数控龙门铣X轴驱动故障的分析与解决

摘 要 本文根据XK241X90数控定梁龙门镗铣床在使用过程中出现的X轴减速箱损毁故障，进行分析、探讨，主要进行了机床X轴方向受力计算。通过计算结果并结合现场情况提出了合理有效的解决方案，此方案具有推广价值。

关键词 机床静压；切削抗力；离心式净油器

中图分类号TG659 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）100-0185-02

0引言

我公司引进的XK2414×90数控定梁龙门镗铣床是济南二机床集团有限公司结合国外的先进技术的基础上开发研制的产品。该机床的结构特点是：固定式床身；移动工作台（X轴）；固定龙门框架；滑枕式主铣头可随溜板在横梁导轨上水平移动（Y轴）；亦可沿溜板导轨垂直移动（Z轴）；配置60KW主铣头；数控系统采用SIEMENS 840D。该机床共3个运动轴：

X轴-工作台沿固定床身导轨纵向水平移动。

Y轴-溜板沿横梁导轨横向移动。

Z轴-铣头滑枕沿溜板上、下垂直移动。

1故障现象及分析

日前在使用过程中，X轴出现异常响声，机床无法正常运行。经过检查后发现该机床的X轴减速箱损坏。该机床的X轴是工作台沿固定床身导轨水平纵向往复运动。具体参数如下：

工作台纵向行程 9500mm

工作台工作进给速度 5～3000mm/min

工作台快速移动速度 8000mm/min

传动方式：采用两个交流伺服电机驱动，通过齿形带减速经传动轴驱动预载齿轮进给箱，与安装在工作台上的齿条啮合，实现工作台的X轴直线运动。

导轨形式：静压导轨副。

反馈装置：采用绝对值编码器，实现半闭环控制反馈。

根据上述故障现象进行分析，初步怀疑减速箱的输出扭矩无法满足机床加工的需求。于是进行了X轴方向的受力分析：

1）切削抗力FVL计算

铣头功率：60kW

主轴转速 ：nN=113r/min

每齿进给量：0.35mm/z

铣刀直径：320mm

切削深度：70mm

铣削宽度：30mm

刀具齿数：16

轴向力：FVT=9934N

X轴切削抗力为：FVL=9366N

2）静压导轨摩擦力FRF计算

工作台重量mW+mT=40000kg

导轨的摩擦系数ЧF=0.004

静压导轨摩擦力为：FRF=〔（mW+mT）*g+ FVT〕*ЧF =1608N

3）钢板防护罩摩擦力FAbd计算

相对于钢板护罩长度而言，宽度 1m：180N/m

2m：220N/m

钢板护罩最大宽度1.5m时的系数为：（180+220）/2=200N/m

钢板护罩最大长度：32m

钢板防护罩摩擦力为：FAbd=32*200=6400N

机床满功率切削所需的力为：F满功率=FVL+FRF+ FAbd=17400N

4）减速箱计算

单个直角行星减速箱可提供的额定扭矩：M2N=1700Nm

直角行星减速箱的总传动比：iges=115.5

直角行星减速箱的效率：nG=0.92

X轴传动链效率为： n= nG *0.95=0.87

单个行星减速箱允许输入的额定扭矩：MgN=M2N/（iges* nG）=16.9Nm

单个行星减速箱允许输入的加速扭矩：MgB=M2N/（iges* nG）=25.9Nm

齿轮半径：rRi=0.09m

机床所需的电机额定输入力矩为：

M满功率=〔（F满功率* rRi ）/iges〕/* n =15.6Nm

5）惯量与加速度计算

工作台与工件折算到电机轴的惯量：JW+T=〔（mW+mT）* rRi 2〕/iges2=242.9*10-4kgm2

单个小齿轮的惯量：JR=0.0478kgm2

单个小齿轮折算到电机轴的惯量：JRi=JR/iges 2=0.04*10-4kgm2

单个行星减速箱的惯量：JG=5.9*10-4kgm2

负载总传动惯量：JL=JW+T+JRi+JG=254.8*10-4kgm2

单个1F6105-8AC71伺服电机转动惯量：JM=168*10-4kgm2

JL/JM=0.76/1

负载转动惯量为电机转动惯量的0.76倍，没有超过电机转动惯量的2倍，惯量匹配合理。

系统总惯量：JGes=JL+2*JM=590.8*10-4kgm2

机床给定加速度：aw=0.5m/S2

机床速度与减速时间：tB=（8/60）/0.5=0.27s

机床快速运动时所对应的电机转速增量为： δnM=〔（8000/90）/2π〕*115.5=1634r/min

电气消隙预紧量按单个行星减速箱允许输入额定扭矩MgN=15.6Nm的20%进行预紧，预紧扭矩为M预紧=15.6*20%=3.1Nm

双电机电气消隙在短时间内可提供的加速度扭矩为：

MB=〔（MgB+（MgB -2* M预紧）〕* n=39.7Nm

启动加速时间为：tH=（JGes*δnM）/（9.55* MB）=0.25s

因此tH

综上所述，机床在正常使用时（静压能够正常浮起）减速箱可以提供足够的推力，认真分析机床出现上述故障，确定是因为现场工况较差，机床在运行过程中静压系统无法正常工作，造成了X方向驱动时阻力过大，而X轴的驱动电机输出的扭矩过大，这样就会造成减速箱的损坏，为了保证减速箱的安全，需要对电机做出扭矩限制：将伺服电机的额定转矩设置为14.7Nm，电机预紧值设置为2.9Nm，伺服电机的加速转矩设置为22.5Nm。

2 故障解决方案

考虑到工作现场的环境影响，对机床液压油造成严重的污染，使得机床的静压系统无法正式形成，按现有机床静压站参数，根据阻尼阀的流量和静压腔的流量相等原则进行计算，若要达到阻尼阀的同样效果，需要的铜管长度为26.9m，由于工作台结构限制，该方案无法实施。所以提出进行静压系统过滤方案。

增加离心式净油器过滤装置，利用现有静压站油箱底部的放油口作为油泵的吸油口，改造油箱的回油口作为离心式净油器的进油口，为净油器的油泵电机通电即可实现静压油的过滤。该方式不需要电气连锁控制，只需要定期清理净油器即可，预计改造总费用约55000元/台。

3 结论

改造后，该机床的静压系统得到过滤及净化，原有液压回路的电磁阀使用寿命大幅提升，机床在工作过程中X轴方向的静压油膜能够正常形成，从监控电流看，X方向运动时电机电流大幅下降，该机床可正常使用。此项技术具有推广价值。

参考文献

[1]栾焱辉.数控铣削加工的效率因素的分析和实际应用中应注意的问题[J].民营科技，2012（9）.

[2]黄筱调，杨勇，方成刚.数控龙门铣床伺服进给系统谐振分析及减振方法[J].机床与液压，2005（7）.