數控銑床拉刀故障的診斷與維修*

劉加勇

（北京市工貿技師學院 北京 100097）

數控銑床拉刀故障的診斷與維修*

劉加勇

（北京市工貿技師學院 北京 100097）

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。

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。

圖1 松刀動作電氣控制流程圖

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。

圖2 拉刀動作電氣控制流程圖

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。

圖3 XKA714B/F數控銑床拉刀故障綜合診斷流程圖

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。

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G712

A

1672-5727（2012）04-0122-03

北京市工貿技師學院教學研究基金資助項目《數控機床典型故障診斷與維修的研究》（項目編號：GMKY201006）

劉加勇（1979—），男，湖北襄陽人，工程碩士研究生在讀，北京市工貿技師學院講師，機械系主任，研究方向為數控機床故障診斷與維修。