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誤操作導致自動換刀（dāo）係統故障典型案例分析

2024-7-22 來源：中航西安（ān）飛機工業集團股份（fèn）有限（xiàn）公司設備廠作者：蔚騰，陳國良，盧西寧

摘要：針對數控加工中心（xīn）由於操作（zuò）不當引起的自動換刀（dāo）機構典型（xíng）故障，分析故障產生的原因和排除方法（fǎ），提出預防該類型故（gù）障的有效措施。

關鍵詞：數控加（jiā）工中心；自動換刀；刀具管（guǎn）理；刀長

0 引（yǐn）言

作為工業母機，數控機床的應用越來越廣泛，實際維修中經常（cháng）遇到由於操作不當（dāng）引發的設備故障。特別是對於具備自動換刀功能的機床，由於操作不當造成刀（dāo）具參數錯誤引發的設故障，輕則造成工件超差，更有造成設備損壞的巨大風險。

1、換刀子程序重（chóng）名引起機床換刀動作（zuò）異（yì）常

1.1 故障現象

一台操作係統為 Sinumerik 84OD SL 的加（jiā）工中心在進行自動刀具交換時動作異常，輸入換刀指令 TXX 後，機床（chuáng） Z 軸未像正常情況抬高至 Z 軸（zhóu）預設（shè）的換刀點，而是向工作台方向快速進給，並且主軸開始高速旋轉，緊急按（àn）下急停按鈕終止 Z 軸的繼續進給才避免了銑（xǐ）傷工件（jiàn）、損傷主（zhǔ）軸的重大設備事故。

1.2 故障分析與排除

維修人員利用發生故障（zhàng）的程序對故障現象進行（háng）複原再現。

為了保證設備和人員安全，在輸（shū）入換刀指令調用換刀（dāo）子程序進行換刀之前，激活機床的單段進給“Signal Block”模式，並（bìng）將進給倍率旋至 10％擋位。在進行測試時發現，在進行換刀動作時，Z 軸沿負（fù）方向進給並且伴隨主軸高速旋轉。繼續測試發現 Z 軸降低一定高度（dù）後不再繼續進給，但主軸依然高速旋轉，按下“CycleStart”按鍵繼續單（dān）歩運行，發現機床 3 個坐標均開始發（fā）生位移。

多次按下“Cycle Start”按（àn）鍵（jiàn）繼續進行測（cè）試觀察，發現機（jī）床工作台運動軌跡近似於正在加工的工件，經分析判斷此時（shí）機床在進行自（zì）動加工，運行程序為將要加工的下一道工件程序（xù）。

詢問操作人員（yuán）機床發（fā）生故障之前的操作行為，得知加工的（de）工件為批量產品，工作台麵上同時陣列布局 8 個工件（jiàn），其加工程序（xù）相（xiàng）同（tóng），隻是起到點有差別。通（tōng）過改變工件原點來（lái）進行自動（dòng）加工，為了便於調用（yòng）加工子程序，加工時不斷更改程序名為 L1、L2 至L6，發生（shēng）故障時（shí）剛好加工至第 5 個工件，在執行換刀指令時發生了上述故障，西（xī）門子係統默認換刀子程序名為 L6，機床廠家會編譯一個換（huàn）刀子程序便於使用，該程（chéng）序通（tōng）常存儲在“Manufacture”文件夾（jiá）下，標準 L6 子程序一般包含 3 部（bù）分，如圖（tú） 1 所示：

圖 1 L6 換刀子程序示例

西門子係統可通（tōng）過調用（yòng） M6 指令、調用 L6 子程序和直接調用目標刀具名 T=“xx”三種方式實現自動刀具交換（huàn）。在本例中，加工子（zǐ）程序（xù）執行到 M6 代碼時，激活機（jī）床自動換刀功能。故障原因是由（yóu）於操作人（rén）員新命名的 L6 子程序和西門子數控係統的換刀子程（chéng）序 L6 重名，因此在執行（háng）第 5 個子程序 L5 時，當執行換

刀指令時，數（shù）控係統直接調用了操作人（rén）員新命名的存（cún）儲於用戶加工程序“workpiece”目（mù）錄（lù）下的（de） L6 加工子程序，導致機床換刀（dāo）動作異常。重新命（mìng）名加工子程（chéng）序後再執行換刀指令，機床順利完成目標刀（dāo）具的更換，故障排除。

1.3 故障反（fǎn）思

西（xī）門子數（shù）控係統 L6 子（zǐ）程序為自（zì）動換刀專用名稱（西（xī）門子係統NC 參數（shù） MD10716 定義，默認值（zhí）“L6”），通常存儲於 Manufacture 循環目（mù）錄下，在係統執行換刀指令時進行調用。而在這一案例中，操作人員在“工件”目錄下建（jiàn）立了一個同名的 L6 加工子程（chéng）序，導致在進行換刀動作時發生錯誤調用。針對（duì）這一間題，對操作人員進行了培訓。同時需（xū）要注意的是，西門子係統還有一些用戶變量和係統變量都有（yǒu）特殊（shū）定義，需要操作（zuò）人員了解，防止由於（yú）重複命名引起設備故（gù）障。

2、換刀交換時終止程序（xù）致主（zhǔ）軸刀具刀（dāo）長丟失

2.1 故障現（xiàn）象（xiàng）

一台操作係統為 Sinumerik 84OD SL 的（de）加工（gōng）中心在加工工（gōng）件時（shí）發生故障，主軸刀具撞（zhuàng）上加工工件造成刀具斷裂、正在加工（gōng）的（de）產品（pǐn）報廢的嚴重（chóng）後果（guǒ）。

2.2 故障分析與排除

通過現（xiàn）場模擬對故（gù）障現象進行複原再現，發現在加工時刀具路（lù）徑與發生故（gù）障時一致。經詢問操作人員，該程序為定型程序確認無誤，且（qiě）在（zài）發（fā）生報警之前采用該（gāi）程（chéng）序進行了一次粗加工（gōng），在開（kāi）始進行精加工運行（háng） 2 min 左右就發生了事故。對該設備故障進行分析，發現機床當前主軸刀具刀長（在（zài） Z 軸（zhóu）方向的長（zhǎng）度）值為“0”，檢查機床設定有效零偏後確認刀（dāo）長設（shè）定值同樣為“0”。由於機（jī）床主軸刀具有效刀長和實際刀具長度數值相差250.95 mm，因此（cǐ）在（zài）加工時 Z 軸（zhóu）向下多進（jìn）給了 250.95 mm，導致發生設備事故。

經檢查確認當前主軸（zhóu）刀具刀（dāo）號正確無誤，但是加工界麵下（xià）的刀長“0”和刀具管（guǎn）理界麵下的該刀具定義的刀（dāo）長“250.95”不一致。根（gēn）據操作人員描述，在發生故障前剛進行過一次粗加工，完成後進行了一次刀具測量動作，然後采用同一刀具進行精加（jiā）工，因此（cǐ）無法確定何時刀具長度丟失。

通過試驗，執行換刀命令來更換其他刀具進行測試，刀號和（hé）刀長都（dōu）正確，重新換回發生故障的刀（dāo）具（jù）後刀具刀長變為（wéi）“250.95”，一切（qiē）正常。其後繼續進行了 4 h 機床空運行對機床（chuáng）換刀動作進行反複測試（shì），模擬可能引起故障的（de）條件，但都未能再現上述故（gù）障。

查看機床報警記錄，確認機床發生故障（zhàng）前 24 h 內無報警發生，該（gāi）機床（chuáng）連接有 MES 係統用來監控機床運行狀態。打開MES係統運行記錄發現機床運行（háng）狀態基本（běn）和操作人員描述（shù）一致。在發生報警之前 4 h 機床進行過 2 次短暫的 MDA 運行，其後機床（chuáng）待機 30 min（此時（shí）操作人員在進行工件裝夾）。采（cǎi）用（yòng）發生故障（zhàng）時的程（chéng）序進行了 2 h 左右的加工（gōng），再停機 3 min 又（yòu）有一條隻執（zhí）行了（le）3 s 的程序（程序名：_MA_JOG_STEP1_MPF）調用記錄（這與操（cāo）作人員描述有偏（piān）差），引起了維修人員的注意。再結合其後維修測試時（shí）的記錄，可確認每執行一次刀（dāo）具交換都會產生一條（tiáo）調用該程序的記錄，但是不同的是（shì），其後測試時程序的執行（háng）時間在（zài）15～45 s 內，這是由（yóu）於刀具（jù）交換（huàn）時目標刀具在刀庫位置不同引（yǐn）起。但是在發生故障前的這一換刀動作紀錄僅為3 s，明顯存在異（yì）常。通過查找資料，在執行換刀指令時，係統（tǒng）會根（gēn）據程序的執行情（qíng）況對（duì）主軸刀具長度進行實時賦（fù）值，主要（yào）參數見表 1。

表 1 自動刀具交換時主軸刀長參數

模擬該條記錄作如下（xià）測試：在執行換刀命令後 3 s 時按下“Reset”按（àn）鍵終止換刀程序，機床未發生任何報警，MES 係統會產生一條該程序時長 3 s 的調用記錄。由於程序（xù）未執行完畢，係統在程序複位時根據參數 20120 設定的默認值“0”將主軸刀長設（shè）置為“0”，而不是正常程序執行完畢後（hòu）激活刀具長（zhǎng）度補（bǔ）償的“250.95”，這是造成故障發生（shēng）的原因。

2.3 解決方法

針對這一問題（tí），對操作人員進行了培訓，並完善了安全操作（zuò）規程（chéng），以（yǐ）杜絕由於人員誤操作導致的事故。

3、忽視刀庫異常報警導致刀具錯誤調用

3.1 故障現象

一台（tái）操作係統為 Sinumerik 828D SL 的加（jiā）工中心在加工時發生故障，主軸刀具刀（dāo）長異常造成刀具斷裂、加工工（gōng）件報（bào）廢的嚴重後果。經過檢查發現當前主軸刀具刀號正確，但（dàn）是實際刀長和刀具管理界麵刀具列表的設定值存在偏（piān）差，操作（zuò）人員再次檢（jiǎn）查（chá）確認當前主軸刀具並不是目標刀具。

3.2 故障分析（xī）與排除

查看機床報警記錄，發現機床（chuáng）在發生故障前有過一次報（bào）警記（jì）錄，提示刀庫刀具（jù）計數開關信號異常。詢問操作（zuò）人員（yuán）得知（zhī）該報警提示發生時為黒色對話框，機床可以正常進給，因此操作人員在進行故障複位後繼續進行後續加工。發生故障的原因是操作人員未對（duì）機（jī）床報警（jǐng）進行（háng）正確處（chù）理從而引起刀具管理功能數據紊亂。

西門子係統 OPERATOR 人機界麵的刀具管理功能對機床刀庫和刀具信息進行實時管理，如圖 2 所示。

圖 2 刀具（jù）管理（lǐ）定義的刀庫示意圖

該（gāi）機床為 24 把刀的鏈式刀（dāo）庫，預選刀動作通過異步電機和刀庫零位檢測開關、刀（dāo）具計（jì）數開關控（kòng）製。每轉過一個刀位，計數開（kāi）關觸發一次並（bìng）實時更改刀具管理係統的刀具（jù）信息參數。當機床提示刀庫計數開關信（xìn）號（hào）異常時，係統（tǒng）無法準確計算出實際刀（dāo）庫轉過的刀位（wèi）數，而操作（zuò）人員（yuán）未及時停機並告知維修人員檢修。在（zài）進行下次刀具交換之前（qián）機（jī）床可以正常運行，當再次執（zhí）行換刀（dāo）動作時，由於（yú）刀庫（kù）計數開關信號異常導致機床在刀具尋址時發生偏差，所選擇刀具並不（bú）是目標刀（dāo）具，但是數（shù）控係統並不能對此錯誤做出判斷，導致機床換刀動作可以正（zhèng）常進行（háng），但是（shì）實際刀（dāo）具是錯誤的刀具，刀長發生改（gǎi）變引起工件的損傷。

經檢查，刀具計數開關存（cún）在鬆動現象，重新緊固該（gāi）開關（guān）並執行機床刀庫回零動作，建立（lì）正確（què）刀具列表，再次（cì）執行換刀動（dòng）作刀具自動（dòng）交換動作正常。

3.3 解決（jué）方法

該故障的發生是（shì）由於操作人員在機（jī）床（chuáng）發生（shēng）報警時（shí）忽視機床報警信息而草率進行了複位確認，因此對（duì）操作人員進（jìn）行培訓（xùn）並完善安全操作規程（chéng）。通過修改 PLC 程序，提高該報警響（xiǎng）應級別，在發生（shēng）該報（bào）警時切斷機床進給，杜絕由於誤操（cāo）作引發事故。

4、結語

隨著（zhe）數控技術的不斷發展，數控係統的開放性越來越高，給機床廠家（jiā）和操作人員（yuán）提供了更多的權限和空間，這對機床操作人員技能水平提出了更高的（de）要求。誤操（cāo）作會導致機床報警甚至發生設備損傷事故，因此（cǐ）對於操作人員培（péi）訓和管理亟待加強，同時需要通過技術手段來規避誤操作造成的隱患。

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