加工中心主軸典型故障診斷分析及解決方案
2023-09-11
關(guān)進良 楊春月 韓紅亮 寧博
（首都航天機械有限公司）
1 序言
加工中心主軸是機床重要的機械部件之一，一般情況下，在機床所有的控制軸中，其消耗的功率，在切削工件時承受的負載較大，相對來講，對主軸的各項精度要求也比較高，且能夠輸出不同的轉(zhuǎn)速（每分鐘幾千轉(zhuǎn)甚至一萬轉(zhuǎn)以上）和轉(zhuǎn)矩，以滿足不同加工工藝的要求。可見主軸能否正常運轉(zhuǎn)直接制約著機床的整體運行，有必要針對加工中心主軸故障的診斷方法進行深入分析和探討。本文正是在這樣的背景下，并根據(jù)實際工作中的具體案例和經(jīng)驗，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
加工中心一般指有刀庫和自動換刀系統(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)人員的知識面廣，通常涉及到機械、電氣、液壓和氣動等專業(yè)知識，有時還要求在維修主軸時（或修好后）與刀庫、氣缸（或液壓缸）等部件聯(lián)合調(diào)試。大量的實際工作記錄表明，加工中心主軸故障占機床總故障數(shù)的近一半，其中，與自動換刀相關(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，主軸出現(xiàn)異響，負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、主軸電動機或主軸伺服模塊及相關(guān)電纜等，秉著“先機械后電氣、先簡單后復(fù)雜”的原則，采用機電分離法，將主軸與電動機脫開，手盤主軸旋轉(zhuǎn)能夠感覺到有“死點”存在，再單獨試運行主軸電動機，電氣部分基本正常。通過以上分析，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，機床恢復(fù)正常。
需要注意：在拆解主軸、更換軸承時，記錄好原裝軸承的裝配形式，且主軸軸承要成套更換（即使其中只有一個軸承損壞，也要更換一套）。軸承預(yù)緊時，使用力矩扳手按要求進行預(yù)緊，切忌隨意調(diào)整，如果預(yù)緊力過大將導(dǎo)致負載增加，嚴重者直接損壞軸承或主軸；如果預(yù)緊力過小將不能消除軸承游隙或軸承松動，同樣不能正常運行。更換軸承、主軸裝配完成后，應(yīng)及時進行幾何精度檢測（檢測方法可參考JB/T 8771.2—1998《加工中心檢驗條件 第 2 部分：立式加工中心 幾何精度檢驗》），主要包括軸向竄動檢測（見圖1）、徑向圓跳動檢測（見圖2）及主軸試運行（轉(zhuǎn)速從低到高分別測試），以上檢測都正常后才能投入使用。
該故障解決方案的切入點是“機電分離法”的應(yīng)用，即把復(fù)雜的問題簡單化，同時也排除了一些不確定的故障因素。該案例的重點是軸承更換及其注意事項，并做好各項精度檢測，不可操之過急，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 某龍門式加工中心在執(zhí)行機械手自動換刀時，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)，也無任何報警或提示。
（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）或者機械、電氣故障。此設(shè)備主軸不轉(zhuǎn)的可能原因較多，首先進行機床的數(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)，無機械卡死等異常情況，加上使能后主軸停止。主軸和電動機脫開后，執(zhí)行主軸正/反轉(zhuǎn)指令后，主軸電動機也不轉(zhuǎn)。從故障現(xiàn)象分析，考慮到該故障是在自動換刀過程中出現(xiàn)的，換刀流程（見圖3）中任何一步?jīng)]有完成（有相應(yīng)檢測信號），都會影響到其他步驟，于是重點檢查了“主軸緊刀完成”這一步。現(xiàn)場排查后發(fā)現(xiàn)主軸松緊刀的實際機械動作正常，主軸緊刀到位對應(yīng)的傳感器信號輸入點是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)進一步檢查發(fā)現(xiàn)該傳感器電纜線斷裂，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異常。
另外，為了提高后續(xù)類似故障維修效率，增加報警功能，即當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，否則將出現(xiàn)報警提示。排除此故障的關(guān)鍵是要考慮自動換刀流程，再結(jié)合流程圖分?后準確定位故障點，這也是加工中心主軸故障的特點，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，要充分運用機床自帶的診斷功能，有條件的還可利用計算機或輔助軟件等快速判斷故障點，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，在自動換刀時，主軸定向不準確，導(dǎo)致機械手無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 主軸定向又稱主軸準停，是要求主軸在360°范圍內(nèi)，根據(jù)要求停止在某一固定點，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。
經(jīng)觀察換刀動作，可明顯發(fā)現(xiàn)在執(zhí)行自動換刀機械手抓刀動作時，機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確，這也是引發(fā)故障的根本原因。調(diào)試此類故障，工作中一般采用修改參數(shù)法，該機床采用FANUC 0iD數(shù)控系統(tǒng)，如果定向角度誤差很小，可通過修改參數(shù)4077（伺服主軸定向停止的位置偏移量）來微調(diào)主軸定向的角度，使主軸上的鍵塊對齊機械手上的鍵塊，現(xiàn)場調(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。
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）檢查并確認診斷No.445顯示值為0。
5）取消主軸定向。
6）手動旋轉(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），檢驗主軸定向是否精確，確定是否再次進行調(diào)試。
主軸定向問題不僅關(guān)乎著機床操作，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確進行定向。主軸定向故障，除定向不準確外，還包括沒有定向動作（可檢查地址信號G70.6或者參數(shù)8135#4）、定向速度不合適（可檢查參數(shù)4038）以及主軸長時間找不到定向位置（可檢查參數(shù)4002#3，2，1，0是否設(shè)置正確）等故障類型，這就要求具體問題具體分析，在硬件完好的前提下，可參考數(shù)控系統(tǒng)的有關(guān)說明書進行調(diào)試。
4 結(jié)束語
在對加工中心及主軸有一定認知的基礎(chǔ)上，當主軸故障出現(xiàn)時，故障診斷的一般思路如下。
1）結(jié)合故障現(xiàn)象或報警內(nèi)容，充分詢問機床操作人員，注重關(guān)鍵細節(jié)，可能某一細節(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)驗與主軸故障特點，大致判斷出故障類型和故障范圍，并適當運用一些典型的故障診斷方法（如機電分離法、PLC在線診斷法、比較法等）或借助相關(guān)軟件、數(shù)據(jù)，基本定位故障點，排除故障。
3）在有條件的情況下，設(shè)計并實施預(yù)防改進措施，大大降低同類故障復(fù)現(xiàn)的概率。
4）定期總結(jié)、查閱維修經(jīng)驗（尤其是對于初學(xué)者，這一點至關(guān)重要），在此基礎(chǔ)上力爭做到舉一反三，不斷提高故障技術(shù)人員的綜合診斷能力。
來源：金屬加工(冷加工)
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