數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)故障診斷與維修

1、第 4 章 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)地故障診斷與維修4 1 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)概述數(shù)控在 GB 中地定義是 “用數(shù)字化信號對機床運動及其加工過程進行控制地 一種方法 ”.現(xiàn)代數(shù)控機床是集高新技術(shù)于一體地典型機電一體化加工設(shè)備.數(shù)控加工設(shè)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)控機床地加工過程能按預定地程序自動進行 ,消除了人為地操作誤 差和實現(xiàn)了手工操作難以達到地控制精度 ,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地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、

2、提高生 產(chǎn)率；由于機床地運動軌跡受可編程地數(shù)字信號控制 ,因而可以加工單件和小批 量且形式復雜地零件 ,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地特點 .從數(shù)控機床地生產(chǎn)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢看 ,由于微電子技術(shù)、信息處理技術(shù)等新 技術(shù)、新工藝在機床行業(yè)地滲透和應用 ,它與普通機床相比不僅在機械結(jié)構(gòu)性能 方面發(fā)生了 “質(zhì)”和“形”地變化 ,且其外觀造型也形成了自身獨特地風格和特點 .數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)設(shè)計地特點 數(shù)控機床雖然也有普通機床所具有地床身和立柱、 導軌、工作臺、 刀架等部 件 .但為了與控制系統(tǒng)地高精度、高速度控制相匹配 ,對機床主機部分地結(jié)構(gòu)設(shè)

3、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)刈枘?比等要求 .由于機械結(jié)構(gòu)形式是體現(xiàn)其性能地具體手段,是實現(xiàn)性能地核心因素（當然結(jié)構(gòu)也受材料和工藝地影響 ）,因此 ,數(shù)控機床地關(guān)鍵部件在結(jié)構(gòu)設(shè)計中也有 了重大變化 .1基礎(chǔ)部件地結(jié)構(gòu)特點 數(shù)控機床地基礎(chǔ)件主要包括床身、立柱、工作臺等支承件 ,它們地基本功能 是支承承載和保持各執(zhí)行器官地相對位置 .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、大走刀地最大切削力、又要能夠保證精加工時地高精度 . 因此,對基礎(chǔ)件地結(jié)構(gòu)設(shè)計在強度、剛度、抗振性、熱變形和內(nèi)應力等都提出了 很高地要求 .現(xiàn)行生產(chǎn)地數(shù)控機床采用地主要

4、措施有：鑄件采用全封閉截面,合理布置內(nèi)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 地床身和導軌還利于排屑 ,床身、立柱采用鋼質(zhì)焊接結(jié)構(gòu) ,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)地結(jié)構(gòu)特點主傳動系統(tǒng)實現(xiàn)各種刀具和工件所需地切削功率 ,且在盡可能大地轉(zhuǎn)速范圍 內(nèi)保證恒功率輸出 ,同時為使數(shù)控機床能獲得最佳地切削速度 ,主傳動須在較寬地 范圍內(nèi)實現(xiàn)無級變速 .現(xiàn)行數(shù)控機床采用高性能地直流或交流無級調(diào)速主軸電機 , 較普通機床地機械分級變速傳動鏈大為簡化 .對加工精度有直接影響地主軸組件 地精度、剛度、抗振性和熱變形性能要求 ,可以

5、通過主軸組件地結(jié)構(gòu)設(shè)計和合理 地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 有刀具或工件地自動夾緊、放松、切屑清理及主軸準停機構(gòu).最近日本又開發(fā)研制了新型地陶瓷主軸 ,重量輕,熱膨脹率低 ,用在加工中心上 ,具有高地剛性和精度 .3進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點數(shù)控機床地進給系統(tǒng)是由伺服電機驅(qū)動 ,通過滾珠絲杠帶動刀具或工件完成 各坐標方向地進給運動 .為確定進給系統(tǒng)地傳動精度和工作穩(wěn)定性 ,在設(shè)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、高效率地滾珠絲杠和直線滾動導軌；采用大扭矩、寬調(diào)速地伺服電機直接與絲杠相聯(lián)接 ,縮短

6、和簡化進給傳動鏈； 通過消隙裝置消除齒輪、 絲杠、 聯(lián)軸器地傳動間隙； 對滾動導軌和絲杠預加載荷 ,預拉伸 .4數(shù)控回轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)具有數(shù)控進給驅(qū)動機構(gòu)特點地回 轉(zhuǎn)工作臺 ,實現(xiàn)圓周任意角度地分度和進給運動 .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(zhuǎn)刀架 ,更換主軸換刀和帶刀庫地自動換刀系統(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)控附件機床附件地作用是配合機床實現(xiàn)自動化加工 數(shù)控機床專用地附件有：對 刀儀

7、,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)控機床地外觀造型特點 數(shù)控機床地外觀大都采用線型簡潔地板塊組合式全封閉安全防護罩 ,配備有 現(xiàn)代特征地集操作、顯示、控制于一體地操作面板 ,淘汰了普通機床各種操作手 柄、手輪和線型復雜零散地多面型表面形態(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 ,有利于機床地精度保持和環(huán)境保護 ,真 正體現(xiàn)了機、電、液一體化地特點 .依人機工程學宜人性原則設(shè)計地桌面式或懸掛式數(shù)控操作面版 ,是機床與操 作者聯(lián)系和信息交流地唯一界面 ,指示燈、按鈕、按鍵地數(shù)量與排列及 CR

8、T 地設(shè) 計,既適合人地操作特性 ,又利于人機間地協(xié)調(diào)與交流 ,通過視覺良好地鍵面色彩 , 標準化地象形符號意象抽取 ,能準確反映和傳遞兩者間地信息 .數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計反映產(chǎn)品內(nèi)在功能地深層特性 ,外觀表達地是產(chǎn)品表層特 性,對用戶而言 ,深層次地與產(chǎn)品使用密切相關(guān)地結(jié)構(gòu)性能要通過表層地外觀形態(tài) 來傳遞和表達 .全封閉防護罩雖然掩蓋了機床地主體結(jié)構(gòu) ,卻至少傳達了數(shù)控機床 這樣幾個方面地深層內(nèi)含： 先進地數(shù)控數(shù)顯裝置； 對機床地精度和剛度使用 地可靠性、 安全防護性及環(huán)保等有嚴格要求； 采用先進標準地刀具系統(tǒng)及安裝 位置合理地自動換刀裝置； 采用整套商品化、 標準化地新型配套件、 自動排屑、

9、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(jié)構(gòu)地基本組成 數(shù)控機床是機械和電子技術(shù)相結(jié)合地產(chǎn)物 ,其機械結(jié)構(gòu)隨著電子控制技術(shù)在 機床上地普及應用 ,以及對機床性能提出地技術(shù)要求 ,而逐步發(fā)展變化 .是對普通 機床地進給系統(tǒng)進行革新、改造 ,而后逐步發(fā)展成一種全新地加工設(shè)備 .數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)地主要組成1 主傳動系統(tǒng)；2 進給系統(tǒng) ,3 實現(xiàn)工件回轉(zhuǎn)、定位裝置和附件；4 實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能地系統(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

10、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地各種反饋信號裝置及元件 .412 數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)地主要特點和要求 數(shù)控機床是高精度和高生產(chǎn)率地自動化機床 ,與普通機床相比 ,應該具有更好 地剛性和抗振性 ,相對運動面地摩擦系數(shù)要小 ,傳動部件之間地間隙要小 .數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)地主要特點(一) 高剛度和高抗振性 1機床剛度地基本概念機床剛度是指機床結(jié)構(gòu)抵抗變形地能力 . 機床在靜態(tài)力作用下所表現(xiàn)地剛度稱為機床地靜剛度； 機床在動態(tài)力作用下所表現(xiàn)地剛度稱為機床地動剛度 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地要求,與普通機床比較 ,數(shù)控機床應有更高地靜、動剛

11、度 ,更好地抗振性 .2提高數(shù)控機床 結(jié)構(gòu)剛度地措施(1) 提高機床構(gòu)件地靜剛度和固有頻率(2) 改善數(shù)控機床結(jié)構(gòu)地阻尼特性(3) 采用新材料和鋼板焊接結(jié)構(gòu)(二) 減少機床熱變形地影響機床地熱變形是影響機床加工精度地重要因素之一 .數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速、進 給速度遠高于普通機床 ,而大切削量產(chǎn)生地熾熱切屑對工件和機床部件地熱傳導 影響遠比普通機床嚴重 ,而熱變形對加工精度地影響操作者往往難以修正 .因此 , 應特別重視減少數(shù)控機床熱變形地影響 .常用以下措施減少發(fā)熱： 1改進機床布局和結(jié)構(gòu)(1) 采用熱對稱結(jié)構(gòu)(2) 采用傾斜床身和斜滑板結(jié)構(gòu)(3) 采用熱平衡措施2控制溫度對機床發(fā)熱部位 (如主軸

12、箱等 ),采用散熱、風冷和液冷等控制溫升地辦法來吸 收熱源發(fā)出地熱量 .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(jié)構(gòu)簡化數(shù)控機床地主軸驅(qū)動系統(tǒng)和進給驅(qū)動系統(tǒng)，分別采用交、直流主軸電動機和 伺服電動機驅(qū)動，這兩類電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)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(jié)構(gòu)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

13、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)控車床地 傳動系統(tǒng)圖普通車床和數(shù)控車床地傳動系統(tǒng)比較圖丄軸箱b)(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) 中地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 阻力地特點.(五) 低摩擦因數(shù)地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地質(zhì)量 ，數(shù)控機床地 導軌則有更高地要求.要求在高速進給時不振動，低速進給時不爬行，具有很高地 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)地鑄鐵一鑄鐵滑動導軌，除經(jīng)濟型數(shù)控機床外，在其它數(shù)

14、控機床上已不采 用.取而代之地是做鑄鐵一塑料或鑲鋼，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(jié)，并做成軟帶狀.聚四氟乙烯導軌軟帶地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，所以被廣泛地應用于中、小型數(shù)控 機床地運動導軌.(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地雙組份塑料涂層.SKC3導軌塑料涂層具有、良好地可加工性，可經(jīng)車、銑

15、、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 受運動速度變化地影響，定位精度和靈敏度高，精度保持性好等優(yōu)點.數(shù)控機床地 常用地滾動導軌有兩種.滾動導軌塊：這是一種滾動體循環(huán)運動地滾動導軌.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地導軌塊由生產(chǎn) 廠家預先根據(jù)用戶要求組裝好，用戶只要把導軌單元地軌道和導軌塊分別固定在 機床地固定導軌和運動導軌上即可因此用戶在設(shè)計和裝配調(diào)試上都十分簡單方 便單元式直線滾動導軌地結(jié)構(gòu)341-導軌體2-側(cè)面密圭寸墊3-保持器4

16、-承載球列5-端部密圭寸墊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地導軌面間通入壓力油，使運動件浮起.工作過 程中，導軌面上地油腔中地油壓能隨著外加負載地變化自動調(diào)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).靜壓導軌地摩擦因數(shù)極小，約為0. 0005,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，因而導軌地精度保持性好，壽命長.4 2 數(shù)控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(shè)備乃至一系列 地設(shè)備組合）因偏離其設(shè)計狀態(tài)而喪失部分或全部功能地現(xiàn)象 .機械故障可以從不同地角度來分類：按原因

17、、按性質(zhì).按影響程度、按造成地后果、按發(fā)生地快慢、按發(fā)生地頻次、按發(fā)生與發(fā)展地規(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)機器地故 障和預防設(shè)備地惡性事故發(fā)生 ,從而避免人員地傷亡、環(huán)境地污染和巨大地經(jīng)濟 損失 .還可以找出生產(chǎn)系統(tǒng)中地事故隱患 ,從而對機械設(shè)備和工藝進行改造 ,以消 除事故隱患 .另外 ,是改革設(shè)備地維修制度 ,將傳統(tǒng)地定期維修改變?yōu)轭A知維修 ,從 而大大提高機械系統(tǒng)運行地安全性、可靠性和利用率 .4 2 3 機械故障診斷地基本環(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)測地內(nèi)容2建立測試系統(tǒng)3特征提取4狀態(tài)識別、

18、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地一般處理數(shù)控機床機械部分地修理 ,凡與常規(guī)機床機械部分相同地故障可用常規(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(jié)構(gòu)簡化 ,所以 機械故障率有明顯地降低 .1進給傳動鏈故障地處理：由于數(shù)控機床地傳動鏈大多采用滾動摩擦副 ,所以這方面地故障大多表現(xiàn)為 運動品質(zhì)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 （尤其有機械硬碰撞之后易產(chǎn)生 ） 等.這部分地維修常與運動副地預緊力 , 松動環(huán)和補償環(huán)節(jié)地調(diào)整有密切關(guān)聯(lián) .2主軸部件故障地處理：這部分故障多與刀柄地自

19、動拉緊裝置、 自動變檔裝置及主軸運動精度下降等 有關(guān) .因為數(shù)控機床采取電氣自動調(diào)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(jié)構(gòu)上簡化使故障大為減少 .3ATC 刀具自動交換裝置故障地處理：據(jù)統(tǒng)計 ATC 刀具自動交換裝置故障占數(shù)控機床機械故障地一半以上 .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(guān)壓合故障地處理：數(shù)控機床配備了許多限位運動地行程開關(guān)，使用一段時間后，使運動部件地運 動特性起了變化以及壓合行程開關(guān)地機械可靠性與

20、行程開關(guān)本身地品質(zhì)、 特性都 會影響整機地運動.這就需要很好地檢查、更換或調(diào)整.5 配套附件可靠性下降產(chǎn)生故障地處理：數(shù)控機床地配套附件包括：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.這些部件地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 位地檢查不應忽略，如有地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、機床地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條件得到滿足，就會取消報警 轉(zhuǎn)入正常工作.6. ATC故障排除實例日本東芝公司地TOSNAC

21、 BMC125型臥式數(shù)控加工中心是 20世紀80年代 初期生產(chǎn)地數(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(nèi)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型加工中心地換刀是屬于有機械手進給刀具自動交換地形式，所以從結(jié)構(gòu)上和動作上均屬于比較復雜地一種.大多數(shù)地BMC125型數(shù)控加工中心地用戶在使用中地反映,ATC刀具自動交換裝 置故障出現(xiàn)地原因，大多數(shù)在于限位開關(guān)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(guān)元件，則應在故障出現(xiàn)后嚴格檢測，必要時應更換.4. 3主傳動系統(tǒng)與主軸部件故障地診斷與維修數(shù)控機床地主傳動是承受主切削力地傳動運動，它地功率大小與回轉(zhuǎn)速度直接影響著機床地加工效率，而主軸部件是保證機床加工精度和自動化程度地主 要部件，它們對數(shù)控機床性能有著決定性地影響.4. 3. 1主傳動系統(tǒng)主傳動系統(tǒng)常采用地配置形式有：(1)采用齒輪變速地形式（2）米用帶傳動地形式（3）由調(diào)速電機直接驅(qū)動地形式4. 3. 2主軸部件主軸部件地性能要求高回轉(zhuǎn)精度、足夠地功率輸出、剛度、抗振性