加工中心主軸故障維修

梁 毅 董春強 曾 力

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

某加工中心數(shù)控系統(tǒng)為FANUC0i - MA，主軸采用FANUC 的AP22/6000 電動機驅動，主軸變速采用德國生產(chǎn)的ZF 二段式行星齒輪變速箱，主軸冷卻和變速箱的循環(huán)冷卻采用美孚威達2 號液壓導軌潤滑油。由于齒輪變速箱循環(huán)潤滑油選型不當和齒輪變速箱進油量調整不正確導致主軸出現(xiàn)編碼器故障和換檔故障，本文詳細介紹其故障診斷過程并提出解決措施。

1 故障現(xiàn)象

程序加工時顯示器上出現(xiàn)751#報警，主軸驅動放大器出現(xiàn)47#報警。主軸位置編碼器更換后，主軸出現(xiàn)換檔故障。

2 故障診斷及處理

2.1編碼器故障診斷及處理

751#報警為串行主軸報警，其具體內容為主軸驅動放大器上的報警號。主軸驅動放大器上報警號為47，其含義為:主軸位置編碼器或主軸電動機內置編碼器A/B 相信號異常;主軸位置編碼器的一轉信號異常;主軸位置編碼器A/B 相信號和一轉信號的關系不正確。根據(jù)報警內容可知該報警與主軸編碼器有關。而主軸有兩個編碼器，一個是主軸電動機內部的編碼器，它提供主軸調速系統(tǒng)的速度反饋信號;另一個是主軸位置編碼器，它主要有兩個用途，其一是用于主軸實際轉速顯示，其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合(如螺紋切削加工，恒線速加工，G95 轉進給，主軸定向)。該報警內容沒有明確哪個反饋信號出故障，故障又是間斷出現(xiàn)，不易判斷故障點。由于主軸電動機內的編碼器的拆卸、安裝、檢查難度較大，因此先排查主軸位置編碼器。而根據(jù)維修經(jīng)驗，編碼器有5 種常見故障:①編碼器損壞;②編碼器內部的元器件性能故障;③編碼器裝配故障或松動;④連接編碼器的電纜故障，如短路、斷路、接觸不良及屏蔽不好;⑤編碼器內部元器件被污染等。

按照上述分析先拆卸主軸外罩，檢查主軸位置編碼器。檢查其電纜連接時發(fā)現(xiàn)主軸編碼器電纜JY4 部分被浸沒在油中，編碼器被油完全淹沒。拆卸并檢查其編碼器發(fā)現(xiàn)里面全是黏稠的油液，因此編碼器內部元器件已被嚴重污染。清洗編碼器后，用示波器能看到編碼器A/B 相信號和一轉信號，似乎可以使用，但裝到主軸上后執(zhí)行主軸定向指令M19 時主軸驅動器出現(xiàn)41#報警。41#報警的內容是編碼器一轉信號異常。主軸定向時要用到主軸編碼器一轉信號，一轉信號是窄脈沖，它對干擾十分敏感。由于編碼器長時間被油浸泡，光柵被油污染，信號傳輸受到阻擾。通過光柵尺檢測儀PWM9 檢測該編碼器，結果空載電流為299.5 mA，嚴重超過140 mA 的空載電流要求;A/B 相相位差40°，超過了相位差不超過10°的要求;A/B 相波形的低電平為2.45 V，超過低電平小于0.5 V 的要求。因此根據(jù)儀器檢查結果，該編碼器已不能使用，需要更換。

2.2 主軸換檔故障診斷及處理

更換編碼器后主軸運轉正常，但主軸換高檔時，高檔位不能保持，主軸一直在重復著換高檔的過程。該主軸采用ZF 變速箱，主軸在高檔時，齒輪變速箱傳動比為1∶ 1，通過驅動電動機帶動齒輪變速箱獲得電動機的高轉速;當主軸在低檔時，齒輪變速箱傳動比1∶4，通過驅動電動機帶動齒輪變速箱獲得低轉速大轉矩。其控制原理和電路如圖1、圖2。

當24 V 直流電源輸入到第2、3 腳時，換檔機構即有動作，當正負極性的電源輸入時，高低檔位的齒輪會嚙合。當?shù)?、3 腳通電時，不管其正負極性電磁線圈L3 都將得電，其作用是在齒輪換檔以前讓檔位固定插銷先釋放。在換檔過程中，主軸電動機必須做每秒1～5 次左右的偏擺。每次的偏擺角度為±5°左右。當感應開關S1(接腳4)或S2(接腳6)動作后，表示換檔已經(jīng)完成，此時電磁閥被切斷。換檔過程有程序監(jiān)控，換檔開始時啟動一個時間約2 s 的計時器，如果在這時間內控制器沒有接受到另一個檔位(S1/S2)的信號，則應當停止換檔，重新開始。

ZF 二段式齒輪變速箱設計結構復雜，空間尺寸緊湊，包括太陽輪、環(huán)輪及行星齒輪等精密組件，ZF 變速箱在工作過程中的發(fā)熱需有效的冷卻。該機采用油冷卻機對ZF 變速箱強制循環(huán)冷卻，循環(huán)冷卻油選擇ISO粘度級數(shù)為32 級、46 級的潤滑油，其循環(huán)冷卻原理如圖3。

出現(xiàn)換檔故障時，通過PLC 診斷高檔位輸出信號Y1005.0 及高檔位檢測信號X1004.0，發(fā)現(xiàn)兩電平信號隨著主軸速度的變化也在不斷地由“1”到“0”交替改變。根據(jù)換檔原理，換檔有程序監(jiān)控，如果在換檔監(jiān)控周期沒有接受到另一個檔位(S1/S2)的信號，則換檔重復進行。分析控制電路，結合故障現(xiàn)象及PLC 診斷判斷故障可能出現(xiàn)在:換檔控制電路故障;換檔撥叉磨損;電磁鐵失效;檔位檢測開關信號失效;變速油液故障;液壓油泵故障;齒輪箱冷卻管路故障。

由于編碼器出現(xiàn)故障的原因是ZF 變速箱油孔觀察窗漏油，根據(jù)變速箱強制循環(huán)冷卻原理分析該窗口漏油的原因應該是變速箱內部的壓力過大，進入變速箱的油不能很快被泵抽回油箱。據(jù)此判斷可能是回油的冷卻管路堵塞，油量調節(jié)不正確，或回油泵有故障。但檢查回油管路和回油泵都正常。為了判斷是否是進油量過多引起的換檔故障，關機后讓油慢慢卸回油箱后，關掉變速箱進油閥，再開機讓主軸換檔，主軸換檔正常，據(jù)此排除ZF 變速箱故障和換檔控制電路故障。故障原因是主軸齒輪變速箱進油閥調節(jié)的進油量過大，應重新調整進油量。調整方法為:開機前，先把進油閥關掉;開機后觀察變速箱油液窗口，慢慢調整進油閥油量，一邊調整一邊觀察變速箱油液窗口，半小時后液位為窗口一半不變，進油調整合適。齒輪循環(huán)冷卻油實際為ISO 粘度級數(shù)為68 級的美孚威達2 號液壓導軌油，與ZF 變速箱的使用要求不符，油的粘度太高，油液發(fā)熱嚴重，影響主軸的使用。

3 故障原因分析

綜上所述，主軸出現(xiàn)編碼器故障和換檔故障的原因就是變速箱進油閥進油量大，而回油量小，造成變速箱內部的油壓過高，使得油充滿整個變速箱，高壓力作用使油從變速箱觀察窗口滲出，滲出的油流到變速箱正下方的洞內，而主軸位置編碼器位于該洞內，隨著滲出油的增加，編碼器被油淹沒，編碼器內部元器件受到嚴重污染，從而造成主軸運轉時不時產(chǎn)生41#、47#報警。由于變速箱進油量調節(jié)過大，變速箱內進油量多于回油量，引起變速箱內的油壓過高，換檔時電磁鐵推動撥叉受到油的阻力，主軸轉速越大，油阻越大，因此換高檔時主軸不能正確地換檔。

4 維修注意事項

(1)主軸位置編碼器的安裝:變速箱底部的安裝板有8 個安裝孔，拆卸主軸位置編碼時要注意其安裝方向。如果第一次安裝位置不正確，那么在吊裝主軸電動機調整其位置時編碼器會受到安裝孔內機床床身板筋的撞擊，引起編碼器損壞。

(2)主軸定向調整:更換主軸編碼器后，主軸定向位置發(fā)生變化，需要修改參數(shù)4077(主軸定向偏移量調整)，否則無法換刀。為了避免主軸定向不準引起刀臂撞擊主軸，維修前在主軸斷面上必須做好主軸定向標記，更換編碼器后便于主軸定向位置調整。

(3)主軸變速箱循環(huán)冷卻進油量調整:變速箱內正確的油位是非常重要的，油位必須保持在視窗一半的位置。變速箱的銘牌上標有的油的用量只是一個大約值，不易把握。比較實用的方法是一邊調整進油閥一邊觀察視窗油位。如果變速箱的油過多，易引起主軸換檔故障和油液發(fā)熱;如果變速箱的油過少，則齒輪變速箱內精密齒輪潤滑不夠，容易損壞。

(4)正確選擇變速箱循環(huán)冷卻油:按機床資料，該機床的變速箱循環(huán)冷卻油應選擇ISO 粘度等級為32、46 的長城潤滑油，或者別的粘度級數(shù)相同的潤滑油做循環(huán)冷卻油，而該機床卻選擇了ISO 粘度級數(shù)為68 級美孚威達2 號導軌潤滑油，導軌潤滑油和主軸變速箱循環(huán)冷卻油混用，使用單位應加強潤滑油的管理，提高機床的使用性能。

［1］四川自貢長征機床廠.KVC1400B 使用說明書［Z］.

［2］ZF-DUOPLAN2K250/2K300 變速箱操作手冊［Z］.2005.