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淺析加工中心主軸和機(jī)械手典型故障原因分析及解決

2021-1-8 來源：中國一拖集團(tuán)有限公司作者：閆百樓

摘要: 簡要分析了加工中心主軸和機(jī)械手的幾個典型故障，及時有效地排除了故障，提高了主軸的可靠性和機(jī)械手的穩(wěn)定性，縮短了加工中心的停機(jī)時間，為后期維修提供了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞: 編碼器; 主軸預(yù)緊力; 機(jī)械手

1 、加工中心主軸故障

1．1 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(jī)，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(jī)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(jī)的生產(chǎn)進(jìn)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(jī)構(gòu)，拆出輸出軸，測繪尺寸并加工備件，然后進(jìn)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(jī)時間應(yīng)該在一周以上，費(fèi)力費(fèi)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(jìn)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 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。

1．2 加工中心主軸拉刀機(jī)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(jìn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行。

此臺機(jī)床是德國進(jìn)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(jī)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(jī)構(gòu)，而且價格昂貴，服務(wù)時間不定。在國產(chǎn)發(fā)動機(jī)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。

圖 2 新設(shè)計的輸出軸鎖母( 圖中未注尺寸單位: mm)

1) 拆卸外部防護(hù)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(hù)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(jī)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(jī)，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(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)構(gòu)、清理臟灰，到分析問題、掌握其工作原理、更換備件等一系列維修工作( 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(yùn)行正常

1．3 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(jī)械原點(diǎn)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(diǎn)穩(wěn)定就顯得尤為重要。

1) 針對各機(jī)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(diǎn)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(jī)床的主軸跳動，檢查主軸拉刀機(jī)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) 最后檢查 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(diǎn)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(diǎn)，有效地控制了鏜孔圓度誤差及 X 軸零點(diǎn)不穩(wěn)這一現(xiàn)象的發(fā)生。

2 、加工中心機(jī)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(jī)械手換刀故障，導(dǎo)致?lián)Q刀過程無法繼續(xù)進(jìn)行，嚴(yán)重影響生產(chǎn)任務(wù)的順利進(jìn)行。此機(jī)床最初只是普通數(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(jī)床本體在與刀庫系統(tǒng)的配合上存在不足，此臺機(jī)床在機(jī)械手換刀時，經(jīng)常會出現(xiàn)機(jī)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(jī)械手換刀過程，分析機(jī)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(jī)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(diǎn)存在，輕敲才會進(jìn)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(jī)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(jī)械手旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，圖 10 為清理機(jī)械手內(nèi)壁并更換軸承。

圖 9 機(jī)械手旋轉(zhuǎn)馬達(dá)

圖 10 清理機(jī)械手內(nèi)壁并更換軸承

3) 此外，該設(shè)備的機(jī)械手在歸刀過程中，總會出現(xiàn)歸不進(jìn)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(jī)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(jī)械手換刀位置的高低，所以只能通過機(jī)械調(diào)整。

4) 該機(jī)械手的換刀位置高低可以通過調(diào)整機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)械手故障頻繁發(fā)生的問題。

3 、結(jié)束語

加工中心主軸是加工中心的核心部件，機(jī)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(jī)械故障，減少加工中心的故障停機(jī)次數(shù)和維修時間，保證加工中心的日常運(yùn)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(jī)械手的故障進(jìn)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(jī)械手的穩(wěn)定性，縮短了加工中心停機(jī)時間，為拖拉機(jī)生產(chǎn)保駕護(hù)航! 同時也為后期維修提供了寶貴的經(jīng)驗。

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