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淺析（xī）加工中心（xīn）主軸和機械手典型故障原因分析及解決

2021-1-8 來源：中國一（yī）拖（tuō）集團有限公司作者：閆百樓

摘（zhāi）要: 簡（jiǎn）要（yào）分析了加工（gōng）中心主（zhǔ）軸和機械手的幾（jǐ）個典型故（gù）障，及時有（yǒu）效地排除了故障，提（tí）高（gāo）了主（zhǔ）軸的可靠性和機械手的穩定性，縮短了加工中（zhōng）心的停機時間，為後期維修提供了寶貴的經驗。

關鍵詞（cí）: 編碼器; 主軸預緊力; 機械手

1 、加工中心主軸故障

1．1 加工中心主軸編碼器輸（shū）出軸斷故障的分析與排除

某公司主要生產 73． 5 k W( 100 馬力) 以（yǐ）上輪式拖拉機，NC800 臥式加工中心承擔著半軸殼體的加工（gōng）任務（wù），近段時間，在機床使用過程中頻繁出（chū）現（xiàn）主軸報警的故障現（xiàn）象，即在主軸定向時發生主軸輪廓（kuò）監控報警。經過快速檢查確認，故障原因是主軸位置編碼器與主軸箱連接的輸出軸斷裂，導致不能檢測主軸轉速，出現報警。

當時正值高產月，如果不盡快排除故障，將嚴重影響（xiǎng）拖拉機（jī）的生產進度。經查閱相關（guān）圖紙資料，該（gāi）主軸（zhóu）編碼（mǎ）器輸出軸（zhóu）結構以及斷裂（liè）部位如圖（tú） 1 所示( 圖中未注尺寸單位: mm) 。

圖 1 主軸（zhóu）編碼器輸出軸結構及斷裂部（bù）位

針對該故（gù）障，正常的維修方法（fǎ）是: 整（zhěng）體拆卸主軸箱，分解傳動機（jī）構，拆出輸出軸，測繪尺寸並加工備件，然後進行（háng）更換安裝。但此維修方法難度大，拆卸時間長。綜合主軸箱的拆卸、解體

、安裝（zhuāng），再加上測繪、加工備件等，整體停機時間應該在一周以上，費（fèi）力（lì）費時，且對該（gāi）公司生產任務的完成造成嚴重影響（xiǎng），需要想盡一切辦法盡快排（pái）除設備故障，保證正常生產。

經過（guò）研（yán）究分析（xī），根據（jù）編（biān）碼器輸出軸現場斷裂部位，以及現場空間大小（xiǎo），可以利用改進主軸箱位置編碼器輸出軸鎖母（mǔ）來解決該問題。這裏（lǐ）存在的（de）主要不（bú）確定（dìng）因素是同軸（zhóu）度問題，因為編碼器軸跳動應該小於0．10 mm。決定利（lì）用編碼器輸出（chū）軸末（mò）端（duān）外螺紋 M20×1.5 加工一根內螺紋軸，原編碼器采用 2 個結合子，現改為（wéi）一（yī）個結合（hé）子。

圖2 是新設計的輸出軸鎖母。加工出來的過渡軸安（ān）裝後經百分表驗證，跳動僅 0．05 mm，完全滿足編碼器（qì）的精度要求。經尺寸測繪、加工、安裝，在多部門的快速（sù）協助下，該問（wèn）題迅速得到了解決，僅用時 8 h 即恢（huī）複了（le）正常生產。沒有拆解主（zhǔ）軸箱，大大（dà）減少了設備停歇時間（jiān），為以後類似故障提供了一個好的解（jiě）決思路。

1．2 加工中心主軸拉刀機構的故障分（fèn）析與排除

DMC1035C 立式加工中心擔（dān）負著殼體類零件的主要加工任務。近段（duàn）時間以來，設備（bèi）開始（shǐ）出現主軸鬆（sōng）緊（jǐn）刀嚴重異響的（de）故（gù）障現象，導致緊刀信號不到位，換刀過程無法繼續進行，嚴重影響生產任（rèn）務的順利進行。

此（cǐ）台機床是德（dé）國進口設備（bèi），屬於電主軸結構，沒有圖紙可以查閱主軸拉刀機構的工作原理（lǐ），在谘詢廠家服務人（rén）員後，他們（men）為（wéi）了技術（shù）保密，直接（jiē）告訴要更換整套拉刀機構，而且價格昂貴，服務（wù）時間不（bú）定。在國產發動機更新換代的背景下，為了不影響高產月的（de）生產任務，為了消除主軸拉不緊刀的安全隱患，經設備部門領導批準，決定自（zì）己嚐試拆卸主軸，修複主軸鬆緊刀出（chū）現的嚴重異響（xiǎng）故障。

圖 2 新（xīn）設計的輸出軸鎖母( 圖中未注尺寸單位: mm)

1) 拆卸外部防護罩( 見圖 3 ) 。手動方式下，多次試驗並觀察主軸的鬆緊刀過程，初步確定異響的發生部位。

圖 3 主軸外部防護罩的拆除

2) 在多次觀察主（zhǔ）軸裝卸（xiè）刀（dāo）的過程中，發現主軸在鬆刀時會發出“嘭”的異響，而且響聲比較大（dà）。摘掉主軸上的刀具，檢查（chá）拉爪並沒有發現明顯磨損的情況，排除了（le）拉爪與（yǔ）刀柄（bǐng）撞擊發出異響的可能( 見圖 4) 。

圖 4 主軸（zhóu）拉爪（zhǎo）並沒有發現明顯的（de）撞擊痕跡

3) 一般主軸的拉刀（dāo）機（jī）構都可以通過調（diào）整缸體帶（dài）動拉刀杆的行程來（lái）滿足主（zhǔ）軸鬆緊刀的程度，於是想通過調整拉刀行程來嚐試消除拉（lā）刀的異響故障，但是這樣就必須脫開主軸電機，由於此台設備屬於電主軸結構，所以需要拆出整個主軸才（cái）能（néng）觀（guān）察到內部缸體與拉刀杆的結構原理。

4) 拆出整個主（zhǔ）軸後( 見圖 5) ，我們發現拉（lā）刀機構的行程是由 2 個氣（qì）缸組成的增壓（yā）缸( 見（jiàn）圖 6) 來（lái）控製，而增壓缸末端（duān）有一個卡簧發生了明顯的位移與變形，分析後發現此卡簧正是起到增壓缸末端活塞的限位作用（yòng）。由於卡簧限不住位，所以（yǐ）缸（gāng）體（tǐ）的（de）活塞在（zài）縮回時縮不到位，攏不住氣（qì），即導致鬆刀時出現異響。

圖 5 拆出主軸，脫出拉刀機構

圖 6 2 個缸體組成的增壓缸

圖 7 拆除損壞的卡簧與密封

5) 更換損壞的卡簧和密封( 見圖 7) 後，利用壓縮空氣（qì）接兩路氣（qì）管進行了鬆緊刀的試驗，沒有出現鬆刀異響的（de）故障現象，於是（shì）重新安裝調試，解決了這一疑難故障。

經過（guò） 2 個月的修複，完成了（le）從拆卸拉刀機構、清理髒灰，到分析問題、掌握（wò）其工作原理、更換（huàn）備件等一（yī）係列維修工作( 見（jiàn）圖 8) ，有效地解決了（le）換刀故障頻繁發生的問題（tí），提高了設備使用（yòng）效率，生（shēng）產（chǎn）效（xiào）率大大提高。

圖 8 故障排除後設（shè）備運行正常

1．3 加工中心鏜孔圓度誤差的故障分（fèn）析與排除（chú）

該公司加工中心種類繁多（duō），加工工藝複（fù）雜多變。加工中心在加工傳動箱殼體類零件的（de）鏜孔時圓度誤差（chà）不穩定，有時超差達到 0． 05 mm 左右，X 軸相對（duì）於工（gōng）作台回轉中（zhōng）心機械原點的位（wèi）置也極（jí）不穩定，反（fǎn）映到箱體的加工精度很難保證，嚴重影響了傳動箱殼體類零件的加工精（jīng）度，直接影響了產品（pǐn）質量的提（tí）升。為了提升產品質量，解決鏜孔圓度誤差及確保 X 軸（zhóu）零點穩定就顯得尤為重（chóng）要。

1) 針對各機床的不同情況，製定合理的解決方案。例如: Ｒ1200－U 加（jiā）工中心在加工過程中出現鏜孔橢（tuǒ）圓現象，是拉刀（dāo）不緊導致; Storm1400 加（jiā）工中心的鏜（táng）孔（kǒng）橢圓現象是主軸軸（zhóu）承磨損導致（zhì）; HPC800 加工中心鏜孔圓度誤差及 X 軸零點不穩是絲杠與軸承之間的傳動間隙過大導致。

2) 首先檢查各機床的主軸跳動，檢查主軸拉刀機構，必要時更換，保證拉刀可靠（kào）。例如: Ｒ1200－U加工中心更換拉刀（dāo）杆與碟簧後，有（yǒu）效地降低（dī）了圓度誤差。

3) 檢查主軸軸承（chéng）是否因磨損導致軸承預緊不夠而影響主軸跳動。如果（guǒ）發現軸承磨損，則更（gèng）換主軸軸承（chéng），例如（rú）: Storm1400 加工中心在更換主軸軸承後明顯改善了加工過程（chéng）中的鏜孔橢圓問題。

4) 最後檢查 X 軸絲杠及軸承間隙（xì）。如果間隙調整未果（guǒ）時就要更換軸承及絲杠，從而徹底消除傳動間隙。例如: HPC800 加工中心鏜（táng）孔圓度誤差及 X軸零點不穩（wěn）就是絲杠（gàng）與軸承的傳動間隙過大導致的。在更換 X 軸軸承與絲杠之（zhī）後，調整 X 軸平衡，檢（jiǎn）驗 X 軸零點，有效（xiào）地控製了鏜孔圓度誤（wù）差及 X 軸零點不穩這一現象的發生。

2 、加工中心機械（xiè）手故障的分析與排除

HP1250 銥鎦數（shù）控鏜銑床擔負著箱體類零件主要的加工任務。2019 年 3 月以來，該設備開始頻繁出現機械手換刀故障，導致（zhì）換刀過程無法繼續進行，嚴重影響生產任務的順利進行。此機（jī）床最初隻是普通數控鏜銑床，後來（lái）為滿足加工需求，配套了刀庫係統，使之成為同（tóng）加工中心一樣的數控設備。由（yóu）於長（zhǎng）期使（shǐ）用，並且機床本體在與（yǔ）刀庫係統的配合上存在不足，此台機（jī）床在機（jī）械手換刀時，經常會出現機械手旋轉、伸縮和歸（guī）刀時的一係列故障問題，而且故障頻發，嚴（yán）重影（yǐng）響（xiǎng）生產任務。

1) 觀（guān）察（chá）機械手換刀過程，分析機械手在換刀過程中的伸縮、旋轉、滑移和歸刀等換刀分段動作，初步確定造成換刀故障的原因。

2) 在多次換刀觀察後發現機械手在旋轉時總會出（chū）現旋轉無力的現象（xiàng），旋轉過程（chéng）中有死點存在，輕敲才會（huì）進行（háng）接下來的換（huàn）刀動作（zuò），排除了液壓馬達的問題。在緊固連接處的油管接頭、改良密封、拆掉機械手（shǒu）、清理缸套內壁（bì）、更換掉旋（xuán）轉的兩套軸承( ＲST010)後，這一現象得到了明顯（xiǎn）好轉（zhuǎn）。圖 9 為機械（xiè）手旋轉（zhuǎn）馬（mǎ）達，圖 10 為（wéi）清理機械手內壁並更換軸承。

圖 9 機械手旋轉馬達

圖 10 清理（lǐ）機械手內壁並（bìng）更換軸承

3) 此外，該設備的機械手在（zài）歸刀過程中，總會出現歸不進刀的情況，容（róng）易造成掉刀。在多次觀察後發現歸刀位置存在偏差。由於該機床刀庫係統屬（shǔ）於（yú）改造後的係統，無法通過參數（shù）調整刀（dāo）庫機械手換刀位置的高低，所以隻能通過機械調整。

4) 該機械手的換刀位（wèi）置高低可以通過調（diào）整機械手轉軸兩端的鎖（suǒ）母( 見圖 11) 來（lái）控製。經檢查發現機床原有（yǒu）的鎖母無鎖緊功能，長時間使用會造成軸向的（de）輕微移動，故過段時間就出現歸刀故障。

圖 11 旋轉軸鎖母

5) 為（wéi）了徹底（dǐ）解決歸刀故障，決定改進原有鎖母，更換為本身帶（dài）有自鎖功能的鎖母，以（yǐ）達到限位（wèi）要求。經（jīng）過2 個月左右的徹底修複，完成了從機械手旋轉油缸螺釘的緊固、油管接頭的密封及緊固，到機械手伸縮軸承的更換及其缸套內（nèi）壁（bì）的清理等一係列工作（zuò），有效地解決（jué）了機（jī）械手故障頻繁發生的問（wèn）題。

3 、結（jié）束語

加（jiā）工中心主軸是加工中心的核心部件，機械手在加工中心是執（zhí）行部位。通過日常檢查及時發現並處理（lǐ）加工中（zhōng）心常見的機械故障，減少（shǎo）加工（gōng）中心的故障停機次數和維（wéi）修時間，保證加工中心的（de）日常運轉，延長加工（gōng）中心的使用壽命，為企（qǐ）業生產節省成本。

結合日常維修中的典型實例對加工（gōng）中心主軸和機械手（shǒu）的故障進行分析與總結，及時有效地排除故障，提高了主軸的可靠性和機械手的穩（wěn）定性，縮短（duǎn）了加（jiā）工中心停機時間，為拖拉機生（shēng）產保駕護航! 同時也為後期（qī）維修提（tí）供了寶貴的經驗。

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