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一． 問題的提出
我國九十年代中軍工企業(yè)從美國Giddings&Lewis公司購買了一批臥式加
工中心機床型號為HMC410，為美國公司此類機床的早期產(chǎn)品，國內(nèi)用戶在
使用過程中發(fā)現(xiàn)該機床的Y軸（垂直軸）在數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時經(jīng)常發(fā)生跌
落現(xiàn)象，跌落距離從幾毫米到幾十毫米不確定，嚴(yán)重影響對產(chǎn)品的加工，有
臺機床甚至發(fā)生Y軸不明原因的制動無效垂直落下，造成機床的嚴(yán)重?fù)p壞，
用戶多方救解無效的情況下，我公司冒險承接了對該機床故障隱患的排查處
理工作。
二． HMC410機床現(xiàn)狀的分析
經(jīng)過現(xiàn)場分析我們了解到，該機床的主軸箱（Y軸）有三噸多重，但機床設(shè)計的主軸箱的垂直平衡措施沒有，即無重錘平衡，也無液壓平衡，機床斷電時靠伺服電機的抱閘使其不下落，通電工作時靠伺服電機的扭矩力使其上下移動。
此種機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計在近年的國外進(jìn)口機床中較普遍，因為它使機械結(jié)構(gòu)簡化，但此種機械設(shè)計對電氣控制系統(tǒng)提出了較高要求，一是要求垂直軸的伺服電機扭矩要足夠大，二是要求系統(tǒng)的制動反應(yīng)要極為靈敏。因為對于西門子系統(tǒng)來說，一但出現(xiàn)較嚴(yán)重故障，系統(tǒng)要切斷伺服電機的“使能”。依據(jù)對不同故障的不同反應(yīng)，這種“切斷使能”的動作始發(fā)于NCK，也可能始發(fā)于PLC。但不管始發(fā)于誰，都使電機“失去扭矩”。這對于上述垂直軸來說意味著失去力的支撐而發(fā)生跌落。而這時系統(tǒng)如何安排電機抱閘的迅速生效就變得至關(guān)重要，因為此時如抱閘不及時，至使主軸箱跌落過多的話，如這時刀具與工件處于接觸狀態(tài)，則可造成刀具或工件的損壞或報廢，所以主軸箱在故障狀態(tài)下有幾道、十幾道的跌落尚可接受，幾毫米、幾十毫米的跌落是絕對不可以的。
由此我公司得出結(jié)論，HMC410機床的Y軸“跌落過大”問題是系統(tǒng)在既有機械條件下NC、PLC配合控制的時序考慮不周造成的。而某臺機床的主軸箱制動失靈造成損壞，也是由于系統(tǒng)的安全設(shè)計或PLC設(shè)計過程中存在“陷阱”即某種特定故障發(fā)生時，系統(tǒng)切斷Y電機“使能”，而又未發(fā)出抱閘指令，或此時的電機扭矩及抱閘功能已出現(xiàn)較大的不正常，致使主軸箱砸下。這從事后檢測Y電機抱閘功能良好這一事實也對上述判斷提供有力支持。
三、隱患的查找
在確定問題的大致性質(zhì)后，我公司開始有針對性的對系統(tǒng)的NC,PLC程序進(jìn)行了分析：
首先為確保制動的安全系統(tǒng)，我們在現(xiàn)有Y電機抱閘制動的基礎(chǔ)上，在Y軸的垂直絲桿上又增加了一個電磁制動器，此制動器的動作由PLC及Y軸伺服單元的狀態(tài)觸點串聯(lián)起來控制，在硬件上擴大了制動的產(chǎn)生要素，增加了制動的可靠性。
其次根據(jù)我們對PLC的分析，如果PLC在第一時間得到NC的故障信息，從而在一個PLC的OBI循環(huán)（抱閘在次循環(huán)中處理）中處理抱閘的話，按自由落體定律，再考慮制動的硬件延時，及絲桿的阻尼因素，主軸箱下落1~5毫米
是正常的，（但應(yīng)用中卻是不允許的，況且實際情況比這要大）。
進(jìn)一步的分析、觀察我們發(fā)現(xiàn)，由于PLC的設(shè)計缺陷，NC在發(fā)生故障時，在許多情況下并沒有在“第一時間”通知PLC處理，造成跌落過大。比如應(yīng)該的響應(yīng)過程是：
故障→NC切斷伺服使能→故障通過接口通知到PLC→PLC控制抱閘，
而實際卻是：
故障→NC切斷伺服使能→主軸箱下落→產(chǎn)生跟蹤誤差過大報警→誤差過大報警通過接口通知到PLC→PLC控制抱閘。
由上看出，NC故障發(fā)生時，NC切斷伺服的情況在第一時間沒有“告知”PLC，（PLC的抱閘邏輯判定要素不全！）直到跌落發(fā)生產(chǎn)生另一種故障時，PLC才識別到并處理，這樣就延誤了寶貴的時間。
發(fā)現(xiàn)了問題所在之后，我們又進(jìn)一步分析是什么樣的“故障”會造成上述問題。而什么樣的故障不會（畢竟不是所有的故障都引起Y軸大的跌落）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該機床引用了西門子“安全集成”的設(shè)計概念，用于提高機床的工作安全性。但問題恰恰大部分出在這里。
由于考慮不周，此“安全集成”在機床硬件檢測開關(guān)有些老化、進(jìn)而使反饋信號的同步性能變差的情況下（這種變差還遠(yuǎn)未達(dá)到影響機床安全的程度）。變成了“負(fù)資產(chǎn)”，嚴(yán)重影響正常加工不說，一旦發(fā)生此類故障PLC又不能及時處理。造成上述問題。對此，我們采取了如下措施：
1. 認(rèn)真處理了安全集成的外部檢測條件，使其不再“神經(jīng)過敏”，用戶認(rèn)為無需判定的條件給予屏蔽，這樣就提高了機床的穩(wěn)定性。
2. 修改了安全集成的輸入條件，使其適合機床的現(xiàn)狀。
3. 將安全集成的輸出要素與PLC的抱閘處理邏輯關(guān)聯(lián)起來。
4. 在PLC的OBI程序巧妙安排時序，使PLC在檢測到故障（或檢測到NC傳來的故障時）確保按“先抱閘，后斷使能”的順序執(zhí)行。
四、措施的效果
通過采用上述措施，有效的解決了HMC410機床的主軸箱跌落問題，經(jīng)現(xiàn)場與用戶進(jìn)行的大量故障模擬，以前通常要跌落幾毫米乃至幾十毫米的故障模式，新的措施最多只跌落0.02mm。
另外此機床還存在一個很致命的設(shè)計缺陷，按數(shù)控系統(tǒng)對垂直軸處理的常理，Y軸電機“使能”有效的同時，電機抱閘應(yīng)釋放，但此機床的PLC邏輯在某種特定的情況下，電機“使能”而不釋放抱閘，造成電機溫度持續(xù)上升，一般這種“特定狀態(tài)”會很快被操作者的后續(xù)操作解除（操作者的解除是無意識的），但如果恰好操作者長時間不做解除，電機溫度會升至120℃以上（西門子報警150°），這時如果再釋放電機抱閘，此時的電機扭矩及抱閘性能都受電機溫度的影響而大幅降低，主軸箱失控下落就再所難免。我們初期處理時未查出這一很特殊的缺陷，還不經(jīng)意放大了這一缺陷出現(xiàn)的概率，幸虧增加了輔助抱閘才未釀惡果。
發(fā)現(xiàn)這一缺陷后，我們及時修改了PLC程序，排除了這一缺陷。
