例閥控制回路經(jīng)壓力傳輸至傳感器，反饋到控制板，最終實(shí)現(xiàn)壓力閉環(huán)控制。

基于S7-300 型PLC 的控制邏輯，主要是建立以滑枕坐標(biāo)為原變量，以油缸壓力為因變量的函數(shù)?？紤]到滑枕移動(dòng)過(guò)程中的坐標(biāo)數(shù)據(jù)難以有效觀察，因此將滑枕的整體行程等分為4 段，每段的起點(diǎn)和終點(diǎn)都分別給予相應(yīng)壓力，起點(diǎn)與終點(diǎn)之間使用線性線段相連接。據(jù)此，設(shè)計(jì)的基于S7-300 型PLC 的控制邏輯查程序如圖4 所示。

圖4 PLC 程序設(shè)計(jì)流程

在程序運(yùn)行過(guò)程中，F(xiàn)B2 功能模塊將向PLC 程序提供滑枕坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而后PLC 程序中的FC104 函數(shù)將根據(jù)滑枕坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對(duì)補(bǔ)償值自動(dòng)計(jì)算，得到補(bǔ)償值計(jì)算結(jié)果后，由中間變量MD220 將補(bǔ)償值賦予電液比例閥，再經(jīng)由PQW464 進(jìn)行模擬量輸出，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)電液比例閥的流量控制。當(dāng)電液比例閥流量得到控制后，液壓平衡缸行程也隨之得到控制，從而確保前吊點(diǎn)鋼絲繩所受拉力始終處于合理區(qū)間。同時(shí)在該流程中，“跳轉(zhuǎn)至對(duì)應(yīng)模式讀取補(bǔ)償值”的步驟中，需要通過(guò)測(cè)量獲得補(bǔ)償參數(shù)這一關(guān)鍵指標(biāo)，補(bǔ)償參數(shù)獲取實(shí)驗(yàn)如圖5 所示。

圖5 補(bǔ)償參數(shù)獲取實(shí)驗(yàn)

基于該實(shí)驗(yàn)裝置，補(bǔ)償參數(shù)的獲取基于以下4 個(gè)步驟進(jìn)行：①在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的前側(cè)與后側(cè)各放置一個(gè)量塊，并確保兩個(gè)量塊在高度上相等；②在每個(gè)量塊上均放置一把平尺，并在平尺檢驗(yàn)面上布置一個(gè)已經(jīng)進(jìn)行調(diào)零處理的千分表；③基于已確定的滑枕的4 段行程，控制滑枕逐段進(jìn)給，每次進(jìn)給后，均在數(shù)控系統(tǒng)終端對(duì)PLC 程序中的中間變量MD220 進(jìn)行調(diào)整，待千分表讀數(shù)的絕對(duì)值低于0.020 mm 后停止調(diào)整，并記錄下每次調(diào)整后得到的MD220 的具體數(shù)值；④待滑枕的行程已達(dá)到最遠(yuǎn)端后，對(duì)千分表讀數(shù)再次進(jìn)行觀察，如該讀數(shù)的絕對(duì)值低于0.020 mm，則將此時(shí)的MD220 補(bǔ)償值作為最終值輸入到PLC 程序的FC104 函數(shù)中，否則重復(fù)運(yùn)行步驟③，直至滿足上述要求為止。

4 維修效果測(cè)試

在上述步驟完成后，主軸箱平衡補(bǔ)償系統(tǒng)的維修工作即告完成。為初步檢測(cè)維修效果，測(cè)試人員對(duì)主軸箱平衡系統(tǒng)前吊點(diǎn)鋼絲繩進(jìn)行更換，而后啟動(dòng)主軸箱平衡系統(tǒng)。結(jié)果顯示，隨著滑枕的位置變化，液壓平衡缸內(nèi)的活塞也隨之變化，與滑枕位置變化量基本對(duì)應(yīng)，前吊點(diǎn)鋼絲繩拉緊情況得到有效改善。對(duì)鋼絲繩的有限元分析結(jié)果見(jiàn)表1。

通過(guò)表1 的數(shù)據(jù)可知，主軸箱平衡補(bǔ)償系統(tǒng)維修后，鋼絲繩的壽命有效提升，損傷率也相應(yīng)降低，表明維修工作取得初步成功。進(jìn)一步測(cè)試維修工作是否對(duì)主軸精度造成顯著影響。在測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，嚴(yán)格按照J(rèn)B/T 4367—2011 的相關(guān)要求，使用馬爾表對(duì)主軸精度進(jìn)行測(cè)試，引入歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 精度測(cè)試結(jié)果對(duì)比

在應(yīng)用本次維修方法后，滑枕水平移動(dòng)最遠(yuǎn)伸出位置的直線度精度數(shù)值為-0.018 mm，較維修前的提升幅度超過(guò)70%，滿足標(biāo)準(zhǔn)需要。同時(shí)，滑枕水平移動(dòng)全行程直線度精度也分別提升30%～70%，均滿足標(biāo)準(zhǔn)需要，表明本次維修工作成功完成。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于力學(xué)理論的研究，對(duì)MCMG 180 LG 型落地銑鏜床設(shè)備的運(yùn)行故障問(wèn)題進(jìn)行分析，明確該設(shè)備鋼絲繩斷裂故障的主要原因。通過(guò)液壓控制原理，對(duì)現(xiàn)有的PLC 控制邏輯與程序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以恢復(fù)系統(tǒng)的平衡補(bǔ)償功能。實(shí)際測(cè)試結(jié)果顯示，上述故障問(wèn)題得到了有效解決，同時(shí)滑枕的直線度精度也有所提升，表明本次維修工作具有一定的實(shí)效性。