加工中心主軸典型故障診斷分析及解決方案

關進良，楊春月，韓紅亮，寧博

首都航天機械有限公司 北京 100076

1 序言

加工中心主軸是機床最重要的機械部件之一，一般情況下，在機床所有的控制軸中，其消耗的功率最大，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速（每分鐘幾千轉甚至一萬轉以上）和轉矩，以滿足不同加工工藝的要求。可見主軸能否正常運轉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，并根據實際工作中的具體案例和經驗，在研究典型故障的基礎上，總結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的數控銑床。除了數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，要求維修技術人員的知識面廣，通常涉及到機械、電氣、液壓和氣動等專業知識，有時還要求在維修主軸時（或修好后）與刀庫、氣缸（或液壓缸）等部件聯合調試。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的近一半，其中，與自動換刀相關的故障占比為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）故障現象 VMC750加工中心在加工工件時，主軸出現異響，負載較正常情況下有所增大，加工的工件表面質量較差。

（2）故障分析和解決方案 一般情況下，引發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電纜等，秉著“先機械后電氣、先簡單后復雜”的原則，采用機電分離法[1]，將主軸與電動機脫開，手盤主軸旋轉能夠感覺到有“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）。軸承預緊時，使用力矩扳手按要求進行預緊，切忌隨意調整，如果預緊力過大將導致負載增加，嚴重者直接損壞軸承或主軸；如果預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（轉速從低到高分別測試），以上檢測都正常后才能投入使用。

圖1 軸向竄動檢測方法示意

圖2 徑向圓跳動檢測方法示意

該故障解決方案的切入點是“機電分離法”的應用，即把復雜的問題簡單化，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 加工中心主軸不轉故障

（1）故障現象 某龍門式加工中心在執行機械手自動換刀時，由于主軸不轉而導致換刀失敗，且在MDI/AUTO狀態下均不能正常旋轉，也無任何報警或提示。

（2）故障分析和解決方案 設備故障一般可分為硬件故障、軟故障（參數、PLC等方面）或者機械、電氣故障。此設備主軸不轉的可能原因較多，首先進行機床的數據備份恢復，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，手轉主軸可以正常旋轉，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，執行主軸正/反轉指令后，主軸電動機也不轉。從故障現象分析，考慮到該故障是在自動換刀過程中出現的，換刀流程（見圖3）中任何一步沒有完成（有相應檢測信號），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。現場排查后發現主軸松緊刀的實際機械動作正常，主軸緊刀到位對應的傳感器信號輸入點是I35.5，利用PLC診斷功能，發現I35.5的狀態為0（正常為1），經進一步檢查發現該傳感器電纜線斷裂，重新接好后故障徹底排除，即主軸不旋轉的根本原因是緊刀到位信號異常。

圖3 自動換刀流程示意

另外，為了提高后續類似故障維修效率，增加報警功能，即當主軸松刀或緊刀到位后，在3s內PLC應接收到“到位”反饋信號，否則將出現報警提示。排除此故障的關鍵是要考慮自動換刀流程，再結合流程圖分析后準確定位故障點，這也是加工中心主軸故障的特點，往往和換刀系統有一定的“關聯”。在排除復雜故障時，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，導致機械手無法正常抓取主軸上的刀具，甚至出現碰撞主軸。

（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，根據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。

圖4 主軸定向電氣原理

經觀察換刀動作，可明顯發現在執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，這也是引發故障的根本原因。調試此類故障，工作中一般采用修改參數法，該機床采用FANUC 0iD數控系統，如果定向角度誤差很小，可通過修改參數4077（伺服主軸定向停止的位置偏移量）來微調主軸定向的角度，使主軸上的鍵塊對齊機械手上的鍵塊，現場調試情況如圖5所示；反之，如果定向角度誤差較大，可按照以下步驟調試[2]。

圖5 主軸定向現場調試

1）參數3117#1由0改為1，把主軸位置編碼器脈沖數作為主軸位置數據顯示在診斷畫面中的No.445中。

2）參數4077設為0。

3）執行主軸定向指令。

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4077中。

7）重復步驟3），檢驗主軸定向是否精確，確定是否再次進行調試。

主軸定向問題不僅關乎著機床操作，還直接涉及到設備安全甚至人員安全，務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8135#4）、定向速度不合適（可檢查參數4038）以及主軸長時間找不到定向位置（可檢查參數4002#3，2，1，0是否設置正確）等故障類型[3]，這就要求具體問題具體分析，在硬件完好的前提下，可參考數控系統的有關說明書進行調試。

4 結束語

在對加工中心及主軸有一定認知的基礎上，當主軸故障出現時，故障診斷的一般思路如下。

1）結合故障現象或報警內容，充分詢問機床操作人員，注重關鍵細節，可能某一細節就是故障診斷的突破口，為后續故障診斷做好鋪墊。

2）在以上基礎上，根據工作經驗與主軸故障特點，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）或借助相關軟件、數據，基本定位故障點，排除故障。

3）在有條件的情況下，設計并實施預防改進措施，大大降低同類故障復現的概率。

4）定期總結、查閱維修經驗（尤其是對于初學者，這一點至關重要），在此基礎上力爭做到舉一反三，不斷提高故障技術人員的綜合診斷能力。