数控铣床拉刀故障的诊断与维修

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

中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1672-5727（2012）04-0122-03

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：

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[5]潘海丽.数控机床故障分析与维修[M].西安：西安电子科技大学出版社，2008.

作者简介：

刘加勇（1979—），男，湖北襄阳人，工程硕士研究生在读，北京市工贸技师学院讲师，机械系主任，研究方向为数控机床故障诊断与维修。

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