梁 毅 董春強(qiáng) 曾 力

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽621900)

某加工中心數(shù)控系統(tǒng)為FANUC0i - MA，主軸采用FANUC 的AP22/6000 電動機(jī)驅(qū)動，主軸變速采用德國生產(chǎn)的ZF 二段式行星齒輪變速箱，主軸冷卻和變速箱的循環(huán)冷卻采用美孚威達(dá)2 號液壓導(dǎo)軌潤滑油。由于齒輪變速箱循環(huán)潤滑油選型不當(dāng)和齒輪變速箱進(jìn)油量調(diào)整不正確導(dǎo)致主軸出現(xiàn)編碼器故障和換檔故障，本文詳細(xì)介紹其故障診斷過程并提出解決措施。

1 故障現(xiàn)象

程序加工時顯示器上出現(xiàn)751#報警，主軸驅(qū)動放大器出現(xiàn)47#報警。主軸位置編碼器更換后，主軸出現(xiàn)換檔故障。

2 故障診斷及處理

2.1編碼器故障診斷及處理

751#報警為串行主軸報警，其具體內(nèi)容為主軸驅(qū)動放大器上的報警號。主軸驅(qū)動放大器上報警號為47，其含義為:主軸位置編碼器或主軸電動機(jī)內(nèi)置編碼器A/B 相信號異常;主軸位置編碼器的一轉(zhuǎn)信號異常;主軸位置編碼器A/B 相信號和一轉(zhuǎn)信號的關(guān)系不正確。根據(jù)報警內(nèi)容可知該報警與主軸編碼器有關(guān)。而主軸有兩個編碼器，一個是主軸電動機(jī)內(nèi)部的編碼器，它提供主軸調(diào)速系統(tǒng)的速度反饋信號;另一個是主軸位置編碼器，它主要有兩個用途，其一是用于主軸實(shí)際轉(zhuǎn)速顯示，其二是用于主軸與伺服軸配合運(yùn)行的場合(如螺紋切削加工，恒線速加工，G95 轉(zhuǎn)進(jìn)給，主軸定向)。該報警內(nèi)容沒有明確哪個反饋信號出故障，故障又是間斷出現(xiàn)，不易判斷故障點(diǎn)。由于主軸電動機(jī)內(nèi)的編碼器的拆卸、安裝、檢查難度較大，因此先排查主軸位置編碼器。而根據(jù)維修經(jīng)驗(yàn)，編碼器有5 種常見故障:①編碼器損壞;②編碼器內(nèi)部的元器件性能故障;③編碼器裝配故障或松動;④連接編碼器的電纜故障，如短路、斷路、接觸不良及屏蔽不好;⑤編碼器內(nèi)部元器件被污染等。

按照上述分析先拆卸主軸外罩，檢查主軸位置編碼器。檢查其電纜連接時發(fā)現(xiàn)主軸編碼器電纜JY4 部分被浸沒在油中，編碼器被油完全淹沒。拆卸并檢查其編碼器發(fā)現(xiàn)里面全是黏稠的油液，因此編碼器內(nèi)部元器件已被嚴(yán)重污染。清洗編碼器后，用示波器能看到編碼器A/B 相信號和一轉(zhuǎn)信號，似乎可以使用，但裝到主軸上后執(zhí)行主軸定向指令M19 時主軸驅(qū)動器出現(xiàn)41#報警。41#報警的內(nèi)容是編碼器一轉(zhuǎn)信號異常。主軸定向時要用到主軸編碼器一轉(zhuǎn)信號，一轉(zhuǎn)信號是窄脈沖，它對干擾十分敏感。由于編碼器長時間被油浸泡，光柵被油污染，信號傳輸受到阻擾。通過光柵尺檢測儀PWM9 檢測該編碼器，結(jié)果空載電流為299.5 mA，嚴(yán)重超過140 mA 的空載電流要求;A/B 相相位差40°，超過了相位差不超過10°的要求;A/B 相波形的低電平為2.45 V，超過低電平小于0.5 V 的要求。因此根據(jù)儀器檢查結(jié)果，該編碼器已不能使用，需要更換。

2.2 主軸換檔故障診斷及處理

更換編碼器后主軸運(yùn)轉(zhuǎn)正常，但主軸換高檔時，高檔位不能保持，主軸一直在重復(fù)著換高檔的過程。該主軸采用ZF 變速箱，主軸在高檔時，齒輪變速箱傳動比為1∶ 1，通過驅(qū)動電動機(jī)帶動齒輪變速箱獲得電動機(jī)的高轉(zhuǎn)速;當(dāng)主軸在低檔時，齒輪變速箱傳動比1∶4，通過驅(qū)動電動機(jī)帶動齒輪變速箱獲得低轉(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩。其控制原理和電路如圖1、圖2。

當(dāng)24 V 直流電源輸入到第2、3 腳時，換檔機(jī)構(gòu)即有動作，當(dāng)正負(fù)極性的電源輸入時，高低檔位的齒輪會嚙合。當(dāng)?shù)?、3 腳通電時，不管其正負(fù)極性電磁線圈L3 都將得電，其作用是在齒輪換檔以前讓檔位固定插銷先釋放。在換檔過程中，主軸電動機(jī)必須做每秒1～5 次左右的偏擺。每次的偏擺角度為±5°左右。當(dāng)感應(yīng)開關(guān)S1(接腳4)或S2(接腳6)動作后，表示換檔已經(jīng)完成，此時電磁閥被切斷。換檔過程有程序監(jiān)控，換檔開始時啟動一個時間約2 s 的計(jì)時器，如果在這時間內(nèi)控制器沒有接受到另一個檔位(S1/S2)的信號，則應(yīng)當(dāng)停止換檔，重新開始。

ZF 二段式齒輪變速箱設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間尺寸緊湊，包括太陽輪、環(huán)輪及行星齒輪等精密組件，ZF 變速箱在工作過程中的發(fā)熱需有效的冷卻。該機(jī)采用油冷卻機(jī)對ZF 變速箱強(qiáng)制循環(huán)冷卻，循環(huán)冷卻油選擇ISO粘度級數(shù)為32 級、46 級的潤滑油，其循環(huán)冷卻原理如圖3。

出現(xiàn)換檔故障時，通過PLC 診斷高檔位輸出信號Y1005.0 及高檔位檢測信號X1004.0，發(fā)現(xiàn)兩電平信號隨著主軸速度的變化也在不斷地由“1”到“0”交替改變。根據(jù)換檔原理，換檔有程序監(jiān)控，如果在換檔監(jiān)控周期沒有接受到另一個檔位(S1/S2)的信號，則換檔重復(fù)進(jìn)行。分析控制電路，結(jié)合故障現(xiàn)象及PLC 診斷判斷故障可能出現(xiàn)在:換檔控制電路故障;換檔撥叉磨損;電磁鐵失效;檔位檢測開關(guān)信號失效;變速油液故障;液壓油泵故障;齒輪箱冷卻管路故障。

由于編碼器出現(xiàn)故障的原因是ZF 變速箱油孔觀察窗漏油，根據(jù)變速箱強(qiáng)制循環(huán)冷卻原理分析該窗口漏油的原因應(yīng)該是變速箱內(nèi)部的壓力過大，進(jìn)入變速箱的油不能很快被泵抽回油箱。據(jù)此判斷可能是回油的冷卻管路堵塞，油量調(diào)節(jié)不正確，或回油泵有故障。但檢查回油管路和回油泵都正常。為了判斷是否是進(jìn)油量過多引起的換檔故障，關(guān)機(jī)后讓油慢慢卸回油箱后，關(guān)掉變速箱進(jìn)油閥，再開機(jī)讓主軸換檔，主軸換檔正常，據(jù)此排除ZF 變速箱故障和換檔控制電路故障。故障原因是主軸齒輪變速箱進(jìn)油閥調(diào)節(jié)的進(jìn)油量過大，應(yīng)重新調(diào)整進(jìn)油量。調(diào)整方法為:開機(jī)前，先把進(jìn)油閥關(guān)掉;開機(jī)后觀察變速箱油液窗口，慢慢調(diào)整進(jìn)油閥油量，一邊調(diào)整一邊觀察變速箱油液窗口，半小時后液位為窗口一半不變，進(jìn)油調(diào)整合適。齒輪循環(huán)冷卻油實(shí)際為ISO 粘度級數(shù)為68 級的美孚威達(dá)2 號液壓導(dǎo)軌油，與ZF 變速箱的使用要求不符，油的粘度太高，油液發(fā)熱嚴(yán)重，影響主軸的使用。

3 故障原因分析

綜上所述，主軸出現(xiàn)編碼器故障和換檔故障的原因就是變速箱進(jìn)油閥進(jìn)油量大，而回油量小，造成變速箱內(nèi)部的油壓過高，使得油充滿整個變速箱，高壓力作用使油從變速箱觀察窗口滲出，滲出的油流到變速箱正下方的洞內(nèi)，而主軸位置編碼器位于該洞內(nèi)，隨著滲出油的增加，編碼器被油淹沒，編碼器內(nèi)部元器件受到嚴(yán)重污染，從而造成主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時不時產(chǎn)生41#、47#報警。由于變速箱進(jìn)油量調(diào)節(jié)過大，變速箱內(nèi)進(jìn)油量多于回油量，引起變速箱內(nèi)的油壓過高，換檔時電磁鐵推動撥叉受到油的阻力，主軸轉(zhuǎn)速越大，油阻越大，因此換高檔時主軸不能正確地?fù)Q檔。

4 維修注意事項(xiàng)

(1)主軸位置編碼器的安裝:變速箱底部的安裝板有8 個安裝孔，拆卸主軸位置編碼時要注意其安裝方向。如果第一次安裝位置不正確，那么在吊裝主軸電動機(jī)調(diào)整其位置時編碼器會受到安裝孔內(nèi)機(jī)床床身板筋的撞擊，引起編碼器損壞。

(2)主軸定向調(diào)整:更換主軸編碼器后，主軸定向位置發(fā)生變化，需要修改參數(shù)4077(主軸定向偏移量調(diào)整)，否則無法換刀。為了避免主軸定向不準(zhǔn)引起刀臂撞擊主軸，維修前在主軸斷面上必須做好主軸定向標(biāo)記，更換編碼器后便于主軸定向位置調(diào)整。

(3)主軸變速箱循環(huán)冷卻進(jìn)油量調(diào)整:變速箱內(nèi)正確的油位是非常重要的，油位必須保持在視窗一半的位置。變速箱的銘牌上標(biāo)有的油的用量只是一個大約值，不易把握。比較實(shí)用的方法是一邊調(diào)整進(jìn)油閥一邊觀察視窗油位。如果變速箱的油過多，易引起主軸換檔故障和油液發(fā)熱;如果變速箱的油過少，則齒輪變速箱內(nèi)精密齒輪潤滑不夠，容易損壞。

(4)正確選擇變速箱循環(huán)冷卻油:按機(jī)床資料，該機(jī)床的變速箱循環(huán)冷卻油應(yīng)選擇ISO 粘度等級為32、46 的長城潤滑油，或者別的粘度級數(shù)相同的潤滑油做循環(huán)冷卻油，而該機(jī)床卻選擇了ISO 粘度級數(shù)為68 級美孚威達(dá)2 號導(dǎo)軌潤滑油，導(dǎo)軌潤滑油和主軸變速箱循環(huán)冷卻油混用，使用單位應(yīng)加強(qiáng)潤滑油的管理，提高機(jī)床的使用性能。

［1］四川自貢長征機(jī)床廠.KVC1400B 使用說明書［Z］.

［2］ZF-DUOPLAN2K250/2K300 變速箱操作手冊［Z］.2005.