數控銑床拉刀故障診斷與維修論文

　　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故障之一，主軸松、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環節的失效都會引起機床拉刀動作故障。

　　本文從企業維修案例著手，介紹了XKA714B/F數控銑床主軸結構和控制原理，分析了常見的故障點，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行了探討。

　　關鍵詞：數控銑床;拉刀故障;診斷與維修;流程圖

　　在企業生產過程中，XKA714B/F立式數控銑床主軸會出現如下故障現象：操作工人在進行手動換刀操作時，刀具可以拿下，但裝上刀后，按“主軸拉刀”按鈕，拉刀動作明顯比平常慢，重復一次松、拉刀過程，拉刀時間變得更長，再重復幾次后，拉刀動作幾乎沒有了。

　　機床狀態提示：處于松刀狀態。

　　拉刀故障是數控銑床的常見故障之一。

　　主軸松、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環節的失效都會引起機床拉刀動作故障。

　　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、拉刀動作的原理及過程，然后熟悉常見的故障點，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完成拉刀、松刀動作。

　　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主軸旋轉時，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，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，滑鞍可沿床身上的導軌在Y向移動，從而實現工件在X和Y向的移動。

　　無論是X、Y向，還是Z向的移動都是靠伺服電機驅動滾珠絲杠來實現。

　　伺服裝置用于驅動伺服電機，主傳動系統由5.5kW的變頻電機驅動，電機安裝在主軸箱的頂面，經過齒輪傳動，可以實現無級變速。

　　控制器用于輸入零件加工程序和控制機床工作狀態，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夾緊裝置、自動吹凈等裝置組成。

　　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)前支承是三個向心推力球軸承，背靠背安裝，前面兩個支承大口朝向主軸前端，后一個軸承大口朝向主軸尾部。

　　前支承既承受徑向載荷，又承受兩個方向的軸向載荷。

　　(2)后支承是兩個向心推力球軸承，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，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，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動，鋼球被迫進入刀柄尾部拉釘的環形槽內，將刀具的刀柄拉緊。

　　放松時，即需要換刀松開刀柄時，油缸上腔通入壓力油，下腔接回油，使活塞桿向下移動，推動拉桿也向下移動，直到鋼球被推至主軸孔徑較大處，便松開刀柄，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生的拉緊力進行夾緊的，以防止在工作中突然停電時刀柄自行脫落。

　　在活塞桿上下移動的兩個極限位置上，安裝行程開關，用來發出刀柄夾緊和松開的信號。

　　在夾緊時，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，以防止主軸旋轉時引起端面摩擦。

　　自動吹凈裝置 主軸換刀時，需自動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吹凈裝置。

　　當刀柄從主軸錐孔拔出后，壓縮空氣通過活塞桿上端噴嘴經活塞和拉桿的中心孔，自動吹凈主軸錐孔。

　　(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要及時添加;液壓油使用2000h后，要進行更換。

　　液壓控制板裝在液壓站油箱上面，由一個1.1kW的電機驅動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，電磁閥YV1、YV3同時通電，閥芯切換油路，液壓油進入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞桿向下動作，油缸頂部行程限位開關向PMC發出反饋信號，松刀完成。

　　拉刀時，電磁閥YV1吸合、YV3斷開閥芯切換油路，液壓油進入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞桿向上動作，油缸頂部行程限位開關向PMC發出反饋信號，拉刀完成。

　　需要變速時，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主軸箱背面的回油管流回油箱。

　　如發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。

　　液壓油管均是通過拖鏈裝置到達主軸箱。

　　當系統發出油路堵塞報警時，應對液壓箱的濾油器及時清理。

　　(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就可以實現拉刀、松刀的動作，但是，電磁閥怎么跟PMC聯系呢?這需要通過PMC對電磁閥進行控制。

　　一般而言，實現拉刀、松刀的動作需要用到的PMC輸入接口有松緊刀允許、緊刀、拉刀;輸出接口有刀具松/緊、液壓油路開關、松緊刀允許指示燈、松刀指示燈、緊刀指示燈，每個接口都用相應的地址位來表示。

　　通過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，液壓油路開關的輸出地址位是Y2.2;通過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有什么關系呢?當同時按下“松緊刀允許”和“松刀”按鈕后，輸入信號經地址位X33.4和X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1來控制拉刀或松刀動作，具體控制過程查看XKA714B/F立式數控銑床松刀按鈕控制梯形圖，可以看出，當觸點X33.4和X34.1接通時，松緊刀允許指示燈Y33.4和松刀指示燈Y34.1亮，線圈Y2.1工作，繼電器KA10和KA11指示燈亮，松刀完成。

　　也就是說通過Y2.1來控制電磁閥，由于電磁閥所需要的驅動電流比較大，而PMC的輸出接口驅動能力比較小，所以先由Y2.1控制繼電器KA10，然后再由繼電器KA10來控制電磁閥YV3的動作;同理，由Y2.2控制繼電器KA11，然后再由繼電器KA11來控制電磁閥YV1的動作。

　　(四)XKA714B/F立式數控銑床主軸松、拉刀動作控制過程

　　動作控制過程包括松刀動作控制過程和拉刀控制過程。

　　松刀控制過程 從圖1可以看出，當按下松刀按鈕后，輸入信號經地址位X34.1傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10和KA11吸合，使得電磁閥YV1和YV3得電，閥芯切換油路，液壓油進入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞桿向下移動，推動拉桿也向下移動，壓縮碟形彈簧，拉刀爪松開，油缸頂部行程限位開關向PMC發出反饋信號，松刀完成。

　　拉刀控制過程 從圖2所示拉刀動作電氣控制流程圖可以看出，當按下拉刀按鈕后，輸入信號經地址位X34.0傳遞給PMC，PMC通過輸出接口Y2.1和Y2.2來控制繼電器KA10斷開和KA11吸合，使得電磁閥YV1得電吸合、YV3斷開，閥芯切換油路，液壓油進入油缸下腔，油缸上腔接回油，壓力油和螺旋彈簧使活塞桿向上移動，拉桿在碟形彈簧壓力作用下也向上移動，拉刀爪拉緊，油缸頂部行程限位開關向PMC發出反饋信號，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故障點分析

　　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

　　電氣回路故障分析點主要有：(1)松、拉刀按鈕開關;(2)拉刀活塞桿行程限位開關;(3)PMC控制器;(4)繼電器及線路;(5)電磁閥及線路等。

　　在這些故障分析點中，松、拉刀按鈕開關、繼電器由于頻繁使用，容易疲勞損壞;PMC控制器屬于技術成熟的數控系統產品，在弱電環境下工作，一般不易損壞。

　　(二)機械及液壓回路故障分析點

　　機械及液壓回路故障分析點主要有：(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、拉刀動作涉及電氣、機械及液壓回路，回路中任何一個環節的失效都會引起機床拉刀動作故障，因為按鈕開關、繼電器、電磁閥的通斷狀態可以通過PMC診斷地址及發光二極管等狀態指示燈來快速判斷，直觀、快捷，故先從電氣回路開始檢查(液壓泵及壓力表也可直觀檢查)，然后再對機械及液壓回路進行檢查。

　　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明書、機床生產廠家提供的機械說明書、電氣說明書、維修手冊和維修記錄等，同時準備好機床維修的常用必備工具。

　　第二步，現場勘察。

　　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，機床狀態提示：處于松刀狀態。

　　最后，查閱發生故障銑床的機械及電氣說明書，了解松/拉刀按鈕開關地址位、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，在機床手動狀態下，主軸停轉，按下“緊刀”按鈕，檢查PMC輸入地址X34.0的狀態變化。

　　如果沒有變化，檢查“緊刀”按鈕開關及其至PMC的線路。

　　若開關損壞，則更換開關;電路斷路，則維修電路。

　　第四步，如果第一步不存在問題，即PMC輸入地址X34.0的狀態有變化(由0變為1)，則檢查PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態變化。

　　若狀態沒有變化，根據梯形圖判斷哪些條件不滿足，針對不滿足條件，相應調整機床操作方式。

　　第五步，如果第四步不存在問題，即PMC輸出地址Y2.1、Y2.2的狀態有變化(由0變為1)，繼電器KA10和KA11應依次由通到斷。

　　若KA11和KA10其中有未斷開現象，則檢查PMC至KA10線圈的線路(因為松刀動作正常，故可以判斷KA11和YV1都是正常的)，如果線路短路則檢修線路。

　　第六步，如果第五步不存在問題，即KA11和KA10正常斷開，電磁閥YV3由吸合轉為斷開，線圈插頭指示燈由亮轉滅。

　　若電磁閥未由吸合轉為斷開，檢查KA10觸點及YV3線圈至 KA10觸點的控制線路，如果觸點損壞，則更換繼電器;如果線路短路，則檢修線路。

　　第七步，如果第六步不存在問題，即電磁閥YV3由吸合轉為斷開，說明YV1和YV3線圈正常，則檢查YV3閥芯是否正常動作、能否切換油路。

　　若YV3閥芯動作不正常，應先檢查活塞缸下腔油管有無波動，在機床斷電情況下，拆開油管接頭，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，感知閥芯移動距離，如果距離小于正常移動距離，則說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行檢修。

　　第八步，如果第七步不存在問題，即YV3閥芯正常動作，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，油缸進出油口及活塞桿被堵塞，則拆開檢修。

　　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環節，由簡到繁，就不難找出故障點并排除故障。

　　數控機床是一種自動化程度高、機械結構較復雜的加工設備，要充分發揮機床的高效益，就必須正確操作使用和精心維護，這樣可防止設備產生非正常性磨損，保持其良好的技術性能狀態，延緩劣化進程，保證生產安全運行。

　　參考文獻：

　　[1]韓鴻鸞，張秀玲.數控機床維修技師手冊[M].北京：機械工業出版社，2006.

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　　[3]牛志斌.數控機床現場維修555例[M].北京：機械工業出版社，2009.

　　[4]王海勇.數控機床結構與維修[M].北京：化學工業出版社，2009.

　　數控機床伺服閉環控制論文

　　摘要：文章介紹了數控機床伺服閉環控制系統的主要要求，PID控制方法在速度閉環控制的應用，以FANUC機床為例，具體闡述了PID參數的調試方法，具有實際的應用意義。

　　關鍵詞：伺服系統;閉環控制;PID

　　一、引言

　　數控系統中伺服控制系統的設計，均要考慮穩定性、動態特性、穩態特性、魯棒性等方面的性能指標。

　　穩定性：這是伺服控制系統設計的最基本要求。

　　控制系統的穩定性可分為系統內部穩定性和系統外部的穩定性。

　　所謂系統內部的穩定性即在任意初始狀態下伺服控制系統都能精準定位;系統外部的穩定性即為伺服控制系統有外部干擾時，也能自我調節，使得位移和速度達到控制目標。

　　動態特性：即系統運行過渡過程的形式和速度，其中包括響應速度和超調量。

　　系統的響應速度可用系統過渡過程所經歷的時間來表示;而超調量是指系統的最大振幅度。

　　一般而言，不同的系統對動態特性會有不同的要求，對于數控伺服系統而言，響應速度越快，系統跟隨誤差越小，控制精度就越高。

　　穩態特性：當過渡過程結束后，系統達到穩定狀態時，其被控量的穩態值與望值一致性程度。

　　對于任何數控伺服系統，由于存在著系統結構、外部干擾、以及內摩擦等非線性因素的影響，被控量的穩態值與期期望值之間總會有誤差存在，該誤差稱為穩態誤差。

　　穩態誤差是衡量控制系統控制精度的重要標志，有好的穩態誤差補償，伺服系統將獲得良好的位置控制精度和跟蹤速度。

　　魯棒性：當系統的約束條件發生變化時，系統的功能特性不會受到什么影響。

　　系統的魯棒性好，當參數發生變化時，系統依然能夠保持其穩定性;在過渡過程中，系統的響應速度和超調量基本上不受參數變化的影響。

　　機床在長期的使用過程中，有機械磨損及其他硬件的變化，伺服系統必須保持加工誤差在一定范圍內，因此，魯棒性很重要。

　　二、PID算法在數控伺服閉環控制中應用

　　PID(Proportional Integraland Differential)控制技術是最早發展起來的控制策之一，至今已有數十年歷史。

　　它以算法簡單、魯棒性好、可靠性高、調整方便等優點而被廣泛應用于工業控制中。

　　當被控對象的結構和參數不能完全掌握，或得不到精確的數學模型時，系統控制器的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，這時應用PID控制技術最為方便。

　　在實際工程應用中，根據需要也可用PI控制和PD控制。

　　PID控制器就是根據系統的偏差，通過比例、積分和微分運算來對控制量進行調節的。

　　數控伺服閉環速度控制如圖1所示，在數控加工中，加工軸雖然隨著負載特性變化而變化，但由于采用了PID控制，可以修正到等于指令速度。

　　PID控制器作為一種線性控制器，它將速度指令r(t)和反饋的實際速度y(t)進行比較后構成控制偏差e(t)，再將該偏差按比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構成系統控制量u(t)來控制驅動器，輸出功率控制伺服電機，對電機速度進行精確控制。

　　上述PID控制器的輸出函數可描述為：

　　u(t)=Kpe(t)+Ki■e(t)dt+Kd■

　　三、PID參數調試的具體方法

　　以FANUCOi機床為例，有菜單操作，顯示伺服參數設置畫面如圖2所示。

　　當設置驅動器為速度模式控制時，在完成對伺服驅動器參數的優化后，引入控制器對速度環的作用。

　　控制器可調的基本伺服參數即為比例常數KP、微分常數Kd以及積分器Ki。

　　控制器濾波傳遞函數為：

　　D(z)=4 ×Kp+■+■

　　手動調整PID各項參數：

　　第一，確定速度比例增益Kp值。

　　當伺服系統安裝畢，必須調整各項PID參數，使得系統穩定運行。

　　可首先調整速度比例增益Kp值，因為Kp值是PID參數中對超調影響最大，可再調整之前將積分增益Ki及微分增益Kd設置為零，接著逐漸加大Kp值，主要考量伺服電機停止時是否有振蕩現象，以此手動方式調整Kp參數，觀察電機旋轉速度有無明顯忽快忽慢現象。

　　若Kp值加大到產生上述現象時，必須將Kp值降低，減少超調量，消除振蕩，穩定旋轉速度。

　　以此初步確定Kp值。

　　第二，確定積分增益Ki值。

　　逐漸加大積分增益Ki值，使積分效應逐漸產生。

　　由PID控制原理可知，Kp值配合積分效應增加到臨界值后會產生振動不穩定現象，此時回調Ki值，消除振蕩現象，穩定旋轉速度。

　　此時的Ki值既可為初步確定的參數值。

　　第三，調整微分增益Kd值。

　　微分增益主要目的就是平穩旋轉速度，降低超調量，微分控制也是一種預先控制，在超調量發生之前做適當的校正。

　　可逐漸加大Kd的值，改善速度穩定性。

　　最終，數控機床伺服閉環控制速度曲線如圖3所示。

　　四、總結

　　數控機床伺服閉環控制系統的調整主要是針對閉環控制器的PID參數增益進行調整，使得機床工作誤差最小，達到一個最優狀態。

　　其中速度環的調整是整個系統調整中最關鍵的，也是最難調整的。

　　通常，在了解伺服增益的限制因素上，先調整比例增益參數，再調試積分參數，最好調整微分參數。

　　對于每個增益參數的調整，都是從低慢慢地增加，以確保系統穩定。

　　參考文獻：

　　1.包杰,李亮,何寧.基于PC的開放式數控系統微銑削伺服控制的研究[J].機械科學與技術,2009(9).

　　2.顏嘉男.伺服電機應用技術[M].科學出版社,2011.

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