數控銑床拉刀故障的診斷與維修論文
數控銑床拉刀故障的診斷與維修論文
摘要：拉刀故障是數控銑床的常見(jiàn)故障之一，主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節的失效都會(huì )引起機床拉刀動(dòng)作故障。
本文從企業(yè)維修案例著(zhù)手，介紹了XKA714B/F數控銑床主軸結構和控制原理，分析了常見(jiàn)的故障點(diǎn)，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(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：數控銑床;拉刀故障;診斷與維修;流程圖
在企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，XKA714B/F立式數控銑床主軸會(huì )出現如下故障現象：操作工人在進(jìn)行手動(dòng)換刀操作時(shí)，刀具可以拿下，但裝上刀后，按“主軸拉刀”按鈕，拉刀動(dòng)作明顯比平常慢，重復一次松、拉刀過(guò)程，拉刀時(shí)間變得更長(cháng)，再重復幾次后，拉刀動(dòng)作幾乎沒(méi)有了。
機床狀態(tài)提示：處于松刀狀態(tài)。
拉刀故障是數控銑床的常見(jiàn)故障之一。
主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節的失效都會(huì )引起機床拉刀動(dòng)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構組成及松、拉刀動(dòng)作的原理及過(guò)程，然后熟悉常見(jiàn)的故障點(diǎn)，掌握故障診斷思路及流程，最后維修排除故障。
主軸結構和控制原理
數控銑床一般可分為立式銑床、臥式銑床和立臥兩用數控銑床三種。
本維修案例使用的是XKA714B/F立式數控銑床，它由床身、立柱、主軸箱、工作臺、液壓系統、伺服裝置、數控系統等組成。
床身用于支撐和連接機床各部件，主軸箱用于安裝主軸，主軸內裝有拉刀機構，拉刀機構采用液壓裝置及碟形彈簧來(lái)完成拉刀、松刀動(dòng)作。
主軸下端的錐孔用于安裝銑刀。
當主軸箱內的主軸電機驅動(dòng)主軸旋轉時(shí)，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(dòng)，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(dòng)，滑鞍可沿床身上的導軌在Y向移動(dòng)，從而實(shí)現工件在X和Y向的移動(dòng)。
無(wú)論是X、Y向，還是Z向的移動(dòng)都是靠伺服電機驅動(dòng)滾珠絲杠來(lái)實(shí)現。
伺服裝置用于驅動(dòng)伺服電機，主傳動(dòng)系統由5.5kW的變頻電機驅動(dòng)，電機安裝在主軸箱的頂面，經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)，可以實(shí)現無(wú)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立式數控銑床主軸部件的機械結構
主軸部件主要由刀具自動(dòng)夾緊裝置、自動(dòng)吹凈等裝置組成。
為了適應主軸轉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(gè)向心推力球軸承，背靠背安裝，前面兩個(gè)支承大口朝向主軸前端，后一個(gè)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(gè)方向的軸向載荷。
(2)后支承是兩個(gè)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(dòng)夾緊裝置 數控銑床主軸組件由活塞、螺旋彈簧、拉桿、碟形彈簧和4個(gè)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(shí)，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(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，鋼球被迫進(jìn)入刀柄尾部拉釘的環(huán)形槽內，將刀具的刀柄拉緊。
放松時(shí)，即需要換刀松開(kāi)刀柄時(shí)，油缸上腔通入壓力油，下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，直到鋼球被推至主軸孔徑較大處，便松開(kāi)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(jìn)行夾緊的，以防止在工作中突然停電時(shí)刀柄自行脫落。
在活塞桿上下移動(dòng)的兩個(gè)極限位置上，安裝行程開(kāi)關(guān)，用來(lái)發(fā)出刀柄夾緊和松開(kāi)的信號。
在夾緊時(shí)，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，以防止主軸旋轉時(shí)引起端面摩擦。
自動(dòng)吹凈裝置 主軸換刀時(shí)，需自動(dòng)清除主軸裝刀錐孔內的切屑或灰塵，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(dòng)吹凈裝置。
當刀柄從主軸錐孔拔出后，壓縮空氣通過(guò)活塞桿上端噴嘴經(jīng)活塞和拉桿的中心孔，自動(dòng)吹凈主軸錐孔。
(二)XKA714B/F立式數控銑床液壓系統控制原理
液壓站油箱位于機床的后側，油箱容積為40L。
當油面低于油標顯示位置時(shí)要及時(shí)添加;液壓油使用2000h后，要進(jìn)行更換。
液壓控制板裝在液壓站油箱上面，由一個(gè)1.1kW的電機驅動(dòng)液壓泵完成液壓系統的供油和主軸箱的潤滑，液壓系統的調定壓力為3.5MPa。
液壓系統控制三個(gè)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(dòng)系統中的液壓變速機構(通電為高擋)，電磁閥YV1、YV3控制拉刀機構。
松刀時(shí)，電磁閥YV1、YV3同時(shí)通電，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞桿向下動(dòng)作，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，松刀完成。
拉刀時(shí)，電磁閥YV1吸合、YV3斷開(kāi)閥芯切換油路，液壓油進(jìn)入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞桿向上動(dòng)作，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，拉刀完成。
需要變速時(shí)，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。
液壓系統還負責潤滑主軸箱內的齒輪及軸承。
主軸箱內的潤滑油通過(guò)主軸箱背面的回油管流回油箱。
如發(fā)現主軸箱下柔性擋板防護罩處有漏油現象，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不暢的情況下使用機床。
液壓油管均是通過(guò)拖鏈裝置到達主軸箱。
當系統發(fā)出油路堵塞報警時(shí)，應對液壓箱的濾油器及時(shí)清理。
(三)XKA714B/F立式數控銑床主軸松、拉刀電氣系統控制原理
只要控制電磁閥YV1、YV3就可以實(shí)現拉刀、松刀的動(dòng)作，但是，電磁閥怎么跟PMC聯(lián)系呢?這需要通過(guò)PMC對電磁閥進(jìn)行控制。
一般而言，實(shí)現拉刀、松刀的動(dòng)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(kāi)關(guān)、松緊刀允許指示燈、松刀指示燈、緊刀指示燈，每個(gè)接口都用相應的地址位來(lái)表示。
通過(guò)XKA714B/F立式數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(guò)XKA714B/F立式數控銑床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(kāi)關(guān)的輸出地址位是Y2.2;通過(guò)XKA714B/F立式數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(shí)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(guò)輸出接口Y2.1來(lái)控制拉刀或松刀動(dòng)作，具體控制過(guò)程查看XKA714B/F立式數控銑床松刀按鈕控制梯形圖，可以看出，當觸點(diǎn)X33.4和X34.1接通時(shí)，松緊刀允許指示燈Y33.4和松刀指示燈Y34.1亮，線(xiàn)圈Y2.1工作，繼電器KA10和KA11指示燈亮，松刀完成。
也就是說(shuō)通過(guò)Y2.1來(lái)控制電磁閥，由于電磁閥所需要的驅動(dòng)電流比較大，而PMC的輸出接口驅動(dòng)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(lái)控制電磁閥YV3的動(dòng)作;同理，由Y2.2控制繼電器KA11，然后再由繼電器KA11來(lái)控制電磁閥YV1的動(dòng)作。
(四)XKA714B/F立式數控銑床主軸松、拉刀動(dòng)作控制過(guò)程
動(dòng)作控制過(guò)程包括松刀動(dòng)作控制過(guò)程和拉刀控制過(guò)程。
松刀控制過(guò)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(guò)輸出接口Y2.1和Y2.2來(lái)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(jìn)入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞桿向下移動(dòng)，推動(dòng)拉桿也向下移動(dòng)，壓縮碟形彈簧，拉刀爪松開(kāi)，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，松刀完成。
拉刀控制過(guò)程 從圖2所示拉刀動(dòng)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(guò)輸出接口Y2.1和Y2.2來(lái)控制繼電器KA10斷開(kāi)和KA11吸合，使得電磁閥YV1得電吸合、YV3斷開(kāi)，閥芯切換油路，液壓油進(jìn)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(dòng)，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動(dòng)，拉刀爪拉緊，油缸頂部行程限位開(kāi)關(guān)向PMC發(fā)出反饋信號，繼電器KA11斷電，電磁閥YV1斷電，液壓油轉向潤滑油路，拉刀完成。
XKA714B/F立式數控銑床拉刀常見(jiàn)故障點(diǎn)分析
數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(diǎn)
電氣回路故障分析點(diǎn)主要有：(1)松、拉刀按鈕開(kāi)關(guān);(2)拉刀活塞桿行程限位開(kāi)關(guān);(3)PMC控制器;(4)繼電器及線(xiàn)路;(5)電磁閥及線(xiàn)路等。
在這些故障分析點(diǎn)中，松、拉刀按鈕開(kāi)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)成熟的數控系統產(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(diǎn)
機械及液壓回路故障分析點(diǎn)主要有：(1)主軸拉刀機構;(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(diǎn)中，主軸拉刀機構中的活塞桿、拉刀爪、拉桿以及電磁閥、碟形彈簧等，由于頻繁動(dòng)作，容易疲勞損壞;油管易老化漏油。
XKA714B/F立式數控銑床拉刀故障診斷與維修
主軸松、拉刀動(dòng)作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個(gè)環(huán)節的失效都會(huì )引起機床拉刀動(dòng)作故障，因為按鈕開(kāi)關(guān)、繼電器、電磁閥的通斷狀態(tài)可以通過(guò)PMC診斷地址及發(fā)光二極管等狀態(tài)指示燈來(lái)快速判斷，直觀(guān)、快捷，故先從電氣回路開(kāi)始檢查(液壓泵及壓力表也可直觀(guān)檢查)，然后再對機械及液壓回路進(jìn)行檢查。
從圖3所示XKA714B/F數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立式數控銑床對應的系統操作說(shuō)明書(shū)、機床生產(chǎn)廠(chǎng)家提供的機械說(shuō)明書(shū)、電氣說(shuō)明書(shū)、維修手冊和維修記錄等，同時(shí)準備好機床維修的常用必備工具。
第二步，現場(chǎng)勘察。
首先察看一下XKA714B/F數控銑床的具體故障現象。
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(shuō)明書(shū)，了解松/拉刀按鈕開(kāi)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原理圖。
第三步，懸掛“維修中，請勿靠近”警示牌，在機床手動(dòng)狀態(tài)下，主軸停轉，按下“緊刀”按鈕，檢查PMC輸入地址X34.0的狀態(tài)變化。
如果沒(méi)有變化，檢查“緊刀”按鈕開(kāi)關(guān)及其至PMC的線(xiàn)路。
若開(kāi)關(guān)損壞，則更換開(kāi)關(guān);電路斷路，則維修電路。
第四步，如果第一步不存在問(wèn)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(méi)有變化，根據梯形圖判斷哪些條件不滿(mǎn)足，針對不滿(mǎn)足條件，相應調整機床操作方式。
第五步，如果第四步不存在問(wèn)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(kāi)現象，則檢查PMC至KA10線(xiàn)圈的線(xiàn)路(因為松刀動(dòng)作正常，故可以判斷KA11和YV1都是正常的)，如果線(xiàn)路短路則檢修線(xiàn)路。
第六步，如果第五步不存在問(wèn)題，即KA11和KA10正常斷開(kāi)，電磁閥YV3由吸合轉為斷開(kāi)，線(xiàn)圈插頭指示燈由亮轉滅。
若電磁閥未由吸合轉為斷開(kāi)，檢查KA10觸點(diǎn)及YV3線(xiàn)圈至 KA10觸點(diǎn)的控制線(xiàn)路，如果觸點(diǎn)損壞，則更換繼電器;如果線(xiàn)路短路，則檢修線(xiàn)路。
第七步，如果第六步不存在問(wèn)題，即電磁閥YV3由吸合轉為斷開(kāi)，說(shuō)明YV1和YV3線(xiàn)圈正常，則檢查YV3閥芯是否正常動(dòng)作、能否切換油路。
若YV3閥芯動(dòng)作不正常，應先檢查活塞缸下腔油管有無(wú)波動(dòng)，在機床斷電情況下，拆開(kāi)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;然后用內六角扳手插入閥芯孔，感知閥芯移動(dòng)距離，如果距離小于正常移動(dòng)距離，則說(shuō)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(jìn)行檢修。
第八步，如果第七步不存在問(wèn)題，即YV3閥芯正常動(dòng)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(jìn)出油口及活塞桿被堵塞，則拆開(kāi)檢修。
第九步，如果以上各步檢查均正常，則診斷維修結束。
總之，針對這類(lèi)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，依據故障現象，逐一分析控制回路的各個(gè)環(huán)節，由簡(jiǎn)到繁，就不難找出故障點(diǎn)并排除故障。
數控機床是一種自動(dòng)化程度高、機械結構較復雜的加工設備，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(jìn)程，保證生產(chǎn)安全運行。
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