加工中心主轴典型故障诊断分析及解决方案

关进良，杨春月，韩红亮，宁博

首都航天机械有限公司 北京 100076

1 序言

加工中心主轴是机床最重要的机械部件之一，一般情况下，在机床所有的控制轴中，其消耗的功率最大，在切削工件时承受的负载较大，相对来讲，对主轴的各项精度要求也比较高，且能够输出不同的转速（每分钟几千转甚至一万转以上）和转矩，以满足不同加工工艺的要求。可见主轴能否正常运转直接制约着机床的整体运行，有必要针对加工中心主轴故障的诊断方法进行深入分析和探讨。本文正是在这样的背景下，并根据实际工作中的具体案例和经验，在研究典型故障的基础上，总结提炼出行之有效的解决方案。

2 加工中心主轴故障的特点

加工中心一般指有刀库和自动换刀系统的数控铣床。除了数控铣床主轴本身的故障外，加工中心主轴故障还包括与换刀有关的故障（换刀过程中有些步骤需要主轴参与），故障难度较大，要求维修技术人员的知识面广，通常涉及到机械、电气、液压和气动等专业知识，有时还要求在维修主轴时（或修好后）与刀库、气缸（或液压缸）等部件联合调试。大量的实际工作记录表明，加工中心主轴故障占机床总故障数的近一半，其中，与自动换刀相关的故障占比为60%～70%。

3 加工中心主轴典型故障诊断分析及解决方案

3.1 加工中心主轴异响故障

（1）故障现象 VMC750加工中心在加工工件时，主轴出现异响，负载较正常情况下有所增大，加工的工件表面质量较差。

（2）故障分析和解决方案 一般情况下，引发上述故障的原因可能是主轴本身、主轴电动机或主轴伺服模块及相关电缆等，秉着“先机械后电气、先简单后复杂”的原则，采用机电分离法[1]，将主轴与电动机脱开，手盘主轴旋转能够感觉到有“死点”存在，再单独试运行主轴电动机，电气部分基本正常。通过以上分析，基本可以把故障定位在主轴轴承上。更换轴承后重新装好主轴，故障排除，机床恢复正常。

需要注意：在拆解主轴、更换轴承时，记录好原装轴承的装配形式，且主轴轴承要成套更换（即使其中只有一个轴承损坏，也要更换一套）。轴承预紧时，使用力矩扳手按要求进行预紧，切忌随意调整，如果预紧力过大将导致负载增加，严重者直接损坏轴承或主轴；如果预紧力过小将不能消除轴承游隙或轴承松动，同样不能正常运行。更换轴承、主轴装配完成后，应及时进行几何精度检测（检测方法可参考JB/T 8771.2—1998《加工中心检验条件 第 2 部分：立式加工中心 几何精度检验》），主要包括轴向窜动检测（见图1）、径向圆跳动检测（见图2）及主轴试运行（转速从低到高分别测试），以上检测都正常后才能投入使用。

图1 轴向窜动检测方法示意

图2 径向圆跳动检测方法示意

该故障解决方案的切入点是“机电分离法”的应用，即把复杂的问题简单化，同时也排除了一些不确定的故障因素。该案例的重点是轴承更换及其注意事项，并做好各项精度检测，不可操之过急，以免功亏一篑。

3.2 加工中心主轴不转故障

（1）故障现象 某龙门式加工中心在执行机械手自动换刀时，由于主轴不转而导致换刀失败，且在MDI/AUTO状态下均不能正常旋转，也无任何报警或提示。

（2）故障分析和解决方案 设备故障一般可分为硬件故障、软故障（参数、PLC等方面）或者机械、电气故障。此设备主轴不转的可能原因较多，首先进行机床的数据备份恢复，故障依旧，基本排除了软故障，硬件故障的可能性较大。然后去掉主轴使能，手转主轴可以正常旋转，无机械卡死等异常情况，加上使能后主轴停止。主轴和电动机脱开后，执行主轴正/反转指令后，主轴电动机也不转。从故障现象分析，考虑到该故障是在自动换刀过程中出现的，换刀流程（见图3）中任何一步没有完成（有相应检测信号），都会影响到其他步骤，于是重点检查了“主轴紧刀完成”这一步。现场排查后发现主轴松紧刀的实际机械动作正常，主轴紧刀到位对应的传感器信号输入点是I35.5，利用PLC诊断功能，发现I35.5的状态为0（正常为1），经进一步检查发现该传感器电缆线断裂，重新接好后故障彻底排除，即主轴不旋转的根本原因是紧刀到位信号异常。

图3 自动换刀流程示意

另外，为了提高后续类似故障维修效率，增加报警功能，即当主轴松刀或紧刀到位后，在3s内PLC应接收到“到位”反馈信号，否则将出现报警提示。排除此故障的关键是要考虑自动换刀流程，再结合流程图分析后准确定位故障点，这也是加工中心主轴故障的特点，往往和换刀系统有一定的“关联”。在排除复杂故障时，要充分运用机床自带的诊断功能，有条件的还可利用计算机或辅助软件等快速判断故障点，起到事半功倍的作用，可大大提高故障诊断效率。

3.3 加工中心主轴定向异常故障

（1）故障现象 某立式加工中心采用串行主轴，在自动换刀时，主轴定向不准确，导致机械手无法正常抓取主轴上的刀具，甚至出现碰撞主轴。

（2）故障分析和解决方案 主轴定向又称主轴准停，是要求主轴在360°范围内，根据要求停止在某一固定点，是加工中心必备的功能之一，主轴定向的电气原理如图4所示。

图4 主轴定向电气原理

经观察换刀动作，可明显发现在执行自动换刀机械手抓刀动作时，机械手上的键块不能插入刀柄上的键槽中，即主轴的定向角度不准确，这也是引发故障的根本原因。调试此类故障，工作中一般采用修改参数法，该机床采用FANUC 0iD数控系统，如果定向角度误差很小，可通过修改参数4077（伺服主轴定向停止的位置偏移量）来微调主轴定向的角度，使主轴上的键块对齐机械手上的键块，现场调试情况如图5所示；反之，如果定向角度误差较大，可按照以下步骤调试[2]。

图5 主轴定向现场调试

1）参数3117#1由0改为1，把主轴位置编码器脉冲数作为主轴位置数据显示在诊断画面中的No.445中。

2）参数4077设为0。

3）执行主轴定向指令。

4）检查并确认诊断No.445显示值为0。

5）取消主轴定向。

6）手动旋转主轴至所需位置，并记录诊断No.445显示值，再把此值填入到参数4077中。

7）重复步骤3），检验主轴定向是否精确，确定是否再次进行调试。

主轴定向问题不仅关乎着机床操作，还直接涉及到设备安全甚至人员安全，务必要求按照一定的速度准确进行定向。主轴定向故障，除定向不准确外，还包括没有定向动作（可检查地址信号G70.6或者参数8135#4）、定向速度不合适（可检查参数4038）以及主轴长时间找不到定向位置（可检查参数4002#3，2，1，0是否设置正确）等故障类型[3]，这就要求具体问题具体分析，在硬件完好的前提下，可参考数控系统的有关说明书进行调试。

4 结束语

在对加工中心及主轴有一定认知的基础上，当主轴故障出现时，故障诊断的一般思路如下。

1）结合故障现象或报警内容，充分询问机床操作人员，注重关键细节，可能某一细节就是故障诊断的突破口，为后续故障诊断做好铺垫。

2）在以上基础上，根据工作经验与主轴故障特点，大致判断出故障类型和故障范围，并适当运用一些典型的故障诊断方法（如机电分离法、PLC在线诊断法、比较法等）或借助相关软件、数据，基本定位故障点，排除故障。

3）在有条件的情况下，设计并实施预防改进措施，大大降低同类故障复现的概率。

4）定期总结、查阅维修经验（尤其是对于初学者，这一点至关重要），在此基础上力争做到举一反三，不断提高故障技术人员的综合诊断能力。