任务3.1.3 机床常见故障诊断与排除
一、典型结构的认知
1.主轴部件
由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零件组成。主轴的启、停和变速等动作均由数控系统控制，并且通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。
（1）主轴传动的基本要求
数控机床的主传动系统必须通过变速，才能使主轴获得不同的转速，适应不同的加工要求；在变速的同时，还能传递一定的功率和足够的扭矩，能够自动实现无级变速。主传动系统应简化结构，减少传动件、安装刀具和刀具交换所需的自动夹紧装置，应安装位置检测装置，以便实现对主轴位置的控制，满足切削的需要。
（2）电主轴
电主轴是在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电动机融为一体的新技术。电主轴是一套组件，如图3.1.15 和图3.1.16 所示，它包括电主轴本身及其附件，如电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”（Electric Spindle，也可写为Motor Spindle），特性为高转速、高精度、低噪声，内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑。
电主轴
图3.1.15 电主轴结构
图3.1.16 电主轴实物剖切图
电主轴优点：具有结构紧凑、重量小、惯性小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；简化了主运动系统结构，实现了所谓零传动，使传动精度大大提高，在高速数控机床大量采用。
电主轴缺点：电动机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴，因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装式主轴电动机的关键问题。
（3）交流主轴驱动系统
交流伺服主轴驱动系统如图3.1.17 所示，通常采用感应电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实施控制，有速度开环或闭环控制方式。也有采用永磁同步电动机作为驱动电动机，由伺服驱动器实现速度环的矢量控制，采用变频器带变频电动机或普通交流电动机实现无级变速的方式（经济型、普及型数控机床）。
交流主轴驱动系统与直流主轴驱动系统相比，有以下特点。
①由于驱动系统必须采用微处理器和现代控制理论进行控制，因此其运行平稳、振动和噪声小。
图3.1.17 交流伺服主轴驱动系统
②驱动系统一般都具有再生制动功能，在制动时，既可将能量反馈回电网，起到节能的效果，又可以加快制动速度。
③特别是对于全数字式主轴驱动系统，驱动器可直接使用CNC 的数字量输出信号进行控制，不需要经过A／D 转换，转速控制精度得到了提高。
④与数字式交流伺服驱动一样，在数字式主轴驱动系统中，还可采用参数设定方法对系统进行静态调整与动态优化，系统设定灵活、调整准确。
⑤由于交流主轴无换向器，因此，主轴通常不需要进行维修。
⑥主轴转速的提高不受换向器的限制，最高转速通常比直流主轴更高，可达到数万转。
自动换刀
2.自动换刀系统
由刀库、机械手等部件组成，当需要换刀时，数控系统发出指令，由机械手（或通过其他方式）将刀具从刀库内取出装入主轴孔中。
（1）刀库
刀库是存放加工过程中所使用的全部刀具的装置，它的容量从几把到上百把不等。五轴数控机床刀库的形式很多，结构也各不相同，常用的有盘式刀库、链式刀库和格子盒式刀库。
①盘式刀库。
盘式刀库又叫鼓盘式刀库，结构简单、紧凑，主要适用于小型五轴数控机床，一般放刀具数目不超过32 把（常见的为12～24 把刀具）。
图3.1.18 为刀具轴线与鼓盘轴线平行布置的刀库，其中，图3.1.18（a）为径向取刀式；图3.1.18（b）为轴向取刀式。
②链式刀库。
链式刀库是在环形链条上装有许多刀座，刀座的孔中装夹各种刀具，链条由链轮驱动。刀库容量大，一般为1～100 把刀具，主要适用于大中型五轴数控机床。链式刀库有单环链式和多环链式等几种，如图3.1.19 所示。当链条较长时，可以增加支承链轮的数目，使链条折叠回绕，提高空间利用率。
图3.1.18 盘式刀库
（a）径向取刀式；（b）轴向取刀式
图3.1.19 各种链式刀库
（a）单环链式；（b）多环链式；（c）折叠链式
（2）五轴数控机床的自动换刀装置
自动换刀装置的换刀过程由选刀和换刀两部分组成。当执行选刀指令后，刀库自动将要用的刀具移动到换刀位置，完成选刀过程，为下面换刀做好准备：当执行到开始自动换刀指令时，把主轴上用过的刀具取下，将选好的刀具安装在主轴上。
图3.1.20 180°回转刀具交换装置
机械手进行刀具交换的方式应用最为广泛，机械手的结构形式多种多样，换刀运动也有所不同。最简单的刀具交换装置是180°回转刀具交换装置（图3.1.20），这种刀具交换装置既可用于卧式机床，也可用于立式机床。
回转插入式刀具交换装置也是最常用的形式之一，是回转式的改进形式。这种装置，刀库位于机床立柱一侧，避免了切屑造成主轴或刀夹损坏的可能。但刀库中存放的刀具的轴线与主轴的轴线垂直，因此，机械手需要三个自由度。机械手沿主轴轴线的插拔刀具动作，由液压缸实现；绕竖直轴90°的摆动进行刀库与主轴间刀具的传送，由液压马达实现；绕水平轴旋转180°完成刀库与主轴上刀具交换的动作，由液压马达实现。其换刀分解动作如图3.1.21 所示。
图3.1.21 换刀分解动作(https://www.daowen.com)
二、常见故障诊断与排除
1.五轴数控机床换刀故障
（1）故障原因分析
①气压不足。
②松刀按钮接触不良或线路断路。
③松刀按钮PLC 输入地址点烧坏或者无信号源（ +24 V）。
④松刀继电器不动作。
⑤松刀电磁阀损坏。
⑥打刀量不足。
⑦打刀缸油杯缺油。
⑧打刀缸故障。
（2）故障排除方法
①检查气压，使气压达到（0.6 ±0.1）MPa。
②更换开关或检查线路。
③更换I／O 板上PLC 输入口，或检查PLC 输入信号源，修改PLC 程式。
④检查PLC 输出信号有无，PLC 输出口有无烧坏，修改PLC 程式。
⑤若电磁阀线圈烧坏，则更换之，若电磁阀阀体漏气、活塞不动作，则更换阀体。
⑥调整打刀量至松刀顺畅。
⑦添加打刀缸油杯中的液压油。
⑧若打刀缸内部螺钉松动、漏气，则要将螺钉重新拧紧，更换缸体中的密封圈，若无法修复，则更换打刀缸。
2.五轴数控机床运转时声音异常
（1）故障原因分析
①轴承有故障。
②丝杆母线与导轨不平衡。
③耐磨片严重磨损，导致导轨严重划伤。
④伺服电动机增益不相配。
（2）故障排除方法
①更换轴承。
②校正丝杆母线。
③重新贴耐磨片，导轨划伤太严重时，要重新处理。
④调整伺服增益参数，使之能与机械相配。
3.五轴数控机床刀库问题
（1）故障原因分析
①换刀过程中突然停止，不能继续换刀。
②斗笠式刀库不能出来。
③换刀过程中不能松刀。
④刀盘不能旋转。
⑤刀盘突然反向旋转时差半个刀位。
⑥换刀时，出现松刀、紧刀错误报警。
⑦换刀过程中还刀时，主轴侧声音很响。
⑧换完后，主轴不能装刀（松刀异常）。
（2）故障排除方法
①检查气压是否达到（0.6 ±0.1）MPa。
②检查刀库后退信号有无到位，刀库进出电磁阀线路及PLC 有无输出。
③调整打刀量，检查打刀缸体中是否积水。
④检查刀盘出来后旋转时，刀库电动机电源线有无断路，接触器、继电器有无损坏等现象。
⑤刀库电动机刹车机构松动无法正常刹车。
⑥检查气压，气缸有无完全动作（是否有积水），松刀到位开关是否被压到位，但不能压得太多（以刚好有信号输入为原则）。
⑦调整打刀量。
⑧修改换刀程。