摘 要：分析判斷生產過程中遇到的機床主軸和 A 軸故障，詳細敘述故障發生后的報警內容、故障現象及處理的方法，特別強調了在參數調整、元件更換和元件裝配過程中的注意事項。
關鍵詞：加工中心；主軸；變速箱；故障處理
0 前言
晉西機器工業集團有限責任公司先后引進了 2 臺美國VF5 立式加工中心，該機床配置哈斯數控系統，X，Y，Z，A 軸具備 4 軸聯動功能，可完成銑削、鉆孔、倒角、剛性攻絲等加工任務，其立式圓盤刀庫可安裝 30 把各種刀具，并帶有雷尼紹測量系統，能進行自動換刀、自動對刀。設備使用多年來其中一些故障具有一定的代表性，有必要對這些故障進行分析、整理和總結。
1 、主軸故障
1.1 主軸定位故障
該故障主要表現為機床在經過長時間運行或主軸被碰撞之后，當執行主軸定位功能 M19 時主軸定位角度偏移，導致在自動換刀過程中機械手抓取主軸刀具時出現抓不緊刀具而掉刀的現象，此故障一般沒有報警。
在檢查修理過程中，剛開始可以試著調整主軸定位角度，通過修改參數 257 來實現。參數 257 SPINDL ORIENT OFSET 的意思是主軸定位偏置值。如果修改之后主軸定位準確、穩定且換刀正常，那么說明是由于長時間加工出現的偶爾偏移。如果換幾次刀以后主軸定位角度又發生偏移，則需要檢查主軸位置編碼器是否損壞、連接主軸和編碼器的皮帶是否打滑、編碼器輪有無磨損、定位鍵是否緊固。實踐過程中遇到的情況是編碼器齒形皮帶已經磨損接近平面，編碼器輪（鋁合金材料）上牙型齒磨損成為光面，這種情況下就需要更換新的編碼器輪和皮帶了。打開主軸下面小護罩，或打開主軸側面護罩即可進行更換，換完之后需要再次調整參數 257，通過增大或減小其值使主軸定位后換刀機械手轉過來能夠正好抓住刀具，即機械手的圓弧部位定位塊正好嵌入到刀具的凹處，且兩邊的間距相等，數值約 3 mm，如果不等則需要再次調整參數使之正好相等為好。
以前曾遇到這樣一次故障，主軸定位角度偏移影響換刀，檢查之后磨損情況如上所述，于是維修人員就更換了編碼器輪和皮帶，操作人員調整了 257 參數，然后試驗主軸定位，結果第一次定位準確，第二次就偏了，第三次又準確，但第四次就又偏了，連續多次均是這樣。這種現象以前還未曾出現過，查找原因：編碼器和編碼器輪安裝緊固，皮帶松緊度也合適，皮帶另一端主電機下方鋼輪亦無明顯磨損痕跡，連接主軸電機與主軸的齒形皮帶也未見磨損，傳動正常。編程在 MDA 方式下執行主軸轉動程序 S1000M03，面板上反饋主軸轉速為 1027 r/min； 執 行S1500M03，反饋轉速為1038 r/min；執行 S2000M03，反饋轉速為2050 r/min。從這個現象看，速度設定值和實際轉速相差太大，正常范圍一般相差 1 r/min，即設定速度為 1000 r/min 時，反饋轉速多為 999 r/min 或 1001 r/min。現在設定速度為 1500 r/min 時，反饋轉速多為 1499 r/min，因此懷疑是否有人誤操作修改了參數。查看與編碼器相關的 5 個參數 79，182，186，187，239，其中 79SPINDLE STEPS/REV 為 3900，即主軸每轉步數為 3900，查原始數據應為 4000，于是將 79 號參數修改為 4000 后再試驗運行S1000M03，主軸轉速顯示為 999 r/min；試驗運行 S1500M03，主軸轉速為 1499 r/min，主軸轉速恢復正常。再試驗 M19 定位功能，每次定位都很準確沒有偏移，調好參數 257 后試著執行換刀，每次主軸刀具很順利地交換到刀庫，刀庫刀具安裝到主軸上時聲音綿軟，無異常碰撞聲，使用一段時間以來主軸定位準確未再發生這類故障。
1.2 換刀點高度變化故障
換刀點高度，實際上是機床 Z 軸的一個坐標值。當機床遇到意外碰撞或修改某些參數后，有時會導致機床主軸出現下移或上移的現象，表現為換刀困難或加工的產品尺寸發生變化。實際生產中曾遇到主軸下移約 3 mm，導致某件產品在加工過程中銑削量過大而報廢。在這種情況下就需要調整主軸換刀點參數64 Z TOOL CHANGE OFFSET，即 Z 軸換刀偏置值。查 33 號參數，Z RATIO 為 138 718，這個意思就是說 1 mm 的調整量為（1/25.4）×138 718=5461.3，3 mm 就需要調整 3×（1/25.4）×138718=16 384，即將 64 號參數中的值減去 16 384，原先為 155000，修改后為 138 616。完成后先不能急著換刀，可用下面這個方法檢驗參數調整的正確性：即在主軸上手動安裝一把刀，執行主軸定位，將 Z 軸手動操作移動到換刀點高度（參照 Z 軸坐標系的值；或執行自動換刀，當 Z 軸到達換刀點時馬上壓下急停，然后旋起急停開關并復位），然后將換刀機械手旋轉到主軸附近靠近刀具，觀察機械手是否與刀具環形槽吻合 （誤差應＜0.5mm），若吻合即說明參數調整正確，如有偏差還需要繼續用上述方法調整參數，直到完全吻合時才可以執行自動換刀，否則會使機械手與刀具發生碰撞、擠壓導致機械手或刀具損壞。
1.3 主軸變速箱油壓故障
該加工中心主軸速度分為高速擋和低速擋 2 個擋位，由 M功能控制主軸電機下方的變速箱來實現換擋。變速箱內加有一部分潤滑油，里面的油經過循環起冷卻主軸并潤滑變速箱的作用。多年來變速箱出現過 2 次故障，報警都為 179 Low Pres－sure Transmission Oil，意思是變速箱油壓低。第一次故障時，打開主軸外側護罩檢查油壓管路、油泵、油位，查管路無破裂，油泵電機也能夠轉動，油位正常，但報警無法消除，說明壓力偏小或沒有壓力。進一步檢查，電機雖然轉動但油泵未工作，拆下泵體將油泵和電機分解開來，仔細查看發現是聯軸器磨損嚴重造成打滑，這個聯軸器材質為硬質塑料直徑為 20 mm 不易加工，于是更換一套新的油泵備件，故障排除。
第二次故障報警時檢查管路正常無漏油，油泵和電機均能轉動，打開油泵看也未發現什么異常，但報警就是無法消除，檢查壓力繼電器也正常，聯軸器未見損壞。油泵是個齒輪泵，懷疑是齒輪泵內部故障，更換一套新油泵后報警消除，設備恢復正常。
1.4 主軸頭下滑故障
主軸頭下滑故障，即在機床壓下急停開關或斷電后主軸整體自動往下滑動 100～200 mm，給設備及人身帶來一定的安全隱患。檢查過程中，控制主軸頭移動的 Z 軸電機抱閘正常，Z 軸絲杠、導軌潤滑良好未見異常。在排除了不是上述原因后，初步判斷是給主軸起配重作用的液壓平衡油缸或氮氣缸出現問題。這種現象以前也出現過，主要原因是主軸后面與液壓平衡油缸連通的氮氣缸長時間使用慢慢漏氣導致氮氣壓力下降造成的。
按常規處理辦法就是先往氮氣缸內充氮氣，使其壓力達到廠家規定的 75.9 kg/cm（2 1100 Psi）。于是找到壓力較高的氮氣瓶往機床后部氮氣缸內充氣，但這次充氣后只使用了 2 d，就又出現了下滑情況，繼續充氮氣仍然有下降現象。進一步檢查，發現液壓平衡油缸外面滲出很多油，這在以前是沒有出現過的，原來氮氣壓力不能保持就是因為這兒漏油所致。于是一方面聯系經銷商購買新的平衡油缸，一方面每天給氮氣缸內充氮氣維持生產。幾天后新液壓平衡油缸到貨，于是加緊拆裝進行更換，拆卸和安裝并不復雜，需要注意的是拆之前要卸了主軸刀具，將工作臺開到機床中央，緩慢下降主軸，使主軸輕輕接觸住工作臺上的結實支撐物上支，防止主軸下滑受到碰撞，然后關機進行修理。更換好后往液壓平衡油缸內加油時可用平衡缸自有的活塞將液壓油DTE25# 吸進去 5 L 左右，連接好液壓缸與氮氣缸，然后用設備專用充氣管往氮氣缸內充氣使壓力達到 75.9 kg/cm2（1100Psi），之后開機試車，先執行 Z 軸回零，取走支撐物，再執行其它軸回零，然后壓下急停開關主軸頭不再下滑，說明更換起到了效果，解決了設備故障，保證了人身及設備安全。
1.5 主軸刀具夾緊故障
在生產過程中，操作人員反映說機床加工質量下降，表現為刀紋變粗，光潔度、平面度出現不同程度下降，使用新刀具亦是如此。停機檢查，在主軸上安裝試棒，用百分表打主軸端部跳動為 0.02 mm；打 300 mm 處跳動約 0.04 mm；當用手來回扳動試棒時跳動達到 0.08 mm，這個數據說明刀具夾緊存在問題。
刀具夾緊、松開功能由松拉刀氣缸和蝶形彈簧配合執行，松刀時由氣缸壓下主軸內的蝶形彈簧使拉桿上鋼珠縮回刀具松開，拉刀時氣缸抬起蝶形彈簧帶動拉桿拉緊刀具。拉桿上蝶形彈簧一般為 96 片左右（對于 VF5），按規律正反組裝而成，這些蝶形彈簧使用多年后會疲勞斷裂或失去彈性，一旦斷裂數量多了或彈性下降就會影響到拉緊刀具，造成主軸刀具松動，輕則影響加工質量重則損壞主軸錐孔，在這種情況下就必須要更換蝶形彈簧了。從主軸內拆下拉桿，購買和原蝶形彈簧性能接近、尺寸完全相同的備件，安裝時要注意彈簧的正反，嚴格按照原來的規律組裝否則會影響到拉桿行程與拉緊力。更換好以后再用試棒打百分表，端部跳動0.01 mm，300 mm 處跳動約為 0.02 mm，即便用手扳動試棒跳動仍為 0.02 mm，試加工產品刀紋變細尺寸穩定滿足了產品工藝要求。
2 、A 軸故障
A 軸是機床第四軸，能實現分度及旋轉功能，由電磁閥控制氣缸實現抱閘的松開與夾緊，2001 年出廠機床驅動電機為直流電機，2006 年驅動電機改為交流伺服電機。
2.1 A 軸電機故障
在加工過程中，機床報警：111 A Servo overload A 軸伺服過載。直流電機過載能力較差，且有 4 個碳刷長期使用會磨損，當檢修不及時或長期 3 班倒超負荷生產，極易造成 A 軸電機的損壞。損壞情況包括內部測量回路損壞、碳刷磨損、絕緣子異常或繞組損壞。碳刷磨損可以及時更換，繞組損壞可以重新繞制，但測量回路和絕緣子故障時因結構復雜一般采用更換電機的方法，截止目前已更換過幾次這個直流電機了，所以要求平時做好備件儲備，以備急需。而交流電機性能相對穩定，故障率很低，基本屬于免維護部件。
2.2 A 軸電纜故障
在自動運行中出現報警：106 A Servo error too large A軸伺服誤差過大；185 A Cable Fault A 軸電纜故障。報警后自動停車，在檢查過程中，發現 A 軸不能回零，機床也不能正常工作。打開 A 軸側面驅動電機箱體，發現內部進了好多冷卻液，電機外表也濕乎乎的。將電機拆下清理干凈并烘干后檢查，電機絕緣狀況良好，繞組電阻值正常，碳刷也在正常磨損范圍。再進一步查電機電纜，發現該電纜插頭有碳化現象，而正因為插頭碳化，導致 A 軸電機工作電流過大而報警，更換新電纜后故障消除。另外 A 軸電纜線無金屬軟管防護，懸空置于機床加工室內，長期加工時切削產生的碎屑和冷卻液很容易對電纜形成破壞，多次對破損地方包扎處理，也試過用金屬軟管防護延長其壽命，但幾年下來仍需要更換新電纜。
2.3 電磁氣閥故障
電磁氣閥控制 A 軸抱閘，當 A 軸要進行旋轉或分度時，抱閘松開，旋轉或分度結束后抱閘夾緊。某次自動加工過程中出現報警：106 A servo error too large A 軸伺服誤差過大；138 Amotor over heat A 軸電機過熱。
例行檢查，發現 A 軸不能轉動，一給轉動指令就出現 106報警，打開 A 軸側面箱體，電機略有溫度其余無異常。檢查氣閥，用小螺絲刀頂住閥芯，然后執行 A 軸轉動，A 軸可以正常旋轉，松開手 A 軸停止且馬上就又有報警出現。于是判斷應該是電磁氣閥損壞影響到抱閘的松開，進一步測量是線圈燒壞。于是更換一個新電磁氣閥后故障消除，機床恢復正常。
2.4 A 軸回零磁性開關故障
機床開機后回零時 A 軸可以轉動但找不到零點，報警：168A Zero Ret Margin Too Small A 軸回零返回幅度太小。正常執行回零動作 A 軸轉動在一圈之內，現在轉動超過720°仍然找不到零點，在診斷頁面中查看離散輸入信號，Ahome switch 信號在 720°轉動過程中沒有由 1 變為 0，說明 A軸回零開關損壞。聯系經銷商采購回磁性開關，該開關嵌入安裝到 A 軸側面箱體內，安裝時要注意其深度，防止安裝過深轉動時損壞開關。可以在診斷頁面觀察輸入信號的變化，裝好后試驗回零，一次成功。
3 、結束語
主軸和 A 軸是機床的兩個旋轉軸，這幾年來故障相對比X，Y，Z 幾何軸要多，這就要求維修人員平日注意觀察設備狀況，熟悉設備運行規律，掌握設備結構原理，并做好日常易損件的備件儲備，這樣遇到故障就能及時找到原因并加以排除，保證設備的正常運轉。
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