一般工业应用的数控机床的主轴系统与传统机床的主轴系统有较大的区别,学习和掌握数控机床主轴系统结构及其故障诊断技术,是数控机床从业技术人员正确合理地使用数控机床的必备知识。

1 数控机床主轴系统结构及其特点

现代制造型工厂中普遍采用数控机床来实现多品种,中小批量的复杂零件的加工。常见的数控机床有数控车床、数控铣床和加工中心。为了适应数控机床高自动化、高柔性、高精度、高效率的加工特点,数控机床的主轴系统采用了其特有的形式和结构。

1.1 数控车床主轴结构及其特点

数控车床的主轴在机械结构上:(1)主轴为一个空心阶梯轴;(2)主轴前端采用短圆锥法兰盘结构与卡盘体配合;(3)主轴后端主要用于安装回转油缸;(4)主轴中空用于通过回转油缸活塞杆;(5)传动形式有齿轮传动、同步带传动和带与齿轮混合传动。数控车床电气结构是:(1)驱动器,用于连接数控装置和主轴电动机;(2)光电脉冲编码器,实现主轴转速的实时检测,进而构成主轴电气控制系统;(3)回转油缸液压控制回路,实现卡盘卡爪夹紧和松开。

1.2 数控铣床主轴结构及其特点

数控铣床主轴机械结构特点是:(1)主轴是一个空心阶梯轴;(2)主轴前端是一个锥度为7∶24的锥孔,在主轴前端面设置一对端面键用于传递主轴转矩给铣削刀具;(3)主轴后端安装松刀液压缸;(4)主轴中空用于通过拉刀杆、放置碟形弹簧和抓刀爪;(5)主轴传动多采用齿轮变速传动。数铣电气结构与数车相似:(1)驱动器用于驱动主轴电动机;(2)脉冲编码器,实现主轴转速的实时检测;(3)松刀液压缸控制回路。

1.3 加工中心主轴结构及其特点

加工中心与数控铣床的主要区别是:加工中心带有刀库和自动换刀装置(例如机械手),而数控铣床没有。加工中心主轴机械结构与数控铣床类似,但要实现主轴上刀具和刀库中刀具自动交换,所以电气结构上有以下几个显著特点:(1)主轴准停装置,控制主轴准停在某个位置,配合机械手顺利插拔刀具;(2)刀库侧电气控制系统与数控系统配合,顺利完成交换刀具任务。

2 数控机床主轴系统故障特点及其诊断方法

2.1 数控机床主轴系统故障特点

主轴系统故障也可分为机械故障和电气故障。机械部分的结构如前所述,众所周知,容易出现故障的部位是那些经常性做旋转运动、直线运动的部件,所以查找故障部位应首先从这些部件开始。例如,立式数控加工中心出现抓不住刀具时,应首先检查拉刀杆行程是否改变,因为拉刀杆在频繁换刀时,经常做直线运动。主轴系统的电气部分包括主轴电动机、驱动器、数控装置、主轴转速检测装置、准停装置等。容易出故障的是主轴电动机、主轴转速检测装置、准停装置。

2.2 故障诊断方法

一般来讲,机械故障比较容易觉察,而电气故障的诊断难度则要大些。所以通常先判断机械部分是否有故障,再判断电气部分是否存在故障。首先从机械上弄清楚该机床的主轴部件结构,检查这些部件是否正常。从经验来看,数控机床主轴故障中很大部分是机械动作失灵引起的。所以,遵循先机械后电气的诊断方法,往往可以达到事半功倍的效果。

3 故障诊断实例

(1)配置SINUMERIK810T系统的数控车床,在起动主轴旋转时出现7006报警(Spindle speed not in target range),不能进行自动加工。故障分析及处理过程:因为故障指示主轴有问题,观察主轴已经旋转,在屏幕上检查主轴转速的数值,发现为0,所以出现报警。但实际上主轴不但已经旋转,而且转速也问题不大。因此怀疑可能是主轴转速反馈系统有故障。检查主轴转速反馈系统发现,主轴编码器是通过同步带传动的,同步带已经断了,使主轴编码器不随主轴旋转,导致没有速度反馈信号。按要求更换一条新同步带后,机床恢复正常工作。

(2)配置SINUMERIK840D系统的数控铣床,机床工作时主轴转速不稳定,时快时慢。故障分析及处理过程:这台机床的主轴电动机采用西门子1PH7主轴电动机,使用西门子611D交流数字伺服驱动装置控制。分析主轴转速不稳的原因可有以下几个方面:(1)主轴驱动装置的机床数据调整不当,没有进行优化,使主轴驱动装置没有达到佳工作状态。由于这台机床在出现故障前,主轴工作一直很稳定,可以将这种可能排除;(2)由于存在某种干扰引起的,但机床其他部分工作正常,所以这种可能性也不大;(3)转速反馈回路有故障,即主轴编码器有问题、编码器连接电缆有问题或者主轴伺服控制模块有问题等造成主轴控制环工作不稳定。为此,首先对编码器的连接电缆进行检查,发现编码器电缆插头X413连接松动,导致了主轴电动机转速不稳。将主轴编码器的电缆连接插头紧固后,故障消除,主轴转速恢复平稳。

4 结语

由于数控机床综合了机、电、液、气技术,一旦出现故障,使定位故障部位变得困难。因此,只有真正熟知故障数控机床的主轴系统的机械结构和相应的电气结构,采用合适的方法,才能有效地应对主轴系统出现的故障。