数控机床001.doc

烟台工程职业技术学院 数控技术系 系 数控设备应用与维护 专业 08302 级毕业设计（论文）题 目: 数控机床进给传动部件及其维护维修 姓名 冯昌龙 学号 2008080035 指导教师（签名） 二一年十月十二日烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文） 数控机床主轴部件及其维护维修 是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名) 年 月 日摘要：数控机床是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、自动检测技术和精密机械设计和制造等先进技术的高新技术产物，是技术密集度和自动化程度都很高的、典型的机电一体化产品。数控机床不仅具有零件加工精度高、生产效率高、产品质量稳定自动化程度极高的特点，而且它还可以完成普通机床难以完成或根本无法加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位显得愈来愈为重要。但是，在企业生产中，数控机床能否达到加工精度高、产品质量稳定、提高生产效率的目标，这不仅取决于机床本身的性能和精度，很大程度上也与操作者在生产中能否正确的对数控机床进行维护维修和使用密切相关。其中，进给部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由联轴器及一些减速机构组成。进给部件的运行情况及精度对零件的加工有很大的影响。所以，数控机床进给部件及其维护维修在数控机床的维护维修中显得尤为重要。本论文将对这些方面进行阐述。【关键词】 数控机床 进给部件 维修 维护目 录 前言 5 一 数控机床设计概念6 二 数控机床进给伺服系统介绍8 三 数控机床进给传动机械部件及应用10 （一）联轴器10 （二）减速机构11 （三）滚珠丝杠螺母副12 四 伺服进给系统常见故障形式及维护维修12 五 伺服进给系统常见故障典型案例分析13 结论 16 致谢 16 参考文献16 前言 我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品国内、外市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 而相对于传统机床，数控机床有以下明显的优越性： 1、可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 2、可以实现加工的柔性自动化，从而效率比传统机床提高37倍。 3、加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”。 4、可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 5、拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，可实现长时间无人看管加工。 因此，采用数控机床，可以降低工人的劳动强度，节省劳动力（一个人可以看管多台机床），减少工装，缩短新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。 此外，机床数控化还是推行FMC（柔性制造单元）、FMS（柔性制造系统）以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。本次设计的内容是介绍数控机床的一些基本概念、数控进给部件的相关介绍及维护维修知识并针对数控机床进给传动部件的一些典型故障进行分析、解决。特撰写此毕业设计论文。 设计的目的是培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想、严肃认真的科学态度，加强团队合作精神。在设计中，先通过参观及查阅等了解有关系统的工作原理，作用及结构特点。选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得出相关的结构或零件。一、数控机床设计概述 用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条件不紊乱地作，从而加工出零件的全部轮廓。数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。 经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为： 1、尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。 2、选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。 3、尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。 4、尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。 5、尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度较高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T型丝杠。也可对原车床上T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。 般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体各机械部件组成如下图所示电动机的选择 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。 (2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。 (3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。 (4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。 (5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性 感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零点几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。二、进给伺服系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图2.1所示：图2.1 数控机床进给系统伺服由于各种数控机床所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求： （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控机床的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车床区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。 全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。三、数控机床进给传动机械部件及应用一般，一个典型的数控机床闭环控制进给零碎，由地位相比，放大元件、驱动单位、机械传动安置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动安置是地位控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动安置，是指将驱动源的旋转运动变为劳动台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮安置、丝杠螺母副等两头传动机构。 （一）联轴器联轴器是用来连接寄给机构的两根轴使之一同回转移通报扭矩和运动的一种安置。目前联轴器的类型众多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器结构简略，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向挪动）。且请求两轴残酷对中，不答应有径向或角度恰恰向，因此使用时遭到一定。绕行联轴器接纳锥形夹紧环通报载荷，可使动力通报没有偏向间隙。凸缘式联轴器结构简略、本钱的、可通报较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚大及对中好的场地。他的主要缺点是对两轴的对中请求很高。若两轴间存正在位移与倾斜，救正在机件内惹起附加载荷，使劳动情况恶化。 （二）减速机构1、齿轮传动安置齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，种种机床的传动安置中几乎都有齿轮传动。正在数控机床伺服进给零碎中接纳齿轮传动安置的手法有两个。一是将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交换伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的施行件的输进；另一是使滚珠丝杠和劳动台的转动惯量正在零碎中专有较小的比重。别的，对付开环零碎还可以包管所请求的运动精度。为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常正在结构上接纳措施，以减小或消弭齿轮副的空程误差。如接纳双片齿轮错齿法、利用恰恰心套调解齿轮副核心距或接纳轴向垫片调解法消弭齿轮侧隙。与接纳同步齿形带比较，正在数控机床进给传动链中接纳齿轮减速安置，更易孕育发生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改进动态能。2、同步齿形带 同步齿形带传动是一种新型的带传动。他利用齿形带的齿形与带轮的轮齿顺次啮合通报运动和动力，因此兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无尽对滑动，均匀传动相比正确，传动精度高，并且齿形带的强度高、厚度小、重量轻、故可用于高速传动。齿形带无需非凡张紧，故作用正在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已正在数控机床上广泛应用。同步齿形带的主要数与规格如下： 齿距齿距p为相邻两齿正在节线上的间隔。由于强力层正在劳动时度稳定，所以强力层的核心线被规定为齿形带的节线（中层），并以节线的周长L作为齿形带的雄称长度。模数 模数界说为m=p/,使齿形带尺寸计算的一个主要根据。其它参数齿形带的其它参数和尺寸与渐开线齿条基本相反。齿形带齿形的计算雄式与渐开线齿条差别，由于齿形带的节线正在强力层上，而不正在齿高中部。齿形带的标注要领是：模数宽度齿数，即mbz。（三）滚珠丝杠螺母副为了进步进给零碎的灵敏度、定位精度和防御匍匐，务必降低数控机床进给零碎的辩论并减少静、动辩论系数之差。因此，组成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。 滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。滚珠丝杠副的辩论角小于1，因此不自锁。假如滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则务必有制动安置。 滚珠丝杠的静、动辩论系数实践上几乎没有什么区别。它可以消弭反向间隙并施加预载，有助于进步定位精度和刚度。滚珠丝杠由特地工场制造。 四、伺服进给系统常见故障形式 （一）超程 当进给运动超过由软件设定的软限位或由限位开关决定的硬限位时，就会发生超程报警，一般会在CRT上显示报警内容，根据数控系统说明书，即可排除故障，解除超程。 （二）爬行 一般是由于进给传动链的润滑状态不良、伺服系统增益过低及外加负载过大等因素所致。尤其要注意的是，伺服和滚珠丝杠连接用的联轴器，由于连接松动或联轴器本身的缺陷，如裂纹等，造成滚珠丝杠转动或伺服的转动不同步，从而使进给忽快忽慢，产生爬行现象。 （三）窜动 在进给时出现窜动现象，其可能原因有：1、接线端子接触不良，如紧固的螺钉松动；2、位置控制信号受到干扰；3、测速信号不稳定，如测速装置故障、测速反馈信号干扰等。如果窜动发生在正、反向运动的瞬间，则一般是由于进给传动链的反向间隙或者伺服系统增益过大引起。 （四）过载 当进给运动的负载过大、参数设定错误、频繁正、反向运动以及进给传动链润滑状态不良时，均会引起过载的故障。此故障一般机床可以自行诊断出来，并在 CRT显示屏上显示过载、过热或过电流报警。同时，在进给伺服模块上用指示灯或者数码管显示驱动单元过载、过电流等报警信息。 （五）伺服电动机不转 当速度、位置控制信号未输出、或者使能信号（即伺服允许信号，一般为DC+24V继电器线圈电压）未接通以及进给驱动单元故障都会造成此故障。此时应测量数控装置的指令输出端子的信号是否正常，通过CRT观察I/O状态，分析机床 PLC梯形图（或流程图），以确定进给轴的启动条件，观察如润滑、冷却等是否满足。如是进给驱动单元故障则用交换法，可判断出相应单元是否有故障。 五、伺服进给系统常见故障典型案例分析 （一）一台配套FANUC 7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。 为了判定故障原因，将机床操作方式置于手动方式，用手摇脉冲发生器控制Y轴进给，发现Y轴仍有振动现象。在此方式下，通过较长时间的移动后，Y轴速度单元上OVC报警灯亮。证明Y轴伺服驱动器发生了过电流报警，根据以上现象，分析可能的原因如下： 1.电动机负载过重；2.机械传动系统不良；3.位置环增益过高；4.伺服电动机不良，等等。 维修时通过互换法，确认故障原因出在直流伺服电动机上。卸下Y轴电动机，经检查发现2个电刷中有1个的弹簧己经烧断，造成了电枢电流不平衡，使电动机输出转矩不平衡。另外，发现电动机的轴承亦有损坏，故而引起-轴的振动与过电流。更换电动机轴承与电刷后，机床恢复正常。 （二）一台配套FANUC 6ME系统的加工中心。轴在运动时速度不稳.由运动到停止的过程中，在停止位置出现较大幅度的振荡，有时不能完成定位，必须关机后，才能重新工作。 分析与处理过程：仔细观察机床的振动情况，发现，X轴振荡频率较低，且无异常声。从振荡现象上看，故障现象与闭环系统参数设定有关，如：系统增益设定过高、积分时间常数设定过大等。 检查系统的参数设定、伺服驱动器的增益、积分时间电位器调节等均在合适的范围，且与故障前的调整完全一致，因此可以初步判断，轴的振荡与参数的设定与调节无关。为了进一步验证，维修时在记录了原调整值的前提下，将以上参数进行了重新调节与试验，发现故障依然存在，证明了判断的正确性。 在以上基础上，将参数与调整值重新回到原设定后，对伺服电动机与测量系统进行了检查。首先清理了测速发电机和伺服电动机的换向器表面，并用数字表检查测速发电机绕组情况。检查发现，该伺服电动机的测速发电机转子与电动机轴之间的连接存在松动，粘接部分已经脱开；经重新连接后，开机试验，故障现象消失，机床恢复正常工作。 （三）一台数控铣床，采用FUNAC 6M系列三轴一体型伺服驱动器，开机后，X轴工作正常，但是手动移动Z轴，发现在较小范围内，Z轴可以运动，但继续移动Z轴，系统出现伺服报警。分析和处理过程：根据故障现象，检查机床实际工作情况，发现开机后Z轴可以少量运动，不久温度迅速上升，表面发烫。 分析引起以上故障的原因，可能是机床电气控制系统故障或机械传动系统不良。为确定故障部位，考虑到本机床采用半闭环结构，维修时首先松开伺服与丝杠的连接，并再次开机实验，发现故障现象不变，故确认报警是由于电气控制系统不良引起。 由于机床Z轴伺服带有制动器，开机测量制动器的输入电压正常，在系统、驱动器关机的情况下，对制动器单独加入电源进行试验，手动转动Z轴，发现制动器松开，手动转动轴平稳、轻松，证明制动器工作良好。 为了进一步缩小故障部位，确认Z轴伺服的工作情况，维修时利用不同规格的 X轴在机床侧进行互换实验，发现换上的同样出现发热现象，且工作时故障现象不变，从而排除了伺服本身原因。 为了确认驱动器的工作情况，维修时在驱动器侧，对Z轴的驱动器进行互换实验，即将X轴驱动器与Z轴伺服链接，Z轴驱动器与X轴连接。经实验发现故障转移到X轴，Z轴工作恢复正常 根据以上实验，乐意确认以下几点： 1.机床机械传动系统正常，制动器工作良好； 2.数控系统工作正常，因为当Z轴驱动器带动X轴时，机床无报警； 3.Z轴伺服工作正常，因为将它在机床侧与X轴互换后，工作正常； 4.Z轴驱动器工作正常，因为通过X轴驱动器在电柜侧互换，控制Z轴后，同样发生故障。 综合以上判断，可以确认故障是由于Z轴伺服的电缆连接引起的。 仔细检查伺服的电缆连接，发现该机床在出厂时电枢线连接错误，即驱动器的L/M/N端子未与插头的 A/B/C连接端一一对应，相序存在错误，重新连接后，故障消失，Z轴可以正常工作。 （四）一台配套FUNAC 6ME系统的加工中心，X轴在静止时机床工作正常，无报警；但在X轴运动过程中，出现振动，伴有噪声。 分析与处理过程：由于机床在X轴静止时机床工作正常，无报警，初步判定数控系统与驱动器无故障。考虑到X轴运动时定位正确，因此，进一步判定系统X位置环工作正常。检查X轴的振动情况，经观察发现，振动的频率与运动速度有关，运动速度快振动频率较高，运动速度慢则振动频率低，初步认为故障与速度反馈环节有关。分析引起以上故障可能的原因有： 1.测速发电机不良；2.测速发电机连接不良；3.直流伺服电动机不良。 维修时首先检查X轴伺服电动机的测速发电机连接，未发现不良。检查X轴伺服电动机与内装式测速发电机，发现换向器表面积有较多的碳粉，用压缩空气进行清理后，故障未消除。进一步利用数字万用表，测量测速发电机换向片之间的电阻值，经比较后发现，有一对极片间的电阻值比其他各对极片间的电阻值大了很多，说明测速发电机绕组内部存在断路现象。更换新的测速发电机后，机床恢复正常。 转贴于转贴于 中国论文下载中心 http:/结论进给部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由联轴器、减速机构、滚珠丝杠螺母副等组成。进给部件的精度、热变性的对加工质量有直接的影响，特别是数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。所以，数控机床进给部件及其维护维修在数控机床的维护维修中显得尤为重要。致谢 本设计在张一老师的悉心指导和严格要求下业已完成，从课题选择、方案论证到具体设计和调试，无不凝聚着张一老师的心血和汗水，在三年的专科学习和生活期间，也始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向张一老师表示深深的感谢和崇高的敬意。不积跬步何以