基于加工中心主轴故障诊断与维修研究
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作者: 钱炜
【摘 要】本文结合实际生产需要，针对数控加工中心在使用过程主轴经常出现的常见典型故障，举出典型实例，通过对数控加工中心主轴的结构与工作原理的阐述，剖析了生产中刀架出现的故障，并提出相应的维修方案。
【关键词】加工中心；主轴；故障；维修
加工中心在工业生产中的应用日渐广泛，高自动化、高效率的优势设备给现代制造增添了强劲的动力，而如何维护好这些设备便显得尤为重要。数控加工中心主轴系统常见的典型故障有外部信号故障、连接器件故障、执行元件故障、各种参数、数据和程序故障、伺服系统故障和数控系统及PLC故障等。
一、加工中心主轴组成及工作原理
加工中心主轴由主轴控制系统、主轴、刀杆、钢球、空气喷嘴、套筒、支撑架、拉杆、蝶形弹簧、定位盘、油缸（及活塞）、无触点开关、滚子、限位开关、定位油缸、开关组成。当刀具由机械手或其他方法装到主轴孔后，操作者向数控机床输入换刀指令，指令传递给微机，微机发出换刀信号，由此控制主轴动作，刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端。当接到加紧信号时，液压缸推杆向主轴后部移动，拉杆在蝶形弹簧的作用下也向后移，其前端圆周上的钢球或拉钩在主轴锥孔的逼迫下收缩分布直径，将刀柄拉钉紧紧拉住；当液压缸接到数控系统的松刀信号时，拉钉克服弹簧的弹簧力向前移动，使钢球或拉钩的分布直径变大，松开刀具，松开刀柄，以便机械手方便取走刀具。
二、典型故障诊断与维修
（1）故障现象：主轴部件的拉杆钢球损坏。第一，检查与分析。检查发现，主轴松刀动作与机械手拔刀动作不协调。这是因为限位开关挡铁装在气液增压缸的气缸尾部。第二，排除方法。清洗增压油缸，更换密封环，给增压油缸注油，气压调整至0.5～0.8MPa，试用后故障消失。（2）故障现象：某立式加工中心镗孔精度下降、圆柱度超差、主轴发热、噪声大，但用手拨动主轴转动阻力较小。第一，检查与分析。主轴部件解体检查，发现故障原因如下：一是主轴轴承润滑脂内混有粉尘和水分，这是因为该加工中心用的压缩空气无精滤和干燥装置，故气动吹屑时少量粉尘和水气窜入主轴轴承润滑脂内，造成润滑不良，导致发热且有噪声；主轴内锥孔定位表面有少许碰伤，锥孔与刀柄锥面配合不良，有微量偏心；二是前轴承预紧力下降，轴承游隙变大；三是主轴自动夹紧机构内部分碟形弹簧疲劳失效，刀具未被完全拉紧，有少许窜动。第二，排除方法。更换前轴承及润滑脂，调整轴承游隙，轴向游隙0.003mm，径向游隙士0.002mm；自制简易研具，手工研磨主轴内锥孔定位面，用涂色法检查，保证刀柄与主轴定心锥孔的接触面积大于85%；更换碟形弹簧。将修好的主轴装回主轴箱，用千分表检查径向跳动，近端小于0.006mm，远端150mm处小于0.010mm。试加工，主轴温升和噪声正常，加工精度满足加工工艺要求。（3）故障现象：某立式加工中心换刀时冲击响声大，主轴前端拨动刀柄旋转的定位键局部变形。第一，检查与分析。响声主要出现在机械手插刀阶段，故障初步确定为主轴准停位置误差和换刀参考点漂移。本机床采用霍尔元件检测定向，引起主轴准停位置不准的原因可能是主轴准停装置电气系统参数变化、定位不牢靠或主轴径向跳动超差。首先检查霍尔元件的安装位置，发现固定螺钉松动，机械手插刀时刀柄键槽未对正主轴前端定位键，定位键被撞坏。第二，排除方法。调整霍尔元件的安装位置后拧紧并加防松胶。重新调整主轴换刀参考点接近开关的安装位置，更换主轴前端的定位键，故障消失。（4）故障现象：主轴无法定向负载超出，08号报警。第一，检查与分析。通过查阅机床维修手册，08号报警为主轴定向报警。在交流主轴控制器线路板上找到7个发光二极管（6绿1红）。这7个指示灯分别表示：定向指令、低速档、磁道峰值检测、减速指令、静定向、定向停完成、试验方式（红色）。观察7个指示灯情况如下：1号灯亮，3、5号灯闪烁。这表明定向指示灯已发出，磁道峰值已检测到，但是系统不能完成定向，主号轴仍在低速运行，故3、5不断闪烁。调节主轴控制器上电位器RV5、RV6、RV7，仍不能定向。从以上分析，怀疑是主轴箱上的放大器有问题。分析这个不正常现象，判断就是该软管盘绕使主轴定向偏移而不能准确定向，造成08号报警。第二，排除方法。将主轴上的加紧液压缸软管顺直后装好，再将主轴控制器中的调节器RV11进行重新调节，故障排除，报警消除，机床恢复正常运行。
三、结语
总之，主轴故障涉及机械、低压电器、PLC\传感器等多科知识，维修人员应熟知刀架的机械结构与控制原理以及常用测量工具的使用方法，根据故障现象，剖析原因，确定合理的诊断与检测步骤，以便迅速排除故障。同时也要求操作人员加强保护措施、延长使用寿命，比如提高车间电源质量，保持良好的加工环境条件；防止积尘并定期清除，以完善维护和保养制度为根本，减少机床停机率，有效地提高生产率。
参考文献
[1]沈兵，历承兆．数控系统故障诊断与维修手册[M]．北京：机械工业出版社，2009
[2]龚仲华．数控机床故障诊断与维修500例[M]．北京：机械工业出版社，2004
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