摇篮式五坐标加工中心 C 轴转台旋转故障原因分析与处理
2021-1-27 来源： 昌河飞机工业( 集团) 有限责任公司 作者：林超青
摘要: 针对 HS664ＲT，摇篮式五坐标加工中心力矩电动机驱动的 C 轴转台故障，介绍了故障排查、处理方法和力矩电动机相位角同步设置步骤。
关键词: 力矩电动机; 相位角同步; 液压抱闸装置
1、 C 轴转台存在的故障和问题
HS664ＲT 摇篮式五坐标加工中心在运行过程中经常发生 C 轴电动机过载过流报警，并伴有转台抖动现象。同时该机床在开机上电过程，经常发生 A/C 液压抱闸报警，机床无法上电，要反复多次才能上电。这种现象和故障持续一段时间后，C 轴转台彻底无法转动，五轴机床只能当三轴机床使用。
2、 C 轴转台无法转动的原因分析
2．1 C 轴转台的结构
HS664ＲT 摇篮式五坐标加工中心 C 轴转台主要是由转台本体( 框架) 、工作台、轴承、液压抱闸组件、力矩电动机( 定子和转子组成) 、圆光栅和冷却水道几大主要部件组成，主要部件如图 1 所示。力矩电动机定子、液压抱闸组件安装在转台本体上，力矩电动机转子、工作台安装在轴承上，圆光栅安装在工作台上，力矩电动机转子带动工作台旋转，圆光栅测量旋转角度和速度。
图1 C轴转台
2．2 C 轴转台无法转动的可能原因
根据转台的结构可以分析得到 C 轴转台无法转动可能的原因有如下几个方面:
( 1) 力矩电动机损坏。转子和定子之间有异物，导致转子和定子间隙不符合要求，定子线圈短路，电流增大，电流超过额定电流，致使伺服系统报警，电动机无法旋转，使得 C 轴转台无法旋转。
( 2) 圆光栅出现故障，导致工作台旋转角度和旋转速度测量不准确，从而导致机床工作台无法旋转。
( 3) 转台的自调心平面轴承损坏，轴承无法旋转，由于机械卡死，将导致力矩电动机输出扭矩超过规定值而出现电流、扭矩报警，机床工作台无法旋转。
( 4) 液压抱闸组件变形损坏。由于 C 轴转台的锁紧和松开采用液压抱闸系统，液压抱闸组件由磷青铜弹性变形圆环和圆环塑料油槽组成，工作台液压锁紧是往塑料油槽充油，油槽变形，推动磷青铜弹性变形圆环变形，从而锁紧工作台。转台松开时，液压油泄压，磷青铜弹性变形圆环和圆环塑料油槽恢复原状，转台就可以转动了。如果磷青铜弹性变形圆环和圆环塑料油槽损坏，或弹性失效，导致磷青铜弹性变形圆环与工作台的间隙过小，就会出现转台转动困难，力矩电动机出现电流过载，扭矩过大和旋转过程抖动的情况。
( 5) 开机上电过程，经常发生 A /C 液压抱闸报警，导致机床转台无法转动的可能原因一个是液压抱闸组件或液压管路有泄漏，导致锁紧压力达不到设定值，从而导致系统出现液压锁紧故障。另外可能的原因是液压控制系统出现故障，导致液压系统无法正常工作，锁紧压力达不到设定值，出现故障，机床无法上电。
3、 C 轴转台无法转动可能原因的处理
3．1 电动机损坏可能原因
拆开转台密封盖，露出力矩电动机的转子和定子，发现转子和定子之间部分区域有明显的锈蚀现象，如图 2 所示。冷凝水多，定子( 线圈) 有多处明显短路烧焦如图 3 所示，可以判断力矩电动机已经短路烧蚀损坏。冷凝水多的原因可能是冷却水的温度设定，使电动机内外温差过大，因此在电动机外部出现冷凝水。
图2 电动机锈蚀
图3 电动机烧蚀
检查电动机水冷控制系统，发现冷凝水的温度设定在17 ℃ ，而室温有 28 ℃ 左右，所以会出现冷凝水现象。把水冷温度设定在 24 ℃后，冷凝水现象消失。由于力矩电动机短路烧坏，所以要更换力矩电动机组件( 由定子和转子组成，如图 4) 。
图4 力矩电动机（定子和转子）
更换力矩电动机后进行试车，发现 C 轴转台还是无法旋转。因此 C 轴转台无法旋转不止力矩电动机损坏一个因素，还有其他原因。
3．2 C 轴圆光栅出现问题
如果 C 轴圆光栅出现问题，C 轴旋转速度和角度测量不准确，也会导致 C 轴无法转动。该机床采用的是海德汉圆光栅，所以可以使用 PWT18 海德汉光检测仪对光栅进行测试。测试结果表明，圆光栅信号正常，旋转灵活，圆光栅故障的可能性排除。
3．3 转台的自调心平面轴承损坏
如果转台的自调心平面轴承损坏，轴承无法旋转或旋转不灵活，那工作台的转动也会出现转动困难和抖动，导致力矩电动机电流和扭矩增大超限，出现报警，甚至烧坏电动机。把电动机和工作台拆除后，露出自调心平面轴承( 如图 5) ，发现轴承外观完好，旋转灵
活。因此自调心平面轴承损坏的可能性可以排除。
图5 自调心平面轴承
3．4 液压抱闸组件变形损坏
对于液压抱闸组件变形损坏，导致工作台无法旋转的可能性，进行下面的一些测试和检查。把工作台和力矩电动机安装完好，断开电动机电缆和液压管路，此时液压抱闸组件没有压力，处于无变形自由状态，根据 C 轴转台的结构，此时转台可以人为盘动旋转。结果发现，转台无法人为盘动，甚至用撬杠也无法盘动转台。由于力矩电动机是新购置的，没有问题，所以出现问题可能是液压抱闸组件变形损坏。为验证，把力矩电动机拆下，此时仅仅只有工作台、自调心平面轴承、液压抱闸组件，再次人为盘动转台，发现故障依旧。所以可以确认，转台无法旋转的另外一个原因是液压抱闸组件损坏。拆下液压组件，发现磷青铜弹性变形圆环表面有明显的摩擦痕迹，因此可以确定磷青铜弹性变形圆环变形不正常。
图6 磷青铜弹性变形圆环
图7 磷青铜弹性变形圆环加工
通过测量发现，弹性变形圆环( 图 6) 变形不够，导致工作台无法旋转。因此可以对弹性变形圆环进行加工( 图 7) 保证足够的变形余量。加工完成后，把弹性变形圆环、工作台安装完成后进行测试，结果表明，工作台可以正常旋转，故障排除。
3．5 液压管路有泄漏或控制系统有问题
排除力矩电动机和液压抱闸组件故障后装机试车，发现工作台无法正常液压锁紧和松开。液压锁紧的压力达不到要求，C 轴锁紧设定值为 4 MPa，但是实际值只有 2 MPa，给液压系统保持压力的蓄能器压力也会降到2 MPa，正常值是 4 MPa。由于压力达不到要求，可能的原因是液压管路有泄漏或控制系统有问题。
通过检查液压管路，没有发现泄漏，液压抱闸组件也没有发现漏油现象。因此液压系统泄漏的可能性可以排除。
对于控制系统问题，在数控系统中强制给出 C 轴锁紧信号，PLC 有信号输出，但是压力还是 20 MPa 没有变化。通过检查发现虽然 PLC 有信号输出，但是控制 C 轴锁紧/松开的电磁阀没有得电，电磁阀没有切换动作，人为切换电磁阀阀芯位置，则液压压力就可以马上达到 4 MPa。检查电磁阀控制电缆和控制中间继电器，发现控制电磁阀动作的中间继电器损坏，虽然PLC 有信号输出，但是中间继电器没动作，导致故障。更换中间继电器后，C 轴能正常锁紧/松开。
3．6 力矩电动机相位角同步设置
由于 C 轴转台采用的永磁体同步力矩电动机，新安装的力矩电动机要进行相位角同步设置，使转子永久磁场与定子的电磁场同步。如果这个同步角度未测量或角度设定不对，将会导致电动机输出力矩变小，出现无法带动负载和机床抖动等故障。
相位角同步调试的步骤一般有以下几个步骤: 第一步按伺服驱动调试软件的要求，设置相关参数和状态，把力矩电动机设置成相位角同步调试状态，伺服驱动类型不同，则驱动调试软件不同，参数和状态设置要求也不同，力矩电动机相位角同步设置要根据驱动类型和调试软件的要求进行设置; 第二步，自动旋转工作台或手动旋转工作台，此时驱动系统会检测到相位角偏差; 第三步，把驱动系统检测到的相位角偏差值设置到相关参数中; 第四步，把力矩电动机从相位角同步调试状态恢复成正常工作状态。图 8 是伺服驱动调试软件进行力矩电动机相位角同步设置的画面。完成力矩电动机相位角同步设置后，对机床进行测试，结果表明，故障排除，力矩电动机设置正常，机床能够正常运行。
图8 力矩电动机相位角同步测量和设置
4 、结语
对于采用力矩电动机的转台故障，进行故障排查时，要综合机械，液压和电气等多种手段，才能取得比较好的效果。特别是更换力矩电动机还要进行同步设置，如果不进行相应参数和相位角同步设置，即使是新电动机也会出现输出扭矩小，无法带动负载和机床抖动等现象，机床无法正常运行。
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