宓方瑋，王志鵬，黃賢超

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽 621900)

米克朗UCP1x50 加工中心采用海德漢530 數(shù)控系統(tǒng)，高速電主軸，刀庫采用Commander SK 系列變頻器驅(qū)動，46 把刀，其刀庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，相對于機(jī)床其他部件故障率較高。對于此次故障，作者也是第一次碰到，缺乏經(jīng)驗，經(jīng)過一周的反復(fù)摸索、實驗并與廠家反復(fù)交流，終于總結(jié)出一套完整的解決方案，徹底排除了故障。以下就是作者維修判斷的過程以及處理問題的方式方法。

1 故障現(xiàn)象

2010年3 月，某單位米克朗UCP1x50 加工中心刀庫出現(xiàn)刀鏈無法轉(zhuǎn)動故障，排除機(jī)械卡死的原因后，刀庫在完成回零動作后，在目標(biāo)刀位發(fā)生相鄰兩個刀位之間來回振蕩的現(xiàn)象，持續(xù)1 分多鐘后改為逆時針慢速旋轉(zhuǎn)，且無法停止，只能拍下急停按鈕。

2 機(jī)械卡死的故障原因及刀庫恢復(fù)方法

2.1 刀鏈故障原因及清除故障的方法

一般刀鏈無法轉(zhuǎn)動時，會采取使用變頻器手動控制和手盤電機(jī)的方法使刀鏈轉(zhuǎn)動。變頻器手動控制旋轉(zhuǎn)是利用變頻器的手動功能，即設(shè)定其5 號參數(shù)為Pad，利用變頻器上的按鈕操作電機(jī)旋轉(zhuǎn)，或模擬外部指令信號控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)(具體會在后面的篇幅中有詳細(xì)介紹);手盤電機(jī)則要拆掉電機(jī)后端蓋(由于安裝條件的限制挨近安裝底板的螺釘拆卸非常困難)，然后就可以盤動電機(jī)了。

但是此次故障無論用那種方式，都只能正、反移動1/4 個刀位就轉(zhuǎn)不動了，明顯有異物卡住。作者采取了如下方法:

(1)拍下急停按鍵，關(guān)掉機(jī)床進(jìn)氣開關(guān)，等待幾分鐘后，控制換刀回轉(zhuǎn)臂的氣缸桿就可以手動拉出或收回了，推動換刀位刀套把換刀位的回轉(zhuǎn)臂擺出去，從而讓開了換刀刀位。

(2)把刀鏈上的刀套依次沿導(dǎo)軌滑到換刀位取出，等所有刀套取出后，清理刀鏈滑軌里的障礙，然后把刀套按刀套號依次順序裝回，再把回轉(zhuǎn)臂擺回復(fù)原，接通進(jìn)氣開關(guān)，彈起急停，完畢。

通過上述手動操作完成了異物清理工作，結(jié)果發(fā)現(xiàn)故障原因在于:粘接在8 號刀套上的固定圓形槽里的圓鋼片脫落在刀鏈滑軌上，造成了刀鏈運(yùn)行的阻礙。

把圓鋼片表面被撞出的毛刺、突起打磨光滑，用環(huán)氧樹脂牢固粘接于8 號刀套上的固定圓形槽里，特別注意不要高出圓形槽表面。

8 號刀套的作用在于作為刀庫的零位標(biāo)記，其他刀套則不具備這個功能。

2.2 刀庫恢復(fù)方法和步驟

(1)重啟機(jī)床。

(2)按下CE 清除所有信息，直到啟動刀庫開始回參考。

(3)當(dāng)?shù)稁爝\(yùn)行時，必須用急停鈕將刀庫停在正確的位置。如圖1 所示，正確的位置就是1 號刀位的定位釘正對V 型中心槽，在這個位置上，8 號刀位則在參考傳感器B607 下面，這時B607 將變?yōu)?。如果按下急停鈕時，刀庫不在正確位置，則重做，直到刀庫停在正確位置為止。

圖1 刀位定位釘正對V 型中心槽示意圖

(4)這時選擇programming and editing 方式，按下MOD 鍵，并輸入PLC 密碼807667，回車。

(5)按下軟鍵“Trace”后，按下select“M/I/O/T/C”，然后選取I81、I80 和I82 作為波形觀察信號，I81 為刀庫零位接近開關(guān)輸入信號，I80 為刀庫編碼器計數(shù)信號，I81 為刀庫編碼器零位信號。

(6)按下軟鍵“table”，再按“I”鍵，觀察I81、I80 和I82 的狀態(tài)，用手盤動電機(jī)使得上述3 個信號均為“1”。

(7)按下軟鍵“Logic Diagram”，再按下“Start Trace”。

(8)松開刀鏈減速器上固定電機(jī)編碼器的扇形片上的兩個螺釘，這時松開急停鈕，按下CE 清除信息，刀庫開始轉(zhuǎn)動，這時立即切換到后臺Logic Diagram 查看波形。轉(zhuǎn)動編碼器，直到出現(xiàn)如圖2 所示正確的波形為止。

圖2 高速運(yùn)行時正確的信號時序圖

(9)擰緊電機(jī)編碼器的兩個螺釘，完成調(diào)整。

正確的時序是:當(dāng)?shù)舵溵D(zhuǎn)到8 號刀套位置正對刀庫零位接近開關(guān)時，I81 發(fā)出高電平，I82 編碼器零位脈沖也要出現(xiàn)在I81 高電平包括的范圍之內(nèi)，考慮到刀庫就近找到有可能正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，所以I82 的信號最好在I81 的中間，正對I81 包含的I80 六個方波的第三個方波。

出現(xiàn)如圖3 所示這種錯誤的波形時，可以把編碼器旋轉(zhuǎn)180°安裝;再微調(diào)使得編碼器零位脈沖出現(xiàn)在如圖2 所示的中間位置。

圖3 錯誤的信號時序圖

在慢速運(yùn)行時，調(diào)整編碼器使得I82 的零位脈沖與I81 高電平包含的I80 第3 個計數(shù)脈沖的上升沿和下降沿一致，如圖4 所示。

圖4 慢速運(yùn)行時正確的時序圖

上述調(diào)整方法是在變頻器驅(qū)動系統(tǒng)正常的前提下實施的，而此次維修中作者遇到了很大的困難，需要先排除變頻器控制系統(tǒng)的故障。

3 變頻器控制系統(tǒng)故障查找與調(diào)整

機(jī)械故障排除后，機(jī)床刀庫出現(xiàn)了前述的新問題，作者分析了導(dǎo)致該問題的可能因素有如下幾個方面:刀庫調(diào)整不好;變頻器故障;編碼器故障;變頻電機(jī)故障;機(jī)床參數(shù)錯誤;PLC 硬件接口故障;PLC軟件或參數(shù)錯誤等。

3.1 刀庫驅(qū)動變頻器控制方式簡介

刀庫驅(qū)動變頻器是采用Commander 公司的SK 系列產(chǎn)品，型號:SKB3400037，0.37kW/400 V。端子B2、B4、B5、B6、B7 組成了控制邏輯，其中B2、B4 通過K464 完成變頻器使能控制，B7 控制變頻器以預(yù)置55 Hz 高速運(yùn)行;B5 控制變頻器以預(yù)置15 Hz低速運(yùn)行;B6 以高/低電平確定變頻器的反/正轉(zhuǎn)控制?？刂茣r序由PLC 軟件結(jié)合I80、I81、I82 的外部邏輯狀態(tài)，通過O23、O43、O44 的輸出實現(xiàn)對變頻器B5、B7、B6 的控制。刀庫位置反饋由脈沖編碼器B608 提供。

3.2 刀庫調(diào)整

為了排除刀庫調(diào)整不良可能造成的影響，作者按照第2.2 節(jié)所述的調(diào)整步驟進(jìn)行了調(diào)整，使得I81、I80 和I82 的波形如圖2 所示，為正確波形，從波形上可以看出，兩個零位脈沖之間對應(yīng)著20 個計數(shù)脈沖，同時觀察渦輪蝸桿減速器下面的凸輪結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn):編碼器每轉(zhuǎn)360°，下面的凸輪撥2 個刀位，這樣就可以推斷10 個計數(shù)脈沖對應(yīng)一個刀位。這也就驗證了編碼器是正常的。

3.3 變頻控制系統(tǒng)的檢修

先對變頻器的參數(shù)進(jìn)行了記錄，具體數(shù)據(jù)見表1。首先把其5 號參數(shù)設(shè)為Pad，利用變頻器上的按鈕操作，電機(jī)可以按照手動設(shè)置的頻率朝固定方向旋轉(zhuǎn);其次，把11 號參數(shù)設(shè)為0，用接在B2 端子的導(dǎo)線連接B5 端子，相當(dāng)于給B5 一個24 V 高電平，這時電機(jī)可以正向旋轉(zhuǎn)，斷開后電機(jī)就停止;同樣給B6 高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)，斷開，電機(jī)停止。電機(jī)轉(zhuǎn)速由B7 控制;第三，再把11 號參數(shù)設(shè)為2，給B5 高電平時，B6 為低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)，B6 為高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn);B5 低電平時，無論B6 是高、低電平，電機(jī)均不轉(zhuǎn)。電機(jī)轉(zhuǎn)速由B7 控制。5 號和11 號參數(shù)的定義見圖5、圖6。由此可以說明電機(jī)是正常的。

表1 變頻器參數(shù)設(shè)置表

圖5 變頻器5 號參數(shù)為Pr 時的接線方式

通過對11 號參數(shù)的分析，結(jié)合圖11 所示的變頻器控制邏輯圖，再參考米克朗UCP1350 的變頻器設(shè)置，作者認(rèn)為:11 號參數(shù)設(shè)為2 比較符合控制邏輯，但是變頻器上設(shè)的是0，設(shè)成2 則電機(jī)根本不動。設(shè)成6 則與設(shè)成0 的狀況一樣。所以無法判斷變頻器的好壞。

3.4 機(jī)床參數(shù)調(diào)整及PLC 輸入輸出硬件檢查

為了驗證是否由于機(jī)床參數(shù)和PLC 軟硬件的意外變化對變頻器控制造成影響，作者采取如下檢查措施:

首先，利用海德漢專用傳輸軟件TNCremoNT，建立好網(wǎng)絡(luò)連接 (注意:必須使用交叉連接的網(wǎng)線)，對現(xiàn)機(jī)床所有參數(shù)進(jìn)行備份;其次，把該設(shè)備進(jìn)廠時備份的參數(shù)進(jìn)行回傳，該備份是設(shè)備調(diào)試驗收完畢后做的，結(jié)果發(fā)現(xiàn)情況沒有任何改變，這就說明機(jī)床參數(shù)和PLC 軟件是正常的;第三，再次把剛剛備份的數(shù)據(jù)回傳，恢復(fù)現(xiàn)有狀態(tài)(主要是為了避免對當(dāng)前加工的影響)。

用示波器監(jiān)控B5、B6、B7 端子，結(jié)合海德漢530 系統(tǒng)的波形顯示功能，觀察對應(yīng)的O23、O44、O43 的時序，發(fā)現(xiàn)是一致的，說明PLC 的硬件I/O 口是正常的。

3.5 變頻器故障的排除與調(diào)整

上述幾個方面的影響被排除后，就只剩下變頻器的因素了，但是在沒有備件的情況下無法確定變頻器的好壞，于是向機(jī)床生產(chǎn)廠家進(jìn)行了咨詢，對方給我們報價是12 082 元，而且是換購價，單買一臺要2～3 萬元。嫌貴，作者通過有關(guān)途徑在成都買了一臺同型號變頻器，3 天到貨，價格僅為2 250 元。

換上新的變頻器，輸入抄錄的老變頻器的參數(shù)，結(jié)果令作者非常沮喪:新變頻器根本就沒有動作!無論11 號參數(shù)設(shè)0、2、6 都不動作;而老變頻器11 號參數(shù)則除了設(shè)2 以外均能動作，這就非常奇怪了!

按照第3.3 節(jié)所述的辦法對新變頻器進(jìn)行模擬控制，也可以運(yùn)行，無法解釋這樣的現(xiàn)象。

再次聯(lián)系米克朗廠家，把作者所做的調(diào)整進(jìn)行了交流，并要求廠家把變頻器參數(shù)發(fā)給了作者，通過對比作者發(fā)現(xiàn)廠家的11 號參數(shù)設(shè)的是6，而且60 -80號參數(shù)都有數(shù)值，而作者抄錄的參數(shù)則沒有，且61-70 號參數(shù)根本就顯示不出來，見表1。

按照廠家發(fā)過來的參數(shù)和方法進(jìn)行了設(shè)置:

(1)設(shè)置參數(shù)前先將B4 移去，然后必須按順序?qū)⒁韵聟?shù)輸入;

(2)首先設(shè)10、29 號參數(shù)，再輸入2 -19 號參數(shù)，再輸入71 -80 號參數(shù)，這時61 -70 號參數(shù)才會顯示出來，設(shè)置61 -70 號參數(shù)。表中未出現(xiàn)的參數(shù)按缺省值設(shè)置。

(3)重新接上B4。

(4)關(guān)閉并打開驅(qū)動器，重啟后顯示變?yōu)閞d=0.0。該驅(qū)動器現(xiàn)在可以準(zhǔn)備運(yùn)行了。

運(yùn)行后，發(fā)現(xiàn)新變頻器可以正常使用，刀庫運(yùn)行恢復(fù)正常，老變頻器故障依舊。

在調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)65 號參數(shù)漏輸時，出現(xiàn)8 號刀套找到零位后只向前走了半個刀位就停止的現(xiàn)象，說明參數(shù)影響很大，由于變頻器說明書中，沒有提及71 -80、61 -70 號參數(shù)的定義，所以無法判斷這些參數(shù)所能起到的作用。作者所能做的就是記錄下這些參數(shù)的設(shè)定值，并嚴(yán)格按要求正確輸入變頻器。

由此作者可以得出如下結(jié)論:刀庫卡死后，由于強(qiáng)電流沖擊或意外干擾，使得老變頻器的參數(shù)和接口電路發(fā)生了異常變化，而作者手上又沒有變頻器的原始參數(shù)資料，這就是造成上述調(diào)整始終無法見效的原因。

4 刀庫的控制邏輯和原理分析

以往都是根據(jù)原理來進(jìn)行維修，而這次維修由于作者不掌握廠家的設(shè)計原理，只能通過大量的模擬試驗來推測。

機(jī)床恢復(fù)正常運(yùn)行后再仔細(xì)觀察I81、I80、I82、O23、O44、O43 的組合時序波形，發(fā)現(xiàn)刀庫正常運(yùn)行時的時序是這樣的:

(1)機(jī)床開機(jī)，自檢完畢后，彈起急停開關(guān)，首先開始執(zhí)行刀庫回零的PLC 程序，O43 低電平變高電平，執(zhí)行高速55 Hz 運(yùn)行，并啟動刀庫運(yùn)行，I80 出現(xiàn)規(guī)律的計數(shù)脈沖，O44 根據(jù)就近選刀的原則正轉(zhuǎn)低電平，反轉(zhuǎn)發(fā)出高電平，O23 保持低電平。

(2)當(dāng)8 號刀套到達(dá)零位接近開關(guān)，I81 發(fā)出高電平，I82 編碼器發(fā)出一個零位脈沖信號時，建立刀庫零點(diǎn)位置。參見圖7 所示波形。

圖7 刀庫運(yùn)行到零位前后的組合時序圖

(3)運(yùn)行到零位脈沖信號后的第4 個計數(shù)脈沖的下降沿，O23 發(fā)出高電平，O43 變成低電平，電機(jī)減速至15 Hz 運(yùn)行，直到第10 個計數(shù)脈沖，刀鏈繼續(xù)向前運(yùn)行一個刀位，O23 變成低電平，稍做延遲，O44 電平改變，刀鏈反轉(zhuǎn)，同時O43 低電平變高電平，執(zhí)行高速55 Hz 運(yùn)行，反轉(zhuǎn)再次回到8 號刀套，從編碼器零位脈沖開始計數(shù)，根據(jù)上一次關(guān)機(jī)前記憶的刀位距離零位相差幾個刀位(假設(shè)差N 個刀位)，就計N×10 個計數(shù)脈沖(本刀庫N≤46)。參見圖8所示波形。

圖8 刀庫到了零位再向前運(yùn)行一個刀位后執(zhí)行反向運(yùn)行的組合時序圖

(4)當(dāng)運(yùn)行到目標(biāo)刀位的前一個刀位到位后，第4 個計數(shù)脈沖的下降沿，O23 發(fā)出高電平，O43 變成低電平，電機(jī)減速至15 Hz 運(yùn)行，直到第10 個計數(shù)脈沖，O23 變成低電平，到達(dá)目標(biāo)刀位，刀鏈停止，從而完成刀庫初始化。參見圖9 所示波形。

圖9 刀庫運(yùn)行到目標(biāo)刀位準(zhǔn)備停止的組合時序圖

相對比老變頻器前3 個步驟是正常的，執(zhí)行到第4 個步驟，即出現(xiàn)振蕩，刀庫無法停止，只有拍急停中斷，由于刀庫回零的PLC 程序沒有執(zhí)行完畢，機(jī)床無法正常運(yùn)行。

由此推斷變頻器11 號參數(shù)設(shè)6，特別是71 -80、61-70 號參數(shù)被正確設(shè)置后，各端子的定義應(yīng)該是:B5 即O23，為高電平時，執(zhí)行變頻器預(yù)置1 的15 Hz低速和變頻器運(yùn)行指令;B6 即O44，為PLC 發(fā)出的正反轉(zhuǎn)信號，高電平執(zhí)行反轉(zhuǎn)，低電平執(zhí)行正轉(zhuǎn);B7 即O43，為高電平時，執(zhí)行變頻器預(yù)置2 的55 Hz高速和變頻器運(yùn)行指令。

這樣的端子邏輯定義決定了，新、老變頻器在11 號參數(shù)設(shè)2 時，以上述PLC 發(fā)出控制時序，變頻器無法接收到啟動信號，因此不能運(yùn)行;新變頻器無論設(shè)置成0 -6 的哪個值，只要71 -80、61 -70 號參數(shù)沒有正確設(shè)置，均不能運(yùn)行;老變頻器除了設(shè)2 不能運(yùn)行外，設(shè)其他值，均無法正確運(yùn)行，這也就說明該變頻器的接口電路已經(jīng)發(fā)生了異常，確實需要更換。

5 結(jié)束語

這一次的維修經(jīng)歷使作者對米克朗UCP1x50 加工中心刀庫控制有了較深入的了解和理解，同時也希望為大家在維修同類型機(jī)床的類似故障提供參考。

［1］米克朗機(jī)床說明書［M］.

［2］Commander SK 系列變頻器英文說明書［M］.