一、提出问题
我公司在2002年左右先后购进2台美国HAAS公司生产的VF3立式加工中心。加工中心简称CNC，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件的高效率自动化机床。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，能对工件一次装夹后连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，对加工形状复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效益。该机床配置哈斯数控系统，X，Y，Z轴具备3轴联动功能。其使用多年来，其中主轴的一些故障具有代表性，现将这些故障进行分析、整理和总结。
二、分析、解决问题
1、加工中心主轴准停控制故障
准停（定位）控制即数控系统接收到主轴定向指令时，主轴自动按规定的方向和速度旋转，当检测到主轴一转信号后，主轴旋转一个固定的角度准确停止。其故障主要表现为机床经过长时间运行或主轴被碰撞之后，当执行主轴定位功能M19时主轴定位角度偏移，导致在自动换刀过程中机械手抓取主轴刀柄时出现左右错位而换刀失败的现象。
我们在检修的过程中，首先可以试着调整主轴定位角度，通过修改参数257#来实现（首先按下急停按钮，然后按SETING GRAPH，接着修改7#参数PARAMETER LOCK，打开写保护，然后找到257#参数SPINGDL ORIENT OFSET，调整其数值），257#参数SPINGDL ORIENT OFSET的意思是主轴定位偏置值。如果修改之后主轴定位准确、稳定且换刀正常，那么说明是由于长时间的加工出现的偶尔偏移。若换几次刀以后主轴定位角度又出现偏移，我们可以在MDI模式下执行主轴转动程序，仔细观察主轴速度设定值与实际转速的反馈值。正常情况下，速度设定值与实际的转速反馈值相差无几，若设定速度为1000r/min，反馈转速多为998 r/min到1002r/min。如果相差大，建议首先检查与机床主轴编码器相关的参数。如果参数无误，则需要打开主轴护罩，检查以下项目：①、连接主轴电机与主轴的同步带是否磨损、打滑；②、连接主轴和编码器的同步带是否磨损、打滑；③、主轴位置编码器是否损坏；④、编码器轮与主电机的钢轮有无磨损；⑤、定位键是否紧固。在实际的修理中，我们经常遇到的情况是皮带松紧度不合适，编码器轮上的牙型齿磨损成光面，同步带上的牙型齿磨损接近平面等。
检修完成后需再次调整257#参数，通过调整其值使主轴定位后换刀机械手转过来能够正好抓住刀柄，即机械手的圆弧部位定位块正好嵌入到刀柄的凹处，且两边的间距相等，如果不相等的话则需要再次调整参数使之正好相等为好。接着试验M19定位功能，定位要求准确无偏移，然后试着执行换刀，主轴刀具很顺利的交换到刀库，无异常的碰撞声。
2、加工中心换刀点高度变化的故障
换刀点高度，实际上是机床Z轴的一个坐标值。当机床遇到意外碰撞或修改某些参数后，有时会导致机床主轴出现下移或上升的故障，上下偏移的主轴刀柄环形槽无法与机械手有效配合，表现为换刀困难或加工的产品尺寸发生变化。
在检修中遇到此类故障就需要调整主轴换刀点参数64#Z TOOL CHANGE OFFSET，即Z轴换刀偏置值。查33#参数，Z RATIO为138718，这个意思是说1英寸的调整量为138718，。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在主轴上安装一把刀，执行自动换刀，当Z轴到达换刀点高度时马上压下急停按钮，然后将换刀机械手手动旋转到主轴附近靠近刀具，观察机械手是否与刀柄环形槽吻合，若吻合即说明参数调整真确，如有偏差还需要继续用上述方法调整参数直到完全吻合时才可以执行自动换刀，否则会使机械手与刀具发生碰撞、挤压导致机械手（刀库）或刀具损坏。
3、加工中心主轴刀具夹紧故障
生产车间的操作人员反映说机床加工质量下降，表现为刀纹变粗，光洁度、平面度出现不同程度下降，使用新刀具也是如此。我们停机检查，在主轴上安装检验棒，用百分表打主轴近端部跳动与远端跳动，均不合格；当用手来回扳动检验棒时跳动更大，这说明刀具夹紧存在问题。
刀具夹紧、松开功能由松拉刀气缸和蝶形弹簧配合执行，松刀时由气缸压下主轴内的蝶形弹簧使拉杆上的钢珠缩回刀具松开，拉刀时气缸抬起蝶形弹簧带动拉杆拉紧刀具。拉杆上的蝶形弹簧一般为 81片左右（对于VF3），采用面对面、背靠背组装而成，这些碟形弹簧使用多年后会疲劳断裂或失去弹性，一旦断裂数量多了或弹性下降就会影响到拉紧刀具，造成主轴刀具松动，轻则影响加工质量，重则损坏主轴锥孔，在这种情况下就必须更换蝶形弹簧了。从主轴内拆下拉杆，购买和原蝶形弹簧性能接近、尺寸完全相同的备件，安装时注意弹簧的正反，严格按照原来的规律组装否则会影响到拉杆行程与拉紧力。更换后以后再用检验棒打百分表，主轴近端部跳动与远端跳动，均合格，试切工件刀纹变细、光洁度变好，满足了产品的工艺要求。
4、加工中心主轴头下滑故障
主轴头下滑故障，即在机床压下急停开关或断电后主轴整体自动往下滑若干距离，给设备及人身带来一定的安全隐患。
检查过程中，控制主轴头移动的Z轴伺服电机抱闸正常，Z轴丝杠、导轨润滑良好未见异常。在排除了不是上述原因后，初步判断是给主轴起配重作用的液压平衡油缸或氮气缸出现问题。主要原因是主轴后面与液压平衡油缸连通的氮气缸长时间使用慢慢漏气导致氮气压力下降造成的。按常规处理办法就是先往氮气缸内充氮气，使其压力达到厂家规定的75.9Kg/cm2（1150PSI）。于是找到压力较高的氮气瓶往机床侧部的氮气缸内充氮气，但这次充气后只使用了几天，就又出现下滑情况，继续充氮气仍然有下降现象。进一步检查，发现液压平衡缸外面渗出很多油，这在以前是没有出现过的。原来氮气压力不能保持就是因为这儿漏油所致。于是一方面联系经销商购买新的平衡油缸，一方面每天给氮气缸内充氮气维持生产。几天后新液压平衡油缸到货，于是加紧拆装进行更换，期间需要注意的是拆之前要卸了主轴刀具，将工作台开到机床中央，缓慢下降主轴，使主轴轻轻接触在工作台上的结实支撑物上方，防止主轴下滑受到碰撞，然后关机进行修理。更换后往液压平衡油缸内加油时可用平衡缸自有的活塞将液压油DAT25#吸进去一部分，连接好液压缸和氮气缸，然后用设备专用充气管往氮气缸内充气使压力达到75.9Kg/cm2（1100PSI），之后开机试车，先执行Z轴回零，取走支撑物，再执行其它轴回零，然后压下急停开关主轴头不再下滑，使用一段时间后，设备主轴头再没有出现下滑现象，说明更换起到了效果，解决了设备故障，保证了人事及设备安全。
三、总结
通过以上对数控设备主轴相关故障案例的分析，我们在处理数控加工中心故障前，先要弄清楚故障发生前的设备运行状态，有无异响、异味，是否有操作不当等原因，还需考虑到环境的影响，包括温度、湿度、烟尘等；同时要了解设备结构，控制原理，再根据报警内容，借助设备系统自带的帮助功能，快速查找故障点。通过以上几点可以对故障的产生有较全面的分析，从而制定有效的故障处理方案，保证设备的正常运转。
论文作者:强顺义,李林峰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/20
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