数控铣床拉刀故障诊断与维修论文

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数控铣床拉刀故障的诊断与维修论文

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。

关键词：数控铣床;拉刀故障;诊断与维修;流程图

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YV

1、YV2控制主传动系统中的液压变速机构(通电为高挡)，电磁阀YV

1、YV3控制拉刀机构。

松刀时，电磁阀YV

1、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YV

1、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有：(1)松、拉刀按钮开关;(2)拉刀活塞杆行程限位开关;(3)PMC控制器;(4)继电器及线路;(5)电磁阀及线路等。

在这些故障分析点中，松、拉刀按钮开关、继电器由于频繁使用，容易疲劳损坏;PMC控制器属于技术成熟的数控系统产品，在弱电环境下工作，一般不易损坏。

(二)机械及液压回路故障分析点

机械及液压回路故障分析点主要有：(1)主轴拉刀机构;(2)活塞油缸;(3)油管;(4)电磁阀;(5)单向阀;(6)溢流阀;(7)液压泵;(8)压力表;(9)碟形弹簧等。

在这些故障分析点中，主轴拉刀机构中的活塞杆、拉刀爪、拉杆以及电磁阀、碟形弹簧等，由于频繁动作，容易疲劳损坏;油管易老化漏油。

XKA714B/F立式数控铣床拉刀故障诊断与维修

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，因为按钮开关、继电器、电磁阀的通断状态可以通过PMC诊断地址及发光二极管等状态指示灯来快速判断，直观、快捷，故先从电气回路开始检查(液压泵及压力表也可直观检查)，然后再对机械及液压回路进行检查。

从图3所示XKA714B/F数控铣床拉刀故障综合诊断流程图可知，故障诊断与维修步骤如下：

第一步，维修准备。

准备好XKA714B/F立式数控铣床对应的系统操作说明书、机床生产厂家提供的机械说明书、电气说明书、维修手册和维修记录等，同时准备好机床维修的常用必备工具。

第二步，现场勘察。

首先察看一下XKA714B/F数控铣床的具体故障现象。

然后查看报警信息，锁定故障范围，机床状态提示：处于松刀状态。

最后，查阅发生故障铣床的机械及电气说明书，了解松/拉刀按钮开关地址位、PMC刀具松紧输出地址位、松紧刀电磁阀控制和液压系统原理图。

第三步，悬挂维修中，请勿靠近警示牌，在机床手动状态下，主轴停转，按下紧刀按钮，检查PMC输入地址X34.0的状态变化。

如果没有变化，检查紧刀按钮开关及其至PMC的线路。

若开关损坏，则更换开关;电路断路，则维修电路。

第四步，如果第一步不存在问题，即PMC输入地址X34.0的状态有变化(由0变为1)，则检查PMC输出地址Y2.

1、Y2.2的状态变化。

若状态没有变化，根据梯形图判断哪些条件不满足，针对不满足条件，相应调整机床操作方式。

第五步，如果第四步不存在问题，即PMC输出地址Y2.

1、Y2.2的状态有变化(由0变为1)，继电器KA10和KA11应依次由通到断。

若KA11和KA10其中有未断开现象，则检查PMC至KA10线圈的线路(因为松刀动作正常，故可以判断KA11和YV1都是正常的)，如果线路短路则检修线路。

第六步，如果第五步不存在问题，即KA11和KA10正常断开，电磁阀YV3由吸合转为断开，线圈插头指示灯由亮转灭。

若电磁阀未由吸合转为断开，检查KA10触点及YV3线圈至 KA10触点的控制线路，如果触点损坏，则更换继电器;如果线路短路，则检修线路。

第七步，如果第六步不存在问题，即电磁阀YV3由吸合转为断开，说明YV1和YV3线圈正常，则检查YV3阀芯是否正常动作、能否切换油路。

若YV3阀芯动作不正常，应先检查活塞缸下腔油管有无波动，在机床断电情况下，拆开油管接头，查看油管是否通油，如果不通油，则疏通或更换油管;然后用内六角扳手插入阀芯孔，感知阀芯移动距离，如果距离小于正常移动距离，则说明阀芯被堵塞或复位弹簧弹力不足，可用新阀替换或拆阀进行检修。

第八步，如果第七步不存在问题，即YV3阀芯正常动作，可正常切换油路，则检查油缸及活塞杆是否正常。

如果不正常，油缸进出油口及活塞杆被堵塞，则拆开检修。

第九步，如果以上各步检查均正常，则诊断维修结束。

总之，针对这类故障，不管是主轴拉不紧刀，还是主轴松不下刀，只要掌握了控制回路的电气、机械及液压原理，依据故障现象，逐一分析控制回路的各个环节，由简到繁，就不难找出故障点并排除故障。

数控机床是一种自动化程度高、机械结构较复杂的加工设备，要充分发挥机床的高效益，就必须正确操作使用和精心维护，这样可防止设备产生非正常性磨损，保持其良好的技术性能状态，延缓劣化进程，保证生产安全运行。

参考文献：

[1]韩鸿鸾，张秀玲.数控机床维修技师手册[M].北京：机械工业出版社，2006.

[2]冯荣军.数控机床故障诊断与维修[M].北京：中国劳动出版社，2007.

[3]牛志斌.数控机床现场维修555例[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]王海勇.数控机床结构与维修[M].北京：化学工业出版社，2009.

数控机床伺服闭环控制论文

摘要：文章介绍了数控机床伺服闭环控制系统的主要要求，PID控制方法在速度闭环控制的应用，以FANUC机床为例，具体阐述了PID参数的调试方法，具有实际的应用意义。

关键词：伺服系统;闭环控制;PID

一、引言

数控系统中伺服控制系统的设计，均要考虑稳定性、动态特性、稳态特性、鲁棒性等方面的性能指标。

稳定性：这是伺服控制系统设计的最基本要求。

控制系统的稳定性可分为系统内部稳定性和系统外部的稳定性。

所谓系统内部的稳定性即在任意初始状态下伺服控制系统都能精准定位;系统外部的稳定性即为伺服控制系统有外部干扰时，也能自我调节，使得位移和速度达到控制目标。

动态特性：即系统运行过渡过程的形式和速度，其中包括响应速度和超调量。

系统的响应速度可用系统过渡过程所经历的时间来表示;而超调量是指系统的最大振幅度。

一般而言，不同的系统对动态特性会有不同的要求，对于数控伺服系统而言，响应速度越快，系统跟随误差越小，控制精度就越高。

稳态特性：当过渡过程结束后，系统达到稳定状态时，其被控量的稳态值与望值一致性程度。

对于任何数控伺服系统，由于存在着系统结构、外部干扰、以及内摩擦等非线性因素的影响，被控量的稳态值与期期望值之间总会有误差存在，该误差称为稳态误差。

稳态误差是衡量控制系统控制精度的重要标志，有好的稳态误差补偿，伺服系统将获得良好的位置控制精度和跟踪速度。

鲁棒性：当系统的约束条件发生变化时，系统的功能特性不会受到什么影响。

系统的鲁棒性好，当参数发生变化时，系统依然能够保持其稳定性;在过渡过程中，系统的响应速度和超调量基本上不受参数变化的影响。

机床在长期的使用过程中，有机械磨损及其他硬件的变化，伺服系统必须保持加工误差在一定范围内，因此，鲁棒性很重要。

二、PID算法在数控伺服闭环控制中应用

PID(Proportional Integraland Differential)控制技术是最早发展起来的控制策之一，至今已有数十年历史。

它以算法简单、鲁棒性好、可靠性高、调整方便等优点而被广泛应用于工业控制中。

当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。

在实际工程应用中，根据需要也可用PI控制和PD控制。

PID控制器就是根据系统的偏差，通过比例、积分和微分运算来对控制量进行调节的。

数控伺服闭环速度控制如图1所示，在数控加工中，加工轴虽然随着负载特性变化而变化，但由于采用了PID控制，可以修正到等于指令速度。

PID控制器作为一种线性控制器，它将速度指令r(t)和反馈的实际速度y(t)进行比较后构成控制偏差e(t)，再将该偏差按比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成系统控制量u(t)来控制驱动器，输出功率控制伺服电机，对电机速度进行精确控制。

上述PID控制器的输出函数可描述为：

u(t)=Kpe(t)+Ki■e(t)dt+Kd■

三、PID参数调试的具体方法

以FANUCOi机床为例，有菜单操作，显示伺服参数设置画面如图2所示。

当设置驱动器为速度模式控制时，在完成对伺服驱动器参数的优化后，引入控制器对速度环的作用。

控制器可调的基本伺服参数即为比例常数KP、微分常数Kd以及积分器Ki。

控制器滤波传递函数为：

D(z)=4 Kp+■+■

手动调整PID各项参数：

第一，确定速度比例增益Kp值。

当伺服系统安装毕，必须调整各项PID参数，使得系统稳定运行。

可首先调整速度比例增益Kp值，因为Kp值是PID参数中对超调影响最大，可再调整之前将积分增益Ki及微分增益Kd设置为零，接着逐渐加大Kp值，主要考量伺服电机停止时是否有振荡现象，以此手动方式调整Kp参数，观察电机旋转速度有无明显忽快忽慢现象。

若Kp值加大到产生上述现象时，必须将Kp值降低，减少超调量，消除振荡，稳定旋转速度。

以此初步确定Kp值。

第二，确定积分增益Ki值。

逐渐加大积分增益Ki值，使积分效应逐渐产生。

由PID控制原理可知，Kp值配合积分效应增加到临界值后会产生振动不稳定现象，此时回调Ki值，消除振荡现象，稳定旋转速度。

此时的Ki值既可为初步确定的参数值。

第三，调整微分增益Kd值。

微分增益主要目的就是平稳旋转速度，降低超调量，微分控制也是一种预先控制，在超调量发生之前做适当的校正。

可逐渐加大Kd的值，改善速度稳定性。

最终，数控机床伺服闭环控制速度曲线如图3所示。

四、总结

数控机床伺服闭环控制系统的调整主要是针对闭环控制器的PID参数增益进行调整，使得机床工作误差最小，达到一个最优状态。

其中速度环的调整是整个系统调整中最关键的，也是最难调整的。

通常，在了解伺服增益的限制因素上，先调整比例增益参数，再调试积分参数，最好调整微分参数。

对于每个增益参数的调整，都是从低慢慢地增加，以确保系统稳定。

参考文献：

1.包杰,李亮,何宁.基于PC的开放式数控系统微铣削伺服控制的研究[J].机械科学与技术,2009(9).

2.颜嘉男.伺服电机应用技术[M].科学出版社,2011.