數控機床主軸潤滑監控完善案例

程光，鄭建國，張強，王永煒

山西航天清華裝備有限責任公司 山西長治 046000

1 序言

數控車床CKA6180采用FANUC Series 0iMate TC數控系統，在使用過程中，主軸箱出現了振動大和聲音異常的現象。打開主軸箱蓋檢查發現：箱內各軸軸承及齒輪十分干燥，嚴重缺少潤滑油，齒輪與各軸軸承均出現不同程度的磨損，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黑（見圖2）。很明顯，這種情況已經持續了較長的時間。

圖1 磨損鐵粉堆積在軸和箱壁上

圖2 軸承滾柱磨損發黑

2 故障排除過程

查閱機床說明書了解其工作原理：由液壓電動機驅動液壓泵為液壓系統提供壓力，潤滑油經由管路引入主軸箱為各齒輪及軸承提供潤滑。檢查發現，由于電動機與液壓泵之間聯軸器的損壞，使液壓泵得不到動力，系統沒有壓力就無法為主軸箱提供潤滑，導致發生故障。在更換新的聯軸器后，故障得到排除。

3 故障原因分析

故障排除后，雖然機床可以繼續運轉，但是由于部分齒輪磨損嚴重，因此主軸箱仍存在一定的振動和噪聲，且主軸軸承已達不到原本的旋轉精度，使機床失去了原有的精加工能力，只能采取降級使用的辦法，進行半精加工或者粗加工。如果要恢復機床原有的精度，則需要將受損齒輪和軸承全部更換，維修費用較高。

根據機床的工作原理分析如下：斷路器為液壓電動機提供保護，當電動機發生過載、短路等電氣故障時，斷路器會跳閘，切斷電動機的動力；同時系統會發出報警，機床停止運行。但是，當發生聯軸器故障或是液壓泵斷軸等機械故障時，液壓泵因得不到動力而不能產生液壓力，潤滑油也就不能到達主軸箱。這時電動機處于空轉狀態，斷路器不動作，機床也沒有報警發生，但主軸仍可以繼續運轉。在不知不覺中，操作人員按部就班地進行生產，主軸箱在沒有潤滑油的情況下繼續運轉，磨損逐漸加劇，直至異常振動及噪聲發展到一定程度，才引起操作人員的注意。

4 改進措施

為了避免因操作人員不能主動、及時地發現問題而導致發生故障，就需要通過技術手段為機床提供安全保障。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床PMC（機床可編程邏輯控制器）中，并編輯一段相應順序的程序控制機床的運行。當發生故障時數控系統會發出報警，并根據機床不同的運行狀態由PMC分別采用不同的措施使機床停止運行，從而達到保護機床的目的。

對信號的不同采集方法進行比較如下。如果采用流量信號方式，則需將流量感應閥串接于主軸潤滑管路中，才能達到監測流量的目的，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的壓力表更換為耐振電接點壓力表即可。相比之下，后者更簡單易行，工作量小，對原系統的狀況改變小，性價比較高。

4.1 信號引入

將原裝的普通壓力表（見圖3）更換為耐振電接點壓力表（見圖4），并通過一段兩芯控制線將信號接入至數控系統的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壓力表

將耐振電接點壓力表的壓力上限設定為1.5MPa（見圖5），其值略低于液壓系統的額定壓力。當實際壓力低于1.5MPa時，觸點斷開；當實際壓力高于1.5MPa時，觸點接通。

圖5 壓力上限設定為1.5MPa

4.2 程序編制

根據監測壓力信號為0或1的狀態，在原有順序程序的基礎上，編制控制程序。

（1）當壓力值大于設定值時 圖6中的壓力信號輸入端X0002.7狀態為1，則R0154.0狀態為1。

圖6 壓力信號輸入

圖7中的R0154.0狀態為1和R0154.6為0，則R0154.7狀態為1。

圖7 主軸正轉、反轉條件控制

圖8和圖9中的R0154.7均為1，則正轉輸出Y0006.0和反轉輸出Y0006.1均可以正常輸出，這時無論手動或自動控制，主軸正轉、反轉都可以正常起動運行，操作人員可以進行生產加工。

圖8 主軸正轉

圖9 主軸反轉

（2）當出現故障使壓力值小于設定值時 圖6中的X0002.7狀態為0，則R0154.0狀態變為0；圖10中的R0154.0狀態變為0，則信息信號A0002.1狀態變為1。發生報警時，系統屏幕顯示“ 1021 Lack of hydraulic pressure”（缺少液壓壓力）的報警信息（見圖11）。

圖10 壓力低報警信號

圖11 監測壓力低報警畫面

1）主軸處于未運行狀態時：R0154.0狀態為0，R0154.7狀態也為0，則正轉輸出Y0006.0（見圖8）與反轉輸出Y0006.1也為0，主軸不能起動運行，操作人員不能進行生產加工。

2）主軸處于運行狀態時：雖然這時R0154.0狀態為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，則正轉輸出Y0006.0（見圖8）或反轉輸出Y0006.1（見圖9）也保持為1，主軸仍然繼續運行，保持生產加工狀態。圖12中的R0154.1、R0154.0與自動運行中的信號F0000.7使單程序段信號G0046.1狀態變為1，在執行完當前指令后機床將自動暫停，生產加工中斷。

圖12 單程序段信號

圖13中的R0154.0與R0154.1使計時器T0010進入計時狀態，計時器T0010設置時長為1min。操作人員在發現報警后，可以在1min內主動操作，停止機床的運行。

圖13 自動停機延時

3）計時器T0010經過1min計時完畢，如果操作人員仍然沒有執行操作，機床當前加工程序的指令又沒有執行完畢，那么主軸仍然處于運行狀態。圖13中的R0154.4狀態變為1，圖14中的R0154.4狀態變為1，則R0154.6狀態變為1。圖15中的R0154.6狀態變為1，則R0154.7狀態轉變為0，使正轉輸出Y0006.0（見圖8）與反轉輸出Y0006.1（見圖9）狀態均為0，主電動機斷電，主軸停止運轉。

圖14 用于自動停機保持的繼電器

圖15 主軸正反轉條件控制

圖16中的R0154.6狀態變為1，使緊急停止信號G0008.4狀態變為0，機床進入緊急狀態，機床所有動作停止，生產加工中斷。圖17中的R0154.6狀態變為1，則信息顯示信號A0002.2狀態為1。

圖16 緊急停止

圖17 自動停機報警信號

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

4）操作人員只需按下“復位”鍵，即可解除當前的緊急停止狀態。在液壓系統的壓力未恢復時，主軸在手動或自動模式下均不能起動，報警信息A0002.1與A0002.2不可清除；待液壓系統的壓力恢復之后，報警信息可自動清除。

圖18 自動停機后報警畫面

4.3 程序驗證

經過以上步驟，主軸潤滑保護控制程序就已經全部完成了。依照上述方法對機床進行改進，并經現場測試，機床在以上幾種運行狀態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 結束語

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

在市場競爭激烈的環境下，由于各種原因，有些機床在出廠時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備的維修保養等本職工作，更要在工作中及時發現設備的缺陷和安全隱患，并善于運用專業技能對問題設備進行必要的創新、改進和升級，消除潛在的隱患，使設備的功能趨于完善，運行更為安全可靠，避免給企業造成不必要的經濟損失。