成型磨床测量系统故障分析与排除

李潇飞，韩跃伟，王永智

（中车西安车辆有限公司，陕西西安 710086）

0 引言

随着我国铁路运输的蓬勃发展，对铁路运输的要求逐步向多、快方向集中，这就对作为铁路货车的主要承载部件——车轴的加工质量提出了很高要求。为保证新造货车转向架车轴的加工质量，中车西安车辆有限公司引进了日本丰田工机公司生产的成型磨床，用来加工新造货车转向架车轴。

日本丰田公司成型磨床系统主要包括成型磨削砂轮、机床床身、液压系统、控制系统及测量系统等，可完成成型砂轮自动修磨整型、车轴加工的自动磨削及磨削过程的实时测量监控。随着该成型磨床的使用时间越来越长，成型磨床系统各部件逐渐老化，故障也随之增多。在日常使用过程中，主要体现在软、硬件两个方面，其中软件方面程序的故障比较多，但易于处理；硬件方面的故障影响因素很多，分析处理比较困难，直接影响到设备的正常运转和现场生产的顺利进行。本文就成型磨床测量系统软硬件方面的疑难故障分析及维修排除进行研究。

1 故障原因

随着成型磨床使用年限的不断增加，机床测量系统在使用过程中时常出现故障报警，造成加工程序中断的现象也越来越频繁。对于系统偶发故障报警，只要进行手动复位后即可继续工作。而对于严重的硬件故障报警，手动复位无法彻底消除，这时就需要根据系统的报警信息进行相应处理。机床测量系统常见的报警信息如下：

（1）报警号为G468，报警文本为AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），B013 Head is out of measuring range，意为自动测量故障（AMP 故障），测量超出范围。

（2）报警号为G468，报警文本为AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A023/022 Detector cable cut or shortciuited Cboard，意为自动测量故障（AMP 故障），检测电缆断路或短路。

（3）报警号为G468，报警文本为AUTO SIZER FAULT（AMP FAULT），A130 Part/process Nos are wrong 19-07-25 Correct part/process Nos，意为自动测量故障（AMP 故障），程序编号错误。

2 成型磨床测量系统工作原理

日本丰田成型磨床的测量系统主要由测量装置、驱动装置、测量仪三部分组成。

测量装置安装在驱动装置上；驱动装置安装在成型磨床本体上；测量仪独立安装，通过数据通信电缆与测量装置、成型磨床控制主机及控制柜之间实现数据处理、信息传送及命令执行。在车轴磨削加工过程中，当被加工车轴经过粗磨，消除车轴表面的加工刀纹后，控制主机就会发出指令，驱动装置驱动测量装置对正在加工的车轴进行实时测量。在整个加工过程中，测量装置始终保持着对工件的实时测量，并将加工过程中的尺寸变化量实时传递给机床控制系统，再由成型磨床主机根据车轴的实时尺寸信息发出相应的控制信号，如粗磨、精磨、光磨、到尺寸等，控制机床的加工动作。车轴磨削加工完成后，主机会记录车轴加工各个部位的数据信息，与测量系统实时通信，根据系统正定系数对车轴磨削加工尺寸进行自动补偿，并为车轴磨削加工的下一次工作循环做好准备，从而实现车轴磨削加工过程的闭环控制。

在整个车轴磨削加工实时测量过程中，操作人员无需停机就能看到系统对加工车轴的实时测量数据，减少了操作工的劳动强度，提高生产效率，降低废品率，且磨削加工出的车轴尺寸一致性较高，大大降低了下个工序（基轴制加工轮毂孔）的加工难度，保证了轮对组装的合格率。

2.1 测量装置

测量装置俗称测头，其中与被加工车轴表面接触的部分称为测子（图1）。测量装置端头的耐磨材料是金刚石，在车轴磨削加工过程中，起着把被测车轴磨削加工尺寸的实时变化量转化为测量信号的作用，是测量仪的主体。在砂轮磨削车轴加工的整个过程中，测量装置的2 个金刚石测子始终与磨削加工车轴的表面接触，将被磨削加工车轴直径的变化量通过测子、测杆及位移放大杠杆，推动测量装置中位移传感器的磁芯和电感线圈产生相对位移，从而将尺寸的变化转换为电感量的变化，形成变化的电压信号，并通过数据通信电缆反馈到测量仪。由测量系统将此信号进行处理，并将处理结果传递给主机。

图1 测量装置

2.2 驱动装置

测量装置的进退由驱动装置带动，驱动装置为双液压缸驱动，并安装有导向杆，保证了测量装置在运动过程中的精确定位。被磨削加工的车轴装夹好后，磨削砂轮快速前进，当磨削砂轮进给到预定磨削加工位置时，主机控制驱动装置带动测量装置进入测量工位。磨削加工车轴达到预设置的尺寸后，磨削砂轮快速退回，同时驱动装置带动测量装置退出测量工位，以便操作者装卸车轴。

2.3 测量仪

测量仪独立安装，通过数据通信电缆与测量装置、成型磨床主机及控制柜连接，实现数据处理、传送及通信（图2）。在车轴磨削加工过程中，测量装置将测量信号通过数据通信电缆传递到测量仪，在整个测量过程中，测量仪始终显示被磨削车轴的实时尺寸，并将其尺寸变化量实时传递给主机控制系统。它是测量系统的控制中枢，起着数据收集分析、处理及传递的作用。

图2 测量仪

3 故障原因分析及排除

在程序运行过程中出现严重故障时，会导致测量系统报警，造成程序中断、不能继续工作。此类严重故障报警一般与测量装置、驱动装置、测量仪有关，下面分别对3 种故障报警进行分析排除。

3.1 测量装置故障

测量装置的故障主要表现为超出测量范围报警，断路或短路报警。

3.1.1 超出测量范围报警

B013 Head is out of measuring range，测量超出范围报警主要有系统相对零点不准、系统机械零点不准及放大杠杆机构板簧压力不足3 种原因。

3.1.1.1 系统相对零点不准

上标准车轴→顶起车轴→左/右定寸装置出（此时测量装置停在测量位置）→按PREV/1/1（2）进入测量仪校准界面→按SHIFT+ZERO ADJ 进行系统零点校准操作，然后进行正常磨削加工操作，注意磨削加工过程中实时监控磨削尺寸，分段停机进行手动测量，并将测量数据与自动测量数据进行比较。若两者相同，则说明此次偏差为系统零点位置不准造成，只要重新校准系统零点即可。若两者测量数据仍然相差较大，则为系统机械零点不准，就需要对系统机械零点重新进行校准操作。

3.1.1.2 系统机械零点不准

上标准轴→顶起车轴→左/右定寸装置出（此时测量装置停在测量位置）→按PREV/2/1（2）进入测量仪机械零点校准界面→调整上下接触子使零点公差控制在±10 μm 内→按SHIFT+ZERO SET 进行系统机械零点校准操作，然后按上述步骤进行系统零点校准。

3.1.1.3 放大杠杆板簧压力不足

如果是放大杠杆板簧压力不足造成的偏差，表现为当测量装置处于自由状态时，上、下测杆向内用手轻轻相对压紧时，测量系统显示测量数据有变化，说明测量装置还有动作间隙行程（正常情况测子接触工件表面后是无行程的），这表现为上、下接测子端头与工件表面之间接触的压力不够，从而导致测量结果出现偏差，此时需要打开测量装置，对确定有行程间隙的测杆的压力板簧进行预压紧调整，直到消除间隙行程即可排除故障。

3.1.2 测量装置断路或短路报警

针对A 023 /022 Detector cable cutor shortciuited Cboard，检测电缆断路或短路报警，需要对测量装置的电源及信号线路进行校对，通过检测故障测头并与正常测头的检测信号互相进行对比，判断一组测头为数据线故障，另一组测头为传感器输出故障（图3），详细测量并记录两组测头所有的原始详细信息，做好相应标识，拍照留底，并画出接线原理图（图4）。仔细校对确认无误，然后对测头拆解，将两组测头中判断为好的传感器、接口电路板、数据线、连接接头进行重新组装，在直径不到1 cm的接口电路板上正反面焊接了15 根数据线，焊接后对比存留原始信息，检测确认无误，组装上机测试，进行系统相对零点校准后，进行试加工，确认机床工作状态正常。

图3 传感器输出故障

图4 接线原理

3.2 驱动装置故障

驱动装置故障主要表现为驱动油缸无动作或驱动油缸无法到达测量位置。此种情况一般无报警，基本可以断定为机械故障，此时需要做以下工作：①查液压系统压力是否正常；②检查电磁阀是驱动信号是否正常；③打开油缸进油口查看是否有油，判定电磁阀动作是否正常；④打开油缸回油口，检查回油口是否一直出油，判断油缸是否串缸；⑤驱动油缸不能到达测量位置且油缸无故障，多数为维修过程中导向杆安装不当或导向套端头排气孔堵塞造成，检查导向杆的导向套端头排气孔是否畅通，疏通排气孔重新安装导向杆并即可解决。

3.3 系统测量仪故障

如果排除了系统测量装置及驱动装置故障，可确定为系统测量仪有关方面的故障。系统测量仪故障主要表现为系统A 130 Part/process Nosare wrong 19-07-25 Correct part/process No s，程序编号错误报警（图5）。

图5 测量仪报警

报警内容显示程序编号错误，需要调整程序编号，但实际操作中程序编号并未发生变换，由此可以判定不是程序故障，而是电气故障。

首先，应对相对容易检查的所有外围相关电源线、数据通信电缆线以及各个线缆插头部分进行测量检测，确保各个数据通信电缆及插头无故障。然后调出系统测量仪的控制I/OMONITO R页面，通过此界面显示的信息，可以对机床测量系统所有的I/O状态进行实时观察，通过此界面的显示信息，观察到测量仪共有35 个输入点，从I 000 至I 034，有48 个输出点，从I 040 至I 087，数值为1 表示该点为高电平，对应信号为该I/O 有输入/输出，数值为0 表示该点为低电平，对应信号为该I/O 没有输入/输出。

根据说明书可知正常工作状态时测量系统各I/O 点数值。将报警状态的I/O 点数值与正常状态的I/O 点数值进行对比，发现I 040 输出点有异常，该I/O 点正常时数值应为0（低电平），而此时该点的显示值为1（高电平），所以可以确定I 040 输出点故障（图6）。也就是说，测量仪实际输入无故障，但输出有故障报警。

图6 I/O 数值

为进一步确认分析结果，打开系统测量仪，对I/O 板上所有I/O 点进行测量对比，发现所有输入点的电平信号与正常状态时的电平信号一致，输出点的电平信号除I 040 输出点与正常时相反外，其他输出点电平信号均与正常时的电平信号一致（图7）。因此，可以断定I 040 输出故障导致了系统报警。经检测I 040 在系统输入信号正常时，持续输出故障报警信号。经进一步检测发现，该点输出光电耦合器短路故障，更换光电耦合器后故障排除。

图7 I/O 板

4 结束语

由于日本丰田成型磨床自动化程度高，故障诊断过程比较复杂，系统的报警信息只能对故障判定起到提示辅助作用。所以在日常生产中成型磨床故障时，必须首先分析具体的故障原因，找出报警的真正故障点，然后通过相应操作程序，维修或更换损坏配件来消除报警。通过不断的分析摸索，积累维修经验，为后期的故障维修提供参考。