數(shù)控機(jī)床典型主軸換檔原理分析及實(shí)例故障處理

張躍峰

（中國北車集團(tuán) 大 同電力機(jī)車有限責(zé)任公司，山西 大同 037038）

0 引言

數(shù)控機(jī)床是高度機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，它集微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)及伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)于一體，是現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平的重要標(biāo)志。隨著先進(jìn)數(shù)控設(shè)備的不斷引進(jìn)，使得設(shè)備維修難度越來越大。本文以韓國HNK的HPM－30L龍門加工中心（配置FANUC 16i MB數(shù)控系統(tǒng)）主軸換檔裝置為例，結(jié)合維修過程，介紹其工作原理和排除故障的思路與方法。

1 主軸換檔傳動(dòng)原理

為提高主軸低速時(shí)的輸出轉(zhuǎn)矩，滿足主軸低速大轉(zhuǎn)矩的切削要求，在大中型數(shù)控機(jī)床中，主軸通常采用2級或3級齒輪換檔傳動(dòng)。相對于一般的數(shù)控車床而言，數(shù)控加工中心主軸換檔為系統(tǒng)自動(dòng)判別實(shí)現(xiàn)更換檔位，其自動(dòng)化程度更高，一旦出現(xiàn)故障，則可能涉及數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)械、電氣、液壓等多方面原因，故障診斷更復(fù)雜。要解決好此類故障，維修人員必須掌握數(shù)控加工中心主軸換檔的控制原理、常見故障的診斷方法及實(shí)際處理過程。

圖1是HPM－30L龍門加工中心主軸齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖，為2級齒輪換檔傳動(dòng)：主軸電機(jī)與電機(jī)軸連接，通過電機(jī)軸齒輪與中間軸的中齒輪連接傳遞給中間軸；中間軸的大齒輪與換檔軸中的小齒輪嚙合（高檔），或中間軸的小齒輪與換檔軸中的大齒輪嚙合（低檔），傳遞給換檔軸；換檔軸的中齒輪與主軸齒輪連接傳遞給主軸，實(shí)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)。

2 主軸齒輪換檔切換原理

FANUC系統(tǒng)中主軸齒輪的選擇方式有兩種：當(dāng)NO.3706＃4＝0時(shí)，主軸齒輪的選擇方式為M型，不輸入齒輪的選擇信號，CNC執(zhí)行S指令，根據(jù)事先由參數(shù)設(shè)定的各齒輪的轉(zhuǎn)速范圍選擇齒輪，利用齒輪選擇信號的輸出把選擇的齒輪通知給PMC，并用齒輪選擇輸出信號輸出與該齒輪對應(yīng)的主軸速度；當(dāng)NO.3706＃4＝1時(shí)，主軸齒輪的選擇方式為T型，由PMC輸入齒輪選擇信號，并輸出按此信號選擇的齒輪所對應(yīng)的主軸速度。HPM－30L龍門加工中心主軸齒輪的選擇方式為M型，當(dāng)執(zhí)行S指令時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識別檔位，當(dāng)需要換檔時(shí)，由PMC發(fā)出信號，控制主軸電動(dòng)機(jī)以換檔速度旋轉(zhuǎn)，速度到達(dá)后，PMC隨之發(fā)出換檔控制信號，由換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成換檔動(dòng)作，再由檢測元件（到位檢測開關(guān)）檢測位置情況，如果正常齒輪換檔則切換結(jié)束，否則系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警。

圖1 主軸齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡圖

齒輪換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制原理簡圖如圖2所示，換檔裝置為雙油缸組合控制，帶動(dòng)撥叉實(shí)現(xiàn)高、空、低檔的控制。從設(shè)備維修的角度來看，控制原理與機(jī)械結(jié)構(gòu)是排除故障的重點(diǎn)，相關(guān)參數(shù)出廠已設(shè)定好，做好參數(shù)備份后可作一般了解，在此不予詳細(xì)介紹。

圖2 齒輪換檔執(zhí)行機(jī)構(gòu)與控制原理簡圖

圖2 中X8.0，X8.1，X8.2，X8.3為高、空、低檔位的檢測開關(guān)信號，是PMC的輸入信號，其邏輯關(guān)系如圖3所示。空檔位置時(shí)X8.2和X8.3為1，X8.0和X8.1為0；低檔位置時(shí)X8.1為1，X8.0和X8.3為0；高檔位置時(shí) X8.0為1，X8.1和 X8.3為0。Y7.4，Y7.5，Y7.6，Y7.7為PMC的輸出信號，輸出條件與系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)和邏輯條件有關(guān)，控制電磁閥信號從而改變油路控制及換檔位置，其邏輯關(guān)系如圖4所示。當(dāng)執(zhí)行空檔位置時(shí)Y7.4和Y7.7為1，Y7.5和 Y7.6為0；執(zhí)行低檔位置時(shí) Y7.5和 Y7.7為1，Y7.4和Y7.6為0；執(zhí)行高檔位置時(shí) Y7.4和 Y7.6為1，Y7.5和Y7.7為0。

圖3 PMC檔位檢測輸入點(diǎn)梯形圖

齒輪換檔切換過程如下（如圖2所示，當(dāng)前位置為空檔）：當(dāng)輸出點(diǎn)為1時(shí)，對應(yīng)圖2中油管的位置進(jìn)油，為0時(shí)回油；當(dāng)檢測開關(guān)感應(yīng)到油缸活塞時(shí)輸入點(diǎn)為1，否則為0。當(dāng)執(zhí)行高檔時(shí)，Y7.4和Y7.6處油管進(jìn)油，Y7.5和Y7.7油管回油，使一、二級油缸活塞桿向下移動(dòng)，通過導(dǎo)向桿帶動(dòng)撥叉，換檔軸齒輪向下移動(dòng)，使換檔齒輪的小齒輪與中間軸的大齒輪相嚙合，到達(dá)位置后X8.0和X8.2位置檢測開關(guān)檢測到活塞，信號為1，完成高檔切換動(dòng)作；當(dāng)執(zhí)行空檔時(shí)，Y7.4和Y7.7處油管進(jìn)油，Y7.5和Y7.6油管回油，使一級油缸活塞桿向下移動(dòng)，二級油缸活塞桿向上移動(dòng)，雖然液壓油的壓力相等，但由于有桿腔與無桿腔活塞的受力面積不同，一級油缸活塞桿下移到最低位置，二級油缸活塞桿上移到與一級活塞桿接觸后停止，換檔齒輪在中間位置，與中間軸各齒輪脫開，此時(shí)X8.2和X8.3為1，完成空檔切換動(dòng)作；當(dāng)執(zhí)行低檔時(shí)，Y7.5和Y7.7處油管進(jìn)油，Y7.4和Y7.6油管回油，使一、二級油缸活塞桿向上移動(dòng)，換檔齒輪的大齒輪與中間軸的小齒輪相嚙合，到達(dá)位置后X8.1為1，完成低檔切換動(dòng)作。

3 主軸換檔典型故障與排除

3.1 實(shí)例1

HPM－30L龍門加工中心在執(zhí)行換高檔指令時(shí)主軸低速旋轉(zhuǎn)，直到系統(tǒng)報(bào)警：換檔超時(shí)。

主軸低速旋轉(zhuǎn)，說明換檔指令已經(jīng)執(zhí)行，之所以報(bào)警是換檔齒輪到位檢測信號不正常?？赡茉蛉缦拢?/p>

（1）PMC沒有輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)不動(dòng)作，無法實(shí)現(xiàn)換檔，超時(shí)報(bào)警。

（2）PMC有輸出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障。

（3）PMC和執(zhí)行機(jī)構(gòu)都正常，檢測元件故障。

通過在線查看PMC梯形圖換檔時(shí)的相關(guān)輸入、輸出點(diǎn)發(fā)現(xiàn)：輸出信號正常，輸入信號無變化；檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)現(xiàn)：相關(guān)的電磁閥線圈得電情況也都正常，但觀察電磁閥閥芯不動(dòng)作，檢查線圈電阻為開路，判斷為線圈故障，更換線圈后恢復(fù)正常。

3.2 實(shí)例2

美國ORION加工中心（配置Siemens 840D數(shù)控系統(tǒng)）換檔過程中主軸一直正反向擺動(dòng)，直至系統(tǒng)發(fā)出換檔故障報(bào)警。

通過系統(tǒng)診斷功能觀察換檔時(shí)相關(guān)PLC輸入、輸出點(diǎn)狀態(tài)發(fā)現(xiàn)：輸出信號正常，輸入信號無變化，檢查執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常，檢查磁感應(yīng)開關(guān)壞了，更換后恢復(fù)正常。

4 結(jié)語

通過對各種系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床主軸換檔故障的維修，發(fā)現(xiàn)主軸換檔的機(jī)械結(jié)構(gòu)大同小異，都是控制器發(fā)出控制信號，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，檢測元件反饋，只要按照這個(gè)順序一步步檢查，會很快判斷故障點(diǎn)，對于相關(guān)參數(shù)很少出現(xiàn)故障，如果不小心被更改了，可恢復(fù)參數(shù)排除。

［1］ 劉永久.數(shù)控機(jī)床故障診斷與維修技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.