淺析加工中心主軸和機械手典型故障原因分析及解決

一、加工中心主軸故障

1、加工中心主軸編碼器輸出軸斷故障的分析與排除

某公司主要生產(chǎn) 73.5 k W( 100 馬力) 以上輪式拖拉機，NC800 臥式加工中心承擔(dān)著半軸殼體的加工任務(wù)，近段時間，在機床使用過程中頻繁出現(xiàn)主軸報警的故障現(xiàn)象，即在主軸定向時發(fā)生主軸輪廓監(jiān)控報警。經(jīng)過快速檢查確認(rèn)，故障原因是主軸位置編碼器與主軸箱連接的輸出軸斷裂，導(dǎo)致不能檢測主軸轉(zhuǎn)速，出現(xiàn)報警。

當(dāng)時正值高產(chǎn)月，如果不盡快排除故障，將嚴(yán)重影響拖拉機的生產(chǎn)進度。經(jīng)查閱相關(guān)圖紙資料，該主軸編碼器輸出軸結(jié)構(gòu)以及斷裂部位如圖 1 所示( 圖中未注尺寸單位: mm) 。  

圖1 主軸編碼器輸出軸結(jié)構(gòu)及斷裂部位

針對該故障，正常的維修方法是: 整體拆卸主軸箱，分解傳動機構(gòu)，拆出輸出軸，測繪尺寸并加工備件，然后進行更換安裝。但此維修方法難度大，拆卸時間長。綜合主軸箱的拆卸、解體、安裝，再加上測繪、加工備件等，整體停機時間應(yīng)該在一周以上，費力費時，且對該公司生產(chǎn)任務(wù)的完成造成嚴(yán)重影響，需要想盡一切辦法盡快排除設(shè)備故障，保證正常生產(chǎn)。

經(jīng)過研究分析，根據(jù)編碼器輸出軸現(xiàn)場斷裂部位，以及現(xiàn)場空間大小，可以利用改進主軸箱位置編碼器輸出軸鎖母來解決該問題。這里存在的主要不確定因素是同軸度問題，因為編碼器軸跳動應(yīng)該小于0．10 mm。決定利用編碼器輸出軸末端外螺紋 M20×1.5 加工一根內(nèi)螺紋軸，原編碼器采用 2 個結(jié)合子，現(xiàn)改為一個結(jié)合子。

圖2 新設(shè)計的輸出軸鎖母( 圖中未注尺寸單位: mm)

圖2 是新設(shè)計的輸出軸鎖母。加工出來的過渡軸安裝后經(jīng)百分表驗證，跳動僅 0．05 mm，完全滿足編碼器的精度要求。經(jīng)尺寸測繪、加工、安裝，在多部門的快速協(xié)助下，該問題迅速得到了解決，僅用時 8 h 即恢復(fù)了正常生產(chǎn)。沒有拆解主軸箱，大大減少了設(shè)備停歇時間，為以后類似故障提供了一個好的解決思路。

  2、加工中心主軸拉刀機構(gòu)的故障分析與排除

DMC1035C 立式加工中心擔(dān)負(fù)著殼體類零件的主要加工任務(wù)。近段時間以來，設(shè)備開始出現(xiàn)主軸松緊刀嚴(yán)重異響的故障現(xiàn)象，導(dǎo)致緊刀信號不到位，換刀過程無法繼續(xù)進行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的順利進行。

此臺機床是德國進口設(shè)備，屬于電主軸結(jié)構(gòu)，沒有圖紙可以查閱主軸拉刀機構(gòu)的工作原理，在咨詢廠家服務(wù)人員后，他們?yōu)榱思夹g(shù)保密，直接告訴要更換整套拉刀機構(gòu)，而且價格昂貴，服務(wù)時間不定。在國產(chǎn)發(fā)動機更新?lián)Q代的背景下，為了不影響高產(chǎn)月的生產(chǎn)任務(wù)，為了消除主軸拉不緊刀的安全隱患，經(jīng)設(shè)備部門領(lǐng)導(dǎo)批準(zhǔn)，決定自己嘗試拆卸主軸，修復(fù)主軸松緊刀出現(xiàn)的嚴(yán)重異響故障。 

1) 拆卸外部防護罩( 見圖 3 ) 。手動方式下，多次試驗并觀察主軸的松緊刀過程，初步確定異響的發(fā)生部位。 

圖3 主軸外部防護罩的拆除

2) 在多次觀察主軸裝卸刀的過程中，發(fā)現(xiàn)主軸在松刀時會發(fā)出“嘭”的異響，而且響聲比較大。摘掉主軸上的刀具，檢查拉爪并沒有發(fā)現(xiàn)明顯磨損的情況，排除了拉爪與刀柄撞擊發(fā)出異響的可能( 見圖 4) 。 

圖4 主軸拉爪并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的撞擊痕跡

3) 一般主軸的拉刀機構(gòu)都可以通過調(diào)整缸體帶動拉刀桿的行程來滿足主軸松緊刀的程度，于是想通過調(diào)整拉刀行程來嘗試消除拉刀的異響故障，但是這樣就必須脫開主軸電機，由于此臺設(shè)備屬于電主軸結(jié)構(gòu)，所以需要拆出整個主軸才能觀察到內(nèi)部缸體與拉刀桿的結(jié)構(gòu)原理。

4) 拆出整個主軸后( 見圖 5) ，我們發(fā)現(xiàn)拉刀機構(gòu)的行程是由 2 個氣缸組成的增壓缸( 見圖 6) 來控制，而增壓缸末端有一個卡簧發(fā)生了明顯的位移與變形，分析后發(fā)現(xiàn)此卡簧正是起到增壓缸末端活塞的限位作用。由于卡簧限不住位，所以缸體的活塞在縮回時縮不到位，攏不住氣，即導(dǎo)致松刀時出現(xiàn)異響。

圖5 拆出主軸，脫出拉刀機構(gòu)

圖6 2個缸體組成的增壓缸

圖7 拆除損壞的卡簧與密封

5) 更換損壞的卡簧和密封( 見圖 7) 后，利用壓縮空氣接兩路氣管進行了松緊刀的試驗，沒有出現(xiàn)松刀異響的故障現(xiàn)象，于是重新安裝調(diào)試，解決了這一疑難故障。

經(jīng)過 2 個月的修復(fù)，完成了從拆卸拉刀機構(gòu)、清理臟灰，到分析問題、掌握其工作原理、更換備件?一系列維修工作( 見圖 8) ，有效地解決了換刀故障頻繁發(fā)生的問題，提高了設(shè)備使用效率，生產(chǎn)效率大大提高。 

圖8 故障排除后設(shè)備運行正常

3、加工中心鏜孔圓度誤差的故障分析與排除

該公司加工中心種類繁多，加工工藝復(fù)雜多變。加工中心在加工傳動箱殼體類零件的鏜孔時圓度誤差不穩(wěn)定，有時超差達(dá)到 0． 05 mm 左右，X 軸相對于工作臺回轉(zhuǎn)中心機械原點的位置也極不穩(wěn)定，反映到箱體的加工精度很難保證，嚴(yán)重影響了傳動箱殼體類零件的加工精度，直接影響了產(chǎn)品質(zhì)量的提升。為了提升產(chǎn)品質(zhì)量，解決鏜孔圓度誤差及確保 X 軸零點穩(wěn)定就顯得尤為重要。

1) 針對各機床的不同情況，制定合理的解決方案。例如: Ｒ1200－U 加工中心在加工過程中出現(xiàn)鏜孔橢圓現(xiàn)象，是拉刀不緊導(dǎo)致; Storm1400 加工中心的鏜孔橢圓現(xiàn)象是主軸軸承磨損導(dǎo)致; HPC800 加工中心鏜孔圓度誤差及 X 軸零點不穩(wěn)是絲杠與軸承之間的傳動間隙過大導(dǎo)致。

2) 首先檢查各機床的主軸跳動，檢查主軸拉刀機構(gòu)，必要時更換，保證拉刀可靠。例如: Ｒ1200－U加工中心更換拉刀桿與碟簧后，有效地降低了圓度誤差。

3) 檢查主軸軸承是否因磨損導(dǎo)致軸承預(yù)緊不夠而影響主軸跳動。如果發(fā)現(xiàn)軸承磨損，則更換主軸軸承，例如: Storm1400 加工中心在更換主軸軸承后明顯改善了加工過程中的鏜孔橢圓問題。

4) 臨末檢查 X 軸絲杠及軸承間隙。如果間隙調(diào)整未果時就要更換軸承及絲杠，從而徹底消除傳動間隙。例如: HPC800 加工中心鏜孔圓度誤差及 X軸零點不穩(wěn)就是絲杠與軸承的傳動間隙過大導(dǎo)致的。在更換 X 軸軸承與絲杠之后，調(diào)整 X 軸平衡，檢驗 X 軸零點，有效地控制了鏜孔圓度誤差及 X 軸零點不穩(wěn)這一現(xiàn)象的發(fā)生。

二、加工中心機械手故障的分析與排除

HP1250 銥鎦數(shù)控鏜銑床擔(dān)負(fù)著箱體類零件主要的加工任務(wù)。2019 年 3 月以來，該設(shè)備開始頻繁出現(xiàn)機械手換刀故障，導(dǎo)致?lián)Q刀過程無法繼續(xù)進行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的順利進行。此機床起初只是普通數(shù)控鏜銑床，后來為滿足加工需求，配套了刀庫系統(tǒng)，使之成為同加工中心一樣的數(shù)控設(shè)備。由于長期使用，并且機床本體在與刀庫系統(tǒng)的配合上存在不足，此臺機床在機械手換刀時，經(jīng)常會出現(xiàn)機械手旋轉(zhuǎn)、伸縮和歸刀時的一系列故障問題，而且故障頻發(fā)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)。

1) 觀察機械手換刀過程，分析機械手在換刀過程中的伸縮、旋轉(zhuǎn)、滑移和歸刀等換刀分段動作，初步確定造成換刀故障的原因。

2) 在多次換刀觀察后發(fā)現(xiàn)機械手在旋轉(zhuǎn)時總會出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)無力的現(xiàn)象，旋轉(zhuǎn)過程中有死點存在，輕敲才會進行接下來的換刀動作，排除了液壓馬達(dá)的問題。在緊固連接處的油管接頭、改良密封、拆掉機械手、清理缸套內(nèi)壁、更換掉旋轉(zhuǎn)的兩套軸承( ＲST010)后，這一現(xiàn)象得到了明顯好轉(zhuǎn)。圖 9 為機械手旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，圖 10 為清理機械手內(nèi)壁并更換軸承。

圖9 機械手旋轉(zhuǎn)馬達(dá)

圖10 清理機械手內(nèi)壁并更換軸承

3) 此外，該設(shè)備的機械手在歸刀過程中，總會出現(xiàn)歸不進刀的情況，容易造成掉刀。在多次觀察后發(fā)現(xiàn)歸刀位置存在偏差。由于該機床刀庫系統(tǒng)屬于改造后的系統(tǒng)，無法通過參數(shù)調(diào)整刀庫機械手換刀位置的高低，所以只能通過機械調(diào)整。

4) 該機械手的換刀位置高低可以通過調(diào)整機械手轉(zhuǎn)軸兩端的鎖母( 見圖 11) 來控制。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)機床原有的鎖母無鎖緊功能，長時間使用會造成軸向的輕微移動，故過段時間就出現(xiàn)歸刀故障。

圖11 旋轉(zhuǎn)軸鎖母

5) 為了徹底解決歸刀故障，決定改進原有鎖母，更換為本身帶有自鎖功能的鎖母，以達(dá)到限位要求。經(jīng)過2 個月左右的徹底修復(fù)，完成了從機械手旋轉(zhuǎn)油缸螺釘?shù)木o固、油管接頭的密封及緊固，到機械手伸縮軸承的更換及其缸套內(nèi)壁的清理等一系列工作，有效地解決了機械手故障頻繁發(fā)生的問題。

三 、結(jié)語  

加工中心主軸是加工中心的核心部件，機械手在加工中心是執(zhí)行部位。通過日常檢查及時發(fā)現(xiàn)并處理加工中心常見的機械故障，減少加工中心的故障停機次數(shù)和維修時間，保證加工中心的日常運轉(zhuǎn)，延長加工中心的使用壽命，為企業(yè)生產(chǎn)節(jié)省成本。

結(jié)合日常維修中的典型實例對加工中心主軸和機械手的故障進行分析與總結(jié)，及時有效地排除故障，提高了主軸的可靠性和機械手的穩(wěn)定性，縮短了加工中心停機時間，為拖拉機生產(chǎn)保駕護航! 同時也為后期維修提供了寶貴的經(jīng)驗。

文章來源：OK智能制造

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