数控机床软故障的排除与设备管理的完善

张永福 王红芳

1.故障现象

意大利IMT公司生产的S10/3T-2型活塞椭圆、精槽组合加工立式车床，用于加工轿车活塞的三个环槽和椭圆、型线。控制系统采用GE FANUC 160i数控系统，配置电主轴和X、Z、U三个全闭环伺服轴，X、Z轴插补加工环槽，X轴按加工程序设定运行到位后，由U轴和Z轴插补加工活塞椭圆和型线，基本结构见图1。

该机床先是因为硬盘物理性损坏，造成基于Windows2000操 作 系 统 的FANUC系统HSSB驱动、BOP以及嵌入BOP由IMT公司开发的活塞外圆编程、加工等软件因缺少安装程序而无法修复。后经付费请IMT公司和FANUC公司的维修人员一起，更换新硬盘，安装相关软件后，机床控制功能恢复正常生产，但随后出现加工精槽时不定时撞刀故障，故障发生时控制系统没有报警，加工程序仍然能继续运行。

2.检修过程

测量发生撞刀时加工的活塞，发现撞刀都发生在环槽已基本加工完，外圆还没有开始加工的程序处，环槽加工的宽度尺寸正常。据此分析故障发生的原因：①机械方面，因环槽加工的宽度尺寸正常，可基本排除故障由Z轴引起。又因机床所有进给轴均为全闭环控制，发生故障时系统没有报警，所以因X轴的贴塑导轨、滚珠丝杠和丝杠轴承等局部损坏造成故障的可能性不大；经检查X轴定位精度和重复定位精度均满足要求，不存在振荡现象，所以故障也不是因为两轴运行或换向时发生振荡造成。尽管如此，还是对X轴的相关部件进行了检查和调整。②电气方面，若X轴光栅尺局部污染或损坏，造成位置反馈信号失调，就会引起故障。于是将X轴的光栅尺封闭，使X轴由全闭环暂时更改为半闭环方式，调整好相关参数后生产，机床加工的产品合格，但生产三个班次后，又出现撞刀现象。

操作人员提出在硬盘损坏前没有撞刀现象发生，当时用的是英文 Windows2000操作系统，而重装后用的是中文Windows2000操作系统，怀疑是由于操作系统的不一致，使系统中某项条件满足时影响加工程序的执行，造成总是在同一位置出现撞刀现象，于是决定重新用英文版Windows2000安装系统。因为GE FANUC 160i数控系统国内用量少，缺少相关资料，经相关人员的努力，安装完正版英文Windows2000操作系统后，又将相关控制软件安装并设置正确，使机床控制功能恢复，但正常加工两个班次后再次出现同样的撞刀故障。通过检查确认X轴的相关部件完好，故障发生时系统没有报警发生，说明电气控制部分正常。

为确定下一步故障检修思路，又组织了相关人员，进行充分分析和讨论，认为可能原因为：①机床加工时，活塞定位采用液压缸拉动四个拉爪将活塞拉紧的定位方式，为避免加工椭圆时活塞变形，在加工环槽时用高压（1.3MPa），加工椭圆和型线时切换为低压（0.6MPa）。因为活塞的三个环槽用三把刀同时加工，在加工到槽底时，切削力最大，这时若拉紧力不能满足要求，势必造成活塞因松动而撞刀。②加工完活塞环槽开始退刀时，X、Z轴均要反向，两轴以插补运动方式按斜线运动。若Z轴丝杠反向间隙大，在当前的全闭环工作方式下反向运行，若出现振荡也会造成撞刀故障的发生。根据以上原因分析，制定并进行了以下检修过程：

（1）首先检查活塞定位拉紧力，发现液压压力在加工过程中确有变化，进一步检查发现平衡Z轴油缸的氮气蓄能器中氮气量正常，但用于稳定拉紧油缸油压的氮气蓄能器中氮气量已少了很多，造成高低压切换时拉力不稳定。将氮气蓄能器中氮气充到要求数量，又检修了所有相关油路的密封圈和电磁阀，确认油路不存在泄露后，要求操作者再试加工。但由于加工精槽所用刀具已全部撞坏，新的还没有购进，便用比精车环槽刀更薄的粗车环槽刀仅加工环槽，不加工外圆，先验证故障是否因拉紧油压变化造成。经过四个班次的连续加工故障没有出现，第五个班换上精车环槽刀后加工到第九只活塞，又出现相同撞刀故障。

（2）这次撞刀发生时，操作人员正好观察到加工程序的运行情况，确认撞刀发生在即将加工到槽底但尚未加工完成时，这时没有活塞拉紧高低压的切换动作，也没有X轴和Z轴的换向。

（3）在排除X轴和液压系统的问题后，又检查了Z轴的定位精度和重复定位精度都满足要求。在检修Z轴托板时，发现固定Z轴托板楔铁的螺栓有所松动。两个人在水平方向用力拉动Z轴托板，通过用表检量，Z轴托板在水平方向有0.5mm的位移量。将Z轴的三条托板楔铁紧固，又检测相关部件后，换好刀加工验证，机床恢复正常。

3.故障原因分析

当三把槽刀加工到接近活塞环槽底时切削力达到最大，使得Z轴在水平方向的受力也达到最大，因固定Z轴托板楔铁的螺栓松动，一旦由于活塞材料构造不一致等因素导致切削力增大，超过Z轴靠自身重力维持在水平方向的稳定，这时主轴高速运转，便导致了撞刀故障。

4.完善设备管理措施

这次设备故障历时一个多月，不仅花费近三万元的维修费，还造成四千余元的刀具损失费，更严重的是影响了产品按时交付，引起客户抱怨。为避免类似故障的重复发生，结合这次故障发生原因和维修过程，完善了设备管理的相关制度。

（1）配置开放式控制系统关键设备的硬盘备份、存档管理规定的完善。在以前的设备管理规定中，只要求对设备通过CF卡、计算机和刻录光盘等方式做好数控机床的系统数据、PMC程序、参数和刀补等数据的前期备份和存档。通过这次故障意识到，针对应用越来越多带有硬盘的开放式控制系统，包括工控机，SIEMENS公司产840D系统和FANUC公司产160i系统等，许多因缺少安装软件（有的因涉及系统、设备生产厂家的专利技术，也不提供安装软件），一旦硬盘或相关硬件损坏，自己无法恢复，特别是进口设备，往往需要联系国外生产厂家，不仅费用高，同时会造成修复时间延误，严重影响生产。为此，在设备管理规程中增加了将硬盘做Ghost或重要硬盘直接克隆备份，并就备份资料和克隆硬盘的存档、借用、归还等进行了严格规定。

（2）对设备日常维护工作严格检查、考核制度的完善。这次故障虽然最终证明不是由于液压压力变动引起，但氮气蓄能罐中氮气缺少了却没有在日常点检时发现；Z轴楔铁固定螺栓松动没有在设备定保时被检查出来；根据加工环槽宽度满足要求，想当然认为Z轴正常等，都说明设备日常点检和定保工作虽有规定，但没有做到位，检查和考核制度不完善。为此，重新修订了设备的日常点检、定保及相关奖惩制度，使设备操作者、维修人员和管理人员都明确了自己在设备维护中应担负的职责，真正将设备点检、定保及检查工作做到位。

由于数控设备的加工速度快、加工精度高和适合大规模生产等优点，应用越来越广泛，进口设备的数量也越来越多。这就要求设备管理工作必须同步跟上，才能提高设备运行的稳定性、减少维修时间和降低维修成本，保证实现利润最大化。