HAUSER S50坐标磨床插磨失控故障分析与诊断

肖 亮

（中国空空导弹研究院 河南洛阳）

一、前言

瑞士HAUSER S50-CNC311坐标磨床是具有高精密零部件、高刚度结构的高精密数控坐标磨床。由于设备工作15年后，机床控制系统严重老化，效率低下。因此，在不改变机床的机械结构和性能的前提下，对机床的控制系统进行全面改造。采用西门子840D数控系，将X、Y轴直流伺服系统更换为交流系统。用进口产品更换强电柜电气元件。通过系统设定及PLC程序的编制，恢复设备的原有功能。通过系统软件对机床的螺距误差及背隙进行补偿，使设备的定位精度及重复定位精度达到出厂要求。为了防止插磨中过冲量大、不稳定，导致插磨出来的底线成一条波浪线，所以在机床系统控制液压缸的上下插磨回路中，设计插磨控制板，确保过冲量控制在0.5 mm内，满足零件加工要求。机床在执行插磨加工零件过程中，出现插磨行程失控，插磨下行和上行不能切换。

二、S50-CNC311坐标磨插磨功能

S50-CNC311坐标磨执行插磨功能的工作流程。启动机床液压单元，在操作面板上启动插磨指令。当启动插补时，释放插补信号，插补电压信号传至插磨控制板，控制板结合检测模块反馈信号，综合处理后输出插磨上行或下行信号，控制板输出信号最终传至控制插磨液压缸的电磁阀，使液压缸往复运动，执行插补命令。同理执行上沿插或下沿插指令。工作原理流程图见图1。

插磨控制板是控制插磨功能执行的核心单元，通过PLC输入指令，插磨控制板处理信号后，从输出接口输出指令来控制插磨执行。通过插磨控制板的电路原理图（图2）可知，在插磨电路板一直有24 V直流电压给5个CD4043触发器、2个CD4069反相器供电，启动插磨瞬间U1触发器有始能信号，信号传递给插磨下行，执行插磨，同时U3触发器在插磨过程中一直有始能信号，U6、U7反相器输出信号一起控制插磨上行或下行。当下行到位时，U7反相器工作，通过U3触发器输出信号控制插磨上行，由U4触发器控制插磨下行。当上行到位时，U6、U7反相器工作，通过U3触发器输出信号控制插磨下行。当执行上沿插时，通过U6、U7反相器信号处理插磨上行的切换，完成上沿插指令。同理下沿插，由U5触发器控制插磨上行和下行的切换。

插磨的执行机构是一个双重动作的液压缸，自动往复插磨动作是通过液压缸带动的，通过控制液压缸的动作来控制整个机床的插磨功能。

机床局部结构图，如图3所示。插磨刀具在Z方向动作情况通过标志块312表示在标尺308上；插磨限深器位置用挡块313表示在标尺308上。可以通过手轮318适当调整插磨限深器位置。插磨向上和向下的换向点在标尺308上用自动换向器306和307表示，两个自动换向器位置可通过旋钮 315适当调整。

图1 工作原理流程图

图2 插磨板原理图

当标志块312置顶时，开始执行插磨，标志块312快速下降到自动换向器307时，自动换向器307上的传感器开关检测到标志块312，然后开始慢速进入插磨区间，进行插磨下行。标志块312下降至自动换向器306时，自动换向器306传感器开关检测到标志块312，插磨下行指令停止，转而执行插磨上行指令。标志块312上升至自动换向器307时，自动换向器307上的传感器开关检测到标志块312。插磨上行指令停止，继续执行插磨下行指令。往复上行、下行插磨，来执行插磨运动。

三、故障分析与诊断

针对故障，从PLC输入输出等方面入手，做如下假设。

（1）假设自动换向器306上的传感器未检测到标志块，导致插磨下行指令没有中止。原因可能是传感器损坏或连接线接触不良。

（2）假设有检测到标志块PLC输入信号，但信号处理器单元出现故障，致使PLC没有插磨下行中止指令输出和插磨上行指令的输出，执行机构无法插磨上行。原因可能是PLC插磨控制器内部出现故障。

（3）假设PLC信号输出有插磨上行和插磨下行中止的电信号，但在传递电信号给执行机构的过程中丢失了，同样执行机构无法执行插磨上行。原因可能是从PLC输出信号接口到执行机构输入端之间的线路、继电器、接口等元器件出现故障。

分析与机床插磨加工中相关的PLC输入信号，在图4中可以得知：开启插磨时，插磨开启输入点E1有24 V电压输入，当B550传感器检测到目标，则插磨下到位，E2就有24 V直流电压输入，同时把电压信号传递给插磨控制板，输出执行插磨上行。当B548传感器检测到目标，则插磨上行到位，E3就有24V直流电压输入，同时把电压信号传递给插磨控制板，输出执行插磨下行。

按上述假设进行验证：首先通过观察以及万用表检测到E2有电压，在插磨控制板上也检测到有插磨下到位的输入信号电压。接着在PLC信号输出接口未检测到插磨上行输出点有24 V直流电压。

在插磨控制板上插磨下行输出点一直有24 V直流电压，而插磨上行输出点未检测到24 V电压。因此可以判断出插磨控制板出现故障，导致无法执行插磨上行下行切换。

图4 PLC输入信号

机床是经过大修改造后，采用PLC编程实现插磨加工，插磨中过冲量大且不稳定，导致插磨出来的底线成一条波浪线，不能满足加工要求。通过分析原因以及采取合理措施，在控制液压缸上下插磨回路中，设计了一套插磨控制电路，用于控制插磨的过冲量，使过冲量控制在0.5 mm内，满足零件加工要求。因此插磨PLC控制板出现故障，无法维修，只能通过测绘重新制作控制板。

通过原理图，制作出PCB板（图5），校正PCB板后，把各元器件安装焊接后得到插磨控制电路板（图6）。安装电路板后，插磨行程失控故障得以解决，且过冲量仍控制在0.5 mm内，满足零件加工要求，快速有效的恢复机床使用。

图5 PCB板

图6 电路板