数控机床典型主轴换档原理分析及实例故障处理

张跃峰

（中国北车集团 大 同电力机车有限责任公司，山西 大同 037038）

0 引言

数控机床是高度机电一体化的典型产品，它集微电子技术、计算机技术、自动控制技术及伺服驱动技术、精密机械技术于一体，是现代机床技术水平的重要标志。随着先进数控设备的不断引进，使得设备维修难度越来越大。本文以韩国HNK的HPM－30L龙门加工中心（配置FANUC 16i MB数控系统）主轴换档装置为例，结合维修过程，介绍其工作原理和排除故障的思路与方法。

1 主轴换档传动原理

为提高主轴低速时的输出转矩，满足主轴低速大转矩的切削要求，在大中型数控机床中，主轴通常采用2级或3级齿轮换档传动。相对于一般的数控车床而言，数控加工中心主轴换档为系统自动判别实现更换档位，其自动化程度更高，一旦出现故障，则可能涉及数控系统、机械、电气、液压等多方面原因，故障诊断更复杂。要解决好此类故障，维修人员必须掌握数控加工中心主轴换档的控制原理、常见故障的诊断方法及实际处理过程。

图1是HPM－30L龙门加工中心主轴齿轮传动结构简图，为2级齿轮换档传动：主轴电机与电机轴连接，通过电机轴齿轮与中间轴的中齿轮连接传递给中间轴；中间轴的大齿轮与换档轴中的小齿轮啮合（高档），或中间轴的小齿轮与换档轴中的大齿轮啮合（低档），传递给换档轴；换档轴的中齿轮与主轴齿轮连接传递给主轴，实现主轴的旋转。

2 主轴齿轮换档切换原理

FANUC系统中主轴齿轮的选择方式有两种：当NO.3706＃4＝0时，主轴齿轮的选择方式为M型，不输入齿轮的选择信号，CNC执行S指令，根据事先由参数设定的各齿轮的转速范围选择齿轮，利用齿轮选择信号的输出把选择的齿轮通知给PMC，并用齿轮选择输出信号输出与该齿轮对应的主轴速度；当NO.3706＃4＝1时，主轴齿轮的选择方式为T型，由PMC输入齿轮选择信号，并输出按此信号选择的齿轮所对应的主轴速度。HPM－30L龙门加工中心主轴齿轮的选择方式为M型，当执行S指令时，系统自动识别档位，当需要换档时，由PMC发出信号，控制主轴电动机以换档速度旋转，速度到达后，PMC随之发出换档控制信号，由换档执行机构完成换档动作，再由检测元件（到位检测开关）检测位置情况，如果正常齿轮换档则切换结束，否则系统发出报警。

图1 主轴齿轮传动结构简图

齿轮换档执行机构与控制原理简图如图2所示，换档装置为双油缸组合控制，带动拨叉实现高、空、低档的控制。从设备维修的角度来看，控制原理与机械结构是排除故障的重点，相关参数出厂已设定好，做好参数备份后可作一般了解，在此不予详细介绍。

图2 齿轮换档执行机构与控制原理简图

图2 中X8.0，X8.1，X8.2，X8.3为高、空、低档位的检测开关信号，是PMC的输入信号，其逻辑关系如图3所示。空档位置时X8.2和X8.3为1，X8.0和X8.1为0；低档位置时X8.1为1，X8.0和X8.3为0；高档位置时 X8.0为1，X8.1和 X8.3为0。Y7.4，Y7.5，Y7.6，Y7.7为PMC的输出信号，输出条件与系统的相关参数和逻辑条件有关，控制电磁阀信号从而改变油路控制及换档位置，其逻辑关系如图4所示。当执行空档位置时Y7.4和Y7.7为1，Y7.5和 Y7.6为0；执行低档位置时 Y7.5和 Y7.7为1，Y7.4和Y7.6为0；执行高档位置时 Y7.4和 Y7.6为1，Y7.5和Y7.7为0。

图3 PMC档位检测输入点梯形图

齿轮换档切换过程如下（如图2所示，当前位置为空档）：当输出点为1时，对应图2中油管的位置进油，为0时回油；当检测开关感应到油缸活塞时输入点为1，否则为0。当执行高档时，Y7.4和Y7.6处油管进油，Y7.5和Y7.7油管回油，使一、二级油缸活塞杆向下移动，通过导向杆带动拨叉，换档轴齿轮向下移动，使换档齿轮的小齿轮与中间轴的大齿轮相啮合，到达位置后X8.0和X8.2位置检测开关检测到活塞，信号为1，完成高档切换动作；当执行空档时，Y7.4和Y7.7处油管进油，Y7.5和Y7.6油管回油，使一级油缸活塞杆向下移动，二级油缸活塞杆向上移动，虽然液压油的压力相等，但由于有杆腔与无杆腔活塞的受力面积不同，一级油缸活塞杆下移到最低位置，二级油缸活塞杆上移到与一级活塞杆接触后停止，换档齿轮在中间位置，与中间轴各齿轮脱开，此时X8.2和X8.3为1，完成空档切换动作；当执行低档时，Y7.5和Y7.7处油管进油，Y7.4和Y7.6油管回油，使一、二级油缸活塞杆向上移动，换档齿轮的大齿轮与中间轴的小齿轮相啮合，到达位置后X8.1为1，完成低档切换动作。

3 主轴换档典型故障与排除

3.1 实例1

HPM－30L龙门加工中心在执行换高档指令时主轴低速旋转，直到系统报警：换档超时。

主轴低速旋转，说明换档指令已经执行，之所以报警是换档齿轮到位检测信号不正常。可能原因如下：

（1）PMC没有输出，执行机构不动作，无法实现换档，超时报警。

（2）PMC有输出，执行机构故障。

（3）PMC和执行机构都正常，检测元件故障。

通过在线查看PMC梯形图换档时的相关输入、输出点发现：输出信号正常，输入信号无变化；检查执行机构发现：相关的电磁阀线圈得电情况也都正常，但观察电磁阀阀芯不动作，检查线圈电阻为开路，判断为线圈故障，更换线圈后恢复正常。

3.2 实例2

美国ORION加工中心（配置Siemens 840D数控系统）换档过程中主轴一直正反向摆动，直至系统发出换档故障报警。

通过系统诊断功能观察换档时相关PLC输入、输出点状态发现：输出信号正常，输入信号无变化，检查执行机构正常，检查磁感应开关坏了，更换后恢复正常。

4 结语

通过对各种系统数控机床主轴换档故障的维修，发现主轴换档的机械结构大同小异，都是控制器发出控制信号，执行机构动作，检测元件反馈，只要按照这个顺序一步步检查，会很快判断故障点，对于相关参数很少出现故障，如果不小心被更改了，可恢复参数排除。

［1］ 刘永久.数控机床故障诊断与维修技术［M］.北京：机械工业出版社，2010.