誤操作導(dǎo)致自動(dòng)換刀系統(tǒng)故障典型案例分析
2024-7-22 來(lái)源： 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司設(shè)備廠 作者：蔚騰，陳國(guó)良，盧西寧
摘要：針對(duì)數(shù)控加工中心由于操作不當(dāng)引起的自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)典型故障，分析故障產(chǎn)生的原因和排除方法，提出預(yù)防該類型故障的有效措施。
關(guān)鍵詞：數(shù)控加工中心；自動(dòng)換刀；刀具管理；刀長(zhǎng)
0 引言
作為工業(yè)母機(jī)，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，實(shí)際維修中經(jīng)常遇到由于操作不當(dāng)引發(fā)的設(shè)備故障。特別是對(duì)于具備自動(dòng)換刀功能的機(jī)床，由于操作不當(dāng)造成刀具參數(shù)錯(cuò)誤引發(fā)的設(shè)故障，輕則造成工件超差，更有造成設(shè)備損壞的巨大風(fēng)險(xiǎn)。
1、換刀子程序重名引起機(jī)床換刀動(dòng)作異常
1.1 故障現(xiàn)象
一臺(tái)操作系統(tǒng)為 Sinumerik 84OD SL 的加工中心在進(jìn)行自動(dòng)刀具交換時(shí)動(dòng)作異常，輸入換刀指令 TXX 后，機(jī)床 Z 軸未像正常情況抬高至 Z 軸預(yù)設(shè)的換刀點(diǎn)，而是向工作臺(tái)方向快速進(jìn)給，并且主軸開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)，緊急按下急停按鈕終止 Z 軸的繼續(xù)進(jìn)給才避免了銑傷工件、損傷主軸的重大設(shè)備事故。
1.2 故障分析與排除
維修人員利用發(fā)生故障的程序?qū)收犀F(xiàn)象進(jìn)行復(fù)原再現(xiàn)。
為了保證設(shè)備和人員安全，在輸入換刀指令調(diào)用換刀子程序進(jìn)行換刀之前，激活機(jī)床的單段進(jìn)給“Signal Block”模式，并將進(jìn)給倍率旋至 10％擋位。在進(jìn)行測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)行換刀動(dòng)作時(shí)，Z 軸沿負(fù)方向進(jìn)給并且伴隨主軸高速旋轉(zhuǎn)。繼續(xù)測(cè)試發(fā)現(xiàn) Z 軸降低一定高度后不再繼續(xù)進(jìn)給，但主軸依然高速旋轉(zhuǎn)，按下“CycleStart”按鍵繼續(xù)單歩運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)機(jī)床 3 個(gè)坐標(biāo)均開(kāi)始發(fā)生位移。
多次按下“Cycle Start”按鍵繼續(xù)進(jìn)行測(cè)試觀察，發(fā)現(xiàn)機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡近似于正在加工的工件，經(jīng)分析判斷此時(shí)機(jī)床在進(jìn)行自動(dòng)加工，運(yùn)行程序?yàn)閷⒁庸さ南乱坏拦ぜ绦颉?/font>
詢問(wèn)操作人員機(jī)床發(fā)生故障之前的操作行為，得知加工的工件為批量產(chǎn)品，工作臺(tái)面上同時(shí)陣列布局 8 個(gè)工件，其加工程序相同，只是起到點(diǎn)有差別。通過(guò)改變工件原點(diǎn)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)加工，為了便于調(diào)用加工子程序，加工時(shí)不斷更改程序名為 L1、L2 至L6，發(fā)生故障時(shí)剛好加工至第 5 個(gè)工件，在執(zhí)行換刀指令時(shí)發(fā)生了上述故障，西門子系統(tǒng)默認(rèn)換刀子程序名為 L6，機(jī)床廠家會(huì)編譯一個(gè)換刀子程序便于使用，該程序通常存儲(chǔ)在“Manufacture”文件夾下，標(biāo)準(zhǔn) L6 子程序一般包含 3 部分，如圖 1 所示：
圖 1 L6 換刀子程序示例
西門子系統(tǒng)可通過(guò)調(diào)用 M6 指令、調(diào)用 L6 子程序和直接調(diào)用目標(biāo)刀具名 T=“xx”三種方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)刀具交換。在本例中，加工子程序執(zhí)行到 M6 代碼時(shí)，激活機(jī)床自動(dòng)換刀功能。故障原因是由于操作人員新命名的 L6 子程序和西門子數(shù)控系統(tǒng)的換刀子程序 L6 重名，因此在執(zhí)行第 5 個(gè)子程序 L5 時(shí)，當(dāng)執(zhí)行換
刀指令時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)直接調(diào)用了操作人員新命名的存儲(chǔ)于用戶加工程序“workpiece”目錄下的 L6 加工子程序，導(dǎo)致機(jī)床換刀動(dòng)作異常。重新命名加工子程序后再執(zhí)行換刀指令，機(jī)床順利完成目標(biāo)刀具的更換，故障排除。
1.3 故障反思
西門子數(shù)控系統(tǒng) L6 子程序?yàn)樽詣?dòng)換刀專用名稱（西門子系統(tǒng)NC 參數(shù) MD10716 定義，默認(rèn)值“L6”），通常存儲(chǔ)于 Manufacture 循環(huán)目錄下，在系統(tǒng)執(zhí)行換刀指令時(shí)進(jìn)行調(diào)用。而在這一案例中，操作人員在“工件”目錄下建立了一個(gè)同名的 L6 加工子程序，導(dǎo)致在進(jìn)行換刀動(dòng)作時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤調(diào)用。針對(duì)這一間題，對(duì)操作人員進(jìn)行了培訓(xùn)。同時(shí)需要注意的是，西門子系統(tǒng)還有一些用戶變量和系統(tǒng)變量都有特殊定義，需要操作人員了解，防止由于重復(fù)命名引起設(shè)備故障。
2、換刀交換時(shí)終止程序致主軸刀具刀長(zhǎng)丟失
2.1 故障現(xiàn)象
一臺(tái)操作系統(tǒng)為 Sinumerik 84OD SL 的加工中心在加工工件時(shí)發(fā)生故障，主軸刀具撞上加工工件造成刀具斷裂、正在加工的產(chǎn)品報(bào)廢的嚴(yán)重后果。
2.2 故障分析與排除
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)模擬對(duì)故障現(xiàn)象進(jìn)行復(fù)原再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)在加工時(shí)刀具路徑與發(fā)生故障時(shí)一致。經(jīng)詢問(wèn)操作人員，該程序?yàn)槎ㄐ统绦虼_認(rèn)無(wú)誤，且在發(fā)生報(bào)警之前采用該程序進(jìn)行了一次粗加工，在開(kāi)始進(jìn)行精加工運(yùn)行 2 min 左右就發(fā)生了事故。對(duì)該設(shè)備故障進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)機(jī)床當(dāng)前主軸刀具刀長(zhǎng)（在 Z 軸方向的長(zhǎng)度）值為“0”，檢查機(jī)床設(shè)定有效零偏后確認(rèn)刀長(zhǎng)設(shè)定值同樣為“0”。由于機(jī)床主軸刀具有效刀長(zhǎng)和實(shí)際刀具長(zhǎng)度數(shù)值相差250.95 mm，因此在加工時(shí) Z 軸向下多進(jìn)給了 250.95 mm，導(dǎo)致發(fā)生設(shè)備事故。
經(jīng)檢查確認(rèn)當(dāng)前主軸刀具刀號(hào)正確無(wú)誤，但是加工界面下的刀長(zhǎng)“0”和刀具管理界面下的該刀具定義的刀長(zhǎng)“250.95”不一致。根據(jù)操作人員描述，在發(fā)生故障前剛進(jìn)行過(guò)一次粗加工，完成后進(jìn)行了一次刀具測(cè)量動(dòng)作，然后采用同一刀具進(jìn)行精加工，因此無(wú)法確定何時(shí)刀具長(zhǎng)度丟失。
通過(guò)試驗(yàn)，執(zhí)行換刀命令來(lái)更換其他刀具進(jìn)行測(cè)試，刀號(hào)和刀長(zhǎng)都正確，重新?lián)Q回發(fā)生故障的刀具后刀具刀長(zhǎng)變?yōu)?ldquo;250.95”，一切正常。其后繼續(xù)進(jìn)行了 4 h 機(jī)床空運(yùn)行對(duì)機(jī)床換刀動(dòng)作進(jìn)行反復(fù)測(cè)試，模擬可能引起故障的條件，但都未能再現(xiàn)上述故障。
查看機(jī)床報(bào)警記錄，確認(rèn)機(jī)床發(fā)生故障前 24 h 內(nèi)無(wú)報(bào)警發(fā)生，該機(jī)床連接有 MES 系統(tǒng)用來(lái)監(jiān)控機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)。打開(kāi)MES系統(tǒng)運(yùn)行記錄發(fā)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)行狀態(tài)基本和操作人員描述一致。在發(fā)生報(bào)警之前 4 h 機(jī)床進(jìn)行過(guò) 2 次短暫的 MDA 運(yùn)行，其后機(jī)床待機(jī) 30 min（此時(shí)操作人員在進(jìn)行工件裝夾）。采用發(fā)生故障時(shí)的程序進(jìn)行了 2 h 左右的加工，再停機(jī) 3 min 又有一條只執(zhí)行了3 s 的程序（程序名：_MA_JOG_STEP1_MPF）調(diào)用記錄（這與操作人員描述有偏差），引起了維修人員的注意。再結(jié)合其后維修測(cè)試時(shí)的記錄，可確認(rèn)每執(zhí)行一次刀具交換都會(huì)產(chǎn)生一條調(diào)用該程序的記錄，但是不同的是，其后測(cè)試時(shí)程序的執(zhí)行時(shí)間在15～45 s 內(nèi)，這是由于刀具交換時(shí)目標(biāo)刀具在刀庫(kù)位置不同引起。但是在發(fā)生故障前的這一換刀動(dòng)作紀(jì)錄僅為3 s，明顯存在異常。通過(guò)查找資料，在執(zhí)行換刀指令時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)程序的執(zhí)行情況對(duì)主軸刀具長(zhǎng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)賦值，主要參數(shù)見(jiàn)表 1。
表 1 自動(dòng)刀具交換時(shí)主軸刀長(zhǎng)參數(shù)
模擬該條記錄作如下測(cè)試：在執(zhí)行換刀命令后 3 s 時(shí)按下“Reset”按鍵終止換刀程序，機(jī)床未發(fā)生任何報(bào)警，MES 系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一條該程序時(shí)長(zhǎng) 3 s 的調(diào)用記錄。由于程序未執(zhí)行完畢，系統(tǒng)在程序復(fù)位時(shí)根據(jù)參數(shù) 20120 設(shè)定的默認(rèn)值“0”將主軸刀長(zhǎng)設(shè)置為“0”，而不是正常程序執(zhí)行完畢后激活刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)?ldquo;250.95”，這是造成故障發(fā)生的原因。
2.3 解決方法
針對(duì)這一問(wèn)題，對(duì)操作人員進(jìn)行了培訓(xùn)，并完善了安全操作規(guī)程，以杜絕由于人員誤操作導(dǎo)致的事故。
3、忽視刀庫(kù)異常報(bào)警導(dǎo)致刀具錯(cuò)誤調(diào)用
3.1 故障現(xiàn)象
一臺(tái)操作系統(tǒng)為 Sinumerik 828D SL 的加工中心在加工時(shí)發(fā)生故障，主軸刀具刀長(zhǎng)異常造成刀具斷裂、加工工件報(bào)廢的嚴(yán)重后果。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)當(dāng)前主軸刀具刀號(hào)正確，但是實(shí)際刀長(zhǎng)和刀具管理界面刀具列表的設(shè)定值存在偏差，操作人員再次檢查確認(rèn)當(dāng)前主軸刀具并不是目標(biāo)刀具。
3.2 故障分析與排除
查看機(jī)床報(bào)警記錄，發(fā)現(xiàn)機(jī)床在發(fā)生故障前有過(guò)一次報(bào)警記錄，提示刀庫(kù)刀具計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)信號(hào)異常。詢問(wèn)操作人員得知該報(bào)警提示發(fā)生時(shí)為黒色對(duì)話框，機(jī)床可以正常進(jìn)給，因此操作人員在進(jìn)行故障復(fù)位后繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)加工。發(fā)生故障的原因是操作人員未對(duì)機(jī)床報(bào)警進(jìn)行正確處理從而引起刀具管理功能數(shù)據(jù)紊亂。
西門子系統(tǒng) OPERATOR 人機(jī)界面的刀具管理功能對(duì)機(jī)床刀庫(kù)和刀具信息進(jìn)行實(shí)時(shí)管理，如圖 2 所示。
圖 2 刀具管理定義的刀庫(kù)示意圖
該機(jī)床為 24 把刀的鏈?zhǔn)降稁?kù)，預(yù)選刀動(dòng)作通過(guò)異步電機(jī)和刀庫(kù)零位檢測(cè)開(kāi)關(guān)、刀具計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)控制。每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)刀位，計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)觸發(fā)一次并實(shí)時(shí)更改刀具管理系統(tǒng)的刀具信息參數(shù)。當(dāng)機(jī)床提示刀庫(kù)計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)信號(hào)異常時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算出實(shí)際刀庫(kù)轉(zhuǎn)過(guò)的刀位數(shù)，而操作人員未及時(shí)停機(jī)并告知維修人員檢修。在進(jìn)行下次刀具交換之前機(jī)床可以正常運(yùn)行，當(dāng)再次執(zhí)行換刀動(dòng)作時(shí)，由于刀庫(kù)計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)信號(hào)異常導(dǎo)致機(jī)床在刀具尋址時(shí)發(fā)生偏差，所選擇刀具并不是目標(biāo)刀具，但是數(shù)控系統(tǒng)并不能對(duì)此錯(cuò)誤做出判斷，導(dǎo)致機(jī)床換刀動(dòng)作可以正常進(jìn)行，但是實(shí)際刀具是錯(cuò)誤的刀具，刀長(zhǎng)發(fā)生改變引起工件的損傷。
經(jīng)檢查，刀具計(jì)數(shù)開(kāi)關(guān)存在松動(dòng)現(xiàn)象，重新緊固該開(kāi)關(guān)并執(zhí)行機(jī)床刀庫(kù)回零動(dòng)作，建立正確刀具列表，再次執(zhí)行換刀動(dòng)作刀具自動(dòng)交換動(dòng)作正常。
3.3 解決方法
該故障的發(fā)生是由于操作人員在機(jī)床發(fā)生報(bào)警時(shí)忽視機(jī)床報(bào)警信息而草率進(jìn)行了復(fù)位確認(rèn)，因此對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)并完善安全操作規(guī)程。通過(guò)修改 PLC 程序，提高該報(bào)警響應(yīng)級(jí)別，在發(fā)生該報(bào)警時(shí)切斷機(jī)床進(jìn)給，杜絕由于誤操作引發(fā)事故。
4、結(jié)語(yǔ)
隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)放性越來(lái)越高，給機(jī)床廠家和操作人員提供了更多的權(quán)限和空間，這對(duì)機(jī)床操作人員技能水平提出了更高的要求。誤操作會(huì)導(dǎo)致機(jī)床報(bào)警甚至發(fā)生設(shè)備損傷事故，因此對(duì)于操作人員培訓(xùn)和管理亟待加強(qiáng)，同時(shí)需要通過(guò)技術(shù)手段來(lái)規(guī)避誤操作造成的隱患。
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