大型五軸數(shù)控龍門銑床的保養(yǎng)與維修

關(guān)進良 喻曉浩 劉萃倫 李曉彬 戰(zhàn)祥鑫

(首都航天機械有限公司，北京 100076)

近年來，大型五軸數(shù)控龍門銑床在制造業(yè)中發(fā)揮著越來越重要的作用，可加工大尺寸、復(fù)雜空間曲面和高精度的關(guān)鍵工件，現(xiàn)已普遍用在了軍工、船舶、能源等重要領(lǐng)域，其故障率也直接決定著企業(yè)的科研生產(chǎn)完成情況。本文通過研究其保養(yǎng)中應(yīng)注意的重要細節(jié)和典型故障，提供適合此類大型機床的典型維修方法，達到降低設(shè)備故障率，提高維修效率的目的。

1 大型五軸數(shù)控龍門銑床的特點

大型五軸數(shù)控龍門銑床與普通的中小型三軸數(shù)控機床存在明顯的不同，機床整體結(jié)構(gòu)龐大、控制系統(tǒng)復(fù)雜、技術(shù)含量高、成本高，而且在企業(yè)制造生產(chǎn)中往往承擔(dān)著“關(guān)鍵工序”的加工，有“不可替代性”的特點。

依據(jù)橫梁是否可動，分為定梁數(shù)控龍門銑床和動梁數(shù)控龍門銑床，也可依據(jù)工作臺是否可動，分為工作臺(一般為X軸)移動式和龍門移動式兩種。國內(nèi)的大型五軸數(shù)控龍門銑床一般采用定梁龍門移動式結(jié)構(gòu)，見圖1。其核心部件是銑頭，目前國內(nèi)常見的是雙回轉(zhuǎn)擺動銑頭(以下簡稱“雙擺頭”)，見圖2。雙擺頭既可在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C軸)，也可在垂直面內(nèi)擺動(當(dāng)C軸在零點時，繞X軸旋轉(zhuǎn)的A軸)[1]，整個機床可以實現(xiàn)X、Y、Z、A、C五軸聯(lián)動加工。

2 大型五軸數(shù)控龍門銑床的保養(yǎng)

當(dāng)前，企業(yè)普遍存在著“輕保養(yǎng)重維修”的思想，這種思想給設(shè)備管理工作帶來故障率高、設(shè)備利用率低等弊端。俗話說，磨刀不誤砍柴工，做好設(shè)備保養(yǎng)能大大降低故障率，同時給設(shè)備操作人員帶來很大的方便。針對大型五軸數(shù)控龍門銑床等復(fù)雜設(shè)備來說，保養(yǎng)工作尤其重要，“保養(yǎng)點”呈現(xiàn)“多而分散”的特點，每一點都影響著機床的整體運行。下面從機械和電氣兩大方面介紹如何做好該類設(shè)備保養(yǎng)工作。

2.1 機械方面的保養(yǎng)

2.1.1 氣動部分

機床氣動系統(tǒng)主要是為清潔光柵尺、電主軸氣密封、主軸錐孔吹氣以及刀具測量系統(tǒng)等部件供氣，前提是工廠必須提供干凈清潔的低壓氣源，一般要經(jīng)過杯排、冷凍式壓縮空氣干燥機(以下簡稱“冷干機”)、氣動三聯(lián)件等層層過濾和干燥才能最終進入機床內(nèi)部。具體供氣方式見圖3。

其中，冷干機是關(guān)鍵部件，一般的企業(yè)由于動力車間缺少必要的干燥和精濾設(shè)備，向機加車間提供的初級低壓氣源含水量大，且混有較多雜質(zhì)，機床自帶的氣動三聯(lián)件無法將低壓氣完全干燥和清潔，雜質(zhì)和水汽很容易進入，進而造成機床光柵尺和讀數(shù)頭污染，引發(fā)故障報警(如“主動編碼器硬件故障”)，嚴重情況會造成主軸內(nèi)部關(guān)鍵零部件的污染銹蝕。根據(jù)日常維修經(jīng)驗得知，由于氣源不干凈造成的光柵尺故障占到光柵尺總故障的80%以上。因此，大型龍門銑床必須配備相應(yīng)的氣源干燥裝置。氣動三聯(lián)件也應(yīng)及時清理，需要手動排水的濾杯要及時排水，過濾芯要及時清洗或更換，以免影響過濾效果。

2.1.2 冷卻和潤滑部分

機床冷卻系統(tǒng)分為刀具冷卻和“雙擺頭”冷卻兩大部分，前者為水冷，后者是水冷或者油冷(以下以水冷為例)。其中刀具冷卻分為內(nèi)冷和外冷，雙擺頭冷卻分為主軸電動機冷卻，A、C軸電動機冷卻以及雙擺頭內(nèi)旋轉(zhuǎn)接頭冷卻，冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成見圖4。

刀具冷卻液具有防銹、潤滑、冷卻的作用，其制作一般按照水和原液為20：1的比例進行配制，其中“水”由80%～85%的純水和15%～20%的自來水組成，原液國內(nèi)常使用Blasocut BC20，這樣配置好的乳化液濃度約為5%～8%，硬度約為5個德國度(°dH)，PH值在8.5～9.2之間，呈弱堿性。這種乳化液綜合性能較好，基本能滿足大型機床的金屬切削加工要求。

雙擺頭冷卻需要單獨配備冷卻裝置，并配制循環(huán)冷卻劑，冷卻劑必須是冷卻水和防凍液的混合物(一般是70%的水與30%的防凍液)，從而達到防腐蝕、防過熱和防霜凍的目的。需要特別注意的是，所有冷卻液均應(yīng)按照上述要求嚴格配置，否則可能導(dǎo)致電主軸內(nèi)部快插接頭和旋轉(zhuǎn)接頭銹蝕等故障，給后期維修保養(yǎng)帶來很大的困難。

機床潤滑系統(tǒng)一般分為油潤滑和脂潤滑兩種。油潤滑包括各軸導(dǎo)軌副、直線軸(如：X軸)齒輪減速箱以及滾珠絲杠副，脂潤滑包括各軸傳動軸承、齒輪齒條和某些特殊齒輪(如五軸機床外配的角銑頭中的錐齒輪)等零部件。在進行潤滑系統(tǒng)保養(yǎng)時，首先要徹底清理所有潤滑點，再根據(jù)具體說明要求加入油或脂(嚴禁私自更換型號)。其中，X、Y、Z等直線軸導(dǎo)軌副一般采用潤滑泵定時定量的集中潤滑方式， 集中潤滑為時間間隔打油，一般設(shè)定為1～2 h，也可具體根據(jù)要求自行設(shè)定。

2.1.3 液壓(靜壓)部分

液壓(靜壓)系統(tǒng)主要為平衡缸、各直線軸靜壓導(dǎo)軌和雙擺頭提供壓力油。一般來講，機床靜壓系統(tǒng)的密封和回油裝置故障率較高，應(yīng)定時檢測系統(tǒng)是否漏油、回油狀況是否良好等，每季度/半年檢查液壓油質(zhì)，必要時更換相應(yīng)的新油。

機床的雙擺頭一般配有獨立的液壓站，用來實現(xiàn)A、C軸的夾緊與放松，主軸松拉刀。對于該類液壓站應(yīng)注意以下幾點：

(1)配備液位及溫度檢測傳感器，當(dāng)液位過低或溫度過高時均出現(xiàn)報警提示。應(yīng)定期檢查液位，及時補充液壓油，當(dāng)液位出現(xiàn)異常降低時，應(yīng)排查液壓系統(tǒng)有無滲漏后再確定是否繼續(xù)運轉(zhuǎn)。另外，液壓站溫度過高報警時切忌強制運行，應(yīng)及時查找故障根本原因并徹底修復(fù)。

(2)液壓泵設(shè)計為間歇性啟停工作方式，當(dāng)?shù)陀谙到y(tǒng)設(shè)定壓力時，液壓泵啟動，達到設(shè)定壓力時泵停止工作，這種控制方式能避免油泵長時間工作，極大降低油泵的使用損耗，延長其使用壽命。在使用時一旦出現(xiàn)液壓泵頻繁啟停，需要注意檢查系統(tǒng)壓力有沒有內(nèi)部泄漏現(xiàn)象。

(3)主軸松拉刀故障比較頻繁，80%以上的故障與液壓站相關(guān)。常出現(xiàn)的一種故障現(xiàn)象是主軸刀具鎖緊松開機械動作正常，但傳感器信號卻未能反饋給PLC，造成主軸缺少使能。此類故障一般是信號傳感器損壞或松動等原因?qū)е隆?/p>

2.1.4 機床精度

機床精度一般包括切削精度(又稱“動態(tài)精度”)、位置精度和幾何精度。其中切削精度的檢驗我國一般使用五軸NAS圓錐臺測試件和國內(nèi)成飛數(shù)控廠提出的“S”型試件。位置精度包括定位精度和重復(fù)定位精度，一般通過激光補償?shù)姆绞絹磉M行檢測和補償調(diào)整。幾何精度的檢測調(diào)整是五軸機床三級保養(yǎng)的重點項目之一，包括機床X、Y、Z三軸之間的相互垂直度、主軸錐孔軸線的徑向跳動、主軸的周期性軸向竄動、主軸軸線與C軸軸線的同軸度等。在實際生產(chǎn)中必須對這些精度進行定期的檢測與調(diào)整[2]，尤其是和“雙擺頭”有關(guān)的幾何精度，一旦發(fā)現(xiàn)超出允差值要及時進行機械調(diào)整和電氣補償。如：主軸軸線與C軸軸線的同軸度先進行機械精度調(diào)整，之后微調(diào)時使用機床數(shù)據(jù)24560[0]與24560[1](五軸轉(zhuǎn)換1的運動偏移矢量)來進行參數(shù)補償[3]。

2.1.5 其他方面

(1)電主軸的保養(yǎng)。電主軸的最高轉(zhuǎn)速一般是10 000 r/min，在非運行程序期間切斷主軸使能，避免主軸溫度上升。需要特別注意的是要經(jīng)常檢查主軸氣密封是否正常，主軸是否有異響，定期檢測主軸幾何精度(如徑跳、端跳)，并且機床使用時電主軸的功率和扭矩之間的關(guān)系應(yīng)符合如圖5所示功率扭矩圖[4]，否則要及時進行參數(shù)優(yōu)化或機械調(diào)整。

(2)同步帶的調(diào)整。同步帶張緊力過大，會造成負載過大，同步帶齒面磨損，降低使用壽命；同步帶張緊力過小，會出現(xiàn)“跳齒”現(xiàn)象，影響傳遞效果。所以同步帶調(diào)整時，應(yīng)嚴格按照機床說明書要求調(diào)到適當(dāng)?shù)膹埦o力。

(3)制作機床各類點檢表，可按照點檢位置、點檢周期、點檢標準以及注意事項等項目，根據(jù)不同的機床來制作“個性化”的日常點檢表，目的是在日常保養(yǎng)時做到按時、按量并且不漏項。

機械方面的保養(yǎng)涉及面廣泛，是整個機床保養(yǎng)的基礎(chǔ)，直接決定著機床故障率的高低，而且關(guān)鍵“點”較多，日常工作需要做細做實。

2.2 電氣方面的保養(yǎng)

2.2.1 硬件部分

大型五軸龍門銑床運行時功率大，發(fā)熱較多，為避免機床過熱，要特別注意機床制冷和散熱裝置，如：NCK和伺服模塊的小風(fēng)扇、主軸散熱風(fēng)機以及電氣柜空調(diào)等，一旦發(fā)現(xiàn)故障隱患應(yīng)立即停機并及時排除，避免“因小失大”。另外，冷卻裝置硬件部分要保持干凈，尤其是散熱裝置的風(fēng)扇、空調(diào)過濾網(wǎng)每周至少清潔一次 ，切忌電氣模塊被過多的塵土、油漬污染。同時，設(shè)備上的傳感器(檢測壓力和溫度等)、接觸器、中間繼電器以及各類電磁閥也要注意，發(fā)現(xiàn)狀態(tài)不佳的元器件要及時更換，避免產(chǎn)生由此引起的其他故障。

2.2.2 軟件部分

3 典型故障維修

3.1 某國產(chǎn)五軸定梁龍門移動銑床主軸端面漏水故障

故障現(xiàn)象：該設(shè)備采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，主軸在運轉(zhuǎn)時發(fā)現(xiàn)端面不斷有少量水流出，檢查各管路和控制閥，均沒發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

故障分析及解決方案：該設(shè)備選用德國CYCTEC公司生產(chǎn)的G30型雙擺頭，電主軸安裝在A軸擺動體內(nèi)[5]。主軸端面有水流出，說明雙擺頭內(nèi)部很可能密封不良。拆下電主軸后發(fā)現(xiàn)A軸擺動腔體內(nèi)有兩個部位水珠不斷流出：(1)A軸與電主軸后端連接的一個快插接頭連接處(見圖6)；(2)A軸旋轉(zhuǎn)接頭后端。旋轉(zhuǎn)接頭是將液壓油、冷卻液等流體從機床靜止的管道輸入到旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動的部件中(如旋轉(zhuǎn)軸A、C軸)，再從旋轉(zhuǎn)接頭中排出的一種連接密封裝置。在拆下旋轉(zhuǎn)接頭后發(fā)現(xiàn)內(nèi)部密封圈嚴重老化，金屬本體銹蝕(見圖7)。更換快插接頭和旋轉(zhuǎn)接頭后故障排除。為了檢查其余快插接頭是否存在密封不良的隱患，拆下雙擺頭又發(fā)現(xiàn)另一快插接頭密封老化，更換相關(guān)備件后徹底解決。另外，從旋轉(zhuǎn)接頭密封老化及銹蝕情況分析，主軸液壓油路和水路很可能出現(xiàn)串路，(“串油”現(xiàn)象)，在檢查雙擺頭液壓站時，發(fā)現(xiàn)油箱內(nèi)液壓油已被刀具冷卻液污染，清洗油路，更換液壓油，避免了后期使用中的隱患。

故障總結(jié)：漏水漏油看似問題小，如不及時修復(fù)則有電氣短路和燒壞主軸電動機的隱患。此類故障一般是密封件老化引起，解決類似故障的同時一定要對相關(guān)部件做一次全面檢查，切不可 “頭痛醫(yī)頭，腳痛醫(yī)腳”。

3.2 某大型五軸數(shù)控龍門銑床A軸 “跑坐標”故障

故障現(xiàn)象：某大型五軸數(shù)控龍門銑床采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，關(guān)機重啟后，A軸出現(xiàn)不定期“跑坐標”現(xiàn)象，故障頻率不確定。

故障分析及解決方案： 該設(shè)備使用進口某型號A/C雙擺頭，其中A軸采用海德漢高精度絕對式角度編碼器實現(xiàn)全閉環(huán)位置反饋。與增量編碼器不同，絕對式編碼器是直接輸出數(shù)字量的傳感器[6]，在一轉(zhuǎn)內(nèi)每個位置的讀數(shù)是唯一的，具備掉電記憶功能。此外，絕對編碼器還具備可靠性高、抗干擾能力強等特點[7]。所以在正常情況下，意外掉電或關(guān)機重啟不會出現(xiàn)“跑坐標”現(xiàn)象。經(jīng)上述分析，“跑坐標”故障很可能屬于硬件故障，也即是角度編碼器(見圖8)本身故障，更換新的編碼器，并重新設(shè)置A軸換向角后故障排除。A軸換向角設(shè)置步驟如下：

(1)設(shè)備處于急停狀態(tài)。

(2)記錄參數(shù)1407(速度控制器的P增益)的數(shù)值。

睡眠是人類正常的生理需求，是恢復(fù)神經(jīng)系統(tǒng)的重要過程，具有促進人體生長發(fā)育的功能，其在維持人體注意力、警覺性、記憶力、學(xué)習(xí)能力、執(zhí)行功能等方面具有重要作用，一旦人體出現(xiàn)失眠現(xiàn)象，將可能引發(fā)多種軀體疾病、心理疾病及精神疾病等。因此，在臨床治療過程中需對失眠的發(fā)病機制及誘發(fā)因素進行全面了解，同時，還需對失眠與焦慮抑郁情緒的關(guān)系、失眠與認知功能的關(guān)系、焦慮抑郁情緒與認知功能的關(guān)系等進行詳細了解，以制訂最佳的治療方案。

(3)設(shè)定參數(shù)1407[0][1][2]為0，并保存。

(4)設(shè)定參數(shù)1019(當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置識別)為5～10，并保存。

(5)設(shè)定參數(shù)1017為1，并保存。

(6)打開急停，選擇“JOG”方式，選擇A軸。

(7)加使能，參數(shù)1017中的數(shù)值自動變?yōu)椤?”，并出現(xiàn)300799報警。

(8)找到的換向角數(shù)值自動寫入到參數(shù)1016內(nèi)，保存。

(9)恢復(fù)參數(shù)1407[0]原值，設(shè)置完畢。

另外需要注意：A軸“跑坐標”故障修復(fù)后，A軸原點位置也發(fā)生了變化，此時務(wù)必重新設(shè)置A軸原點，步驟如下：

(1)調(diào)整參數(shù)34210→1。

(2)主軸裝入300 mm的 HSK-A100標準檢驗棒。

(3)借助千分表校準A軸原點(見圖9)，將千分表打在檢棒的母線高點，上下移動Z軸，保證誤差值小于0.01 mm/300 mm。

(4)選擇回零方式，選擇A軸后按一下操作面板上的“+”或“-”按鍵。

(5)參數(shù)34210由“1”自動變?yōu)椤?”，設(shè)置完畢，故障徹底修復(fù)。

故障總結(jié)：A軸出現(xiàn)“跑坐標”故障時比較隱蔽，如果不仔細觀察A軸坐標變化，往往不被發(fā)現(xiàn)，進而可能導(dǎo)致產(chǎn)品超差、報廢等嚴重問題，這要求設(shè)備操作者要善于觀察，謹慎操作設(shè)備。

4 結(jié)語

大型五軸數(shù)控龍門銑床的保養(yǎng)與維修占有同等重要的地位，只有既注重日常保養(yǎng)，防患于未然，使故障消滅于萌芽狀態(tài)，又要善于掌握常見故障的維修技術(shù)，提高維修效率和設(shè)備利用率，減少不必要的經(jīng)濟損失，充分發(fā)揮出大型五軸數(shù)控龍門銑床的最大價值。

[1]五軸聯(lián)動龍門移動鏜銑床使用說明書[Z].濟南二機床集團有限公司，2010.

[2]趙剛. 大型數(shù)控龍門銑床導(dǎo)軌精度檢測方法探討[J].制造技術(shù)與機床,2015(12):129-132.

[3] SINUMERIK 840D/840Di/810D調(diào)整表[Z].SIEMENS公司,2001.

[4]郭寶才.大型數(shù)控機床的驗收[J].制造技術(shù)與機床,2010(10):109-112.

[5] 橋式五軸數(shù)控銑床使用說明書[Z].沈陽機床(集團)有限責(zé)任公司，2009.

[6]程曉莉，謝劍英，王林.絕對式編碼器在電機定位中的應(yīng)用[J].控制工程，2007，14(5)：548-550.

[7] Wekhande S,Agarwal V.High-resolution absolute position vernier shaft encoder suitable for high-performance PMSM servo drives[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006,55(1):357-363.