坐標磨床機械構造詳解及案例分析

肖巍

（中國航發哈爾濱東安發動機有限公司，黑龍江 哈爾濱150000）

1 坐標磨床結構原理

坐標磨床主要用于磨削加工零件內孔、端面、外徑，機床一般具有四個直線軸和一個旋轉軸；可實現X、Y、Z、W、C 五個軸的運動。坐標磨床常采用龍門結構設計，典型的運動方式為單電機驅動雙渦輪副，再由蝸輪副帶動雙絲杠完成橫梁在W 軸方向的運動。目前性能較為優越的高精度數控坐標磨床，其核心機械機構在于關聯運動的傳遞，圖1 中介紹了高精度坐標磨床的機械結構原理。

該機床Z 軸執行的是上下運動動作，機床Z 軸可以通過大手柄進行手動往復運動，也可以通過液壓系統實現自動上下運動。

當用大手柄（19）順時/逆時針轉動時，通過驅動齒輪（15）帶動傳動齒條（16），而傳動齒條（16）與機床液壓油缸（1）的活塞桿通過技術手段連接在一起，液壓油缸（1）固定在機床本體上，傳動齒條（16）帶動活塞缸上、下運動時，相應的帶動連接板（20）上下運動，連接板的移動會帶動滑套（19）相應運動，從而滑鍵套（18）在齒輪（7）內孔中相應滑動，從而實現了Z 軸的手動上下運動。依靠曲柄（8）、滑桿（9）、托架（10）、彈簧（11）實現機床Z 軸運動時的配重。

圖1

機床橫梁W 軸上下運行時出現過載現象，復位后慢速運行W 軸，在機床伺服監控界面進行觀察，發現W 軸負載顯示超過了200%。對于該故障通常需要從電氣和機械兩方面進行分析解決。

2.1 電氣故障判斷

啟動機床之后，運轉W 軸，在伺服監控畫面中觀察電機電流，可以看到當W 軸不運動時電機電流不變化，但運動時負載逐漸增大，直到報警出現，在檢查過驅動器和相關參數后，控制部分的原因基本排除。

檢測W 軸電機，電機繞組阻值平衡且對地絕緣良好，初步判斷電機狀態正常，同時檢測溫度也在合理范圍內。初步判斷電機運行正常。但機床橫梁一側的立柱絲杠軸承燙手。將電機與傳動機構聯軸節脫開，單試電機，一切正常，負載很小。電機溫升正常。由此可見W 軸機械負載存在故障。

2.2 機械故障判定

機床橫梁傳動鏈較多，為了快速鎖定故障點，這里采用了紅外測溫儀進行檢測，發現在橫梁一側的絲杠附近溫度異常升高，進一步檢查后發現絲杠上端軸承為發熱源。由此可見W 軸機械環節存在異常。

機床出現軸承過熱，有幾方面因素：首先是絲杠軸承損壞引起；其次是橫梁不平衡造成受力不均導致負載過大；最后就是傳動鏈松動或傳動不穩定引起。

機床橫梁是采取雙絲杠驅動，移動Y 軸檢測橫梁對工作臺的平行度，發現平行度誤差為0.13mm。由此可判斷該故障的原因是橫梁兩側的傳動絲杠存在高度差，造成橫梁在不平衡的狀態下運動，導致負載異常。進一步檢查兩側絲杠副，未發現間隙過大或損壞的現象，在橫梁傳動機構中遠離電機一側的絲杠端部預緊螺母有明顯松動。至此可判斷機床機械故障是由蝸輪副傳動導致。驅動電機與蝸輪副傳動如圖2 所示。

通過錐形連接件4、5 將蝸桿軸與光桿軸連接起來通過螺釘進行鎖緊，連接件4 錐度側帶有開口槽，錐度面插入連接件5 的孔中依靠收縮鎖緊使其與蝸桿軸固定；連接件1、2、3 將連接件4 與光桿軸連接，連接件3 套在連接件4 的左側光軸上，漲緊套2 放入連接件3 內部依靠連接件1 實現非錐面側的鎖死。通過以上方式完成了光桿軸與蝸桿軸的固定連接。

機床橫梁即W 軸運動是依靠一個伺服電機帶動2 個蝸桿，蝸桿1 和蝸桿2 分別與兩側絲杠上的蝸輪進行嚙合，在維修時需將磨頭座固定之后再進行維修分解。光桿軸主要用來連接蝸桿，在長度為1190mm 處的中間位置有一軸承支撐座，用來防止擺動。分解后對機床光桿軸檢查中發現，連接蝸桿的部分有明顯摩擦造成的劃傷，因此機床負載異常的問題是由于遠離電機一端的蝸桿固定漲緊機構發生相對運動，導致橫梁不平衡發生扭曲造成。維修過程中進行修磨處理使其滿足要求，并對蝸桿和蝸輪軸承進行檢查未發現異常。重新安裝，故障得以修復。

2.3 機床精度調整

機床橫梁調整完畢之后還需要對機床主軸中心線與工作臺垂直度進行檢測，測量時將千分表固定于磨頭主軸，使測針以主軸中心為圓心，直徑300mm 處轉動，千分表示數波動在0.005mm 以內時視為精度合格，如發現超差，需要通過滑座來調整主軸整體幾何位置。

3 Z 軸失控案例分析

機床加工過程中偶爾會出現故障造成下落，實現Z 軸自動往復運動采用的是液壓控制，液壓控制原理如圖3。

圖3

機床出現加工過程中Z 軸突然下落故障，對于液壓油缸來講，有可能是油缸活塞桿膠圈損壞，導致液壓壓力突然出現波動引起故障發生。

機床液壓圖中液壓油缸1.12 即是控制Z 軸上下運動的動力裝置。當機床Z 軸保持固定位置不變時，液壓油缸1.12 左右兩腔的液壓油通過其上所連通的細油管導通，使油缸左右兩腔壓力相同，并將該液壓油缸中的液壓油排入到液壓油箱，進而保持固定位置不變。兩腔相通的油管比較細，這樣能保證在向一側運動時不至于立即將兩腔壓力趨于平衡，從而實現上下運動。

為判斷活塞油缸是否存在故障，將油缸中的相通細油管斷開一處，然后給液壓油缸供油，并保持一段時間，檢查液壓油缸另一側斷開的細油管開口處是否一直有液壓油流出，若流出則說明液壓油缸活塞膠圈確實存在泄漏現象。通過實際結果確認液壓油缸活塞膠圈沒有問題，可以排除液壓油缸這一因素。下一步研究機床Z 軸液壓控制回路，在Z 軸往復運動中，起主要作用的是比例伺服閥。在電氣圖中可以看到控制該比例伺服閥的信號來自伺服單元，從伺服單元來的信號與該比例伺服閥相連的信號可以明確判斷信號來源和正常值范圍。從比例伺服閥上的信號逐一進行檢查，在1、9 腳上所測電壓為24V；2、10 腳所測為0V 且線沒有短路、斷路現象；3 腳信號為使能信號也是正常的；機床該閥工作正常11 腳信號也正常；對于5、7 腳0V 進行測試也是正常的；4 腳XS 信號電壓大小取決于輸入Z 軸速度快慢，速度越大該電壓值越大；5 腳X1 信號大小與XS 信號大小相同起反饋作用。通過對這些新號進行監控未發現異常。懷疑比例伺服閥本身存在問題，導致輸入或輸出信號雖然正常，但閥的開口大小卻存在失控現象，所以導致機床Z 軸偶爾出現掉落故障。因此斷定機床比例伺服閥存在問題，更換同型號比例伺服閥后，進行監控該故障再未出現。

4 結論

坐標磨床作為高精度的加工技術，其機械傳動機構和液壓控制都是精度要求較高的先進工藝，在實際操作中關注設備的各部件運行狀態，能夠有效避免設備故障的惡化。通過對坐標磨床相關部件的檢查和調整，獲得持續穩定的工作狀態。