銑鏜床主軸箱平衡補償系統故障診斷與維修方法

王 歡，吳達晟，洪 煥

（杭州杭氧壓縮機有限公司，浙江杭州 311305）

1 案例概況

某廠MCMG 180 LG 型落地銑鏜床在運行過程中，故障問題突發，主要表現為主軸箱平衡系統前吊點鋼絲繩在未達到使用期限的情況下即發生斷裂。針對這一問題，技術人員初步推斷其源自主軸箱平衡系統工作異常，因此對該系統進行調試，結果顯示，主軸箱液壓平衡缸的活塞始終處于液壓平衡缸內部，無論如何調整滑枕伸出量，前吊點的鋼絲繩都完全繃緊，同時后吊點鋼絲繩幾乎不承擔外力。同時，在檢查電液比例閥控制模塊后發現，其存在接觸不良問題，但重新插拔后，液壓平衡缸活塞問題并未解決，因此推斷PLC程序也存在問題，需要做進一步的優化調整。

2 故障原因分析

在確定主軸箱平衡系統存在工作異常后，結合該主軸箱平衡系統的設計圖紙，對其進行受力分析如圖1 所示：L 表示主軸箱的前后吊點之間的距離；O 和O′分別表示主軸箱平衡前與平衡后的重心位置；S 表示主軸箱重心位置在補償前與補償后的距離差值；L1和L2分別表示主軸平衡前和平衡后的鋼絲繩前/后吊點與主軸箱重心位置之間的距離；L3表示鋼絲繩前吊點與滾珠絲杠之間的距離；主軸箱的自重則以G 表示。同時，在主軸箱平衡前，前吊點鋼絲繩和后吊點鋼絲繩的所受拉力分別為FA和FB，這兩項指標在平衡后記作FA′和FB′。滾珠絲杠對鋼絲繩也存在一個支撐力，用FC表示。

圖1 主軸箱平衡系統的受力分析

根據圖1 中的受力分析結果，由于此時的主軸箱平衡系統處于受力平衡狀態，因此存在如下關系：

將式（1）和式（2）聯立，求解后可得出如下關系：

根據上述關系式不難看出，前吊點鋼絲繩受到的拉力與滑枕的伸出量成正相關，這主要是由于滑枕的伸出導致主軸箱重心位置的變化。由此也可推斷出，僅有主軸箱重心位置變化量S（也即滑枕伸出量）這一因素會影響前吊點鋼絲繩的拉力[1-2]。另外，通過該關系式也可推導出，主軸箱重心位置變化量對前吊點鋼絲繩所受拉力的影響并非固定，該影響因素又受到主軸箱前后吊點之間的距離L 的影響，二者呈現負相關，因此適當增大L 的值也具有可行性[3]。

在此基礎上，結合實際情況并針對圖1 做進一步分析可知，前吊點附近的液壓平衡缸的運行是增大前吊點鋼絲繩拉力的關鍵因素，這種情況可根據如下關系式予以描述：

其中，P 表示液壓平衡缸的供油壓力，SA表示液壓平衡缸的活塞面積。

綜合上述力學關系式和圖1 進行分析后可知，在主軸箱平衡系統的運行過程中，當滑枕伸出量增大時，液壓平衡缸將隨之進行向下的回縮運動實現對前吊點鋼絲繩的牽拉，此時前吊點鋼絲繩的拉力也將逐步增大。在這一過程中，為確保系統始終保持平衡，其關鍵則在于滑枕伸出量和液壓平衡缸的位移量之間存在固定的對應關系，如這種對應關系不存在，則故障就不可避免[4]。

結合實際故障現象即可確定故障的主要原因如下：當主軸箱平衡系統投入運行時，由于滑枕伸出過程中并未伴隨著液壓平衡缸的運動，而是始終保持活塞在液壓平衡缸內的狀態，此時前吊點鋼絲繩始終受到較高的拉力，其承受的力顯著超出限值，進而造成鋼絲繩過早斷裂。而活塞未發生運動則源于主軸箱平衡補償系統的控制程序運行異常，應當對以上問題進行針對性的維修。

3 維修措施

針對已查明的故障原因，按照以下步驟對主軸箱平衡補償系統故障問題進行維修作業。該平衡補償系統的液壓原理如圖2 所示。

圖2 液壓原理

在系統運行過程中，鋼絲繩受力的變化源于補償油缸壓力的變化，而補償油缸壓力則受到電液比例閥的控制。從理論角度分析可知，電液比例閥處于關閉狀態時，補償油缸可提供最大的壓力。基于該原理，設計平衡補償的邏輯（圖3）。

圖3 平衡補償控制邏輯

當滑枕向工件方向移動時，主軸箱重心前移，電液比例閥開度降低，液壓油通過A 口進入補償油缸，提高補償油缸內壓力，以推動活塞向工件的反方向移動，提升前吊點鋼絲繩的拉力。當滑枕位置保持不變時，電液比例閥各個部件均處于靜止狀態，補償油缸油路也被隔離在整體系統之外，并通過電液比例閥的截止作用保壓，此時前吊點鋼絲繩的拉力也保持不變。當滑枕遠離工件方向移動時，主軸箱重心向后移動，電液比例閥開度增大，油缸內液壓油通過B 路，流經電液比例閥泄出，使活塞向工件方向移動，前吊點鋼絲繩拉力也隨之下降。因此，基于該平衡邏輯設計相應的電子電路，將滑枕移動的距離ΔL 轉換為電信號，從而通過控制電液比例閥，再控制其針對油缸進行補油或卸油操作，以實現平衡補償[5]。

為實現對電子電路中電信號的有效控制，采用型號為S7-300 的PLC 進行控制。基于該PLC 器件，通過數模轉換，將滑枕位置轉化為模擬電壓輸出，通過電液比例閥的電路板，再將模擬信號轉換為數字信號，通過內部處理從而控制閥芯開口尺寸，達到控制油缸壓力的目的。將比例閥控制回路經壓力傳輸至傳感器，反饋到控制板，最終實現壓力閉環控制。

基于S7-300 型PLC 的控制邏輯，主要是建立以滑枕坐標為原變量，以油缸壓力為因變量的函數。考慮到滑枕移動過程中的坐標數據難以有效觀察，因此將滑枕的整體行程等分為4 段，每段的起點和終點都分別給予相應壓力，起點與終點之間使用線性線段相連接。據此，設計的基于S7-300 型PLC 的控制邏輯查程序如圖4 所示。

圖4 PLC 程序設計流程

在程序運行過程中，FB2 功能模塊將向PLC 程序提供滑枕坐標數據，而后PLC 程序中的FC104 函數將根據滑枕坐標數據，對補償值自動計算，得到補償值計算結果后，由中間變量MD220 將補償值賦予電液比例閥，再經由PQW464 進行模擬量輸出，以此實現對電液比例閥的流量控制。當電液比例閥流量得到控制后，液壓平衡缸行程也隨之得到控制，從而確保前吊點鋼絲繩所受拉力始終處于合理區間。同時在該流程中，“跳轉至對應模式讀取補償值”的步驟中，需要通過測量獲得補償參數這一關鍵指標，補償參數獲取實驗如圖5 所示。

圖5 補償參數獲取實驗

基于該實驗裝置，補償參數的獲取基于以下4 個步驟進行：①在回轉工作臺的前側與后側各放置一個量塊，并確保兩個量塊在高度上相等；②在每個量塊上均放置一把平尺，并在平尺檢驗面上布置一個已經進行調零處理的千分表；③基于已確定的滑枕的4 段行程，控制滑枕逐段進給，每次進給后，均在數控系統終端對PLC 程序中的中間變量MD220 進行調整，待千分表讀數的絕對值低于0.020 mm 后停止調整，并記錄下每次調整后得到的MD220 的具體數值；④待滑枕的行程已達到最遠端后，對千分表讀數再次進行觀察，如該讀數的絕對值低于0.020 mm，則將此時的MD220 補償值作為最終值輸入到PLC 程序的FC104 函數中，否則重復運行步驟③，直至滿足上述要求為止。

4 維修效果測試

在上述步驟完成后，主軸箱平衡補償系統的維修工作即告完成。為初步檢測維修效果，測試人員對主軸箱平衡系統前吊點鋼絲繩進行更換，而后啟動主軸箱平衡系統。結果顯示，隨著滑枕的位置變化，液壓平衡缸內的活塞也隨之變化，與滑枕位置變化量基本對應，前吊點鋼絲繩拉緊情況得到有效改善。對鋼絲繩的有限元分析結果見表1。

通過表1 的數據可知，主軸箱平衡補償系統維修后，鋼絲繩的壽命有效提升，損傷率也相應降低，表明維修工作取得初步成功。進一步測試維修工作是否對主軸精度造成顯著影響。在測試實驗過程中，嚴格按照JB/T 4367—2011 的相關要求，使用馬爾表對主軸精度進行測試，引入歷史數據進行對比分析，測試結果見表2。

表2 精度測試結果對比

在應用本次維修方法后，滑枕水平移動最遠伸出位置的直線度精度數值為-0.018 mm，較維修前的提升幅度超過70%，滿足標準需要。同時，滑枕水平移動全行程直線度精度也分別提升30%～70%，均滿足標準需要，表明本次維修工作成功完成。

5 結束語

通過基于力學理論的研究，對MCMG 180 LG 型落地銑鏜床設備的運行故障問題進行分析，明確該設備鋼絲繩斷裂故障的主要原因。通過液壓控制原理，對現有的PLC 控制邏輯與程序進行優化設計，以恢復系統的平衡補償功能。實際測試結果顯示，上述故障問題得到了有效解決，同時滑枕的直線度精度也有所提升，表明本次維修工作具有一定的實效性。