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摘要：随着数控技术大量应用于生产的各个领域，如何正确规范地对数控机床电气系统相关电路进行安装调试，快速准确地排查故障，成为数控机床电气装调维修工亟待解决的问题。介绍采用开环控制数控铣床伺服电机抱闸的电气控制工作原理，分析铣床在开机或在加工过程遇急停时主轴箱突然下滑的故障原因，提出对抱闸控制的电气线路进行改进。改进后的电路符合电气控制要求，保护了人身和设备安全，节省了制造厂要求更换数控系统的昂贵费用。
关键字：数控铣床；主轴箱；故障的排除
引言
主轴箱是重型数控机床的重要传动机构，对机床的加工精度、抗振特性及使用寿命都有很大的影响。主轴箱的静态和动态性能是决定整机性能的重要因素。了解主轴箱结构的振动特性，如固有频率和振型等，能避免在使用中因振动造成的危害，为主轴箱结构的改进、优化打下一个良好的基础。
一、机床抱闸电气控制原理和故障分析
（一）、机床抱闸的电气控制原理
主轴箱（Z轴）上的主轴箱通过链条与床身后的重量平衡装置相连且主轴箱与平衡块重量相当，抱闸信号是重力轴控制下滑的有效手段，通常将伺服系统准备好信号作为抱闸打开的一个必要条件。理论上，只要抱闸信号与伺服电机驱动使能信号的时序符合控制要求，在开机、加工过程突然断电或遇紧急停止情况时，即使抱闸信号由于负载动作的延时也不会大幅度地下滑。
（二）、机床抱闸故障分析
数控铣床经过两年的使用，在机械装置方面，抱闸制动器、链轮、丝杆、导轨等由于机械磨损引起摩擦力变小，会产生主轴箱与平衡块出现不平衡状态，同时产生主轴箱下滑的原因还有控制伺服电机抱闸装置的线路设计不合理、系统参数设置不合理、电机选型不当（制动器额定力矩偏小）等引起。从机床的控制线路可以看出，机床在开机时，抱闸得电即时打开，而伺服驱动器从得电到伺服电机激励需要一定的延时，这样出现了抱闸得电时间超前伺服电机激励的时间，引起主轴箱因重力下滑；当机床遇急停状态时，抱闸处于得电打开状态，伺服电机无励磁，同样引起主轴箱因重力惯性下滑。
二、功能调试与故障排查
（一）、 通电前的检查与测试
利用电阻分段测试法。（ 1） 电源回路测试： 合上 QF1，将万用表打到电阻档，测试QF1 首尾两端电阻约为 0，说明电源回路正确。（ 2） 伺服电动机回路测试： 合上 QF1、QF2，将万用表打到电阻档，测试QF1 首端与QF2 尾端电阻约为0； 合上KM1，测试KM1 两端电阻约为 0，说明伺服电动机回路正确。（ 3） 主轴电动机回路测试： 合上 QF1、QF3，将万用表打到电阻档，测试 QF1 首端与 QF3 尾端电阻约为0； 再合上 KM2，测试QF1 首端与 KM2 尾端电阻约为 0，说明主轴电动机回路正确。（ 4） 冷却电动机回路测试： 合上 QF1、QF4，将万用表打到电阻档，测试 QF1 首端与 QF4 尾端电阻约为0； 再合上 KM3，测试QF1 首端与 KM3 尾端电阻约为 0，说明冷却电动机回路正确。
（二）、通电检查
利用万用表检查 3 个电路电压是否正常。将万用表打至电压档，检查并测试三相电源之间的线电压是否为380 V，正确后再将四个空开闭合，测量空开之后的线电压也为380 V 才正确，变压器 TC1 二次侧电压为 220 V 正确，合上3 个电路的接触器 KM，测量伺服电机的电压是否为 220V，主轴电机电压是否为 380 V，冷却泵电动机的电压是否为380 V。如果全部正确，对电动机通电试车。
（三）、带上电动机
调试电路的功能是否正常。断开空开，将电动机与冷却回路连接起来； 合上空开，试验电动机工作是否正常。
三、故障的解决
（一）、主轴箱三维 CAD 模型的建立
主轴箱实体模型的建立 通过对实际机构的测量和参考相应的设计图纸，利用 SolidWorks 软件建立HCT100大型数控车床主轴箱箱体及其内部零件的三维实体模型。由于主轴箱内部的零部件非常多，有轴、齿轮、轴承、螺钉等，如果对所有这些零件进行分析，会耗费大量时间，而且还会导致分析无法完成。为了提高分析计算的效率，我们只选择主要的零部件进行建模分析。在这里我们需要建立的模型为：主轴箱的箱体，4 根传动轴及各个传动轴所带的齿轮。主轴箱长1770mm，宽1368mm，高 1200mm，质量5625kg。一号轴长 665mm，最大直径110mm，质量 109.2kg。二号轴长 1130mm，最大直径100mm，质量257.4kg。三号轴长 958mm，最大直径 130mm，质量 319.8mm，四号轴长 1784mm，最大直径270mm，质量 2020kg。通过草图的绘制及拉伸、切出、拔模等功能生成以上模型。齿轮用SolidWorks 的插件 geartrax2011 自动生成。
（二）、主轴箱的受力分析
主轴箱固定于车床床身上，底部受到固定约束。主轴箱的载荷主要来自于两部分，第一部分是在箱体内部，零件重力直接作用在轴承座上，第二部分在在箱体外部，加工过程中的切削力及对工件的支撑反力通过卡盘传递给主轴箱。 在主轴箱内部，有四组轴承，每个轴承上带有不同的齿轮，这四组轴承分别放置于轴承座中。通过SolidWorks 中建立轴承及齿轮的三维模型并设置其材料参数，利用软件中自带的“质量特征”功能计算出轴和齿轮的质量及其质心位置，再通过杠杆原理分配到轴承座中。在主轴箱外部，机床上的载荷主要有重力、切削力、弹性力、惯性力、热应力、振动干扰力或者冲击等。我们把作用在机床上力分为静态和动态两类。其中，静态力指的是机床所受到的静载荷。静载荷的特点是大小不随时间的变化而改变或者变化非常缓慢的载荷。反之，随时间周期性变化的载荷就是动载荷。根据静载荷和动载荷的定义，我们可以得知重力、夹紧力和热应力属于静载荷；振动干扰力或冲击属于动载荷。值得注意的是切削力、惯性力、摩擦力应该按照机床工作特性及分析情况的要求，分别按照动载荷或者静载荷来处理。想要得到主轴箱的载荷情况，必须要对机床整体进行受力分析。
结束语
采用开环控制的数控铣床，由于机床电气线路设计不合理产生主轴箱（Z轴）在开机和加工过程遇急停时突然下滑的故障，作者对控制抱闸的电气线路进行改进，有效地解决主轴箱的突然下滑问题，解除了安全隐患，为公司节省了设备厂要求更换控制系统的高昂费用。
参考文献
[1] 牛志斌.数控机床现场维修 555 例[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2] 范芳洪.FANUC 数控系统主轴换档的研究[J].机械工程师，2012（8）：43 -45.
[3] 张志军，柳文灿. 数控机床故障诊断与维修[M]. 北京：北京理工大学出版社，2010.
关键字：数控铣床；主轴箱；故障的排除
引言
主轴箱是重型数控机床的重要传动机构，对机床的加工精度、抗振特性及使用寿命都有很大的影响。主轴箱的静态和动态性能是决定整机性能的重要因素。了解主轴箱结构的振动特性，如固有频率和振型等，能避免在使用中因振动造成的危害，为主轴箱结构的改进、优化打下一个良好的基础。
一、机床抱闸电气控制原理和故障分析
（一）、机床抱闸的电气控制原理
主轴箱（Z轴）上的主轴箱通过链条与床身后的重量平衡装置相连且主轴箱与平衡块重量相当，抱闸信号是重力轴控制下滑的有效手段，通常将伺服系统准备好信号作为抱闸打开的一个必要条件。理论上，只要抱闸信号与伺服电机驱动使能信号的时序符合控制要求，在开机、加工过程突然断电或遇紧急停止情况时，即使抱闸信号由于负载动作的延时也不会大幅度地下滑。
（二）、机床抱闸故障分析
数控铣床经过两年的使用，在机械装置方面，抱闸制动器、链轮、丝杆、导轨等由于机械磨损引起摩擦力变小，会产生主轴箱与平衡块出现不平衡状态，同时产生主轴箱下滑的原因还有控制伺服电机抱闸装置的线路设计不合理、系统参数设置不合理、电机选型不当（制动器额定力矩偏小）等引起。从机床的控制线路可以看出，机床在开机时，抱闸得电即时打开，而伺服驱动器从得电到伺服电机激励需要一定的延时，这样出现了抱闸得电时间超前伺服电机激励的时间，引起主轴箱因重力下滑；当机床遇急停状态时，抱闸处于得电打开状态，伺服电机无励磁，同样引起主轴箱因重力惯性下滑。
二、功能调试与故障排查
（一）、 通电前的检查与测试
利用电阻分段测试法。（ 1） 电源回路测试： 合上 QF1，将万用表打到电阻档，测试QF1 首尾两端电阻约为 0，说明电源回路正确。（ 2） 伺服电动机回路测试： 合上 QF1、QF2，将万用表打到电阻档，测试QF1 首端与QF2 尾端电阻约为0； 合上KM1，测试KM1 两端电阻约为 0，说明伺服电动机回路正确。（ 3） 主轴电动机回路测试： 合上 QF1、QF3，将万用表打到电阻档，测试 QF1 首端与 QF3 尾端电阻约为0； 再合上 KM2，测试QF1 首端与 KM2 尾端电阻约为 0，说明主轴电动机回路正确。（ 4） 冷却电动机回路测试： 合上 QF1、QF4，将万用表打到电阻档，测试 QF1 首端与 QF4 尾端电阻约为0； 再合上 KM3，测试QF1 首端与 KM3 尾端电阻约为 0，说明冷却电动机回路正确。
（二）、通电检查
利用万用表检查 3 个电路电压是否正常。将万用表打至电压档，检查并测试三相电源之间的线电压是否为380 V，正确后再将四个空开闭合，测量空开之后的线电压也为380 V 才正确，变压器 TC1 二次侧电压为 220 V 正确，合上3 个电路的接触器 KM，测量伺服电机的电压是否为 220V，主轴电机电压是否为 380 V，冷却泵电动机的电压是否为380 V。如果全部正确，对电动机通电试车。
（三）、带上电动机
调试电路的功能是否正常。断开空开，将电动机与冷却回路连接起来； 合上空开，试验电动机工作是否正常。
三、故障的解决
（一）、主轴箱三维 CAD 模型的建立
主轴箱实体模型的建立 通过对实际机构的测量和参考相应的设计图纸，利用 SolidWorks 软件建立HCT100大型数控车床主轴箱箱体及其内部零件的三维实体模型。由于主轴箱内部的零部件非常多，有轴、齿轮、轴承、螺钉等，如果对所有这些零件进行分析，会耗费大量时间，而且还会导致分析无法完成。为了提高分析计算的效率，我们只选择主要的零部件进行建模分析。在这里我们需要建立的模型为：主轴箱的箱体，4 根传动轴及各个传动轴所带的齿轮。主轴箱长1770mm，宽1368mm，高 1200mm，质量5625kg。一号轴长 665mm，最大直径110mm，质量 109.2kg。二号轴长 1130mm，最大直径100mm，质量257.4kg。三号轴长 958mm，最大直径 130mm，质量 319.8mm，四号轴长 1784mm，最大直径270mm，质量 2020kg。通过草图的绘制及拉伸、切出、拔模等功能生成以上模型。齿轮用SolidWorks 的插件 geartrax2011 自动生成。
（二）、主轴箱的受力分析
主轴箱固定于车床床身上，底部受到固定约束。主轴箱的载荷主要来自于两部分，第一部分是在箱体内部，零件重力直接作用在轴承座上，第二部分在在箱体外部，加工过程中的切削力及对工件的支撑反力通过卡盘传递给主轴箱。 在主轴箱内部，有四组轴承，每个轴承上带有不同的齿轮，这四组轴承分别放置于轴承座中。通过SolidWorks 中建立轴承及齿轮的三维模型并设置其材料参数，利用软件中自带的“质量特征”功能计算出轴和齿轮的质量及其质心位置，再通过杠杆原理分配到轴承座中。在主轴箱外部，机床上的载荷主要有重力、切削力、弹性力、惯性力、热应力、振动干扰力或者冲击等。我们把作用在机床上力分为静态和动态两类。其中，静态力指的是机床所受到的静载荷。静载荷的特点是大小不随时间的变化而改变或者变化非常缓慢的载荷。反之，随时间周期性变化的载荷就是动载荷。根据静载荷和动载荷的定义，我们可以得知重力、夹紧力和热应力属于静载荷；振动干扰力或冲击属于动载荷。值得注意的是切削力、惯性力、摩擦力应该按照机床工作特性及分析情况的要求，分别按照动载荷或者静载荷来处理。想要得到主轴箱的载荷情况，必须要对机床整体进行受力分析。
结束语
采用开环控制的数控铣床，由于机床电气线路设计不合理产生主轴箱（Z轴）在开机和加工过程遇急停时突然下滑的故障，作者对控制抱闸的电气线路进行改进，有效地解决主轴箱的突然下滑问题，解除了安全隐患，为公司节省了设备厂要求更换控制系统的高昂费用。
参考文献
[1] 牛志斌.数控机床现场维修 555 例[M].北京：机械工业出版社，2009.
[2] 范芳洪.FANUC 数控系统主轴换档的研究[J].机械工程师，2012（8）：43 -45.
[3] 张志军，柳文灿. 数控机床故障诊断与维修[M]. 北京：北京理工大学出版社，2010.