數(shù)控機(jī)床主軸潤滑監(jiān)控完善案例

程光，鄭建國，張強(qiáng)，王永煒

山西航天清華裝備有限責(zé)任公司 山西長治 046000

1 序言

數(shù)控車床CKA6180采用FANUC Series 0iMate TC數(shù)控系統(tǒng)，在使用過程中，主軸箱出現(xiàn)了振動(dòng)大和聲音異常的現(xiàn)象。打開主軸箱蓋檢查發(fā)現(xiàn)：箱內(nèi)各軸軸承及齒輪十分干燥，嚴(yán)重缺少潤滑油，齒輪與各軸軸承均出現(xiàn)不同程度的磨損，大量磨損鐵粉粘附并堆積在各軸和箱壁上（見圖1），主軸軸承滾柱因缺油磨損已發(fā)黑（見圖2）。很明顯，這種情況已經(jīng)持續(xù)了較長的時(shí)間。

圖1 磨損鐵粉堆積在軸和箱壁上

圖2 軸承滾柱磨損發(fā)黑

2 故障排除過程

查閱機(jī)床說明書了解其工作原理：由液壓電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵為液壓系統(tǒng)提供壓力，潤滑油經(jīng)由管路引入主軸箱為各齒輪及軸承提供潤滑。檢查發(fā)現(xiàn)，由于電動(dòng)機(jī)與液壓泵之間聯(lián)軸器的損壞，使液壓泵得不到動(dòng)力，系統(tǒng)沒有壓力就無法為主軸箱提供潤滑，導(dǎo)致發(fā)生故障。在更換新的聯(lián)軸器后，故障得到排除。

3 故障原因分析

故障排除后，雖然機(jī)床可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，但是由于部分齒輪磨損嚴(yán)重，因此主軸箱仍存在一定的振動(dòng)和噪聲，且主軸軸承已達(dá)不到原本的旋轉(zhuǎn)精度，使機(jī)床失去了原有的精加工能力，只能采取降級使用的辦法，進(jìn)行半精加工或者粗加工。如果要恢復(fù)機(jī)床原有的精度，則需要將受損齒輪和軸承全部更換，維修費(fèi)用較高。

根據(jù)機(jī)床的工作原理分析如下：斷路器為液壓電動(dòng)機(jī)提供保護(hù)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)發(fā)生過載、短路等電氣故障時(shí)，斷路器會跳閘，切斷電動(dòng)機(jī)的動(dòng)力；同時(shí)系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警，機(jī)床停止運(yùn)行。但是，當(dāng)發(fā)生聯(lián)軸器故障或是液壓泵斷軸等機(jī)械故障時(shí)，液壓泵因得不到動(dòng)力而不能產(chǎn)生液壓力，潤滑油也就不能到達(dá)主軸箱。這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，斷路器不動(dòng)作，機(jī)床也沒有報(bào)警發(fā)生，但主軸仍可以繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。在不知不覺中，操作人員按部就班地進(jìn)行生產(chǎn)，主軸箱在沒有潤滑油的情況下繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，磨損逐漸加劇，直至異常振動(dòng)及噪聲發(fā)展到一定程度，才引起操作人員的注意。

4 改進(jìn)措施

為了避免因操作人員不能主動(dòng)、及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題而導(dǎo)致發(fā)生故障，就需要通過技術(shù)手段為機(jī)床提供安全保障。具體思路為：將主軸箱潤滑油的流量信號或液壓壓力信號引入機(jī)床PMC（機(jī)床可編程邏輯控制器）中，并編輯一段相應(yīng)順序的程序控制機(jī)床的運(yùn)行。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)數(shù)控系統(tǒng)會發(fā)出報(bào)警，并根據(jù)機(jī)床不同的運(yùn)行狀態(tài)由PMC分別采用不同的措施使機(jī)床停止運(yùn)行，從而達(dá)到保護(hù)機(jī)床的目的。

對信號的不同采集方法進(jìn)行比較如下。如果采用流量信號方式，則需將流量感應(yīng)閥串接于主軸潤滑管路中，才能達(dá)到監(jiān)測流量的目的，并需要解決安裝固定的問題，具體操作比較繁瑣；如果采用液壓壓力信號的方式，只需將原有液壓系統(tǒng)的壓力表更換為耐振電接點(diǎn)壓力表即可。相比之下，后者更簡單易行，工作量小，對原系統(tǒng)的狀況改變小，性價(jià)比較高。

4.1 信號引入

將原裝的普通壓力表（見圖3）更換為耐振電接點(diǎn)壓力表（見圖4），并通過一段兩芯控制線將信號接入至數(shù)控系統(tǒng)的I/O輸入模塊的接線端子X0002.7上。

圖3 原裝的普通壓力表

圖4 更換后的耐振電接點(diǎn)壓力表

將耐振電接點(diǎn)壓力表的壓力上限設(shè)定為1.5MPa（見圖5），其值略低于液壓系統(tǒng)的額定壓力。當(dāng)實(shí)際壓力低于1.5MPa時(shí)，觸點(diǎn)斷開；當(dāng)實(shí)際壓力高于1.5MPa時(shí)，觸點(diǎn)接通。

圖5 壓力上限設(shè)定為1.5MPa

4.2 程序編制

根據(jù)監(jiān)測壓力信號為0或1的狀態(tài)，在原有順序程序的基礎(chǔ)上，編制控制程序。

（1）當(dāng)壓力值大于設(shè)定值時(shí) 圖6中的壓力信號輸入端X0002.7狀態(tài)為1，則R0154.0狀態(tài)為1。

圖6 壓力信號輸入

圖7中的R0154.0狀態(tài)為1和R0154.6為0，則R0154.7狀態(tài)為1。

圖7 主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)條件控制

圖8和圖9中的R0154.7均為1，則正轉(zhuǎn)輸出Y0006.0和反轉(zhuǎn)輸出Y0006.1均可以正常輸出，這時(shí)無論手動(dòng)或自動(dòng)控制，主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)都可以正常起動(dòng)運(yùn)行，操作人員可以進(jìn)行生產(chǎn)加工。

圖8 主軸正轉(zhuǎn)

圖9 主軸反轉(zhuǎn)

（2）當(dāng)出現(xiàn)故障使壓力值小于設(shè)定值時(shí) 圖6中的X0002.7狀態(tài)為0，則R0154.0狀態(tài)變?yōu)?；圖10中的R0154.0狀態(tài)變?yōu)?，則信息信號A0002.1狀態(tài)變?yōu)?。發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)屏幕顯示“ 1021 Lack of hydraulic pressure”（缺少液壓壓力）的報(bào)警信息（見圖11）。

圖10 壓力低報(bào)警信號

圖11 監(jiān)測壓力低報(bào)警畫面

1）主軸處于未運(yùn)行狀態(tài)時(shí)：R0154.0狀態(tài)為0，R0154.7狀態(tài)也為0，則正轉(zhuǎn)輸出Y0006.0（見圖8）與反轉(zhuǎn)輸出Y0006.1也為0，主軸不能起動(dòng)運(yùn)行，操作人員不能進(jìn)行生產(chǎn)加工。

2）主軸處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)：雖然這時(shí)R0154.0狀態(tài)為0，但是通過圖7中R0154.7與R0154.1的串接線路使R0154.7保持為1，則正轉(zhuǎn)輸出Y0006.0（見圖8）或反轉(zhuǎn)輸出Y0006.1（見圖9）也保持為1，主軸仍然繼續(xù)運(yùn)行，保持生產(chǎn)加工狀態(tài)。圖12中的R0154.1、R0154.0與自動(dòng)運(yùn)行中的信號F0000.7使單程序段信號G0046.1狀態(tài)變?yōu)?，在執(zhí)行完當(dāng)前指令后機(jī)床將自動(dòng)暫停，生產(chǎn)加工中斷。

圖12 單程序段信號

圖13中的R0154.0與R0154.1使計(jì)時(shí)器T0010進(jìn)入計(jì)時(shí)狀態(tài)，計(jì)時(shí)器T0010設(shè)置時(shí)長為1min。操作人員在發(fā)現(xiàn)報(bào)警后，可以在1min內(nèi)主動(dòng)操作，停止機(jī)床的運(yùn)行。

圖13 自動(dòng)停機(jī)延時(shí)

3）計(jì)時(shí)器T0010經(jīng)過1min計(jì)時(shí)完畢，如果操作人員仍然沒有執(zhí)行操作，機(jī)床當(dāng)前加工程序的指令又沒有執(zhí)行完畢，那么主軸仍然處于運(yùn)行狀態(tài)。圖13中的R0154.4狀態(tài)變?yōu)?，圖14中的R0154.4狀態(tài)變?yōu)?，則R0154.6狀態(tài)變?yōu)?。圖15中的R0154.6狀態(tài)變?yōu)?，則R0154.7狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?，使正轉(zhuǎn)輸出Y0006.0（見圖8）與反轉(zhuǎn)輸出Y0006.1（見圖9）狀態(tài)均為0，主電動(dòng)機(jī)斷電，主軸停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖14 用于自動(dòng)停機(jī)保持的繼電器

圖15 主軸正反轉(zhuǎn)條件控制

圖16中的R0154.6狀態(tài)變?yōu)?，使緊急停止信號G0008.4狀態(tài)變?yōu)?，機(jī)床進(jìn)入緊急狀態(tài)，機(jī)床所有動(dòng)作停止，生產(chǎn)加工中斷。圖17中的R0154.6狀態(tài)變?yōu)?，則信息顯示信號A0002.2狀態(tài)為1。

圖16 緊急停止

圖17 自動(dòng)停機(jī)報(bào)警信號

發(fā)生報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)顯示屏顯示“1022 Lack of spindle oil emergency stop”（缺少主軸潤滑油，緊急停止）的報(bào)警信息（見圖18）。

4）操作人員只需按下“復(fù)位”鍵，即可解除當(dāng)前的緊急停止?fàn)顟B(tài)。在液壓系統(tǒng)的壓力未恢復(fù)時(shí)，主軸在手動(dòng)或自動(dòng)模式下均不能起動(dòng)，報(bào)警信息A0002.1與A0002.2不可清除；待液壓系統(tǒng)的壓力恢復(fù)之后，報(bào)警信息可自動(dòng)清除。

圖18 自動(dòng)停機(jī)后報(bào)警畫面

4.3 程序驗(yàn)證

經(jīng)過以上步驟，主軸潤滑保護(hù)控制程序就已經(jīng)全部完成了。依照上述方法對機(jī)床進(jìn)行改進(jìn)，并經(jīng)現(xiàn)場測試，機(jī)床在以上幾種運(yùn)行狀態(tài)下均得到了有效的控制，顯示效果良好，問題得到圓滿解決。

5 結(jié)束語

上述數(shù)控機(jī)床主軸潤滑監(jiān)控完善的案例，可以為維修同型號機(jī)床或類似型號機(jī)床的相似故障提供參考。

在市場競爭激烈的環(huán)境下，由于各種原因，有些機(jī)床在出廠時(shí)就有可能存在功能不完善的情況，因此對維修人員提出了更高的要求。維修人員不僅要完成好日常設(shè)備的維修保養(yǎng)等本職工作，更要在工作中及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的缺陷和安全隱患，并善于運(yùn)用專業(yè)技能對問題設(shè)備進(jìn)行必要的創(chuàng)新、改進(jìn)和升級，消除潛在的隱患，使設(shè)備的功能趨于完善，運(yùn)行更為安全可靠，避免給企業(yè)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。