加工中心主軸典型故障診斷分析及解決方案

關(guān)進(jìn)良，楊春月，韓紅亮，寧博

首都航天機(jī)械有限公司 北京 100076

1 序言

加工中心主軸是機(jī)床最重要的機(jī)械部件之一，一般情況下，在機(jī)床所有的控制軸中，其消耗的功率最大，在切削工件時(shí)承受的負(fù)載較大，相對(duì)來(lái)講，對(duì)主軸的各項(xiàng)精度要求也比較高，且能夠輸出不同的轉(zhuǎn)速（每分鐘幾千轉(zhuǎn)甚至一萬(wàn)轉(zhuǎn)以上）和轉(zhuǎn)矩，以滿(mǎn)足不同加工工藝的要求。可見(jiàn)主軸能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)直接制約著機(jī)床的整體運(yùn)行，有必要針對(duì)加工中心主軸故障的診斷方法進(jìn)行深入分析和探討。本文正是在這樣的背景下，并根據(jù)實(shí)際工作中的具體案例和經(jīng)驗(yàn)，在研究典型故障的基礎(chǔ)上，總結(jié)提煉出行之有效的解決方案。

2 加工中心主軸故障的特點(diǎn)

加工中心一般指有刀庫(kù)和自動(dòng)換刀系統(tǒng)的數(shù)控銑床。除了數(shù)控銑床主軸本身的故障外，加工中心主軸故障還包括與換刀有關(guān)的故障（換刀過(guò)程中有些步驟需要主軸參與），故障難度較大，要求維修技術(shù)人員的知識(shí)面廣，通常涉及到機(jī)械、電氣、液壓和氣動(dòng)等專(zhuān)業(yè)知識(shí)，有時(shí)還要求在維修主軸時(shí)（或修好后）與刀庫(kù)、氣缸（或液壓缸）等部件聯(lián)合調(diào)試。大量的實(shí)際工作記錄表明，加工中心主軸故障占機(jī)床總故障數(shù)的近一半，其中，與自動(dòng)換刀相關(guān)的故障占比為60%～70%。

3 加工中心主軸典型故障診斷分析及解決方案

3.1 加工中心主軸異響故障

（1）故障現(xiàn)象 VMC750加工中心在加工工件時(shí)，主軸出現(xiàn)異響，負(fù)載較正常情況下有所增大，加工的工件表面質(zhì)量較差。

（2）故障分析和解決方案 一般情況下，引發(fā)上述故障的原因可能是主軸本身、主軸電動(dòng)機(jī)或主軸伺服模塊及相關(guān)電纜等，秉著“先機(jī)械后電氣、先簡(jiǎn)單后復(fù)雜”的原則，采用機(jī)電分離法[1]，將主軸與電動(dòng)機(jī)脫開(kāi)，手盤(pán)主軸旋轉(zhuǎn)能夠感覺(jué)到有“死點(diǎn)”存在，再單獨(dú)試運(yùn)行主軸電動(dòng)機(jī)，電氣部分基本正常。通過(guò)以上分析，基本可以把故障定位在主軸軸承上。更換軸承后重新裝好主軸，故障排除，機(jī)床恢復(fù)正常。

需要注意：在拆解主軸、更換軸承時(shí)，記錄好原裝軸承的裝配形式，且主軸軸承要成套更換（即使其中只有一個(gè)軸承損壞，也要更換一套）。軸承預(yù)緊時(shí)，使用力矩扳手按要求進(jìn)行預(yù)緊，切忌隨意調(diào)整，如果預(yù)緊力過(guò)大將導(dǎo)致負(fù)載增加，嚴(yán)重者直接損壞軸承或主軸；如果預(yù)緊力過(guò)小將不能消除軸承游隙或軸承松動(dòng)，同樣不能正常運(yùn)行。更換軸承、主軸裝配完成后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行幾何精度檢測(cè)（檢測(cè)方法可參考JB/T 8771.2—1998《加工中心檢驗(yàn)條件 第 2 部分：立式加工中心 幾何精度檢驗(yàn)》），主要包括軸向竄動(dòng)檢測(cè)（見(jiàn)圖1）、徑向圓跳動(dòng)檢測(cè)（見(jiàn)圖2）及主軸試運(yùn)行（轉(zhuǎn)速?gòu)牡偷礁叻謩e測(cè)試），以上檢測(cè)都正常后才能投入使用。

圖1 軸向竄動(dòng)檢測(cè)方法示意

圖2 徑向圓跳動(dòng)檢測(cè)方法示意

該故障解決方案的切入點(diǎn)是“機(jī)電分離法”的應(yīng)用，即把復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)也排除了一些不確定的故障因素。該案例的重點(diǎn)是軸承更換及其注意事項(xiàng)，并做好各項(xiàng)精度檢測(cè)，不可操之過(guò)急，以免功虧一簣。

3.2 加工中心主軸不轉(zhuǎn)故障

（1）故障現(xiàn)象 某龍門(mén)式加工中心在執(zhí)行機(jī)械手自動(dòng)換刀時(shí)，由于主軸不轉(zhuǎn)而導(dǎo)致?lián)Q刀失敗，且在MDI/AUTO狀態(tài)下均不能正常旋轉(zhuǎn)，也無(wú)任何報(bào)警或提示。

（2）故障分析和解決方案 設(shè)備故障一般可分為硬件故障、軟故障（參數(shù)、PLC等方面）或者機(jī)械、電氣故障。此設(shè)備主軸不轉(zhuǎn)的可能原因較多，首先進(jìn)行機(jī)床的數(shù)據(jù)備份恢復(fù)，故障依舊，基本排除了軟故障，硬件故障的可能性較大。然后去掉主軸使能，手轉(zhuǎn)主軸可以正常旋轉(zhuǎn)，無(wú)機(jī)械卡死等異常情況，加上使能后主軸停止。主軸和電動(dòng)機(jī)脫開(kāi)后，執(zhí)行主軸正/反轉(zhuǎn)指令后，主軸電動(dòng)機(jī)也不轉(zhuǎn)。從故障現(xiàn)象分析，考慮到該故障是在自動(dòng)換刀過(guò)程中出現(xiàn)的，換刀流程（見(jiàn)圖3）中任何一步?jīng)]有完成（有相應(yīng)檢測(cè)信號(hào)），都會(huì)影響到其他步驟，于是重點(diǎn)檢查了“主軸緊刀完成”這一步。現(xiàn)場(chǎng)排查后發(fā)現(xiàn)主軸松緊刀的實(shí)際機(jī)械動(dòng)作正常，主軸緊刀到位對(duì)應(yīng)的傳感器信號(hào)輸入點(diǎn)是I35.5，利用PLC診斷功能，發(fā)現(xiàn)I35.5的狀態(tài)為0（正常為1），經(jīng)進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)該傳感器電纜線(xiàn)斷裂，重新接好后故障徹底排除，即主軸不旋轉(zhuǎn)的根本原因是緊刀到位信號(hào)異常。

圖3 自動(dòng)換刀流程示意

另外，為了提高后續(xù)類(lèi)似故障維修效率，增加報(bào)警功能，即當(dāng)主軸松刀或緊刀到位后，在3s內(nèi)PLC應(yīng)接收到“到位”反饋信號(hào)，否則將出現(xiàn)報(bào)警提示。排除此故障的關(guān)鍵是要考慮自動(dòng)換刀流程，再結(jié)合流程圖分析后準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，這也是加工中心主軸故障的特點(diǎn)，往往和換刀系統(tǒng)有一定的“關(guān)聯(lián)”。在排除復(fù)雜故障時(shí)，要充分運(yùn)用機(jī)床自帶的診斷功能，有條件的還可利用計(jì)算機(jī)或輔助軟件等快速判斷故障點(diǎn)，起到事半功倍的作用，可大大提高故障診斷效率。

3.3 加工中心主軸定向異常故障

（1）故障現(xiàn)象 某立式加工中心采用串行主軸，在自動(dòng)換刀時(shí)，主軸定向不準(zhǔn)確，導(dǎo)致機(jī)械手無(wú)法正常抓取主軸上的刀具，甚至出現(xiàn)碰撞主軸。

（2）故障分析和解決方案 主軸定向又稱(chēng)主軸準(zhǔn)停，是要求主軸在360°范圍內(nèi)，根據(jù)要求停止在某一固定點(diǎn)，是加工中心必備的功能之一，主軸定向的電氣原理如圖4所示。

圖4 主軸定向電氣原理

經(jīng)觀察換刀動(dòng)作，可明顯發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行自動(dòng)換刀機(jī)械手抓刀動(dòng)作時(shí)，機(jī)械手上的鍵塊不能插入刀柄上的鍵槽中，即主軸的定向角度不準(zhǔn)確，這也是引發(fā)故障的根本原因。調(diào)試此類(lèi)故障，工作中一般采用修改參數(shù)法，該機(jī)床采用FANUC 0iD數(shù)控系統(tǒng)，如果定向角度誤差很小，可通過(guò)修改參數(shù)4077（伺服主軸定向停止的位置偏移量）來(lái)微調(diào)主軸定向的角度，使主軸上的鍵塊對(duì)齊機(jī)械手上的鍵塊，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試情況如圖5所示；反之，如果定向角度誤差較大，可按照以下步驟調(diào)試[2]。

圖5 主軸定向現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試

1）參數(shù)3117#1由0改為1，把主軸位置編碼器脈沖數(shù)作為主軸位置數(shù)據(jù)顯示在診斷畫(huà)面中的No.445中。

2）參數(shù)4077設(shè)為0。

3）執(zhí)行主軸定向指令。

4）檢查并確認(rèn)診斷No.445顯示值為0。

5）取消主軸定向。

6）手動(dòng)旋轉(zhuǎn)主軸至所需位置，并記錄診斷No.445顯示值，再把此值填入到參數(shù)4077中。

7）重復(fù)步驟3），檢驗(yàn)主軸定向是否精確，確定是否再次進(jìn)行調(diào)試。

主軸定向問(wèn)題不僅關(guān)乎著機(jī)床操作，還直接涉及到設(shè)備安全甚至人員安全，務(wù)必要求按照一定的速度準(zhǔn)確進(jìn)行定向。主軸定向故障，除定向不準(zhǔn)確外，還包括沒(méi)有定向動(dòng)作（可檢查地址信號(hào)G70.6或者參數(shù)8135#4）、定向速度不合適（可檢查參數(shù)4038）以及主軸長(zhǎng)時(shí)間找不到定向位置（可檢查參數(shù)4002#3，2，1，0是否設(shè)置正確）等故障類(lèi)型[3]，這就要求具體問(wèn)題具體分析，在硬件完好的前提下，可參考數(shù)控系統(tǒng)的有關(guān)說(shuō)明書(shū)進(jìn)行調(diào)試。

4 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)加工中心及主軸有一定認(rèn)知的基礎(chǔ)上，當(dāng)主軸故障出現(xiàn)時(shí)，故障診斷的一般思路如下。

1）結(jié)合故障現(xiàn)象或報(bào)警內(nèi)容，充分詢(xún)問(wèn)機(jī)床操作人員，注重關(guān)鍵細(xì)節(jié)，可能某一細(xì)節(jié)就是故障診斷的突破口，為后續(xù)故障診斷做好鋪墊。

2）在以上基礎(chǔ)上，根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)與主軸故障特點(diǎn)，大致判斷出故障類(lèi)型和故障范圍，并適當(dāng)運(yùn)用一些典型的故障診斷方法（如機(jī)電分離法、PLC在線(xiàn)診斷法、比較法等）或借助相關(guān)軟件、數(shù)據(jù)，基本定位故障點(diǎn)，排除故障。

3）在有條件的情況下，設(shè)計(jì)并實(shí)施預(yù)防改進(jìn)措施，大大降低同類(lèi)故障復(fù)現(xiàn)的概率。

4）定期總結(jié)、查閱維修經(jīng)驗(yàn)（尤其是對(duì)于初學(xué)者，這一點(diǎn)至關(guān)重要），在此基礎(chǔ)上力爭(zhēng)做到舉一反三，不斷提高故障技術(shù)人員的綜合診斷能力。