推行数控机床模块化维修根除企业生产环节之瓶颈

刘胜勇 张俊平

(①中国重汽集团济南桥箱有限公司，山东 济南250022;②山东同力达智能机械有限公司，山东 济南250022)

1 模块化维修的提出

1.1 公司数控机床现状

某公司使用的300 余台数控机床有立/卧式数控车床、车削中心、内/外圆数控磨床、立/卧式加工中心、花键铣床、直齿/螺旋齿滚齿机、研齿机、磨齿机等，它们有的配置了FANUC 0C/0D、0iA、0iB、0iC、0iD、18/18i、21/21i或31i的车床版与铣床版系统，有的配置了SINUMERIK 802 C/S base line(下称bl)、802D、802D solution line(下称sl)、828D、810/840D power line(下称pl)或840D sl 的车床版与铣床版系统;它们有的对应使用FANUC 公司生产的外置I/O 单元、内置I/O 模块、分线盘I/O 模块或系统I/O UNIT-A，有的使用数控系统自带I/O 接口(如SINUMERIK 802 C/S bl)，有的外接输入输出模块PP72/48(如SINUMERIK 802D、802D sl)或PP72/48 D PN(如SINUMERIK 828D)，有的连接SIMATIC S7-300 I/O 模块(如SINUMERIK 810D/840D pl、840D sl);它们有的采用液压控制工件夹紧/松开、机械手装料/卸料、主轴拉刀/松刀等辅助动作，有的采用气压控制工件夹紧/松开、防护门开启/关闭等辅助动作，有的采用液压与气压混合以分别控制齿轮挡位更换、主轴内孔吹屑等辅助动作。

这些数控机床因具有高精度、高效率及加工灵活可变的特点，绝大部分被安装在产品加工链的关键环节(见图1)，其加工精度高低直接决定着汽车部件的装配精度甚至影响到汽车出厂后的行车安全。还有少量数控机床因其价格相当昂贵，而被配置为单一型的关键设备(见图2)，其故障的解决速度直接关系着汽车零部件的生产进度甚至影响到汽车的整个生产链。

1.2 模块化维修实施意义

实施数控机床模块化维修，可以高度概括品种繁多的数控机床的工作原理——大致均是利用数字化的逻辑电信号控制机床的运动过程以获得所需的轮廓轨迹和相应的控制功能，此过程包含工件夹紧/松开、刀具选择、刀具与工件的相对位置、切削液开/关、主轴运行、伺服驱动、各机械耦合部件的润滑及相应部位的冷却降温等方面。简言之，数控机床就类似人的一只手，工作时它抓着刀具或工件，按照预定轨迹控制刀具或工件沿运动方向前进，最终加工出用户要求的零件形状或实现应有的用途。其刀具可以是割炬(如火焰、等离子、激光束、水射流和电极丝等)、焊枪(如单丝焊枪和双丝焊枪等)、喷枪、车刀、钻头、铣刀、砂轮、铣齿刀/插齿刀及刻针等。

实施数控机床模块化维修，可以使设备工程师及广大维修技工在面对公司FANUC 或SINUMERIK 等系统的300 余台数控机床的故障维修时，能够举一反三，简化机床故障分析过程，提高维修效率和缩短机床停机时间，确保产品加工质量及生产节拍(尤其是瓶颈式生产环节)的连续性，促进企业经济效益的稳步实现。

实施数控机床模块化维修，除对本企业具有较强的现实意义和可观的经济效益外，还对同行业的其他企业及航空航天、铁路、冶金、造船等其他行业具有很强的操作指导性和一定的参考价值。

2 FANUC/SINUMERIK 数控机床的模块化组成

当今的数控机床主要由输入/输出装置、数控系统(CNC 装置和PLC 装置)、伺服装置(包含驱动电动机和位置检测装置在内的主轴驱动系统与进给驱动系统)和机床本体(床身和工作台等)及辅助装置(如ATC、润滑、冷却和排屑等)等部分组成(见图3)。

(1)控制介质:在充分分析产品图样工艺信息、选择相应加工路线和适合刀具的基础上，按数控系统所允许的编程指令和代码格式编辑加工程序。简单的程序可在数控系统操作面板上直接编辑并存储;复杂的且耗时较长的程序则需要离线编辑后，再用数控系统所支持的传输设备和传输方式导入数控系统中。常用的传输媒介有CF 卡(配相应的适配器)、适合USB 接口的U 盘和嵌入式以太网及计算机(配相应的数据线和传输软件)4 种。

(2)输入/输出装置:输入/输出装置是数控机床与外部设备的接口，包括键盘、显示器或示教器、鼠标、相应串口(USB 接口/RS232 接口和无线路由器等)等，主要负责加工程序的传入和导出、在线编辑、参数的修改和显示等任务。

(3)CNC 装置:又称计算机数控装置，是数控机床的中枢指挥系统。它除了具有一般计算机的结构外，还有与数控机床功能有关的功能模块和接口单元。它主要是由硬件和具有多任务并行处理、多重实时中断特点的软件组成，且软件需要在硬件的支持下方能运行。

(4)PLC 装置:又称可编程序逻辑控制器，它可借助其内部存储器实现逻辑控制——逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等。PLC 的主要功能为控制过程映像输入信号、控制过程映像输出信号、实现M功能控制及数据处理等。

(5)伺服装置:它是数控系统与机床本体之间的联系环节，当机床工作时数控系统的CNC 装置将插补后的位置和速度指令以电信号形式传送至主轴驱动系统或进给驱动系统进行功率的放大(将电信号放大为电动机适合的强电信号)并使尾部带脉冲编码器的异步电动机或同步电动机旋转，从而以一定的速度控制机床运动部件移动并按程序指令加工出工件廓形。

(6)机床本体:指的是数控机床的机械结构件，可分为主运动部件和进给运动部件2 大部分。其中，主运动部件包含床身、箱体、立柱、导轨及主轴等，进给运动部件包含机床工作台和传动部件等。

(7)辅助装置:它是现代数控机床的组成部分之一，是为提高机床的自动化程度和相关部位的使用寿命及减轻劳动者的工作强度而增加的装置。它主要包括ATC 刀具自动交换、APC 工件自动交换、液压系统、润滑系统、气动系统、冷却装置及排屑装置等环节。

2.1 FANUC 系统的模块化组成

细致分析FANUC 系统中PMC 装置与CNC 装置和机床本体的关系(见图4)，可知:

(1)MT→PMC 的X 信号:在机床本体侧，除跳转信号SKIP(X0004/X1004)、急停信号* ESP(X0008.4/X1008.4)和减速信号* DECn(X0009/X1009)等高速处理信号由CNC 装置直接读取外，限位开关、操作按钮、选择开关、继电器触头、光电开关和接近开关等开关量信号以及温度传感器、压力开关和流量计等提供的连续变化的模拟量信号以随意给定的X 信号形式输入PMC 装置中，并可将其理解为由操作者发出的使CNC 执行某一动作的G 信号的控制源。

(2)PMC→CNC 的G 信号:据用户要求和X 输入信号，PMC 装置进行循环扫描处理，处理结果以特定G 信号形式通知CNC 装置，如急停信号G8.4/* ESP、循环启动G7.2/ST、方式选择信号G43#0#1#2 等。

(3)CNC→PMC 的F 信号:CNC 装置接收G 信号后执行某一动作，并以F 信号形式向PMC 装置反馈运行结果，以使PMC 进行后续逻辑。在CNC 装置读取加工程序时，会对M 代码或T 代码进行译码处理并以F 信号形式送至PMC 装置中逻辑处理。

(4)PMC→MT 的Y 信号:PMC 装置经内部互锁和自锁等逻辑处理后，以Y 信号形式向外输出至I/O装置以控制机床电气回路的线圈通/断电，进而接通强电回路后驱动电磁阀、接触器、继电器和指示灯等外部执行元件动作，最终实现液压系统、润滑系统或气动系统等辅助装置的相关动作。

(5)PMC 内部R/T/C/K/D 信号:R 信号为PMC内部逻辑的辅助继电器，T 信号相当于继电器电路中的时间继电器，C 信号为计数器，K 信号用于FANUC系统断电情况下记忆所设定内容，D 信号为赋值和读取等操作的保持型数据寄存器。

(6)伺服装置:包括主轴驱动系统和进给驱动系统两大部分，主要由电源模块PSM、主轴放大器SPM、伺服放大器、主轴电动机、伺服电动机和位置检测装置等部件组成。

①电源模块:PSM 将外界输入的三相交流电整流、滤波成标准型DC300V 或高压型DC600V 后，为主轴放大器和伺服放大器提供直流主回路电源;并将200R、200S 控制端输入的交流电转换成DC24V 和DC5V 的直流电，为控制回路电源(DC24V)及PSM 自身提供直流电源;电动机的再生能量通过PSM 的逆变块反馈至电网，实现回馈制动。按系统的配置，PSM有α 系列和αi系列两类，前者用于FANUC O/16/18/21/0iA 系统，后者用于FANUC 16i/18i/21i/0iB-D/30i系统。

②主轴放大器及主轴电动机:SPM 通过接口JA7B/JA7A 接收数控系统(接口JA7A/JD41)发出的串行主轴指令(位置控制和速度控制)，经变频调速控制向主轴电动机输出动力电;随后，主轴电动机通过传动机构带动工件或刀具配合伺服进给运动做相应的旋转运动。按功能系列不同，SPM 有α 系列和αi系列两类，前者与α 系列PSM 配置使用，后者则与αi系列PSM 配置使用。

③伺服放大器及伺服电动机:伺服放大器经接口COP10B/COP10A 和FSSB 伺服串行总线接收数控系统(接口COP10A)的CNC 轴控制指令，以驱动伺服电动机按照指令运转，同时伺服放大器上的JFn 接口接收电动机编码器的反馈信号并将位置信息通过FSSB光缆反馈至CNC 装置中，从而实现伺服电动机的闭环电流矢量控制及进给执行部件的速度和位置控制。伺服放大器有伺服单元SVU 和伺服模块SVM 两种。其中，SVU 的输入电源为AC200V、50 Hz 三相交流电，电动机再生能量经SVU 上再生放电单元中的制动电阻消耗掉，SVU 有α 系列、β 系列、βi系列和一体型SVPM 四种，主要用于模拟主轴控制场合下进给电动机的驱动。SVM 的输入电源为DC300V(标准型)或DC600V(高压型)，电动机再生能量经PSM 反馈至电网中，SVM 有α 系列和αi系列两种，一般用于串行主轴场合下进给轴电动机的驱动。

2.2 SINUMERIK 系统的模块化组成

受篇幅所限，在此给出SINUMERIK 系统中PLC装置与CNC 装置(802D/802D sl 系统为PCU 面板，828D 系统为PPU 面板，810D pl 系统为CCU 模块，840D pl/840D sl 系统为NCU 模块)和机床本体的关系，如图5 所示。

3 模块化维修的现场应用典型案例

以“运转立式车床频繁突停致齿轮连续线瘫痪的处置”为例，说明数控机床模块化维修的过程。

(1)情况说明:图6 所示的被动锥齿轮连续生产线(简称连续线)是用来生产重型汽车STR(MAN)驱动桥上盘式被动锥齿轮的，正常情况下双班作业可日产240 件(320 件)成品。

(2)故障现象:连续线处于循环状态时，标号为MC1 或MC2 的PUMA V405 立式车床会在其执行加工程序过程中不定期地频繁出现停机问题(每班15 次之多)，使得连续线不能继续自动运行而严重影响生产节拍——日产量仅150 件STR 系列盘式被动锥齿轮。

①MC1/MC2 停机故障时，执行中的加工程序段停止无规律，屏幕坐标不变化。MC1/MC2 关机重启并更换掉损坏刀尖及重新对刀处理后，连续线又能正常工作一小段时间。

②MC1/MC2 停机故障时，机床控制面板上［CYCLE START/循环启动］按钮的指示灯HL321 点亮呈绿色，表明PUMA V405 立式车床仍处于循环状态;但主轴运转已停止，车刀片的刀尖崩碎(每次故障损坏1 个刀尖)。

③MC1/MC2 停机故障时，位于MC1/MC2 操作门前、等待取料的Robot1 卡爪上的空气管吹气，MC1/MC2 操作门呈关闭状态，并且MC1/MC2 上气动三爪卡盘的切屑清洁气管吹气。

④MC1/MC2 单机运转时，一直未发生此停机故障。

(3)诊断分析:严格按照“四步到位法维修要求”(即故障记录到位→诊断分析到位→故障维修到位→维修记录到位)的要求，在充分掌握连续线中各机床模块化组成结构的基础上，合理运用原理分析法、测量比较法等现代故障诊断分析方法，对故障原因展开排查。

①单机运转时无故障而联机加工时有故障，说明:MC1/MC2 的单机运转用PMC 梯图逻辑正常，故障可能为Robot1 与MC1/MC2 的交互逻辑出现异常，例如彼此间信号存在干扰、MC1/MC2 的联机加工用PMC梯图逻辑紊乱、Robot1 的联机加工用PLC 梯图(PLC品牌为台达)逻辑紊乱等。

②按钮指示灯HL321 点亮的逻辑控制(见图7):联机加工时，Robot1 经X8.7 向MC1/MC2 的PMC 传送上料完成信号→MC1/MC2 的PMC 向其CNC 传送循环启动信号G7.2/ST→机床运转启动后MC1/MC2的CNC 向其PMC 传送自动运转启动中信号F0.5/STL→MC1/MC2 的PMC 向外输出Y32.1= 1 的信号→［CYCLE START］按钮指示灯HL321 点亮。

MC1/MC2 停机故障期间，HL321 始终点亮，说明Y32.1=1 的状态未改变，进而表明CNC 到PMC 的F0.5/STL 信号保持接通，即MC1/MC2 仍处于自动运转中。

③Robot1 与MC1/MC2 间的信号交互过程(见图8):MC1(MC2)向Robot1 发送上料请求信号Y1.6→Robot1 开始上料并向→MC1(MC2)传送上料完成信号MC1(MC2)关门后夹紧工件并启动加工加工→中经M21 指令使Robot1 提前移至机床操作门前以等待下料加工完MC1(MC2)执行M02 或M30 指令并向Robot1 发送下料请求信号→Robot1 在台达ASD 型驱动器和伺服电动机的驱动下开始下料→Robot1 下料完毕后向→MC1(MC2)传送下料完成信号MC1(MC2)的气动三爪卡盘清洁吹气以去除切屑→同时在Robot1 移出机床操作门后Robot1 卡爪的空气管吹气→一个加工循环结束。

④气动三爪卡盘清洁吹气的逻辑控制(见图9):联机加工时MC1 经地址X8.6 接收Robot1 传送的下料完成信号→操作门关闭状态下内部辅助线圈R623.2=1→吹气请求线圈R622.4 接通并保持→吹气线圈Y0.7接通并向外输出→MC1 的三爪卡盘吹气以去除积屑。

⑤由以上分析可知:在MC1(MC2)循环加工过程中，Robot1 向MC1(MC2)传送了干扰信号——下料完成信号X8.6，遂致MC1(MC2)认为加工程序执行完并由PMC 装置控制主轴停止运转，但此时CNC 到PMC的F0.5/STL 信号仍保持接通而使得HL321 点亮呈绿色。

(4)解决措施:根据诊断分析的结果，本着“简单、实用、快捷、稳定”的原则，对MC1 与MC2 的PMC 梯形图中有关气动卡盘吹气的逻辑进行修改，也就是将CNC 到PMC 的F0.5/STL 信号的常闭触点串联在下料完成信号X8.6 之后(见图9)，使得机床处于自动运行中时不会受到信号X8.6 接通的干扰而继续执行加工程序，直至M02 或M30 指令执行完毕。

(5)维修效益:试机一段时间后，再也没有出现“运转立式车床频繁突停致齿轮连续线瘫痪”的故障。如此，每天可省略刀片损失费用约1 800 元(15 片/天×120 元/片)，每天挽回生产损失费用1 800 元(90 件/天×20 元/件)。

4 结语

伴随我国工业现代化进程的稳步推进、数控机床制造技术的快速发展与广泛应用、及用户对产品零件加工形状与加工质量的要求愈来愈高，数控加工已被大量应用在汽车、航空航天、铁路、冶金、造船等多种行业的产品制造过程中。这些关键单一型的数控机床在企业的生产经营和质量控制中，占据着重要的地位，有时甚至成为企业的“瓶颈”。因此，有必要在柔性化程度较高的加工制造业内推广数控机床模块化维修。

推广数控机床模块化维修，既离不开企业管理制度的引领和评比等手段的激励，也离不开广大维修工程师和维修技工孜孜不倦地学习与模块化维修的深入实践;既离不开社会范围内数控机床模块化维修经验的相互交流和融合，也离不开国外先进制造技术与机床维修理论的借鉴和吸收。

希望文中关于数控机床模块化维修的观点、理论及案例介绍，不但可以起到抛砖引玉的作用，对维修人员俯瞰数控机床的模块化维修起到一点帮助;还能为企业目标“装备保工艺，工艺保质量，质量保效益”的实现贡献力量，对消除生产环节的瓶颈——关键单一设备故障导致质量下滑甚至企业停产提供有效方法。

［1］刘胜勇.数控机床SINUMERIK 系统模块化维修［M］.北京:机械工业出版社，2014.

［2］刘胜勇.数控机床FANUC 系统模块化维修［M］.北京:机械工业出版社，2013.

［3］刘胜勇.车辆轮轴的加工与组装［M］.北京:中国铁道出版社，2012.