大型五轴数控龙门铣床的保养与维修

关进良 喻晓浩 刘萃伦 李晓彬 战祥鑫

(首都航天机械有限公司，北京 100076)

近年来，大型五轴数控龙门铣床在制造业中发挥着越来越重要的作用，可加工大尺寸、复杂空间曲面和高精度的关键工件，现已普遍用在了军工、船舶、能源等重要领域，其故障率也直接决定着企业的科研生产完成情况。本文通过研究其保养中应注意的重要细节和典型故障，提供适合此类大型机床的典型维修方法，达到降低设备故障率，提高维修效率的目的。

1 大型五轴数控龙门铣床的特点

大型五轴数控龙门铣床与普通的中小型三轴数控机床存在明显的不同，机床整体结构庞大、控制系统复杂、技术含量高、成本高，而且在企业制造生产中往往承担着“关键工序”的加工，有“不可替代性”的特点。

依据横梁是否可动，分为定梁数控龙门铣床和动梁数控龙门铣床，也可依据工作台是否可动，分为工作台(一般为X轴)移动式和龙门移动式两种。国内的大型五轴数控龙门铣床一般采用定梁龙门移动式结构，见图1。其核心部件是铣头，目前国内常见的是双回转摆动铣头(以下简称“双摆头”)，见图2。双摆头既可在水平面内转动(绕Z轴旋转的C轴)，也可在垂直面内摆动(当C轴在零点时，绕X轴旋转的A轴)[1]，整个机床可以实现X、Y、Z、A、C五轴联动加工。

2 大型五轴数控龙门铣床的保养

当前，企业普遍存在着“轻保养重维修”的思想，这种思想给设备管理工作带来故障率高、设备利用率低等弊端。俗话说，磨刀不误砍柴工，做好设备保养能大大降低故障率，同时给设备操作人员带来很大的方便。针对大型五轴数控龙门铣床等复杂设备来说，保养工作尤其重要，“保养点”呈现“多而分散”的特点，每一点都影响着机床的整体运行。下面从机械和电气两大方面介绍如何做好该类设备保养工作。

2.1 机械方面的保养

2.1.1 气动部分

机床气动系统主要是为清洁光栅尺、电主轴气密封、主轴锥孔吹气以及刀具测量系统等部件供气，前提是工厂必须提供干净清洁的低压气源，一般要经过杯排、冷冻式压缩空气干燥机(以下简称“冷干机”)、气动三联件等层层过滤和干燥才能最终进入机床内部。具体供气方式见图3。

其中，冷干机是关键部件，一般的企业由于动力车间缺少必要的干燥和精滤设备，向机加车间提供的初级低压气源含水量大，且混有较多杂质，机床自带的气动三联件无法将低压气完全干燥和清洁，杂质和水汽很容易进入，进而造成机床光栅尺和读数头污染，引发故障报警(如“主动编码器硬件故障”)，严重情况会造成主轴内部关键零部件的污染锈蚀。根据日常维修经验得知，由于气源不干净造成的光栅尺故障占到光栅尺总故障的80%以上。因此，大型龙门铣床必须配备相应的气源干燥装置。气动三联件也应及时清理，需要手动排水的滤杯要及时排水，过滤芯要及时清洗或更换，以免影响过滤效果。

2.1.2 冷却和润滑部分

机床冷却系统分为刀具冷却和“双摆头”冷却两大部分，前者为水冷，后者是水冷或者油冷(以下以水冷为例)。其中刀具冷却分为内冷和外冷，双摆头冷却分为主轴电动机冷却，A、C轴电动机冷却以及双摆头内旋转接头冷却，冷却系统结构组成见图4。

刀具冷却液具有防锈、润滑、冷却的作用，其制作一般按照水和原液为20：1的比例进行配制，其中“水”由80%～85%的纯水和15%～20%的自来水组成，原液国内常使用Blasocut BC20，这样配置好的乳化液浓度约为5%～8%，硬度约为5个德国度(°dH)，PH值在8.5～9.2之间，呈弱碱性。这种乳化液综合性能较好，基本能满足大型机床的金属切削加工要求。

双摆头冷却需要单独配备冷却装置，并配制循环冷却剂，冷却剂必须是冷却水和防冻液的混合物(一般是70%的水与30%的防冻液)，从而达到防腐蚀、防过热和防霜冻的目的。需要特别注意的是，所有冷却液均应按照上述要求严格配置，否则可能导致电主轴内部快插接头和旋转接头锈蚀等故障，给后期维修保养带来很大的困难。

机床润滑系统一般分为油润滑和脂润滑两种。油润滑包括各轴导轨副、直线轴(如：X轴)齿轮减速箱以及滚珠丝杠副，脂润滑包括各轴传动轴承、齿轮齿条和某些特殊齿轮(如五轴机床外配的角铣头中的锥齿轮)等零部件。在进行润滑系统保养时，首先要彻底清理所有润滑点，再根据具体说明要求加入油或脂(严禁私自更换型号)。其中，X、Y、Z等直线轴导轨副一般采用润滑泵定时定量的集中润滑方式， 集中润滑为时间间隔打油，一般设定为1～2 h，也可具体根据要求自行设定。

2.1.3 液压(静压)部分

液压(静压)系统主要为平衡缸、各直线轴静压导轨和双摆头提供压力油。一般来讲，机床静压系统的密封和回油装置故障率较高，应定时检测系统是否漏油、回油状况是否良好等，每季度/半年检查液压油质，必要时更换相应的新油。

机床的双摆头一般配有独立的液压站，用来实现A、C轴的夹紧与放松，主轴松拉刀。对于该类液压站应注意以下几点：

(1)配备液位及温度检测传感器，当液位过低或温度过高时均出现报警提示。应定期检查液位，及时补充液压油，当液位出现异常降低时，应排查液压系统有无渗漏后再确定是否继续运转。另外，液压站温度过高报警时切忌强制运行，应及时查找故障根本原因并彻底修复。

(2)液压泵设计为间歇性启停工作方式，当低于系统设定压力时，液压泵启动，达到设定压力时泵停止工作，这种控制方式能避免油泵长时间工作，极大降低油泵的使用损耗，延长其使用寿命。在使用时一旦出现液压泵频繁启停，需要注意检查系统压力有没有内部泄漏现象。

(3)主轴松拉刀故障比较频繁，80%以上的故障与液压站相关。常出现的一种故障现象是主轴刀具锁紧松开机械动作正常，但传感器信号却未能反馈给PLC，造成主轴缺少使能。此类故障一般是信号传感器损坏或松动等原因导致。

2.1.4 机床精度

机床精度一般包括切削精度(又称“动态精度”)、位置精度和几何精度。其中切削精度的检验我国一般使用五轴NAS圆锥台测试件和国内成飞数控厂提出的“S”型试件。位置精度包括定位精度和重复定位精度，一般通过激光补偿的方式来进行检测和补偿调整。几何精度的检测调整是五轴机床三级保养的重点项目之一，包括机床X、Y、Z三轴之间的相互垂直度、主轴锥孔轴线的径向跳动、主轴的周期性轴向窜动、主轴轴线与C轴轴线的同轴度等。在实际生产中必须对这些精度进行定期的检测与调整[2]，尤其是和“双摆头”有关的几何精度，一旦发现超出允差值要及时进行机械调整和电气补偿。如：主轴轴线与C轴轴线的同轴度先进行机械精度调整，之后微调时使用机床数据24560[0]与24560[1](五轴转换1的运动偏移矢量)来进行参数补偿[3]。

2.1.5 其他方面

(1)电主轴的保养。电主轴的最高转速一般是10 000 r/min，在非运行程序期间切断主轴使能，避免主轴温度上升。需要特别注意的是要经常检查主轴气密封是否正常，主轴是否有异响，定期检测主轴几何精度(如径跳、端跳)，并且机床使用时电主轴的功率和扭矩之间的关系应符合如图5所示功率扭矩图[4]，否则要及时进行参数优化或机械调整。

(2)同步带的调整。同步带张紧力过大，会造成负载过大，同步带齿面磨损，降低使用寿命；同步带张紧力过小，会出现“跳齿”现象，影响传递效果。所以同步带调整时，应严格按照机床说明书要求调到适当的张紧力。

(3)制作机床各类点检表，可按照点检位置、点检周期、点检标准以及注意事项等项目，根据不同的机床来制作“个性化”的日常点检表，目的是在日常保养时做到按时、按量并且不漏项。

机械方面的保养涉及面广泛，是整个机床保养的基础，直接决定着机床故障率的高低，而且关键“点”较多，日常工作需要做细做实。

2.2 电气方面的保养

2.2.1 硬件部分

大型五轴龙门铣床运行时功率大，发热较多，为避免机床过热，要特别注意机床制冷和散热装置，如：NCK和伺服模块的小风扇、主轴散热风机以及电气柜空调等，一旦发现故障隐患应立即停机并及时排除，避免“因小失大”。另外，冷却装置硬件部分要保持干净，尤其是散热装置的风扇、空调过滤网每周至少清洁一次 ，切忌电气模块被过多的尘土、油渍污染。同时，设备上的传感器(检测压力和温度等)、接触器、中间继电器以及各类电磁阀也要注意，发现状态不佳的元器件要及时更换，避免产生由此引起的其他故障。

2.2.2 软件部分

3 典型故障维修

3.1 某国产五轴定梁龙门移动铣床主轴端面漏水故障

故障现象：该设备采用西门子840D数控系统，主轴在运转时发现端面不断有少量水流出，检查各管路和控制阀，均没发现异常现象。

故障分析及解决方案：该设备选用德国CYCTEC公司生产的G30型双摆头，电主轴安装在A轴摆动体内[5]。主轴端面有水流出，说明双摆头内部很可能密封不良。拆下电主轴后发现A轴摆动腔体内有两个部位水珠不断流出：(1)A轴与电主轴后端连接的一个快插接头连接处(见图6)；(2)A轴旋转接头后端。旋转接头是将液压油、冷却液等流体从机床静止的管道输入到旋转或往复运动的部件中(如旋转轴A、C轴)，再从旋转接头中排出的一种连接密封装置。在拆下旋转接头后发现内部密封圈严重老化，金属本体锈蚀(见图7)。更换快插接头和旋转接头后故障排除。为了检查其余快插接头是否存在密封不良的隐患，拆下双摆头又发现另一快插接头密封老化，更换相关备件后彻底解决。另外，从旋转接头密封老化及锈蚀情况分析，主轴液压油路和水路很可能出现串路，(“串油”现象)，在检查双摆头液压站时，发现油箱内液压油已被刀具冷却液污染，清洗油路，更换液压油，避免了后期使用中的隐患。

故障总结：漏水漏油看似问题小，如不及时修复则有电气短路和烧坏主轴电动机的隐患。此类故障一般是密封件老化引起，解决类似故障的同时一定要对相关部件做一次全面检查，切不可 “头痛医头，脚痛医脚”。

3.2 某大型五轴数控龙门铣床A轴 “跑坐标”故障

故障现象：某大型五轴数控龙门铣床采用西门子840D数控系统，关机重启后，A轴出现不定期“跑坐标”现象，故障频率不确定。

故障分析及解决方案： 该设备使用进口某型号A/C双摆头，其中A轴采用海德汉高精度绝对式角度编码器实现全闭环位置反馈。与增量编码器不同，绝对式编码器是直接输出数字量的传感器[6]，在一转内每个位置的读数是唯一的，具备掉电记忆功能。此外，绝对编码器还具备可靠性高、抗干扰能力强等特点[7]。所以在正常情况下，意外掉电或关机重启不会出现“跑坐标”现象。经上述分析，“跑坐标”故障很可能属于硬件故障，也即是角度编码器(见图8)本身故障，更换新的编码器，并重新设置A轴换向角后故障排除。A轴换向角设置步骤如下：

(1)设备处于急停状态。

(2)记录参数1407(速度控制器的P增益)的数值。

睡眠是人类正常的生理需求，是恢复神经系统的重要过程，具有促进人体生长发育的功能，其在维持人体注意力、警觉性、记忆力、学习能力、执行功能等方面具有重要作用，一旦人体出现失眠现象，将可能引发多种躯体疾病、心理疾病及精神疾病等。因此，在临床治疗过程中需对失眠的发病机制及诱发因素进行全面了解，同时，还需对失眠与焦虑抑郁情绪的关系、失眠与认知功能的关系、焦虑抑郁情绪与认知功能的关系等进行详细了解，以制订最佳的治疗方案。

(3)设定参数1407[0][1][2]为0，并保存。

(4)设定参数1019(当前转子位置识别)为5～10，并保存。

(5)设定参数1017为1，并保存。

(6)打开急停，选择“JOG”方式，选择A轴。

(7)加使能，参数1017中的数值自动变为“0”，并出现300799报警。

(8)找到的换向角数值自动写入到参数1016内，保存。

(9)恢复参数1407[0]原值，设置完毕。

另外需要注意：A轴“跑坐标”故障修复后，A轴原点位置也发生了变化，此时务必重新设置A轴原点，步骤如下：

(1)调整参数34210→1。

(2)主轴装入300 mm的 HSK-A100标准检验棒。

(3)借助千分表校准A轴原点(见图9)，将千分表打在检棒的母线高点，上下移动Z轴，保证误差值小于0.01 mm/300 mm。

(4)选择回零方式，选择A轴后按一下操作面板上的“+”或“-”按键。

(5)参数34210由“1”自动变为“2”，设置完毕，故障彻底修复。

故障总结：A轴出现“跑坐标”故障时比较隐蔽，如果不仔细观察A轴坐标变化，往往不被发现，进而可能导致产品超差、报废等严重问题，这要求设备操作者要善于观察，谨慎操作设备。

4 结语

大型五轴数控龙门铣床的保养与维修占有同等重要的地位，只有既注重日常保养，防患于未然，使故障消灭于萌芽状态，又要善于掌握常见故障的维修技术，提高维修效率和设备利用率，减少不必要的经济损失，充分发挥出大型五轴数控龙门铣床的最大价值。

[1]五轴联动龙门移动镗铣床使用说明书[Z].济南二机床集团有限公司，2010.

[2]赵刚. 大型数控龙门铣床导轨精度检测方法探讨[J].制造技术与机床,2015(12):129-132.

[3] SINUMERIK 840D/840Di/810D调整表[Z].SIEMENS公司,2001.

[4]郭宝才.大型数控机床的验收[J].制造技术与机床,2010(10):109-112.

[5] 桥式五轴数控铣床使用说明书[Z].沈阳机床(集团)有限责任公司，2009.

[6]程晓莉，谢剑英，王林.绝对式编码器在电机定位中的应用[J].控制工程，2007，14(5)：548-550.

[7] Wekhande S,Agarwal V.High-resolution absolute position vernier shaft encoder suitable for high-performance PMSM servo drives[J].IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2006,55(1):357-363.