摘 要：分析判断生产过程中遇到的机床主轴和 A 轴故障，详细叙述故障发生后的报警内容、故障现象及处理的方法，特别强调了在参数调整、元件更换和元件装配过程中的注意事项。
 
     关键词：加工中心；主轴；变速箱；故障处理 

     
     0 前言
   
     晋西机器工业集团有限责任公司先后引进了 2 台美国VF5 立式加工中心，该机床配置哈斯数控系统，X，Y，Z，A 轴具备 4 轴联动功能，可完成铣削、钻孔、倒角、刚性攻丝等加工任务，其立式圆盘刀库可安装 30 把各种刀具，并带有雷尼绍测量系统，能进行自动换刀、自动对刀。设备使用多年来其中一些故障具有一定的代表性，有必要对这些故障进行分析、整理和总结。
 
     1 、主轴故障
 
    1.1 主轴定位故障
 
    该故障主要表现为机床在经过长时间运行或主轴被碰撞之后，当执行主轴定位功能 M19 时主轴定位角度偏移，导致在自动换刀过程中机械手抓取主轴刀具时出现抓不紧刀具而掉刀的现象，此故障一般没有报警。
 
    在检查修理过程中，刚开始可以试着调整主轴定位角度，通过修改参数 257 来实现。参数 257 SPINDL ORIENT OFSET 的意思是主轴定位偏置值。如果修改之后主轴定位准确、稳定且换刀正常，那么说明是由于长时间加工出现的偶尔偏移。如果换几次刀以后主轴定位角度又发生偏移，则需要检查主轴位置编码器是否损坏、连接主轴和编码器的皮带是否打滑、编码器轮有无磨损、定位键是否紧固。实践过程中遇到的情况是编码器齿形皮带已经磨损接近平面，编码器轮（铝合金材料）上牙型齿磨损成为光面，这种情况下就需要更换新的编码器轮和皮带了。打开主轴下面小护罩，或打开主轴侧面护罩即可进行更换，换完之后需要再次调整参数 257，通过增大或减小其值使主轴定位后换刀机械手转过来能够正好抓住刀具，即机械手的圆弧部位定位块正好嵌入到刀具的凹处，且两边的间距相等，数值约 3 mm，如果不等则需要再次调整参数使之正好相等为好。
 
    以前曾遇到这样一次故障，主轴定位角度偏移影响换刀，检查之后磨损情况如上所述，于是维修人员就更换了编码器轮和皮带，操作人员调整了 257 参数，然后试验主轴定位，结果第一次定位准确，第二次就偏了，第三次又准确，但第四次就又偏了，连续多次均是这样。这种现象以前还未曾出现过，查找原因：编码器和编码器轮安装紧固，皮带松紧度也合适，皮带另一端主电机下方钢轮亦无明显磨损痕迹，连接主轴电机与主轴的齿形皮带也未见磨损，传动正常。编程在 MDA 方式下执行主轴转动程序 S1000M03，面板上反馈主轴转速为 1027 r/min； 执 行S1500M03，反馈转速为1038 r/min；执行 S2000M03，反馈转速为2050 r/min。从这个现象看，速度设定值和实际转速相差太大，正常范围一般相差 1 r/min，即设定速度为 1000 r/min 时，反馈转速多为 999 r/min 或 1001 r/min。现在设定速度为 1500 r/min 时，反馈转速多为 1499 r/min，因此怀疑是否有人误操作修改了参数。查看与编码器相关的 5 个参数 79，182，186，187，239，其中 79SPINDLE STEPS/REV 为 3900，即主轴每转步数为 3900，查原始数据应为 4000，于是将 79 号参数修改为 4000 后再试验运行S1000M03，主轴转速显示为 999 r/min；试验运行 S1500M03，主轴转速为 1499 r/min，主轴转速恢复正常。再试验 M19 定位功能，每次定位都很准确没有偏移，调好参数 257 后试着执行换刀，每次主轴刀具很顺利地交换到刀库，刀库刀具安装到主轴上时声音绵软，无异常碰撞声，使用一段时间以来主轴定位准确未再发生这类故障。
 
    1.2 换刀点高度变化故障
 
    换刀点高度，实际上是机床 Z 轴的一个坐标值。当机床遇到意外碰撞或修改某些参数后，有时会导致机床主轴出现下移或上移的现象，表现为换刀困难或加工的产品尺寸发生变化。实际生产中曾遇到主轴下移约 3 mm，导致某件产品在加工过程中铣削量过大而报废。在这种情况下就需要调整主轴换刀点参数64 Z TOOL CHANGE OFFSET，即 Z 轴换刀偏置值。查 33 号参数，Z RATIO 为 138 718，这个意思就是说 1 mm 的调整量为（1/25.4）×138 718=5461.3，3 mm 就需要调整 3×（1/25.4）×138718=16 384，即将 64 号参数中的值减去 16 384，原先为 155000，修改后为 138 616。完成后先不能急着换刀，可用下面这个方法检验参数调整的正确性：即在主轴上手动安装一把刀，执行主轴定位，将 Z 轴手动操作移动到换刀点高度（参照 Z 轴坐标系的值；或执行自动换刀，当 Z 轴到达换刀点时马上压下急停，然后旋起急停开关并复位），然后将换刀机械手旋转到主轴附近靠近刀具，观察机械手是否与刀具环形槽吻合 （误差应＜0.5mm），若吻合即说明参数调整正确，如有偏差还需要继续用上述方法调整参数，直到完全吻合时才可以执行自动换刀，否则会使机械手与刀具发生碰撞、挤压导致机械手或刀具损坏。
 
    1.3 主轴变速箱油压故障
   
    该加工中心主轴速度分为高速挡和低速挡 2 个挡位，由 M功能控制主轴电机下方的变速箱来实现换挡。变速箱内加有一部分润滑油，里面的油经过循环起冷却主轴并润滑变速箱的作用。多年来变速箱出现过 2 次故障，报警都为 179 Low Pres－sure Transmission Oil，意思是变速箱油压低。第一次故障时，打开主轴外侧护罩检查油压管路、油泵、油位，查管路无破裂，油泵电机也能够转动，油位正常，但报警无法消除，说明压力偏小或没有压力。进一步检查，电机虽然转动但油泵未工作，拆下泵体将油泵和电机分解开来，仔细查看发现是联轴器磨损严重造成打滑，这个联轴器材质为硬质塑料直径为 20 mm 不易加工，于是更换一套新的油泵备件，故障排除。
 
    第二次故障报警时检查管路正常无漏油，油泵和电机均能转动，打开油泵看也未发现什么异常，但报警就是无法消除，检查压力继电器也正常，联轴器未见损坏。油泵是个齿轮泵，怀疑是齿轮泵内部故障，更换一套新油泵后报警消除，设备恢复正常。
 
    1.4 主轴头下滑故障
 
    主轴头下滑故障，即在机床压下急停开关或断电后主轴整体自动往下滑动 100～200 mm，给设备及人身带来一定的安全隐患。检查过程中，控制主轴头移动的 Z 轴电机抱闸正常，Z 轴丝杠、导轨润滑良好未见异常。在排除了不是上述原因后，初步判断是给主轴起配重作用的液压平衡油缸或氮气缸出现问题。这种现象以前也出现过，主要原因是主轴后面与液压平衡油缸连通的氮气缸长时间使用慢慢漏气导致氮气压力下降造成的。
 
    按常规处理办法就是先往氮气缸内充氮气，使其压力达到厂家规定的 75.9 kg/cm（2 1100 Psi）。于是找到压力较高的氮气瓶往机床后部氮气缸内充气，但这次充气后只使用了 2 d，就又出现了下滑情况，继续充氮气仍然有下降现象。进一步检查，发现液压平衡油缸外面渗出很多油，这在以前是没有出现过的，原来氮气压力不能保持就是因为这儿漏油所致。于是一方面联系经销商购买新的平衡油缸，一方面每天给氮气缸内充氮气维持生产。几天后新液压平衡油缸到货，于是加紧拆装进行更换，拆卸和安装并不复杂，需要注意的是拆之前要卸了主轴刀具，将工作台开到机床中央，缓慢下降主轴，使主轴轻轻接触住工作台上的结实支撑物上支，防止主轴下滑受到碰撞，然后关机进行修理。更换好后往液压平衡油缸内加油时可用平衡缸自有的活塞将液压油DTE25# 吸进去 5 L 左右，连接好液压缸与氮气缸，然后用设备专用充气管往氮气缸内充气使压力达到 75.9 kg/cm2（1100Psi），之后开机试车，先执行 Z 轴回零，取走支撑物，再执行其它轴回零，然后压下急停开关主轴头不再下滑，说明更换起到了效果，解决了设备故障，保证了人身及设备安全。
 
     1.5 主轴刀具夹紧故障
 
     在生产过程中，操作人员反映说机床加工质量下降，表现为刀纹变粗，光洁度、平面度出现不同程度下降，使用新刀具亦是如此。停机检查，在主轴上安装试棒，用百分表打主轴端部跳动为 0.02 mm；打 300 mm 处跳动约 0.04 mm；当用手来回扳动试棒时跳动达到 0.08 mm，这个数据说明刀具夹紧存在问题。
 
     刀具夹紧、松开功能由松拉刀气缸和蝶形弹簧配合执行，松刀时由气缸压下主轴内的蝶形弹簧使拉杆上钢珠缩回刀具松开，拉刀时气缸抬起蝶形弹簧带动拉杆拉紧刀具。拉杆上蝶形弹簧一般为 96 片左右（对于 VF5），按规律正反组装而成，这些蝶形弹簧使用多年后会疲劳断裂或失去弹性，一旦断裂数量多了或弹性下降就会影响到拉紧刀具，造成主轴刀具松动，轻则影响加工质量重则损坏主轴锥孔，在这种情况下就必须要更换蝶形弹簧了。从主轴内拆下拉杆，购买和原蝶形弹簧性能接近、尺寸完全相同的备件，安装时要注意弹簧的正反，严格按照原来的规律组装否则会影响到拉杆行程与拉紧力。更换好以后再用试棒打百分表，端部跳动0.01 mm，300 mm 处跳动约为 0.02 mm，即便用手扳动试棒跳动仍为 0.02 mm，试加工产品刀纹变细尺寸稳定满足了产品工艺要求。
 
     2 、A 轴故障
 
    A 轴是机床第四轴，能实现分度及旋转功能，由电磁阀控制气缸实现抱闸的松开与夹紧，2001 年出厂机床驱动电机为直流电机，2006 年驱动电机改为交流伺服电机。
 
    2.1 A 轴电机故障
 
    在加工过程中，机床报警：111 A Servo overload A 轴伺服过载。直流电机过载能力较差，且有 4 个碳刷长期使用会磨损，当检修不及时或长期 3 班倒超负荷生产，极易造成 A 轴电机的损坏。损坏情况包括内部测量回路损坏、碳刷磨损、绝缘子异常或绕组损坏。碳刷磨损可以及时更换，绕组损坏可以重新绕制，但测量回路和绝缘子故障时因结构复杂一般采用更换电机的方法，截止目前已更换过几次这个直流电机了，所以要求平时做好备件储备，以备急需。而交流电机性能相对稳定，故障率很低，基本属于免维护部件。
 
     2.2 A 轴电缆故障
 
     在自动运行中出现报警：106 A Servo error too large A轴伺服误差过大；185 A Cable Fault A 轴电缆故障。报警后自动停车，在检查过程中，发现 A 轴不能回零，机床也不能正常工作。打开 A 轴侧面驱动电机箱体，发现内部进了好多冷却液，电机外表也湿乎乎的。将电机拆下清理干净并烘干后检查，电机绝缘状况良好，绕组电阻值正常，碳刷也在正常磨损范围。再进一步查电机电缆，发现该电缆插头有碳化现象，而正因为插头碳化，导致 A 轴电机工作电流过大而报警，更换新电缆后故障消除。另外 A 轴电缆线无金属软管防护，悬空置于机床加工室内，长期加工时切削产生的碎屑和冷却液很容易对电缆形成破坏，多次对破损地方包扎处理，也试过用金属软管防护延长其寿命，但几年下来仍需要更换新电缆。
 
     2.3 电磁气阀故障
 
     电磁气阀控制 A 轴抱闸，当 A 轴要进行旋转或分度时，抱闸松开，旋转或分度结束后抱闸夹紧。某次自动加工过程中出现报警：106 A servo error too large A 轴伺服误差过大；138 Amotor over heat A 轴电机过热。
 
     例行检查，发现 A 轴不能转动，一给转动指令就出现 106报警，打开 A 轴侧面箱体，电机略有温度其余无异常。检查气阀，用小螺丝刀顶住阀芯，然后执行 A 轴转动，A 轴可以正常旋转，松开手 A 轴停止且马上就又有报警出现。于是判断应该是电磁气阀损坏影响到抱闸的松开，进一步测量是线圈烧坏。于是更换一个新电磁气阀后故障消除，机床恢复正常。
 
     2.4 A 轴回零磁性开关故障
  
     机床开机后回零时 A 轴可以转动但找不到零点，报警：168A Zero Ret Margin Too Small A 轴回零返回幅度太小。正常执行回零动作 A 轴转动在一圈之内，现在转动超过720°仍然找不到零点，在诊断页面中查看离散输入信号，Ahome switch 信号在 720°转动过程中没有由 1 变为 0，说明 A轴回零开关损坏。联系经销商采购回磁性开关，该开关嵌入安装到 A 轴侧面箱体内，安装时要注意其深度，防止安装过深转动时损坏开关。可以在诊断页面观察输入信号的变化，装好后试验回零，一次成功。
 
     3 、结束语
 
     主轴和 A 轴是机床的两个旋转轴，这几年来故障相对比X，Y，Z 几何轴要多，这就要求维修人员平日注意观察设备状况，熟悉设备运行规律，掌握设备结构原理，并做好日常易损件的备件储备，这样遇到故障就能及时找到原因并加以排除，保证设备的正常运转。