数控专业毕业论文

郑州大学自考本科毕业论文 专 业 数控技术 姓 名 蔡 磊 准考证号 070111200216 论文题 目 数控 机床对零件的 加工与维护 的设计 2012 年 10 月 4 日 2 毕业论文样式 -评价： 论文评语： 论文建议成绩： 评审教师 签名： 年 月 日 论文综合成绩： 答辩组长签名： 院系盖章： 年 月 日 学校自考办意见： 3 目录 摘要 .4 绪论 .5 第一章 数控加工概述 . 6 第二章 数控车的加 工工艺分析与工装夹 . 8 第一节 零件图的工艺分析 . 8 第二节 合理选择切削用量 . 9 第三节 合理选择刀具和夹具 . 10 第四节 夹 具安装要点 . 12 第五节 加工路线的拟定 . 12 第三章 数控车床加工实例 . 16 第四章 数控机床电气维修技术 . 22 第一节 人员条件 . 22 第二节 机床性能及数控功能检验 . 23 第三节 关于预防性维护 . 25 总 结 . 30 谢词 .31 参考文献 . 32 附录 1 任务书 . 33 附录 2 开题报告 . 34 4 摘 要 数控技术是现代制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。数控机床的电气故障是数控机床的多发故障，其接线复杂、故障不易查找，一直是维修的一个重点和难点。本文对数控机床的电气维修技术做出了简明的概括，简单阐述了数控机床的电气系统的构成，把一些常见的故障进行分类，列举了一些常见数控的机床的电气故障的诊断方法，总结归纳出了数控机床的电气维修方法及技巧，使维修人员可以有条理进行数控机床 电气部分的诊断与维修，减少了电气故障的诊断时间，加快了电气故障维修的速度。 关键词：数控机床，电气故障，分析，维修 Abstract Modern manufacturing of CNC technology is automated, flexible, integrated production base and left the CNC technology, advanced manufacturing technology is like a tree without roots. Electrical failure is a CNC machine tool of numerical control machine tool fault, its complex wiring, fault is difficult to find, has always been a focus of maintenance and difficulties. This on NC machine of electrical maintenance technology made has concise of General, simple described has NC machine of electrical system of constitute, to some common of fault for classification, cited has some common NC of machine of electrical fault of diagnosis method, summary summarized out has NC machine of electrical maintenance method and the skills, makes maintenance personnel can has structured for NC machine electrical part of diagnosis and maintenance, reduced has electrical fault of diagnosis time, accelerated has electrical fault maintenance of speed. 5 Key words: numerical control machine tools, electrical failure, analysis, maintenance 绪 论 制造业是我国国民经济的支柱产业，其增加值约占我国国内生产总值的 40%以上，而先进的制造技术是振兴制造业系统工程的重要组成部分。 21世纪是科学技术突飞猛进 、不断取得新突破的世纪，它是数控技术全面发展的时代。数控机床代表一个民族制造工业现代化的水平，随着现代化科学技术的迅速发展，制造技术和自动化水平的高低已成为衡量一个国家或地区经济发展水平的重要标志。 数控车床是目前使用最广泛的数控机床之一。数控车床主要用于加工轴类、盘类等回转体零件。通过数控加工程序的运行，可自动完成内外圆柱面、圆锥面、成形表面、螺纹和端面等工序的切削加工，并能进行车槽、钻孔、扩孔、铰孔等工作。车削中心可在一次装夹中完成更多的加工工序，提高加工精度和生产效率，特别适合于复杂形状回转类零件的加 工。 数控机床的加工工艺与通用机床的加工工艺有许多相同之处，但在数控机床上加工零件比通用机床加工零件的工艺规程要复杂得多。在数控加工对刀前，要将机床的运动过程、零件的工艺过程、刀具的形状、切削用量和走刀路线等都编入程序，这就要求程序设计人员具有多方面的知识基础。合格的程序员首先是一个合格的工艺人员，否则就无法做到全面周到地考虑零件加工的全过程，以及正确、合理地编制零件的加工程序。 本文主要讨论的就是作为制造业的组成部分数控车床。主要内容有关于数控车床的数控加工原理、加工工艺分析、刀具的选用、数控车加工操作流 程。 6 第一章 数控加工概述 2.1 数控加工原理 当我们使用机床加工零件时，通常都需要对机床的各种动作进行控制，一是控制动作的先后次序，二是控制机床各运动部件的位移量。采用普通机床加工时，这种开车、停车、走刀、换向、主轴变速和开关切削液等操作都是由人工直接控制的。采用自动机床和仿形机床加工时，上述操作和运动参数则是通过设计好的凸轮、靠模和挡块等装置以模拟量的形式来控制的，它们虽能加工比较复杂的零件，且有一定的灵活性和通用性，但是零件的加工精度受凸轮、 靠模制造精度的影响，而且工序准备时间也很长。 采用数控机床加工零件时，只需要将零件图形和工艺参数、加工步骤等以数字信息的形式，编成程序代码输入到机床控制系统中，再由其进行运算处理后转成驱动伺服机构的指令信号，从而控制机床各部件协调动作，自动地加工出零件来。当更换加工对象时，只需要重新编写程序代码，输入给机床，即可由数控装置代替人的大脑和双手的大部分功能，控制加工的全过程，制造出任意复杂的零件。数控加工的原理如图 1-1所示。 7 图 1-1 数控加工原理框图 2.2 数控加工的特点 总的来说，数控加工有如下特点： (1) 自动化程度高，具有很高的生产效率。除手工装夹毛坯外，其余全部加工过程都可由数控机床自动完成。若配合自动装卸手段，则是无人控制工厂的基本组成环节。数控加工减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件；省去了划线、多次装夹定位、检测等工序及其辅助操作，有效地提高了生产效率。 (2) 对加工对象的适应性强。改变加工对象时，除了更换刀具和解决毛坯装夹方式外，只需重新编程即可，不需要作其他任何复杂的调整，从而缩短了生产准备周期。 (3) 加工精度高，质量稳定。加工尺寸精度在 0.005 0.01 mm 之间，不受零件复杂程度的影响。由于大部分操作都由机器自动完成，因而消除了人为误差，提高了批量零件尺寸的一致性，同时精密控制的机床上还采用了位置检测装置，更加提高了数控加工的精度。 (4) 易于建立与计算机间的通信联络，容易实现群控。由于机床采用数字信息控制，易于与计算机辅助设计系统连接，形成 CAD/CAM一体化系统，并且可以建立各机床间的联系，容易实现群控。 （ 5） 在可靠性方面，国外数控装置的 MTBF值已达 6 000h以上，伺服系统的 MTBF值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 8 第二章 数控车的加工工艺分析与工装夹 第一节 零件图的工艺分析 在设计零件的加工工艺规程时，首先要对加工对象进行深入分析，对于数控车削加工应考虑以下几个方面 1 构成两件轮廓的几何条件 在车削加工 手工编程时，要计算每个节点坐标，在自动编程时，要对零件轮廓所以的几何元素进行定义，因此在分析零件图时要注意 （ 1） 零件图上是否漏掉某尺寸，使其几何条件不充分，影响到零件轮廓的构成。 （ 2） 零件图上的图线位置是否模糊或标注不清，使编程无法下手 （ 3） 零件图上给定的几何条件是否不合理，造成数学处理困难 （ 4） 零件图上的尺寸标注方法应适应数控车床加工的特点，应以同一基准标注尺寸或直接给出坐标尺寸 2 尺寸精度要求 分析零件图样尺寸精度的要求，以判断能否用车削工艺达到，并确定控制尺寸精度的工艺方法，在该项分析过程中，还可以同时进行一些 尺寸的换算，如增量尺寸与绝对尺寸及尺寸链计算等等，在利用数控车床车削零件时，常常对零件要求的尺寸取最大和最小极限尺寸的平均值作为编程的尺寸依据。 3 形状和位置的精度的要求 零件图样上给定飞形状和位置公差是保证零件精度的重要依据，加工时要按照其要求确定零件的定位基准和测量基准，还可以根据数控车床的特殊需要进行一些技术性的处理，以便有效的控制零件的形状和位置精度。 4 表面粗糙度要求 表面粗糙度是保证零件表面微观精度的重要要求，也是合理选择数控车床，刀具及确定切削用量的依据。 5 材料与热处理要求 零件图 样上给定的材料与热处理要求，是选择刀具，数控车床型号，确定切削用量的依据 9 第二节 合理选择切削用量 加工过程中切削用量的确定 合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应考虑经济性和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。具体要考虑以下几个因素： 切削深度 a p。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下， a p就等于加工余量，这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗 糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。 切削宽度 L。一般 L与刀具直径 d成正比，与切削深度成反比。经济型数控机床的加工过程中，一般 L的取值范围为： L=(0.6 0.9)d。 切削速度 V。提高 V也是提高生产率的一个措施，但 v与刀具耐用度的关系比较密切。随着 v的增大，刀具耐用度急剧下降，故 v的选择主要取决于刀具耐用度。另外，切削速度与加工材料也有很大关系，例如用立铣刀铣削合金刚 30CrNi2MoVA 时， v可采用 8m/min左右；而用同样的立铣刀铣削铝合金时， V可选 200m/min以上。 主轴转速 n(r/min)。主轴转速一般根据切削速度 v来选定。计算公式为：V=pnd/1000。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调 (倍率 )开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。 进给速度 Vf。 vF应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。 Vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时， Vf可选择得大些。在加工过程中， Vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。 V=pnd/1000。数控机床的控制面板上 一般备有主轴转速修调 (倍率 )开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。 进给速度 Vf。vF应根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具和工件材料来选择。 Vf的增加也可以提高生产效率。加工表面粗糙度要求低时， Vf可选择得大些。在加工过程中， Vf也可通过机床控制面板上的修调开关进行人工调整，但是最大进给速度要受到设备刚度和进给系统性能等的限制。随着数控机床在生产实际中的 10 广泛应用，量化生产线的形成，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控程序的编制过程中，要在人机交互状态下即时选择刀具和确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉刀具的选择方法和切削用量的确定原则，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平。 第三节 合理选择刀具和夹具 1 刀具选用的原则 刀具的选择是在数控编程的人机交换状态下进行的，应根据机床的加工能力，工件材料的性能，加工工序，切削用量已经其他相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性，刀体一般均用普通碳钢或者合金钢制作，如焊接车刀，镗刀， 钻头，铰刀的刀柄。尺寸较小的刀具或切削负荷较大的刀具宜选用合金工具钢或整体高速钢制作，如螺纹刀具，形成铣刀，拉刀等。 机夹，可转位硬质合金刀具，镶硬质合金钻头，可转位铣刀等的刀体可用合金工具钢制作。对于一些尺寸较小，刚度较差的精密孔的加工刀具，如小直径镗刀，铰刀，为保证刀体有足够的刚度，宜选用整体硬质合金制作，以提高刀具寿命和加工精度。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。 2 、刀具材料的选择方法 材料我们选用硬质合金钢 硬质合金由作为主要组元的难熔金属碳化物和起黏结相作用的金属组成的烧 结材料，具有高强度和高耐磨性。它是由难熔金属的硬质化合物和粘结金属通过粉末冶金工艺制成的一种合金材料。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等一系列优良性能，特别是它的高硬度和耐磨性，即使在500的温度下也基本保持不变，在 1000时仍有很高的硬度。硬质合金广泛用 作刀具材料，如车刀，铣刀，刨刀，钻头，镗刀等用于切削铸铁，有色金属，塑料，化纤，石墨，玻璃，石材和普通钢材，也可以用来切削耐热钢，不锈钢，高锰钢，工具钢等难加工的材料。现在新型硬质合金刀具的切削速度等于碳素钢的几百倍。 性能特点 硬度高（ 86-93HRA，相当于 69-81HRC） ； 热硬性好（可达 900-1000） 耐磨性好 硬质合金刀具比高速钢切削速度提高 4-7 倍，刀具寿命高 5-80 倍。制造 11 模具，量具，寿命比合金工具钢高 20-150 倍。可切削 50HRC 左右的硬质合金材料。但硬质合金脆性打，不能进行切削加工，难以制成形状复杂的整体刀具，因而常制成不同形状的刀片，采用焊接，粘接，机械夹持等方法。 分类与牌号 钨钴类硬质合金 主要成分是碳化钨（ WC）和粘结剂钴（ CO） 其牌号是由“ YG”（硬，钴两字汉语拼音字首）和平均含 钴量的百分数组成。 例如，“ YG”，表示平均 WCO=8%，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。 钨钛钴类硬质合金 其主要成分是碳化钨，碳化钛（ Tic）及钴 其牌号由“ YT”（硬，钛两字的汉语拼音首字）和碳化钛平均含量组成 例如， YT15，表示平均 WTi=15%，其余为碳化钨和钴含量的钨钛。 钨钛钽类硬质合金 主要成分是碳化钨，碳化钛，及钴 其牌号由“ YW”（硬，万两字的汉语拼音首字）加顺序号组成，如 YW1 3 、刀具的分类及特点 （ 1）刀具的特点 数控加工刀具必须适应数控机床高速，高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具，通用联接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要联接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐便准化和系列化。数控机床与普通机床上所用的刀具相比，有许多不同的要求，主要有以下特点， 1 刚性好，精度高，抗振及热变形小 2 互换性好，便于快速换刀 3 寿命高，切削性能稳定，可靠 4 刀具的尺寸便于调整，以减少换刀调整时间 5 刀具应能可靠地断屑或卷屑 ，以利于切屑的排除 6 系列化，标准化，以利于编程和刀具管理 （ 2）刀具的分类 数控刀具根据刀具结构可分为整体式镶嵌式特殊型式，如复合式刀具，减震式刀具等。根据制造刀具所用的材料可分为：高速钢刀硬质合金刀具金刚石刀具其他材料刀具，如立方氮化硼刀具，陶瓷刀具等。从切削工艺上可分为：车削刀具，分外圆，内孔，螺纹，切割刀具等多种钻削刀具，包括钻头，铰刀，丝锥等镗削刀具铣削刀具等。 12 第四节 夹具安装要点 目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，液压卡盘夹紧要点如下：首先用扳手卸下液压油 缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用扳手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。 第五节 加工路线的拟定 零件机械加工的工艺路线是指零件生产过程中，由毛坯到成品所经过的工序先后顺序。在拟定工艺路线时，首先除考虑定位基准的选择外，还应当考虑个表面加工方法的选择，工序集中与分散的程度，加工阶段的划分和工序先后顺序的安排等问题。 一 表面加工方法的选择 （一）加工经济精度 由实践可知，各种加工方法（如车，铣，刨，磨，钻）所能达到的加工精度和表面粗糙度是有一定的范围的。任何一种加工方法，如果由技术水平高的熟练工人在 精密完好的设备上仔细的慢慢操作，必然使加工误差减小，可以得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，但却使成本增加。反之技术水平较低的工人在精度较差的设备上快速操作，虽然成本下降，但是得到的加工误差不然较大，使加工精度降低。 统计质料表面加工精度要求越高，即允许的加工误差越小，零件成本越高。 （二） 选择表面加工方法应考虑的因素 选择表面加工方法时，首先应根据零件的加工要求，查表或根据经验来确定哪些加工方法能达到所要求的加工精度。 （ 1） 工件材料的性质 如有色金属的精加工不宜采用磨削，因为有色金属易使砂轮堵塞， 因此常采用高速精车削或金刚镗等切削加工方法。 （ 2） 工件的形状和尺寸 如形状比较复杂，尺寸较大的零件，其上的孔一般不宜采用拉削或磨削，直径大于 60mm的孔不宜采用钻，扩，铰等。 13 （ 3） 选择加工方法要与生产类型相适应 一般来说，大批大量生产应选用高生产率的和质量稳定的价格方法。而单件小批量生产应尽量选择通用设备和避免采用非标准的专用刀具来加工。如平面加工一般采用铣削或刨削，但刨削由于生产率低，除特殊场合外，在成批以上的生产中以逐步被铣削所代替，而大批大量生产时，常常要考虑拉削平面的可能性，对于孔加工来说， 镗削由于刀具简单，在单间小批量生产中得到及其广泛的应用。 （ 4） 具体的生产条件 工艺人员必须熟悉工厂现有的价格设备和他们的工艺能力，工人的技术水平，以充分利用现有设备和工艺手段，同时也要注意不断引进新技术，对老设备进行技术改造，挖掘企业的潜力，不断提高工艺水平。 三 各种表面的典型加工路线 根据上述因素确定了某个平面的最终加工方法后，还必须同时确定前面的预加工方法，形成一个表面加工路线，才能付诸实施。例 1 外圆表面的加工路线 （ 1）粗车 半精车 精车 如果加工精度要求较低时，也可以只取精车或粗车然后半 精车 （ 2）粗车 半精车 粗磨 精磨 对于黑色金属材料，加工精度等于或低于 IT16，表面粗糙度等于或大于 Ra0.4um的外圆表面，特别是有淬火要求的表面，通常采用这种加工路线，有时也采取粗车 半精车 磨的方法 （ 3） 粗车 半精车 精车 金刚石车 这种加工路线主要适用于有色金属材料及其他不宜采用磨削加工的外圆表面 （ 4） 粗车 半精车 粗磨 精磨 精密加工 当外圆表面的精度要求特别高或表面粗糙度的要求特别小时，在方案 2的基础上，还要增加精密加工或光整加工方法。常采用的外圆表面的精密加工方法有研磨，超精加工， 精密磨等；抛光，砂带磨等光整加工方法则是以减小表面粗糙度为主要目的的。 2 孔的加工路线 （ 1） 钻 扩 粗铰 此方案广泛应用于加工直径小于 40mm的中小孔。其中扩孔有纠正正确位置误差的能力，而铰刀又是定尺寸刀具，容易保证孔的尺寸精度。对于直径较小的孔，有时只需要一次便能达到要求的加工精度。 14 （ 2） 粗镗 半精镗 精镗仅适用于直径较大的孔，位置精度要求较高的孔， 有色金属材料制成的孔，在上述情况下如果毛坯上已有铸出或锻出的孔，则第一道工序先安排镗，若毛坯上没有孔，第一道工序便安排钻或两次钻。当孔的加工要求更 高时，可在精镗后再安排浮动或金刚镗或其他精密加工方法。 （ 3）钻一位 多用于大批量生产中加工盘套类零件的圆孔，单键孔，及花键孔。拉刀为定尺寸刀具，其加工质量稳定，生产效率高。加工要求较高时，拉削可分为粗拉和精拉。 （ 4）粗镗 半精镗 粗磨 精磨 该方案主要用于中小型淬硬零件的孔加工。当孔的精度要求更高时，可在增加研磨或其他精加工工序。 3 平面加工路线 （ 1） 磨削 磨削可得到较高的加工精度和较小的表面粗糙度，且以磨淬硬表面，因此广泛应用于中小型零件的平面精加工。要求更高的零件可以在粗磨 精磨 后在安排研 磨或精密磨等加工。 （ 2）刮研 刮研是获得精密平面的传统加工方法 由于这种方法劳动量大，生产效率低，在大批量生产下已逐步被磨削所取代，但在单件小批量生产修配工作中仍用广泛的应用。 （ 3）高速精铣或宽刀精刨 高速精铣不仅能获得较高的精度和小的表面粗糙度，而且生产率高，应用于不淬硬的中小型零件平面的加工，宽刀精刨多用于大型零件特别是狭长平面的精加工。 二 加工阶段的划分 工件上每一个表面的加工，总是先粗后精。粗加工去掉大部分余量，要求生产率高；精加工保证工件精度的要求。对于加工精度要求较高的零件，应当将整个工艺 过程划分成粗加工，半精加工，精加工等几个阶段，在各个阶段之间安排热处理工序，加工划分阶段有如下优点； （ 1） 有利于保证加工质量 粗加工时，由于切去的余量较大，切削力和所需的夹紧力也较大，因而工艺系统受力变形和热变形都比较严重而且毛坯制造过程因冷却速度不均匀使工件内部存在着内应力，粗加工从表面切去一层金属，致使内应力重新分布也会引起变形，这就使得粗加工不仅不能得到较高的精度和较小 15 的表面粗糙度，还可能影响其他已经精加工过的表面。粗加工分阶段进行，就可以避免上述因素对精加工表面的影响，有利于保证加工质量。 （ 2）合理地使用设备 粗加工采用功率较大，刚度大，精度不太高的机床，精加工应在精加工高的机床上进行，有利于长期保持机床的精度。 （ 3） 有利于及早的发现毛坯的缺陷，粗加工安排在前，若发现了毛坯的缺陷，及时予以报废，以免继续加工造成工时的浪费。 综上所述，工艺过程应当尽量划分阶段进行。至于究竟应当划分为两个阶段，三个阶段，还是更多的阶段，必须根据工件的加工精度要求和工件的刚性来决定。一般来说，工件精度要求越高，刚性越差，划分阶段应越细。另一方面，粗精加工分开，使机床台数和工序数增加，当生产批量较小时，机床负荷利 率低，不经济。所以，当工件批量小，精度要求不太高，工件刚性较好时也可以不分或少分阶段。重型零件由于输送及装夹困难，一般在一次装夹完成粗精加工，为了弥补不分阶段带来的弊端，常常在粗加工工步后松开工件，然后以较小的夹紧力重新夹紧，在继续进行精加工工步。 16 第 三 章 数控车床加工实例 图 2-2 数控加工零件图 3.1 零件图样分析 (1)材料选 45#中碳热扎钢，无热处理及硬度要求的热扎钢（图 2-2 数控加工零件图） (2)成型表面组成：由圆柱面、圆锥面、球面、圆弧面以及螺纹面组成 。各表面精度要求较高以及表面粗糙度要求为 Ra1.6，用数控车削均可完成。 (3)轴段右侧有两段顺逆圆弧，应选用机械间隙补偿的数控机床去完成。 3.2 工艺措施 (1)尺寸精度要求及表面粗糙度要求，一般取表面粗糙度为七级精度，使用高等精度数控 CJK6140 即可保证零件的加工要求，编程时，直接带入具体尺寸。 (2)轴段右侧有两段顺逆圆弧，应选用带机械间隙补偿的数控机床去完成。 (3)各成型表面连接无复杂程度中等，不须用可转位刀片，用一般车削硬质合金刀即可。 (4)选毛坯件： 45#碳热扎圆钢，取 50X150mm (5)数控加工前先在普床上完成外圆的准备加工，使之为 48mm，同时获得工件的回转轴线、再平端面。 3.3 确定定位基准和装夹方式 (1)定位基准： 17 X方向：坯件回转轴线 Z方向：坯件端面 设计基准和定位基准与工艺基准三者重合；在相应加工之前基准端面要先加工。 (2)装夹方式：三爪自定心卡盘，手工夹紧夹持端。对坯料多余部分插入主轴内部，加工时依次完成四根轴的加工。在数控机床上分别加工各成型面，最后用切割刀切除。 综上所述，首先在普床上平端面、加工外圆去除表面的余量达到要求，然后把工件放到数控车 床上确定左段用三爪自定心卡盘夹持，加工圆球、圆弧、圆锥、倒角、退刀槽及螺纹，最后用切割刀切断即可完成。 (3)装夹图如图 3-3所示： 图 3-3 装夹图 3.4 加工路线及进给路线 (1)粗车外表面 先平端面，然后遵循由粗到精，从右到左（由近到远）的加工原则；加工时从右到左粗车各面，粗车时留精加工余量 0.5mm。加工时用复合固定循环中的轴向粗车循环指令（ G73）自动完成加工，以减少计算时间，方面编程。加工路线如图 4-4所示，用一把刀即可完成所以内容。 18 图 4-4 加工路线及进给路线图 (2)精车外表面 编程时用 G70指令对应 G71指令进行精车，一刀完成。走刀路线如上图4-4所示。 (3)槽加工 一刀完成。走刀路线如下图 5-5所示： 图 5-5 槽加工图 (4)螺纹加工 由于螺纹系易损面，应后加工。编程时可用 G92螺纹循环指令完成加工。走刀路线如如图 6-6所示： 图 6-6 螺纹加工图 (5)最后用切断刀切断。 3.5 刀具选择 刀具材料为硬质合金，经几何分析 sina=OC/OK=6.5/7.5=0.866 得到 a=60度， Kr大于 30为安全。 19 （ 1）粗车时循环车削轮廓 取一般硬质合金 90度 右偏刀，从右向左车外廓，副偏角为 55度，取 nk较大的刀以防止干涉，取刀杆直径 D=20mmX20mm。 （ 2）精车轮廓 用硬质合金 90度右偏刀，刀尖尖角为 55度，刀杆D=20mmX20mm，为保证刀尖圆角半径 r小于结构上最小圆弧半径，取r=0.150.2mm。 （ 3）切槽刀：切削刀宽为 5mm，刀柄 D=20mmX20mm。 （ 4）螺纹刀：使用 60度外螺纹硬质合金右刀，刀柄 20mmX20mm。 （ 5）切割刀：切削刃宽为 4mm，刀柄 D=25mmX25mm （ 6）将以上所选定的刀具参数填入如下数控加工刀具卡。 3.6 工艺卡片 表 1-1 工艺卡片 序号 刀具号 刀具规格 与名称 数量 工序内容 备注 1 T01 90度右偏硬质合金外圆刀 1 粗车外轮 廓及端面 自动 2 T02 90度右偏硬质合金刀 1 精车外表面 自动 3 T03 刀刃宽为 5mm的切槽刀 1 切退刀槽 自动 4 T04 60度的硬质合金螺纹刀 1 车螺纹 外螺纹 5 T05 切割刀 1 切端面 宽 4mm 编制 易汉辉 审核 20 3.7 切削用量选择 (1)背吃刀量（查课本 P136表 4-3，精车余量查 P133表 4-2） 外廓： 粗车背吃刀量 3.0mm 精车余量背吃刀量 0.5mm 螺纹： 粗车背吃刀量 0.4mm 循环依次减少 精车余量背吃刀量 0.1mm (2)主轴转速（查课本表 4-3并参阅机床手册中“主轴转速”） 该零件的加工面由圆柱、圆锥、螺纹、球面等表面组成，因为工件材料为 45#中碳钢。 3.8 数控加工程序单 表 2-2 数控加工程序单 零件图 01 零 件 名称 启动轴 编制 易汉辉 程序号 00001 编制 日期 2010-11-22 审核 00001 程序号 G50 X150.0 Z200.0 T0100； 快速定位 G96 M03 S700 T0101； 主轴正转、恒线速度设定 G00 X50 Z3.0； 快速定位 G71 U3.0 R0.5； 粗车循环进给量设定 G71 P10 Q20 U0.5 W0.3 F0.4； 粗车循环进给量设定 N10 G00 X0； 快速定位 G01 Z0 F0.15 S1000； 设定精车进给量和转速 G02 X10 Z-10 R10； 顺圆弧加工 G01 Z-26.5 R4.0； 外轮廓加工 G01 X12.0 ； 外轮廓加工 X13.5 Z-28； 外轮廓加工 Z-49.5； 外轮廓加工 21 X16； 外轮廓加工 X18.0 Z-51； 外轮廓加工 Z-64.5.0； 外轮廓加工 N20 G00 X50.0 Z3.0； 退回至循环起点 G00 X150.0 Z200.0 T0202； 退回至安全点换 02 号刀 G00 X50.0 Z3.0 S1000 F0.15； 主轴转速设定、进给量设定 G70 P10 Q20； 精车循环 G00 X150.0 Z200.0； 快速退刀返回安全点 T0303 S400 F0.15； 换 03号刀主轴转速进给量设定 G00 X40.0 Z-49.5； 快速定位 G01 X24.0 F0.1； 加工槽 G04 X1.0； 暂停 1秒 G01 X23.0； 退回至加工起点 G00 X50.0 Z3.0； 快速退刀 G00 X150.0 Z200.0； 快速退刀返回安全点 T0404 S600； 换 04号刀主轴转速设定 G00 X30.0 Z-25.0； 快速定位至加工起点 G92 X26.2 Z-47.0 F1.5； 螺纹循环第一次走刀 X25.6； 切螺纹第二次走刀 X25.2； 切螺纹第三次走刀 X25.04； 切螺纹第四次走刀 X25.04； 走空刀切除毛刺 G00 X50.0 Z3.0； 退刀 G00 X150.0 Z200.0； 快速退刀返回安全点 M05 T0000； 取消刀具补偿 M30； 程序停止 22 第四章 数控机床电气维修技术 数控机床的应用越来越广泛，然而我国从事数控机床电气设计、 应用 与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的制约，在数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理论与自动化技术的高速 发展 ，尤其是微 电子 技术和 计算 机技术的日新月异，使得数控技术也在同步飞速发展，数控系统结构形式上的 PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践 带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很大的变化。因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维修技术理论完整地表述出来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验 总结 加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实 践有所裨益。 数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是 企业 中关键产品关键工序的关键设备，一旦故障停机，其影响和损失往往很大。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能，而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保养与维修工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。由于数控机床日常出现的 多为电气故障，所以电气维修更为重要。 第一节 人员条件 数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。 1.首先是有高度的责任心和良好的职业道德 2.识面要广，要 学习 并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然还包括上节所讲的基本数控知识。 3.经过良好的技术培训。数控技术基础理论的学习，尤其是针 对具体数控机床的技术培训，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习，而更重要且更长时间的是自学。 四 .于实践。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能力和动手能力。 五 .握 科学 的 方法 。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总结提高，从中提炼出分析问题、解决问 题的科学的方法。 六 .习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。 七 .握一门外语，特别是 英语 。起码应做到能看懂技术资料。 23 第二节 机床性能及数控功能检验 数控机床性能和数控功能直接反映数控机床各项性能指标，并影响数控机床运行的正确性和可靠性。 1.机床性能 （ 1）主轴系统 用手动方式分别选择高、中、低三种主轴转速连续进行 5次正转和反转的启动和停止动作，检验主轴动作的灵活性和可靠性 。用数据输入方式使主轴转速从低速逐步提高到最高速，检验各级转速值，转速允差为设定值的上下 10%，同时观察机床的振动情况。主轴在连续 2h高速运转后允许温升 15度。 主轴准停装置连续操作 5次，检验准停动作的可靠性和灵活性。 （ 2）进给系统 分别对各坐标轴进行手动操作，检验各坐标轴正转和反转的低、中、高速进给和快速移动的启动、停止、点动等动作的平稳性和可靠性。用数据输入方式检验 G00指令速度和 G01指令各种进给速度，允差为设定值的上下 5%。 （ 3）自动换刀系统 在刀库装满刀柄的满负 载条件下，通过手动操作和自动运行，检验刀具自动交换的可靠性、灵活性和平稳性，机械手抓取最大允许重量刀柄的可靠性，刀号选择的正确性。测定自动交换刀具的时间。 （ 4）数控装置 检查数控装置的各种指示灯、操作面板等功能和动作的正确性和可靠性、数控装置的密封性、数控装置与伺服驱动单元的连接电缆的可靠性。 （ 5）电气装置 在数控机床试运转前后分别对机床电气装置进行一次绝缘检验。测定数控装置和电气柜的接地质量、绝缘的可靠性、检查数控装置和电气柜内的通风散热条件和清洁状况。 （ 6）气、液装置 检验机床压缩空气源、气路有无泄漏以及工作的可靠性。如气压太低时有无报警显示，气压表和油水分离装置是否完好等。检验液压系统油路密封的可靠性。 24 （ 7）润滑装置 检验自动润滑油路工作的可靠性。如定时润滑是否正常，分配到各润滑点的油量是否均匀，油路各接头有无渗漏等。 （ 8）安全装置 检验机床各附属装置的安全性以及机床保护功能的可靠性。如各种安全防罩，各坐标轴行程限位保护功能，各种过流、过压、过热、过载和紧急停止等功能。 （ 9）附属功能 检验机床各附属装置工作的可靠性。如排屑 器的工作质量，冷却防护罩在大量冷却液冲淋时有无泄漏， APC交换工作台是否正常，在工作台上加额定负载后自动交换是否可靠等。 （ 10）机床噪声 检验数控机床试运转噪声，不得超过 80dB。数控机床主轴一般采用了电调速装置，主轴已不是机床的主要噪声源。主轴电机的风扇噪声、液压系统的油泵噪声等可能成为机床主要噪声。 2.数控功能 （ 1）准备指令功能 检验快速点定位、直线插补、圆弧插补、螺纹加工、编程方式、坐标系选择、平面选择、暂停、刀具长度补偿、刀具半径补偿、镜像功能、固定循环等指令的准确 性。 （ 2）辅助功能 检验程序停止、主轴启动和停止、换刀、程序结束指令的准确性。 （ 3）操作功能 检验回原点、单段程序、主轴和进给倍率调整、紧急停止、主轴和冷却液的启停等功能。 （ 4）监视器显示功能 检验坐标显示、菜单显示、程序显示和编辑等功能的正确性。 （ 5）通信功能 25 检验数据发送、接收的正确性， DNC的可靠性。 第三节 关于预防性维护 为了降低故障率，其工作 内容 主要包括下列几方面的 工作。 (1)人员安排 为每台数控机床分配专门的操作人员、工艺人员和维修人员，所有人员都要不断地努力提高自己的业务技术水平。 (2)建规建档 针对每台机床的具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案，管理者要经常检查、 总结 、改进。 (3)日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，包括保养内容(如坐标轴传动系统的润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统，传动带的松紧 ，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等 )及各功能部件和元气件的保养周期 (每日、每月、半年或不定期 )。 (4)提高利用率 数控机床如果较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床的各运动环节会由于油脂凝固、灰尘甚至生锈而 影响 其静、动态传动性能，降低机床精度，油路系统的 堵塞更是一大烦事；从电气方面来看，由于一台数控机床的整个电气控制系统硬件是由数以 万计的 电子 元器件组成的，他们的性能和寿命具有很大离散性，从宏观来看分三个阶段：在一年之内基本上处于所谓“磨合”阶段。在该阶段故障率呈下降趋势，如果在这期间不断开动机床则会较快完成“磨合”任务，而且也可充分利用一年的维修期；第二阶段为有效寿命 阶段，也就是充分发挥效能的阶段。在合理使用和良好的日常维护保养的条件下，机床正常运转至少可在五年以上；第三阶段为系统寿命衰老阶段，电器硬件故障会逐渐增多，数控系统的使用寿命平均在 8 10 年左右。 因此，在没有加工任务的 一段时间内，最好较低速度下空运行机床，至少也要经常给数控系统通电，甚至每天都应通电。 3.1 数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。 (1)以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。而软件故障一般是指 PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改 PLC 程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控系统软件的缺损甚至丢失，这就只 有与生产厂商或其服务机构联系解决了。 (2)以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今的数控系统都设计有完美的自诊断程序，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生的原因、部位，而且还有排除的 方法 提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使 得绝大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性所致(如开关不闭合、接插松动等 )。这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以 分析 、排除。 26 (3)以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。对于破坏性故障，损坏工件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、分析来排除之，技术难度较高且有一定风险 。如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重现故障过程，但应十分小心。 (4)以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定的 条件则一定会产生的确定的故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这类故障的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能排除。 (5)以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故障。在这种情况下，机床虽 能正常运转却加工不出 合格的工件。例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机、电环节，然后通过对机械传动系统、数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。 此处故障的分类是为了便于故障的分析排除，而一种故障的产生往往是多种类型的混合，这就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应的分析、排除法。 3.2 故障的调查与分析 这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作： （ 1）询问调查 在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持现场 故障状态， 不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细询问故障指示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。 （ 2）现场检查 到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而核实 初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不乏其例，因此到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场，使排故增加难度。 （ 3）故障分析 根据已知的故障状况按上节所述故 障分类办法分析故障类型，从而确定排故原 则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手册和使 用说明书，可以列出产生该故障的多种可能的原因。 （ 4）确定原因 对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因，这时对维修人员是 一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。 （ 5）排出故障准备 有的故障的排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一系列的准 备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排故计划步骤的制 定等等。 3.3 数控机床的维护 27 数控机床种类多，各类数控机床因其功能，结构及系统的不同，各具不同的特性。其维护保养的内容和规则也各有其特色，具体应根据其机床种类、型号及实际使用情况，并参照机床使用说明书要求，制订和建立必要的定期、定级保养制度。下面是一些常见、通用的日常维护保养要点。 （ 1）严格遵守操作规程和日常维护制度 数控设备操作人员要严格遵守操作规程和日常维护制度，操作人员的技术业务素质的优劣是影响故障发生频率的重要因素。当机床发生故障时，操作者要注意保留现场，并向维修人员如实说明出现 故障前后的情况，以利于分析、诊断出故障的原因，及时排除。 （ 2）防止灰尘污物进入数控装置内部 在机加工车间的空气中一般都会有油雾、灰尘甚至金属粉末，一旦它们落在数控系统内的电路板或电子器件上，容易引起元器件间绝缘电阻下降，甚至导致元器件及电路板损坏。有的用户在夏天为了使数控系统能超负荷长期工作，采取打开数控柜的门来散热 . 应该检查数控柜上的各个冷却风扇工作是否正常。每半年或每季度检查一次风道过滤器是否有堵塞现象，若过滤网上灰尘积聚过多，不及时清理，会引起数控柜内温度过高。 直流电 动机电刷的过度磨损，会影响电动机的性能，甚至造成电动机损坏。为此，应对电动机电刷进行定期检查和更换。数控车床、数控铣床、加工中心等，应每年检查一次。 一般数控系统内对 CMOS RAM存储器件设有可充电电池维护电路，以保证系统不通电期间能保持其存储器的内容。在一般情况下，即使尚未失效，也应每年更换一次，以确保系统正常工作。电池的更换应在数控系统供电状态下进行，以防更换时 RAM内信息丢失。 定期调整主轴驱动带的松紧程度，防止因带打滑造成的丢转现象；检查主轴润滑的恒温油箱、调节温度范围，及时补 充油量，并清洗过滤器；主轴中刀具夹紧装置长时间使用后，会产生间隙，影响刀具的夹紧，需及时调整液压缸活塞的位移量。 定期检查、调整丝杠螺纹副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；定期检查丝杠与床身的连接是否有松动；丝杠防护装置有损坏要及时更换，以防灰尘或切屑进入。 严禁把超重、超长的刀具装入刀库，以避免机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具发生碰撞；经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整；开机时，应使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开 关和电磁阀能否正常动作 . 28 定期对各润滑、液压、气压系统的过滤器或分滤网进行清洗或更换；定期对液压系统进行油质化验检查、添加和更换液压油；定期对气压系统分水滤气器放水。 定期进行机床水平和机械精度检查并校正。机械精度的校正方法有软硬两种。其软方法主要是通过系统参数补偿，如丝杠反向间隙补偿、各坐标定位精度定点补偿、机床回参考点位置校正等；硬方法一般要在机床大修时进行，如进行导轨修刮、滚珠丝杠螺母副预紧调整反向间隙等。 1刀库及换刀机械手的维护 1） . 用手动方式往刀库上装刀时，要保证 装到位，检查刀座上的锁紧是否可靠； 2） . 严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞； 3） . 采用顺序选刀方式须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。其他选刀方式也要注意所换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生； 4） .注意保持刀具刀柄和刀套的清洁； 5） . 经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作； 6） . 开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关 和电磁阀能否正常动作。 2滚珠丝杠副的维护 1） .定期检查、调整丝杠螺母副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度； 2） . 定期检查丝杠支撑与床身的连接是否松动以及支撑轴承是否损坏。如有以上问题要及时紧固松动部位，更换支撑轴承； 3). 采用润滑脂的滚珠丝杠，每半年清洗一次丝杠上的旧油脂，更换新油脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠，每天机床工作前加油一次； 4).注意避免硬质灰尘或切屑进入丝杠防护罩和工作过程中碰击防护罩，防护装置一有损坏要及时更换。 3主传动链的维护 1） . 定期调整主轴驱动带的松紧程度； 2). 防止各种杂质进入油箱。每年更换一次润滑油； 3） . 保持主轴与刀柄连接部位的清洁。需及时调整液压缸和活塞的位移量； 4） . 要及时调整配重。 4液压系统维护 1） . 定期过滤或更换油液； 2). 控制液压系统中油液的温度； 3).防止液压系统泄漏； 4). 定期检查清洗油箱和管路； 5).执行日常点检查制度。 5气动系统维护 29 1） .清除压缩空气的杂质和水分； 2） . 检查系统中油雾器的供油量； 3） .保持系统的密封性； 4） . 注意调节工作压力； 5） .清洗或更换气动元件、滤芯； 3.4 维修排故后的总结提高工作 对数控机床电气故障进行维修和分析排除后的总结与提高工作是排故的第三阶段，也是十分重要的阶段，应引起足够重视。 总结提高工作的主要内容包括： （ 1）详细记录从故障的发生、分析判断到排除过程中出现的各种问题，采取的各种措施，涉 及到的相关电路图、相关参数和相关软件，其间错误分析和排除故障方法也应记录并记录其无效的原因。除填入维修档案外，内容较多者还要另文详细书写。 （ 2）有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出常有普遍意义的内容作为 研究 课题 进行 理论 性探讨，写出论文，从而达到提高的目的。特别是在有些故障的排除中并未经由认真系统地分析判断而是带有一定地偶然性排除了故障，这种情况下的事后总结研究就更加必要。 （ 3）总结故障排除过程中所需要的各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补济，而且在 随后的日子里研读，以备 将来之需。 （ 4）从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定 学习 计划，力争尽快补课。 （ 5） 找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。 30 总 结 数字控制机床是用数字代码形式的信息 (程序指令 )，控制刀具按给定的工作程序 、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。对于数控加工 ,无论是手工编程还是自动编程，在编程前都要对所加工的零件进行工艺分析，拟定加工方案，选择合适的刀具，确定切削用量，对一些工艺问题 (如对刀点、加工路线等 )也需做一些处理。并在加工过程掌握控制精度的方法 ,才能加工出合格的产品为了更好的运