數(shù)控機床機械結構的故障診斷與維修(上)

1、第4章 數(shù)控機床機械結構的故障診斷與維修41 數(shù)控機床機械結構概述 數(shù)控在GB中的定義是“用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制的一種方法”?，F(xiàn)代數(shù)控機床是集高新技術于一體的典型機電一體化加工設備。數(shù)控加工設備主要分切削加工、壓力加工和特種加工(如數(shù)控電火花加工機床等)3類。切削加工類數(shù)控機床的加工過程能按預定的程序自動進行，消除了人為的操作誤差和實現(xiàn)了手工操作難以達到的控制精度，加工精度還可以用軟件來校正和補償。因此，可以獲得比機床精度還要高的加工精度及重復定位精度；工件在一次裝夾后，能先后進行粗、精加工，配置自動換刀裝置后，還能縮短輔助加工時間、提高生產(chǎn)率；由于機床的運動軌跡受可編程的

2、數(shù)字信號控制，因而可以加工單件和小批量且形式復雜的零件，生產(chǎn)準備周期大為縮短。綜上所述，數(shù)控機床具有精度高、效率高、自動化程度高和柔性好的特點。從數(shù)控機床的生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢看，由于微電子技術、信息處理技術等新技術、新工藝在機床行業(yè)的滲透和應用，它與普通機床相比不僅在機械結構性能方面發(fā)生了“質”和“形”的變化，且其外觀造型也形成了自身獨特的風格和特點。數(shù)控機床機械結構設計的特點數(shù)控機床雖然也有普通機床所具有的床身和立柱、導軌、工作臺、刀架等部件。但為了與控制系統(tǒng)的高精度、高速度控制相匹配，對機床主機部分的結構設計還提出了高精度、高剛度、低慣量、低摩擦、無間隙、高諧振頻率、適當?shù)淖枘岜鹊纫蟆Ｓ?/p>

3、于機械結構形式是體現(xiàn)其性能的具體手段，是實現(xiàn)性能的核心因素(當然結構也受材料和工藝的影響)，因此，數(shù)控機床的關鍵部件在結構設計中也有了重大變化。 1基礎部件的結構特點數(shù)控機床的基礎件主要包括床身、立柱、工作臺等支承件，它們的基本功能是支承承載和保持各執(zhí)行器官的相對位置。數(shù)控機床集粗精加工于一體，既要能夠承受粗加工時大吃刀、大走刀的最大切削力、又要能夠保證精加工時的高精度。因此，對基礎件的結構設計在強度、剛度、抗振性、熱變形和內應力等都提出了很高的要求?，F(xiàn)行生產(chǎn)的數(shù)控機床采用的主要措施有：鑄件采用全封閉截面，合理布置內部隔板和肋條，含砂造型或填充混凝土等材料，導軌面加寬，車床采用傾斜的床身和導軌

4、還利于排屑，床身、立柱采用鋼質焊接結構，可以明顯提高其剛度，根據(jù)熱對稱原則布局還能增加散熱隔熱效果。 2主傳動系統(tǒng)的結構特點主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)各種刀具和工件所需的切削功率，且在盡可能大的轉速范圍內保證恒功率輸出，同時為使數(shù)控機床能獲得最佳的切削速度，主傳動須在較寬的范圍內實現(xiàn)無級變速?，F(xiàn)行數(shù)控機床采用高性能的直流或交流無級調速主軸電機，較普通機床的機械分級變速傳動鏈大為簡化。對加工精度有直接影響的主軸組件的精度、剛度、抗振性和熱變形性能要求，可以通過主軸組件的結構設計和合理的軸承組合及選用高精度專用軸承加以保證。為提高生產(chǎn)率和自動化程度，主軸應有刀具或工件的自動夾緊、放松、切屑清理及主軸準停機構。

5、最近日本又開發(fā)研制了新型的陶瓷主軸，重量輕，熱膨脹率低，用在加工中心上，具有高的剛性和精度。 3進給系統(tǒng)結構特點數(shù)控機床的進給系統(tǒng)是由伺服電機驅動，通過滾珠絲杠帶動刀具或工件完成各坐標方向的進給運動。為確定進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械裝置時，以“無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度”為原則，具體措施有： 采用低摩擦、輕拖動、高效率的滾珠絲杠和直線滾動導軌； 采用大扭矩、寬調速的伺服電機直接與絲杠相聯(lián)接，縮短和簡化進給傳動鏈； 通過消隙裝置消除齒輪、絲杠、聯(lián)軸器的傳動間隙； 對滾動導軌和絲杠預加載荷，預拉伸。 4數(shù)控回轉工作臺和自動交換工作臺數(shù)控鏜、數(shù)控銑和加工中心，采用內部結構具有數(shù)控

6、進給驅動機構特點的回轉工作臺，實現(xiàn)圓周任意角度的分度和進給運動。對多工序數(shù)控機床，配置自動交換工作臺，進一步縮短輔助加工時間。 5刀架系統(tǒng)回轉刀架，更換主軸換刀和帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)及多刀架、多主軸布局對提高生產(chǎn)效率和自動化水平發(fā)揮了重要作用。為使刀具在機床上迅速定位、夾緊，普遍采用標準刀具系統(tǒng)和機夾刀。 6數(shù)控附件機床附件的作用是配合機床實現(xiàn)自動化加工。數(shù)控機床專用的附件有：對刀儀，自動編程機，自動排屑器，物料儲運及上下料裝置，自動冷卻、潤滑及各種新型配套件如導軌防護罩等。7數(shù)控機床的外觀造型特點數(shù)控機床的外觀大都采用線型簡潔的板塊組合式全封閉安全防護罩，配備有現(xiàn)代特征的集操作、顯示、控制于

7、一體的操作面板，淘汰了普通機床各種操作手柄、手輪和線型復雜零散的多面型表面形態(tài)。安全防護罩可防止高壓、大流量冷卻液及鐵屑飛濺，減少粉塵入侵，隔聲降噪，有利于機床的精度保持和環(huán)境保護，真正體現(xiàn)了機、電、液一體化的特點。依人機工程學宜人性原則設計的桌面式或懸掛式數(shù)控操作面版，是機床與操作者聯(lián)系和信息交流的唯一界面，指示燈、按鈕、按鍵的數(shù)量與排列及CRT的設計，既適合人的操作特性，又利于人機間的協(xié)調與交流，通過視覺良好的鍵面色彩，標準化的象形符號意象抽取，能準確反映和傳遞兩者間的信息。數(shù)控機床結構設計反映產(chǎn)品內在功能的深層特性，外觀表達的是產(chǎn)品表層特性，對用戶而言，深層次的與產(chǎn)品使用密切相關的結構性

8、能要通過表層的外觀形態(tài)來傳遞和表達。全封閉防護罩雖然掩蓋了機床的主體結構，卻至少傳達了數(shù)控機床這樣幾個方面的深層內含：先進的數(shù)控數(shù)顯裝置；對機床的精度和剛度使用的可靠性、安全防護性及環(huán)保等有嚴格要求；采用先進標準的刀具系統(tǒng)及安裝位置合理的自動換刀裝置；采用整套商品化、標準化的新型配套件、自動排屑、潤滑和冷卻裝置等。概括為高精度、高效率、高自動化和機電液一體化。411 數(shù)控機床機械結構的基本組成 數(shù)控機床是機械和電子技術相結合的產(chǎn)物，其機械結構隨著電子控制技術在機床上的普及應用，以及對機床性能提出的技術要求，而逐步發(fā)展變化。是對普通機床的進給系統(tǒng)進行革新、改造，而后逐步發(fā)展成一種全新的加工設備。

9、 數(shù)控機床機械結構的主要組成 1 主傳動系統(tǒng)； 2 進給系統(tǒng)， 3 實現(xiàn)工件回轉、定位裝置和附件； 4 實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻等系統(tǒng)和排屑、防護等裝置： 5 刀架或自動換刀裝置(ATC)， 6 自動托盤交換裝置(APC)； 7 特殊功能裝置，如刀具破損監(jiān)控、精度檢測和監(jiān)控裝置； 8 為完成自動化控制功能的各種反饋信號裝置及元件。412 數(shù)控機床機械結構的主要特點和要求 數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率的自動化機床，與普通機床相比，應該具有更好的剛性和抗振性，相對運動面的摩擦系數(shù)要小，傳動部件之間的間隙要小。數(shù)控機床機械結構的主要特點（一）高剛度和高抗振性1機

10、床剛度的基本概念 機床剛度是指機床結構抵抗變形的能力。 機床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的靜剛度； 機床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)的剛度稱為機床的動剛度 滿足數(shù)控機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化的要求，與普通機床比較，數(shù)控機床應有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。2提高數(shù)控機床結構剛度的措施 (1) 提高機床構件的靜剛度和固有頻率 (2) 改善數(shù)控機床結構的阻尼特性 (3) 采用新材料和鋼板焊接結構 (二)減少機床熱變形的影響 機床的熱變形是影響機床加工精度的重要因素之一。數(shù)控機床主軸轉速、進給速度遠高于普通機床，而大切削量產(chǎn)生的熾熱切屑對工件和機床部件的熱傳導影響遠比普通機床嚴

11、重，而熱變形對加工精度的影響操作者往往難以修正。因此，應特別重視減少數(shù)控機床熱變形的影響。 常用以下措施減少發(fā)熱： 1改進機床布局和結構 (1) 采用熱對稱結構 (2)采用傾斜床身和斜滑板結構 (3)采用熱平衡措施 2控制溫度 對機床發(fā)熱部位(如主軸箱等)，采用散熱、風冷和液冷等控制溫升的辦法來吸收熱源發(fā)出的熱量。 3對切削部位采取強冷措施 在大切削量切削加工時，特別是加工中心和數(shù)控車床普遍采用多噴嘴、大流量冷卻液來冷卻，并對冷卻液用大容量循環(huán)散熱或用冷卻裝置致冷以控制溫升。4熱位移補償 預測熱變形規(guī)律，建立數(shù)學模型存入計算機中進行實時補償。下圖是熱變形自動修正裝置。(三)傳動系統(tǒng)機械結構簡化

12、 數(shù)控機床的主軸驅動系統(tǒng)和進給驅動系統(tǒng)，分別采用交、直流主軸電動機和伺服電動機驅動，這兩類電動機調速范圍大，并可無級調速，因此使主軸箱、進給變速箱及傳動系統(tǒng)大為簡化，箱體結構簡單，齒輪、軸承和軸類零件數(shù)量大為減少甚至不用齒輪，由電動機直接帶動主軸或進給滾珠絲杠。是某普通車床和數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖。普通車床和數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)比較圖(四)高傳動效率和無間隙傳動裝置 數(shù)控機床在高進給速度下，工作要求平穩(wěn)并有高定位精度。因此，對進給系統(tǒng)中的機械傳動裝置和元件要求具有高壽命、高剛度、無間隙、高靈敏度和低摩擦阻力的特點。(五)低摩擦因數(shù)的導軌 機床加工精度和使用壽命在很大程度上決定于機床導軌的質量，數(shù)控

13、機床的導軌則有更高的要求。要求在高速進給時不振動，低速進給時不爬行，具有很高的靈敏度，能在重載下長期連續(xù)工作，耐磨性要高，精度保持性要好等。 1塑料滑動導軌 傳統(tǒng)的鑄鐵鑄鐵滑動導軌，除經(jīng)濟型數(shù)控機床外，在其它數(shù)控機床上已不采用。取而代之的是做鑄鐵塑料或鑲鋼，塑料滑動導軌。 導軌塑料常用聚四氟乙烯導軌軟帶和環(huán)氧耐磨導軌涂層兩類。（1）聚四氟乙烯導軌軟帶 這種導軌軟帶材料是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二流化鉬和石墨等填充劑混合燒結，并做成軟帶狀。聚四氟乙烯導軌軟帶的特點主要有以下四點： 摩擦特性好 耐磨性好 減振性好 工藝性好 由于聚四氟乙烯導軌軟帶具有這些優(yōu)點，所以被廣泛的應用于中、小型數(shù)控

14、機床的運動導軌。(2)環(huán)氧型耐磨涂層 環(huán)氧型耐磨涂層是以環(huán)氧樹脂和二硫化鉬為基體，加入增塑料劑，混合成液狀或膏狀為一組和固化劑為另一組的雙組份塑料涂層。 SKC3導軌塑料涂層具有、良好的可加工性，可經(jīng)車、銑、刨、鉆、磨削和刮削加工。 2滾動導軌 滾動導軌具有摩擦因數(shù)低，一般是0.003左右，動、靜摩擦因數(shù)相差小，幾乎不受運動速度變化的影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點。數(shù)控機床的常用的滾動導軌有兩種。 滾動導軌塊 ：這是一種滾動體循環(huán)運動的滾動導軌。移動部件運動時，滾動體沿封閉軌道作循環(huán)運動。滾動體為滾珠或滾柱。 單元式直線滾動導軌 ：這種滾動導軌是把軌道及相對運動的導軌塊由生產(chǎn)廠家

15、預先根據(jù)用戶要求組裝好，用戶只要把導軌單元的軌道和導軌塊分別固定在機床的固定導軌和運動導軌上即可。因此用戶在設計和裝配調試上都十分簡單方便。 單元式直線滾動導軌的結構 1-導軌體 2-側面密封墊 3-保持器 4-承載球列 5-端部密封墊 6-端蓋 7-滑塊 8-潤滑油環(huán) 3靜壓導軌 靜壓導軌是在兩個相對運動的導軌面間通入壓力油，使運動件浮起。工作過程中，導軌面上的油腔中的油壓能隨著外加負載的變化自動調節(jié)，以平衡外加負載，保證導軌面間始終處于純液體摩擦狀態(tài)。 靜壓導軌的摩擦因數(shù)極小，約為00005，功率消耗少。由于導軌工作在液體摩擦狀態(tài)，故導軌不會磨損，因而導軌的精度保持性好，壽命長。42 數(shù)控

16、機床機械故障診斷方法 421 機械故障及其分類所謂機械故障，就是指機械系統(tǒng)（零件、組件、部件或整臺設備乃至一系列的設備組合）因偏離其設計狀態(tài)而喪失部分或全部功能的現(xiàn)象。機械故障可以從不同的角度來分類：按原因、按性質。按影響程度、按造成的后果、按發(fā)生的快慢、按發(fā)生的頻次、按發(fā)生與發(fā)展的規(guī)律等。422 機械故障診斷及其劃分 所謂機械故障診斷，就是對機械系統(tǒng)進行監(jiān)測和診斷，可以及時發(fā)現(xiàn)機器的故障和預防設備的惡性事故發(fā)生，從而避免人員的傷亡、環(huán)境的污染和巨大的經(jīng)濟損失。還可以找出生產(chǎn)系統(tǒng)中的事故隱患，從而對機械設備和工藝進行改造，以消除事故隱患。另外，是改革設備的維修制度，將傳統(tǒng)的定期維修改變?yōu)轭A知維

17、修，從而大大提高機械系統(tǒng)運行的安全性、可靠性和利用率。423 機械故障診斷的基本環(huán)節(jié) 通常由以下幾個基本環(huán)節(jié)組成：1確定運行狀態(tài)監(jiān)測的內容2建立測試系統(tǒng)3特征提取4狀態(tài)識別、趨勢分析、制定決策424 數(shù)控機床機械故障診斷方法 對數(shù)控機床機械部分故障的一般處理數(shù)控機床機械部分的修理，凡與常規(guī)機床機械部分相同的故障可用常規(guī)機床機械故障處理規(guī)定對待。但由于數(shù)控機床多采用電氣控制，使機械結構簡化，所以機械故障率有明顯地降低。1進給傳動鏈故障的處理：由于數(shù)控機床的傳動鏈大多采用滾動摩擦副，所以這方面的故障大多表現(xiàn)為運動品質下降而造成。如反向間隙增大，定位精度達不到要求、機械爬行現(xiàn)象，軸承噪聲變大(尤其有

18、機械硬碰撞之后易產(chǎn)生)等。這部分的維修常與運動副的預緊力，松動環(huán)和補償環(huán)節(jié)的調整有密切關聯(lián)。2主軸部件故障的處理：這部分故障多與刀柄的自動拉緊裝置、自動變檔裝置及主軸運動精度下降等有關。因為數(shù)控機床采取電氣自動調速后已取消了機械變速箱裝置，有時雖有變速箱但也十分簡單，結構上簡化使故障大為減少。3ATC刀具自動交換裝置故障的處理：據(jù)統(tǒng)計ATC刀具自動交換裝置故障占數(shù)控機床機械故障的一半以上。主要故障現(xiàn)象有：刀庫運動故障定位誤差超差機械手夾持刀柄不穩(wěn)定機械手運動動作不準所有這些故障現(xiàn)象，都會導致?lián)Q刀動作緊急停止，整機因不能實現(xiàn)ATC刀具自動交換而停機。4位置檢查用行程開關壓合故障的處理：數(shù)控機床配

19、備了許多限位運動的行程開關，使用一段時間后，使運動部件的運動特性起了變化以及壓合行程開關的機械可靠性與行程開關本身的品質、特性都會影響整機的運動。這就需要很好地檢查、更換或調整。5配套附件可靠性下降產(chǎn)生故障的處理：數(shù)控機床的配套附件包括：冷卻裝置排屑裝置防護裝置(其中有冷卻液防護罩、導軌防護罩等)主軸冷卻恒溫箱以及液壓油箱氣動泵及恒壓氣柜等。這些部件的損壞或動作不靈都會產(chǎn)生故障，使機床運動停止。因此，對這些部位的檢查不應忽略，如有的加工中心換刀動力依靠壓縮空氣，若氣泵供壓不夠，或貯氣柜漏氣使氣壓下降，會使機床換刀動作暫停、機床的運動約束條件不滿足也會產(chǎn)生報警而停機。只要排除了這些因素使機床約束

20、條件得到滿足，就會取消報警轉入正常工作。6ATC故障排除實例日本東芝公司的TOSNAC BMC125型臥式數(shù)控加工中心是20世紀80年代初期生產(chǎn)的數(shù)控機床。其自動換刀裝置ATC控制回路示意框圖如圖所示。當?shù)毒呓粨Q時，共分19步動作，并要求在15s內完成上述各步動作，當出現(xiàn)故障時，上述各步動作中任何一步動作失誤，均會使ATC裝置刀具交換時間延長，從而發(fā)生報警。BMC125型加工中心的換刀是屬于有機械手進給刀具自動交換的形式，所以從結構上和動作上均屬于比較復雜的一種。大多數(shù)的BMC125型數(shù)控加工中心的用戶在使用中的反映，ATC刀具自動交換裝置故障出現(xiàn)的原因，大多數(shù)在于限位開關失靈，凡此類故障排除方法是通過手動復位后即可。對于限位開關元件，則應在故障出現(xiàn)后嚴格檢測，必要時應更換。43 主傳動系統(tǒng)與主軸部件故障的診斷與維修 數(shù)控機床的主傳動是承受主切削力的傳動運動，它的功率大小與回轉速度直接影響著機床的加工效率，而主軸部件是保證機床加工精度和自動化程度的主要部件，它們對數(shù)控機床性能有著決定性的影響。431 主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)常采用的配置形式有：（1）采用齒輪變速的形式（2）采用帶傳動的形式（3