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我國(guó)九十年代中軍工企業(yè)從美國(guó)Giddings&Lewis公司購(gòu)買了一批臥式加工中心機(jī)床型號(hào)為HMC410，為美國(guó)公司此類機(jī)床的早期產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)用戶在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該機(jī)床的Y軸（垂直軸）在數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)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(duì)產(chǎn)品的加工，有臺(tái)機(jī)床甚至發(fā)生Y軸不明原因的制動(dòng)無(wú)效垂直落下，造成機(jī)床的嚴(yán)重?fù)p壞，用戶多方救解無(wú)效的情況下，我公司冒險(xiǎn)承接了對(duì)該機(jī)床故障隱患的排查處理工作。
二． HMC410機(jī)床現(xiàn)狀的分析
經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析我們了解到，該機(jī)床的主軸箱（Y軸）有三噸多重，但機(jī)床設(shè)計(jì)的主軸箱的垂直平衡措施沒(méi)有，即無(wú)重錘平衡，也無(wú)液壓平衡，機(jī)床斷電時(shí)靠伺服電機(jī)的抱閘使其不下落，通電工作時(shí)靠伺服電機(jī)的扭矩力使其上下移動(dòng)。
此種機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在近年的國(guó)外進(jìn)口機(jī)床中較普遍，因?yàn)樗箼C(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，但此種機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)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(jī)扭矩要足夠大，二是要求系統(tǒng)的制動(dòng)反應(yīng)要極為靈敏。因?yàn)閷?duì)于西門子系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一但出現(xiàn)較嚴(yán)重故障，系統(tǒng)要切斷伺服電機(jī)的“使能”。依據(jù)對(duì)不同故障的不同反應(yīng)，這種“切斷使能”的動(dòng)作始發(fā)于NCK，也可能始發(fā)于PLC。但不管始發(fā)于誰(shuí)，都使電機(jī)“失去扭矩”。這對(duì)于上述垂直軸來(lái)說(shuō)意味著失去力的支撐而發(fā)生跌落。而這時(shí)系統(tǒng)如何安排電機(jī)抱閘的迅速生效就變得至關(guān)重要，因?yàn)榇藭r(shí)如抱閘不及時(shí)，至使主軸箱跌落過(guò)多的話，如這時(shí)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(bào)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(duì)不可以的。
由此我公司得出結(jié)論，HMC410機(jī)床的Y軸“跌落過(guò)大”問(wèn)題是系統(tǒng)在既有機(jī)械條件下NC、PLC配合控制的時(shí)序考慮不周造成的。而某臺(tái)機(jī)床的主軸箱制動(dòng)失靈造成損壞，也是由于系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)或PLC設(shè)計(jì)過(guò)程中存在“陷阱”即某種特定故障發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)切斷Y電機(jī)“使能”，而又未發(fā)出抱閘指令，或此時(shí)的電機(jī)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(cè)Y電機(jī)抱閘功能良好這一事實(shí)也對(duì)上述判斷提供有力支持。
三、隱患的查找
在確定問(wèn)題的大致性質(zhì)后，我公司開始有針對(duì)性的對(duì)系統(tǒng)的NC,PLC程序進(jìn)行了分析：
首先為確保制動(dòng)的安全系統(tǒng)，我們?cè)诂F(xiàn)有Y電機(jī)抱閘制動(dòng)的基礎(chǔ)上，在Y軸的垂直絲桿上又增加了一個(gè)電磁制動(dòng)器，此制動(dòng)器的動(dòng)作由PLC及Y軸伺服單元的狀態(tài)觸點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)控制，在硬件上擴(kuò)大了制動(dòng)的產(chǎn)生要素，增加了制動(dòng)的可靠性。
其次根據(jù)我們對(duì)PLC的分析，如果PLC在第一時(shí)間得到NC的故障信息，從而在一個(gè)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(dòng)的硬件延時(shí)，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(shí)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(jì)缺陷，NC在發(fā)生故障時(shí)，在許多情況下并沒(méi)有在“第一時(shí)間”通知PLC處理，造成跌落過(guò)大。比如應(yīng)該的響應(yīng)過(guò)程是：故障→NC切斷伺服使能→故障通過(guò)接口通知到PLC→PLC控制抱閘， 而實(shí)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(guò)大報(bào)警→誤差過(guò)大報(bào)警通過(guò)接口通知到PLC→PLC控制抱閘。
由上看出，NC故障發(fā)生時(shí)，NC切斷伺服的情況在第一時(shí)間沒(méi)有“告知”PLC，（PLC的抱閘邏輯判定要素不全?。┲钡降浒l(fā)生產(chǎn)生另一種故障時(shí)，PLC才識(shí)別到并處理，這樣就延誤了寶貴的時(shí)間。
發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題所在之后，我們又進(jìn)一步分析是什么樣的“故障”會(huì)造成上述問(wèn)題。而什么樣的故障不會(huì)（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(jī)床引用了西門子“安全集成”的設(shè)計(jì)概念，用于提高機(jī)床的工作安全性。但問(wèn)題恰恰大部分出在這里。
由于考慮不周，此“安全集成”在機(jī)床硬件檢測(cè)開關(guān)有些老化、進(jìn)而使反饋信號(hào)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(jī)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(shuō)，一旦發(fā)生此類故障PLC又不能及時(shí)處理。造成上述問(wèn)題。對(duì)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(cè)條件，使其不再“神經(jīng)過(guò)敏”，用戶認(rèn)為無(wú)需判定的條件給予屏蔽，這樣就提高了機(jī)床的穩(wěn)定性。
2. 修改了安全集成的輸入條件，使其適合機(jī)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(lái)。
4. 在PLC的OBI程序巧妙安排時(shí)序，使PLC在檢測(cè)到故障（或檢測(cè)到NC傳來(lái)的故障時(shí)）確保按“先抱閘，后斷使能”的順序執(zhí)行。
四、措施的效果
通過(guò)采用上述措施，有效的解決了HMC410機(jī)床的主軸箱跌落問(wèn)題，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)床還存在一個(gè)很致命的設(shè)計(jì)缺陷，按數(shù)控系統(tǒng)對(duì)垂直軸處理的常理，Y軸電機(jī)“使能”有效的同時(shí)，電機(jī)抱閘應(yīng)釋放，但此機(jī)床的PLC邏輯在某種特定的情況下，電機(jī)“使能”而不釋放抱閘，造成電機(jī)溫度持續(xù)上升，一般這種“特定狀態(tài)”會(huì)很快被操作者的后續(xù)操作解除（操作者的解除是無(wú)意識(shí)的），但如果恰好操作者長(zhǎng)時(shí)間不做解除，電機(jī)溫度會(huì)升至120℃以上（西門子報(bào)警150°），這時(shí)如果再釋放電機(jī)抱閘，此時(shí)的電機(jī)扭矩及抱閘性能都受電機(jī)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(shí)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。
