2012/4/30 0:00:00
摘要：拉刀故障是数控铣床的常见故障之一，主轴松、拉刀动作涉及电气、机械及液压回路，回路中任何一个环节的失效都会引起机床拉刀动作故障。本文从企业维修案例着手，介绍了XKA714B/F数控铣床主轴结构和控制原理，分析了常见的故障点，并采用流程图的形式介绍了故障诊断方法，最后对故障维修方式进行了探讨。
在企业生产过程中，XKA714B/F立式数控铣床主轴会出现如下故障现象：操作工人在进行手动换刀操作时，刀具可以拿下，但装上刀后，按“主轴拉刀”按钮，拉刀动作明显比平常慢，重复一次松、拉刀过程，拉刀时间变得更长，再重复几次后，拉刀动作几乎没有了。机床状态提示：处于松刀状态。
拉刀故障是数控铣床的常见故障之一。主轴松、拉刀动作涉及电气、机械及液压回路，回路中任何一个环节的失效都会引起机床拉刀动作故障。要分析和排除松、拉刀这一故障，首先要知道主轴部件的机械结构组成及松、拉刀动作的原理及过程，然后熟悉常见的故障点，掌握故障诊断思路及流程，最后维修排除故障。
主轴结构和控制原理
数控铣床一般可分为立式铣床、卧式铣床和立卧两用数控铣床三种。本维修案例使用的是XKA714B/F立式数控铣床，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、液压系统、伺服装置、数控系统等组成。床身用于支撑和连接机床各部件，主轴箱用于安装主轴，主轴内装有拉刀机构，拉刀机构采用液压装置及碟形弹簧来完成拉刀、松刀动作。主轴下端的锥孔用于安装铣刀。当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z向移动，使刀具上升或下降。工作台用于安装工件或夹具，可沿滑鞍上的导轨在X向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y向移动，从而实现工件在X和Y向的移动。无论是X、Y向，还是Z向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现。伺服装置用于驱动伺服电机，主传动系统由5.5kW的变频电机驱动，电机安装在主轴箱的顶面，经过齿轮传动，可以实现无级变速。控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态，控制电源用于向伺服装置和控制器供电。
（一）XKA714B/F立式数控铣床主轴部件的机械结构
主轴部件主要由刀具自动夹紧装置、自动吹净等装置组成。为了适应主轴转速高和工作性能要求，前、后支承都采用了向心推力轴承。（1）前支承是三个向心推力球轴承，背靠背安装，前面两个支承大口朝向主轴前端，后一个轴承大口朝向主轴尾部。前支承既承受径向载荷，又承受两个方向的轴向载荷。（2）后支承是两个向心推力球轴承，也是背靠背安装，小口相对。后支承只承受径向载荷，故轴承外圈轴向不定位。主轴轴承采用油脂润滑方式，迷宫式密封。
刀具自动夹紧装置 数控铣床主轴组件由活塞、螺旋弹簧、拉杆、碟形弹簧和4个钢球组成。该机床采用锥柄刀具，刀柄的锥度为7∶24，它与主轴前端锥孔锥面定心。夹紧时，油缸上腔接回油，下腔接压力油，压力油和螺旋弹簧使活塞杆向上移动，拉杆在碟形弹簧压力作用下也向上移动，钢球被迫进入刀柄尾部拉钉的环形槽内，将刀具的刀柄拉紧。放松时，即需要换刀松开刀柄时，油缸上腔通入压力油，下腔接回油，使活塞杆向下移动，推动拉杆也向下移动，直到钢球被推至主轴孔径较大处，便松开刀柄，将刀具连同刀柄从主轴孔中取出。刀具的刀柄是靠碟形弹簧产生的拉紧力进行夹紧的，以防止在工作中突然停电时刀柄自行脱落。在活塞杆上下移动的两个极限位置上，安装行程开关，用来发出刀柄夹紧和松开的信号。在夹紧时，活塞杆下端的活塞杆端部与拉杆的上端面之间应留有一定的间隙，约为4mm，以防止主轴旋转时引起端面摩擦。
自动吹净装置 主轴换刀时，需自动清除主轴装刀锥孔内的切屑或灰尘，以便保护主轴锥孔和刀柄表面，确保刀具定位安装精度。因此，该机床采用压缩空气自动吹净装置。当刀柄从主轴锥孔拔出后，压缩空气通过活塞杆上端喷嘴经活塞和拉杆的中心孔，自动吹净主轴锥孔。
（二）XKA714B/F立式数控铣床液压系统控制原理
液压站油箱位于机床的后侧，油箱容积为40L。当油面低于油标显示位置时要及时添加；液压油使用2000h后，要进行更换。液压控制板装在液压站油箱上面，由一个1.1kW的电机驱动液压泵完成液压系统的供油和主轴箱的润滑，液压系统的调定压力为3.5MPa。液压系统控制三个二位四通的电磁阀，电磁阀YV1控制主轴箱润滑油路，电磁阀YV1、YV2控制主传动系统中的液压变速机构（通电为高挡），电磁阀YV1、YV3控制拉刀机构。
松刀时，电磁阀YV1、YV3同时通电，阀芯切换油路，液压油进入油缸上腔，油缸下腔接回油，活塞杆向下动作，油缸顶部行程限位开关向PMC发出反馈信号，松刀完成。
拉刀时，电磁阀YV1吸合、YV3断开阀芯切换油路，液压油进入油缸下腔，油缸上腔接回油，活塞杆向上动作，油缸顶部行程限位开关向PMC发出反馈信号，拉刀完成。
需要变速时，电磁阀YV1通电，电磁阀YV2则按高低挡要求通或断；变速完毕或装刀完毕电磁阀YV1即断。
液压系统还负责润滑主轴箱内的齿轮及轴承。主轴箱内的润滑油通过主轴箱背面的回油管流回油箱。如发现主轴箱下柔性挡板防护罩处有漏油现象，应立即停止使用并检查主轴箱润滑回油管路是否通畅，严禁在主轴润滑回油系统不畅的情况下使用机床。液压油管均是通过拖链装置到达主轴箱。当系统发出油路堵塞报警时，应对液压箱的滤油器及时清理。
（三）XKA714B/F立式数控铣床主轴松、拉刀电气系统控制原理
只要控制电磁阀YV1、YV3就可以实现拉刀、松刀的动作，但是，电磁阀怎么跟PMC联系呢？这需要通过PMC对电磁阀进行控制。一般而言，实现拉刀、松刀的动作需要用到的PMC输入接口有松紧刀允许、紧刀、拉刀；输出接口有刀具松/紧、液压油路开关、松紧刀允许指示灯、松刀指示灯、紧刀指示灯，每个接口都用相应的地址位来表示。通过XKA714B/F立式数控铣床主面板输入地址电气图可以查出，松紧刀允许按钮的输入地址位是X33.4，紧刀按钮的输入地址位是X34.0，松刀按钮的输入地址位是X34.1；通过XKA714B/F立式数控铣床PMC输出地址电气图可以查出，刀具松/紧的输出地址位是Y2.1，液压油路开关的输出地址位是Y2.2；通过XKA714B/F立式数控铣床主面板输出地址电气图可以查出，松紧刀允许指示灯的输出地址位是Y33.4，紧刀指示灯的输出地址位是Y34.0，松刀指示灯的输出地址位是Y34.1。
那么，松紧刀允许按钮的地址位X33.4、紧刀按钮的地址位X34.0、松刀按钮的地址位X34.1和控制拉刀以及松刀的输出地址位Y2.1．Y2.2有什么关系呢？当同时按下“松紧刀允许”和“松刀”按钮后，输入信号经地址位X33.4和X34.1传递给PMC，PMC通过输出接口Y2.1来控制拉刀或松刀动作，具体控制过程查看XKA714B/F立式数控铣床松刀按钮控制梯形图，可以看出，当触点X33.4和X34.1接通时，松紧刀允许指示灯Y33.4和松刀指示灯Y34.1亮，线圈Y2.1工作，继电器KA10和KA11指示灯亮，松刀完成。也就是说通过Y2.1来控制电磁阀，由于电磁阀所需要的驱动电流比较大，而PMC的输出接口驱动能力比较小，所以先由Y2.1控制继电器KA10，然后再由继电器KA10来控制电磁阀YV3的动作；同理，由Y2.2控制继电器KA11，然后再由继电器KA11来控制电磁阀YV1的动作。
（四）XKA714B/F立式数控铣床主轴松、拉刀动作控制过程
动作控制过程包括松刀动作控制过程和拉刀控制过程。
松刀控制过程 从图1可以看出，当按下松刀按钮后，输入信号经地址位X34.1传递给PMC，PMC通过输出接口Y2.1和Y2.2来控制继电器KA10和KA11吸合，使得电磁阀YV1和YV3得电，阀芯切换油路，液压油进入油缸上腔，油缸下腔接回油，使活塞杆向下移动，推动拉杆也向下移动，压缩碟形弹簧，拉刀爪松开，油缸顶部行程限位开关向PMC发出反馈信号，松刀完成。
拉刀控制过程 从图2所示拉刀动作电气控制流程图可以看出，当按下拉刀按钮后，输入信号经地址位X34.0传递给PMC，PMC通过输出接口Y2.1和Y2.2来控制继电器KA10断开和KA11吸合，使得电磁阀YV1得电吸合、YV3断开，阀芯切换油路，液压油进入油缸下腔，油缸上腔接回油，压力油和螺旋弹簧使活塞杆向上移动，拉杆在碟形弹簧压力作用下也向上移动，拉刀爪拉紧，油缸顶部行程限位开关向PMC发出反馈信号，继电器KA11断电，电磁阀YV1断电，液压油转向润滑油路，拉刀完成。
XKA714B/F立式数控铣床拉刀常见故障点分析
数控铣床拉刀故障应综合考虑电气故障、机械故障和液压故障。
（一）电气回路故障分析点
电气回路故障分析点主要