数控机床液压系统故障机理分析.pdf

2 0 1 1年 2月 第 3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI C S F e b ． 2 01 1 Vo l _ 3 9 No ． 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 4 2 数控机床液压系统故障机理分析 胡春 宝，张素巧 燕山大学，河北秦皇岛 0 6 6 0 0 4 摘要介绍了X K 5 0 4 0 1型数控机床故障维修案例，系统分析了数控机床液压系统故障机理和故障发生规律，为有效 控制故障的发生或尽快排除已发生的故障提供了参考。 关键 词数控机床 ；故障机理 ；分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 -B 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 41 2 6 2 数控机床是现代化高精度加工设备，是现代各种 工业技术的集成，其结构的复杂性 、控制的智能性 、 加工工艺的多样性和加工零件的复杂性 ，决定 了数控 机床故障诊断维修的艰巨性、专业性。而数控机床液 压系统在整台数控加工中心中，占有相当大一部分， 有些甚至为全液压 系统控制。绝大多数数控机床液压 系统的主要驱动对象有 机械手 的动作 ，主轴 的刀具 夹紧装置 ，主轴箱的液压平衡 ，液压 卡盘 ，工件的定 位夹紧 ，导轨和滚珠丝杠 的润滑等。因此 ，液压系统 的故障是 困扰数控机床正常工作的主要原 因之一。 1 X K 5 0 4 0 1型数控机床故障维修案例 X K 5 0 4 0 - l 型数控机床是北京一机床厂生产的具有较 高水平的数控机床。其机械传动简单稳定 ，液压系统设 计 比较合理 ，系统功能齐全。在实际工作 中，因液压 系 统故障造成主轴无法变速较为常见。现分析如下。 1 ． 1 主轴 变速 系统 原理 如图 1 所示 为 X K 5 0 4 0 ． 1 型数 控机床 主轴 变速 系 统液压原理 图。 I jI 图 1 X K 5 0 4 0 - 1 型数控 机床 主轴变速系统液压原理 图 主轴变速原理 1 变速时 主轴 先 以 2 r ／ m i n转 速 进行 缓 慢转 动 ，以便变速齿 轮易于 啮合。 由图 1 可知 泵 5 阀 7 一 马 达1 0，旋转 L一阀8 电磁 铁动 作 PB一 油缸 9 一 限位 开关 断 开且 主轴传 动 箱 内的齿轮 与 马达 1 0 接通 一 主轴 缓动 。 2 主轴变速 硼“ r 芒 鼢 醐 觚 L 双向马达l 3 带动主轴变速分配阀旋转 当变速盘转 到所要求速度时一 阀 1 1 左 电磁铁 断电复位一马达 1 3停转 ，楔形离合器断开，定位销 油缸 3复位 ；同时 ，电气延时继电器控 制电磁 阀 8断 电 ，使 马达 l 0与主传 动箱脱 开 ，主传动箱 上 面的限 位开关复位，主轴 “ 缓动”停止， “ 变速过程”结 束 ，主轴可以启动。 1 ． 2 故 障原 因分析 与排 除 1 出现故障后，通过压力表6检查泵5出口压 力是否正常。若压力过低 ，则 可能是 由于泵 5出现问 题 ，或溢流 阀 1 卡死 在开 口处 ，使 压力油 泄 回油箱 ， 主轴缓 动马达 1 0无 法工 作 ，从 而使 主轴无 法变 速 。 若压力过高则主要检查顺序阀7是否被卡死在关闭状 态。经检查油泵和对溢流 阀 1 、顺序 阀 7进行 清洗 调 试后 ，故障不能排 除。 2 检查 二位 四通 电磁 阀 8 、三位 四通 电磁 阀 1 1 ，看阀芯是否卡死。使用万用表对激磁线 圈进行检 查 。经检查阀 8和 1 1正常 。检查 主传 动箱上 的液压 缸 9伸缩是否正常，限位开关位置是否松动。若正 常 ，需对 主传动箱体 内进 行检查 。 3 双向马达 l 3损坏 ，离合器失去 动力 ；油缸 3卡住 ，离 合器 被卡死 ；阀 1 2无 法换 向，使 主轴 变 速分配 阀无法卸压 或主轴 变速 分配 阀卡死无法工 作 ， 收稿 日期 2 0 1 0 0 3一 O 1 作者简介胡春宝 1 9 6 2 一 ，男，本科，高级实验师，主要从事液压技术方面教学、实验等工作。电话0 3 3 5 8 0 7 4 6 8 5 ， E ma i l h e b z s q 1 6 3．c o rn。 第 4期 胡春宝 等 数控机 床液压系统故障机理分析 -1 2 7 均可造成此 故 障发 生。拆 下 主传 动箱 盖后 ，经 检查 双向马达 1 3转动 正常 ，定 位销 能打 开 ，故 障 出现在 二位 三通 阀 1 2上 ，该 阀不 能正 常换 向。经 清洗 后安 装试 车 ，主轴变速正常 ，故障排除 。应注意 的是主传 动箱拆下后 ，还要重点检查一下液压缸 的拨又是否损 坏 ，主轴变速分配 阀润滑是否正常 。因为有时发现拨 叉磨损后使齿轮啮合不到位和 由于润滑不 良造成 主轴 变速分配阀锈蚀卡死 ，也会造成此故障发生 。 2数控机床液压系统故障机理分析 2 ． 1 故 障 机 理 故障机理是指诱发零件 、部件 、系统发生故障的 物理 、化学 、电学 与机械学过程 ，也 可以说是 形成故 障原 因。在研究故障机理时 ，需 要考虑 以下三个基本 因素 1 对象 。指故 障件 本身 的 内部状 态 与结 构对 故障的诱 发作 用 ，即内 因的作 用 。如 数 控 机床 的功 能 、特性 、液压 系统设计 合 理性 、液 压元 件 的选择 、 安装 条件 等。 2 原 因。能引 起数 控机 床 与液 压系 统发 生故 障的破坏 因素 ，如压力 p 、流量 q 、油 液杂质 、电压 、 电流 、环境 温度 、人为操作 和装配失误 、弹簧及密封 装置的老化 等故 障诱 因。 3 结果 。产生 的 异常 状 态 ，或 者说 原 因作 用 于对象 的结果 。对象 的状态超过某种界 限 ，就发生故 障而作 为故 障模式 ，即结果 。 故 障机理通常可表示为 懈 I I I N N诱 因 l l内 因 { 1 外 因 ， 诱 因 l 一 般 说来 ，故障模 式 反 映 着 故 障 机 理 的 差 别 。但 是，故障模式相同，其故障竺 机理不 一定 相 同；同一故 障原 机理 ，也可 能 出现不 同 的故凼 障 模 式 。故 障 的 发 生 受 空 间 、时间 、设备 系 统 的 内部 和外 界 多 方 面 因 素 的 影 响 ， 有时 是 一 种 因 素 起 主 导 作故 用 ，有时是 多种 因素综 合起 作用。为 了搞 清故 障是 怎样理 发生的 ，必须 搞清 各种 直接 和间接引发故 障 的因 素及其 所 起的 作 用。 嫠 霎 由上 述维修 案 例可 以看 图 2 出 多 种 原 因 均 可 造 成 一 X K 5 0 4 0 1型数 控机床主轴无 固有 原因 系 统 设计 液 压 阀 液 压 油 外 部 原 因 温 度 压 力 环 境污 染程 度 磨 损脱 落物 液 压 油变质 油 泵损 坏 液压 油 中杂 质增 加 阀芯 卡死 元 件动 作 失灵 油 泵工 作 压力 降低 0 主轴 无 法变 速 导致 主轴无 法 变速 的过程 法 变速 ，从而造成机床停止工作 。其故 障原 因 、故 障 机理和故障模式如图 2所示。 2 ． 2故 障 规 律 数控机床液压系统故障发生发展过程都有其客观 规律 ，研究 故障规律对故 障诊 断 、排除 ，机床 日常维 护保 养都十分有 利。 1 性 能 曲线 。 液压系统在 使用过程 中 ，同其他机 械设备 一 样 ，其性 能随着使 用时间的增 加而逐渐 下 降 ，如 图 3所示 。 图中点 P表示性 能已经恶化并 发展到 可识别潜在故 障的程 度 ，如 由于密封 装置 老化 造 成 泄 漏 增 加 ； 图 3 液压设备性能 或状 态曲线 叶片磨损造成油泵容 积效率 叼 下 降 ，输 出流量 q 减 小 ；因液压油 杂质 增 多 ，工 作 台 出现 爬行 、振 动现 象。点 F表示潜在故障已变成功能故障，即已变质 到损坏程度 。P F间隔 ，就是从潜在故 障的显露到转 变为功能性 故 障 的时 间间 隔。各种 故 障的 P F间隔 差别很大，可由几秒到几年，突发故障的P ． F间隔就 很短 。较长的间隔意味着 有更 多的时间来 预防功能性 故障的发生，此时如果积极主动地寻找潜在故障的物 理参数 ，采取新的预 防措施 ，就 能避 免功能 性故 障， 争取 较长的使用时间。 2 故 障 曲 线 。 实践 证 明数 控 机 床 液 压系 统 产 生 故 障 的 规 律大多如图 4所示 。 图 中 纵 坐 标 为 故 障发 生 的 频 率 f t ， 横 坐 标 为 设 备 运 行 时 间 t 。 曲线的 A段 为初 始 故 障 期 ，这 期 间 的 图4 液压系统故障曲线 故 障频率高 ，但持续 的时 间不长 。这类故障主要是 由 于液压 系统清洗不彻底 ，设计 、调整不当等引起 。曲 线的 B段为 随机 故 障期也 称偶 发 故障期 ，此期 间液 压系统故障率大致处于稳定状态 ，趋于定值 ，是设备 高效工作的黄金时期 ，坚持严格的维护保养制度可使 这期间的故障率维持在相当低的水平，并使之延长。 曲线 c段 为耗 损 故 障期 ，此 时元 件 磨 损 老 化严 重 ， 故障较为频 繁 ，应 更换 元件 。同时 在 拐点 P处 及 时 进行大修 ，可经济而有效地降低故障率。 故 障 曲线变 化 的三个 阶段 ，真实地反 映了从磨 下 转第 1 1 8页 1 1 8 机床 与液压 第 3 9卷 测方法完全适合检测此次研究 的异型构件对象 。同时 可看 出水钢界 面波与各处缺陷 回波信号的时间差各不 相 同，表现为外表面伤的时间差最小 ，内棱波的时问 差最大，内弧顶伤的时间差居中。在材料结构上表现 为表面伤离表面最近，弧顶伤次之 ，内棱角最远 。因 此完全可 以通过提取 回波信号的时 问特征作为判伤参 考依据 。 由于 内弧顶处是整个构件 的最薄处 ，因此弧顶处 的缺陷是最致命的。为了保证弧顶伤不被漏检 ，将异 型构件壁体按声程从 弧顶分为 A和 B两部分 ，如图 4 中虚线所示。在 电路结构上设置两个闸门 A和 B 。闸 门 A选择 工件外表 面到弧顶之 问的材料 内部 回波信 号 ，闸门 B选择 弧顶 到 内表 面之 间 的材 料 的 回波信 号 。回波信号 与 闸门 A、B的时序 关系如 图 6所示 。 使材料 内部两部份的回波信号在时间上分离 ，分别进 行伤信号识别 。将圆弧弧顶到内壁之间的材料 内的回 波信号单独进行处理，可降低棱角波对弧顶到外壁之 间的材料 内的伤 回波信 号 的影 响 ，保证 弧顶 伤不 漏 检 。然后单独处 理 B区域 内的信号 ，为 了提 高判伤 的准确率 ，将同时读取信号的幅度 和时 间特征量 ，采 用双特征量判伤 。 闸 闸 波信号 门A 门B f＼ 内 弧 顶 伤 回 波 卜 ＼ 内 棱 波 图6 回波信号与闸门时序关系 为实现上述的信号处理方法及满足在线检测要 求 ，信号处理电路框图如图 7 。其中 G A T E A由超声 波发射触 发信号与 A区域 内的 回波信号产生 ，用来控 制计数 器 A开始与停 止计数从 而提取 回波信号 的时 间特征 。同时将 闸门 A内的 回波 信号通 过峰 保 电路 由 A ／ D读取信号 的幅度 特征。G A T E B由触 发信号 与 B区域 内的回波信号产生 ，用来控制计数器 B开始 与 停止计数 ，提取 回波信号的时间特征 。同时将 闸门 B 内的信号通 过峰保 电路 由 A ／ D读取 幅度特征。 璃 广 ] I ． 厂 面 竖堡 亟亘 岖匾 亟]- { 互 _ ． 4 百觋 西 图 7电 路框 图 3结论 实验结果表明 ，爬 波能够检测异型构件 中存在的 缺陷 ，且能够保 证回波信号的灵敏度与分辨率。为了 消除 内棱波的影 响 ，将异型构 件管壁 的信号分成 了两 部分 ，降低 了内棱波对 弧顶伤 的影响 ，保证 内弧顶处 的致命伤不被漏检 。并 通过提取时间与幅度双特征量 进一步区分内棱波与伤信号，消除内棱波对回波信号 的影 响。该检测 方法与信号处理方法经过大量的实验 验证 ，可 以满 足在 线检测 中的实 时性 、准确 性 等要 求 。同时这种时 间与幅度双特征量判伤的方法可 以应 用在其他超声检测中，以提高判伤的准确率。 参考文献 【 1 】江山， 霍立兴 ， 樊立国， 等． 表面及近表面裂纹的爬波无 损检测[ J ] ． 无损探伤， 2 0 0 5 ， 2 9 3 71 1 ． 【 2 】A n d r o n o v I V， B o u c h e D ． O n t h e d e g e n e r a t i o n o f c r e e p i n g w a v e s i n a v i c i n i t y of c r i t i c a l v a l u e s o f t h e i m p e d a n c e [ J ] ． W a v e Mo t i o n， 2 0 08， 4 5 4 0 0 41 1 ． 【 3 】A n d r o n o v I V， B o u c h e D， A s y m p t o t i c s o f c r e e p i n g w a v e s i n a d e g e n e r a t e d c a s e o f m a t r i x i m p e d a n c e [ J ] ． P I E R， 2 0 0 6 ， 5 9 1 52 30． 【 4 】倪毓 民， 顾秋兵 ， 张小达 ， 等． 超声 爬波检测 C O 焊打底 层裂纹的探讨 [ J ] ． 无损检测 ， 2 0 0 8 ， 3 0 5 2 9 7 3 0 0 ． 【 5 】吴思源， 周晓军， 杨辰龙 ， 等． 复杂形状航空锻件超声检 测技术研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 5 1 4 91 5 2 ． 上接第 1 2 7页 合 、调试 ，正常 工作 到大修 或报废 的故障率 变 化规 律。加强数控机床 的 日常管理和维护保养 ，可以延长 随机故障期。准确地找出拐点 ，可避免过剩修理 ，或 修理范围扩大 ，以获得最佳经济效益点。 3结束语 总之 ，无论是设 计开发还 是 日常使 用数控 机床 ， 都要高度重视对故障及其机理的研究，探索故障发生 规律，记载故障现象，对故障特征进行分析，以便采 取有效措施控制故障的发生或尽快排除已发生的故障。 参考文献 【 1 】王润孝． 数控机床故障诊断研究现状与未来发展[ J ] ． 机械 ， 1 9 9 8 ， 2 5 2 4 8 5 O ． 【 2 】郭士义． 数控机床故障诊断与维修[ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 5 5 6 5 8 ． 【 3 】单淑梅． Z 1 2 6型组合机床液压系统爬行故障的诊断与 排除[ J ] ． 液压与气动， 1 9 9 2 2 4 6 4 8 ． 【 4 】胡春宝． 从机床的维修实例看如何选用液压油 [ J ] ． 液 压与气动 ， 2 0 0 6 9 7 1 7 2 ． 【 5 】王侃夫． 数控机床故障诊断与维护[ M ] ． 北京 机械工业 出版社 。 2 0 0 0 4 8 4 9 ．