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數(shù)控銑床拉刀故障的診斷與維修論文
數(shù)控銑床拉刀故障的診斷與維修論文
摘要：拉刀故障是數(shù)控銑床的常見故障之一，主軸松、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環(huán)節(jié)的失效都會引起機床拉刀動作故障。
本文從企業(yè)維修案例著手，介紹了XKA714B/F數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)和控制原理，分析了常見的故障點，并采用流程圖的形式介紹了故障診斷方法，最后對故障維修方式進行了探討。
關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床;拉刀故障;診斷與維修;流程圖
在企業(yè)生產(chǎn)過程中，XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸會出現(xiàn)如下故障現(xiàn)象：操作工人在進行手動換刀操作時，刀具可以拿下，但裝上刀后，按“主軸拉刀”按鈕，拉刀動作明顯比平常慢，重復一次松、拉刀過程，拉刀時間變得更長，再重復幾次后，拉刀動作幾乎沒有了。
機床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。
拉刀故障是數(shù)控銑床的常見故障之一。
主軸松、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環(huán)節(jié)的失效都會引起機床拉刀動作故障。
要分析和排除松、拉刀這一故障，首先要知道主軸部件的機械結(jié)構(gòu)組成及松、拉刀動作的原理及過程，然后熟悉常見的故障點，掌握故障診斷思路及流程，最后維修排除故障。
主軸結(jié)構(gòu)和控制原理
數(shù)控銑床一般可分為立式銑床、臥式銑床和立臥兩用數(shù)控銑床三種。
本維修案例使用的是XKA714B/F立式數(shù)控銑床，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、液壓系統(tǒng)、伺服裝置、數(shù)控系統(tǒng)等組成。
床身用于支撐和連接機床各部件，主軸箱用于安裝主軸，主軸內(nèi)裝有拉刀機構(gòu)，拉刀機構(gòu)采用液壓裝置及碟形彈簧來完成拉刀、松刀動作。
主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。
當主軸箱內(nèi)的主軸電機驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)時，銑刀能夠切削工件。
主軸箱還可沿立柱上的導軌在Z向移動，使刀具上升或下降。
工作臺用于安裝工件或夾具，可沿滑鞍上的導軌在X向移動，滑鞍可沿床身上的導軌在Y向移動，從而實現(xiàn)工件在X和Y向的移動。
無論是X、Y向，還是Z向的移動都是靠伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠來實現(xiàn)。
伺服裝置用于驅(qū)動伺服電機，主傳動系統(tǒng)由5.5kW的變頻電機驅(qū)動，電機安裝在主軸箱的頂面，經(jīng)過齒輪傳動，可以實現(xiàn)無級變速。
控制器用于輸入零件加工程序和控制機床工作狀態(tài)，控制電源用于向伺服裝置和控制器供電。
(一)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸部件的機械結(jié)構(gòu)
主軸部件主要由刀具自動夾緊裝置、自動吹凈等裝置組成。
為了適應主軸轉(zhuǎn)速高和工作性能要求，前、后支承都采用了向心推力軸承。
(1)前支承是三個向心推力球軸承，背靠背安裝，前面兩個支承大口朝向主軸前端，后一個軸承大口朝向主軸尾部。
前支承既承受徑向載荷，又承受兩個方向的軸向載荷。
(2)后支承是兩個向心推力球軸承，也是背靠背安裝，小口相對。
后支承只承受徑向載荷，故軸承外圈軸向不定位。
主軸軸承采用油脂潤滑方式，迷宮式密封。
刀具自動夾緊裝置 數(shù)控銑床主軸組件由活塞、螺旋彈簧、拉桿、碟形彈簧和4個鋼球組成。
該機床采用錐柄刀具，刀柄的錐度為7∶24，它與主軸前端錐孔錐面定心。
夾緊時，油缸上腔接回油，下腔接壓力油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動，鋼球被迫進入刀柄尾部拉釘?shù)沫h(huán)形槽內(nèi)，將刀具的刀柄拉緊。
放松時，即需要換刀松開刀柄時，油缸上腔通入壓力油，下腔接回油，使活塞桿向下移動，推動拉桿也向下移動，直到鋼球被推至主軸孔徑較大處，便松開刀柄，將刀具連同刀柄從主軸孔中取出。
刀具的刀柄是靠碟形彈簧產(chǎn)生的拉緊力進行夾緊的，以防止在工作中突然停電時刀柄自行脫落。
在活塞桿上下移動的兩個極限位置上，安裝行程開關(guān)，用來發(fā)出刀柄夾緊和松開的信號。
在夾緊時，活塞桿下端的活塞桿端部與拉桿的上端面之間應留有一定的間隙，約為4mm，以防止主軸旋轉(zhuǎn)時引起端面摩擦。
自動吹凈裝置 主軸換刀時，需自動清除主軸裝刀錐孔內(nèi)的切屑或灰塵，以便保護主軸錐孔和刀柄表面，確保刀具定位安裝精度。
因此，該機床采用壓縮空氣自動吹凈裝置。
當?shù)侗鷱闹鬏S錐孔拔出后，壓縮空氣通過活塞桿上端噴嘴經(jīng)活塞和拉桿的中心孔，自動吹凈主軸錐孔。
(二)XKA714B/F立式數(shù)控銑床液壓系統(tǒng)控制原理
液壓站油箱位于機床的后側(cè)，油箱容積為40L。
當油面低于油標顯示位置時要及時添加;液壓油使用2000h后，要進行更換。
液壓控制板裝在液壓站油箱上面，由一個1.1kW的電機驅(qū)動液壓泵完成液壓系統(tǒng)的供油和主軸箱的潤滑，液壓系統(tǒng)的調(diào)定壓力為3.5MPa。
液壓系統(tǒng)控制三個二位四通的電磁閥，電磁閥YV1控制主軸箱潤滑油路，電磁閥YV1、YV2控制主傳動系統(tǒng)中的液壓變速機構(gòu)(通電為高擋)，電磁閥YV1、YV3控制拉刀機構(gòu)。
松刀時，電磁閥YV1、YV3同時通電，閥芯切換油路，液壓油進入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞桿向下動作，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，松刀完成。
拉刀時，電磁閥YV1吸合、YV3斷開閥芯切換油路，液壓油進入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞桿向上動作，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，拉刀完成。
需要變速時，電磁閥YV1通電，電磁閥YV2則按高低擋要求通或斷;變速完畢或裝刀完畢電磁閥YV1即斷。
液壓系統(tǒng)還負責潤滑主軸箱內(nèi)的齒輪及軸承。
主軸箱內(nèi)的潤滑油通過主軸箱背面的回油管流回油箱。
如發(fā)現(xiàn)主軸箱下柔性擋板防護罩處有漏油現(xiàn)象，應立即停止使用并檢查主軸箱潤滑回油管路是否通暢，嚴禁在主軸潤滑回油系統(tǒng)不暢的情況下使用機床。
液壓油管均是通過拖鏈裝置到達主軸箱。
當系統(tǒng)發(fā)出油路堵塞報警時，應對液壓箱的濾油器及時清理。
(三)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀電氣系統(tǒng)控制原理
只要控制電磁閥YV1、YV3就可以實現(xiàn)拉刀、松刀的動作，但是，電磁閥怎么跟PMC聯(lián)系呢?這需要通過PMC對電磁閥進行控制。
一般而言，實現(xiàn)拉刀、松刀的動作需要用到的PMC輸入接口有松緊刀允許、緊刀、拉刀;輸出接口有刀具松/緊、液壓油路開關(guān)、松緊刀允許指示燈、松刀指示燈、緊刀指示燈，每個接口都用相應的地址位來表示。
通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸入地址電氣圖可以查出，松緊刀允許按鈕的輸入地址位是X33.4，緊刀按鈕的輸入地址位是X34.0，松刀按鈕的輸入地址位是X34.1;通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床PMC輸出地址電氣圖可以查出，刀具松/緊的輸出地址位是Y2.1，液壓油路開關(guān)的輸出地址位是Y2.2;通過XKA714B/F立式數(shù)控銑床主面板輸出地址電氣圖可以查出，松緊刀允許指示燈的輸出地址位是Y33.4，緊刀指示燈的輸出地址位是Y34.0，松刀指示燈的輸出地址位是Y34.1。
那么，松緊刀允許按鈕的地址位X33.4、緊刀按鈕的地址位X34.0、松刀按鈕的地址位X34.1和控制拉刀以及松刀的輸出地址位Y2.1.Y2.2有什么關(guān)系呢?當同時按下“松緊刀允許”和“松刀”按鈕后，輸入信號經(jīng)地址位X33.4和X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1來控制拉刀或松刀動作，具體控制過程查看XKA714B/F立式數(shù)控銑床松刀按鈕控制梯形圖，可以看出，當觸點X33.4和X34.1接通時，松緊刀允許指示燈Y33.4和松刀指示燈Y34.1亮，線圈Y2.1工作，繼電器KA10和KA11指示燈亮，松刀完成。
也就是說通過Y2.1來控制電磁閥，由于電磁閥所需要的驅(qū)動電流比較大，而PMC的輸出接口驅(qū)動能力比較小，所以先由Y2.1控制繼電器KA10，然后再由繼電器KA10來控制電磁閥YV3的動作;同理，由Y2.2控制繼電器KA11，然后再由繼電器KA11來控制電磁閥YV1的動作。
(四)XKA714B/F立式數(shù)控銑床主軸松、拉刀動作控制過程
動作控制過程包括松刀動作控制過程和拉刀控制過程。
松刀控制過程 從圖1可以看出，當按下松刀按鈕后，輸入信號經(jīng)地址位X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10和KA11吸合，使得電磁閥YV1和YV3得電，閥芯切換油路，液壓油進入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞桿向下移動，推動拉桿也向下移動，壓縮碟形彈簧，拉刀爪松開，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，松刀完成。
拉刀控制過程 從圖2所示拉刀動作電氣控制流程圖可以看出，當按下拉刀按鈕后，輸入信號經(jīng)地址位X34.0傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10斷開和KA11吸合，使得電磁閥YV1得電吸合、YV3斷開，閥芯切換油路，液壓油進入油缸下腔，油缸上腔接回油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動，拉刀爪拉緊，油缸頂部行程限位開關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，繼電器KA11斷電，電磁閥YV1斷電，液壓油轉(zhuǎn)向潤滑油路，拉刀完成。
XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀常見故障點分析
數(shù)控銑床拉刀故障應綜合考慮電氣故障、機械故障和液壓故障。
(一)電氣回路故障分析點
電氣回路故障分析點主要有：(1)松、拉刀按鈕開關(guān);(2)拉刀活塞桿行程限位開關(guān);(3)PMC控制器;(4)繼電器及線路;(5)電磁閥及線路等。
在這些故障分析點中，松、拉刀按鈕開關(guān)、繼電器由于頻繁使用，容易疲勞損壞;PMC控制器屬于技術(shù)成熟的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，在弱電環(huán)境下工作，一般不易損壞。
(二)機械及液壓回路故障分析點
機械及液壓回路故障分析點主要有：(1)主軸拉刀機構(gòu);(2)活塞油缸;(3)油管;(4)電磁閥;(5)單向閥;(6)溢流閥;(7)液壓泵;(8)壓力表;(9)碟形彈簧等。
在這些故障分析點中，主軸拉刀機構(gòu)中的活塞桿、拉刀爪、拉桿以及電磁閥、碟形彈簧等，由于頻繁動作，容易疲勞損壞;油管易老化漏油。
XKA714B/F立式數(shù)控銑床拉刀故障診斷與維修
主軸松、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環(huán)節(jié)的失效都會引起機床拉刀動作故障，因為按鈕開關(guān)、繼電器、電磁閥的通斷狀態(tài)可以通過PMC診斷地址及發(fā)光二極管等狀態(tài)指示燈來快速判斷，直觀、快捷，故先從電氣回路開始檢查(液壓泵及壓力表也可直觀檢查)，然后再對機械及液壓回路進行檢查。
從圖3所示XKA714B/F數(shù)控銑床拉刀故障綜合診斷流程圖可知，故障診斷與維修步驟如下：
第一步，維修準備。
準備好XKA714B/F立式數(shù)控銑床對應的系統(tǒng)操作說明書、機床生產(chǎn)廠家提供的機械說明書、電氣說明書、維修手冊和維修記錄等，同時準備好機床維修的常用必備工具。
第二步，現(xiàn)場勘察。
首先察看一下XKA714B/F數(shù)控銑床的具體故障現(xiàn)象。
然后查看報警信息，鎖定故障范圍，機床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。
最后，查閱發(fā)生故障銑床的機械及電氣說明書，了解松/拉刀按鈕開關(guān)地址位、PMC刀具松緊輸出地址位、松緊刀電磁閥控制和液壓系統(tǒng)原理圖。
第三步，懸掛“維修中，請勿靠近”警示牌，在機床手動狀態(tài)下，主軸停轉(zhuǎn)，按下“緊刀”按鈕，檢查PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)變化。
如果沒有變化，檢查“緊刀”按鈕開關(guān)及其至PMC的線路。
若開關(guān)損壞，則更換開關(guān);電路斷路，則維修電路。
第四步，如果第一步不存在問題，即PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)有變化(由0變?yōu)?)，則檢查PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)變化。
若狀態(tài)沒有變化，根據(jù)梯形圖判斷哪些條件不滿足，針對不滿足條件，相應調(diào)整機床操作方式。
第五步，如果第四步不存在問題，即PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態(tài)有變化(由0變?yōu)?)，繼電器KA10和KA11應依次由通到斷。
若KA11和KA10其中有未斷開現(xiàn)象，則檢查PMC至KA10線圈的線路(因為松刀動作正常，故可以判斷KA11和YV1都是正常的)，如果線路短路則檢修線路。
第六步，如果第五步不存在問題，即KA11和KA10正常斷開，電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開，線圈插頭指示燈由亮轉(zhuǎn)滅。
若電磁閥未由吸合轉(zhuǎn)為斷開，檢查KA10觸點及YV3線圈至 KA10觸點的控制線路，如果觸點損壞，則更換繼電器;如果線路短路，則檢修線路。
第七步，如果第六步不存在問題，即電磁閥YV3由吸合轉(zhuǎn)為斷開，說明YV1和YV3線圈正常，則檢查YV3閥芯是否正常動作、能否切換油路。
若YV3閥芯動作不正常，應先檢查活塞缸下腔油管有無波動，在機床斷電情況下，拆開油管接頭，查看油管是否通油，如果不通油，則疏通或更換油管;然后用內(nèi)六角扳手插入閥芯孔，感知閥芯移動距離，如果距離小于正常移動距離，則說明閥芯被堵塞或復位彈簧彈力不足，可用新閥替換或拆閥進行檢修。
第八步，如果第七步不存在問題，即YV3閥芯正常動作，可正常切換油路，則檢查油缸及活塞桿是否正常。
如果不正常，油缸進出油口及活塞桿被堵塞，則拆開檢修。
第九步，如果以上各步檢查均正常，則診斷維修結(jié)束。
總之，針對這類故障，不管是主軸拉不緊刀，還是主軸松不下刀，只要掌握了控制回路的電氣、機械及液壓原理，依據(jù)故障現(xiàn)象，逐一分析控制回路的各個環(huán)節(jié)，由簡到繁，就不難找出故障點并排除故障。
數(shù)控機床是一種自動化程度高、機械結(jié)構(gòu)較復雜的加工設備，要充分發(fā)揮機床的高效益，就必須正確操作使用和精心維護，這樣可防止設備產(chǎn)生非正常性磨損，保持其良好的技術(shù)性能狀態(tài)，延緩劣化進程，保證生產(chǎn)安全運行。
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