第5章-数控机床机械结构的故障诊断与维护资料.ppt

第5章数控机床机械结构的故障诊断与维护,2020/5/2,1,5.1数控机床机械结构概述5.2数控机床机械故障诊断方法5.3主传动系统与主轴部件的诊断与维5.4进给传动机构故障的诊断与维修5.5导轨副故障的诊断与维修5.6液压、气动系统故障诊断与维修5.7刀库及自动换刀装置故障分析与排除,2020/5/2,2,第5章数控机床机械结构的故障诊断与维护,滚动导轨的安装、预紧：直线滚动导轨副（如图所示）是数控机床上常用的机构，安装固定方式主要有螺钉固定、压板固定、定位销固定和斜楔块固定。在实际使用中，通常是两根导轨成队使用，其中一条为基准导轨，通过对基准导轨的正确安装，以保证运动部件相对于支承元件的正确导向。,引例,安装前必须检查导轨是否有合格证，有否碰伤或锈蚀，用防锈油清洗干净，清除装配表面的毛刺、撞击突起物及污物等；检查装配联接部位的螺栓孔是否吻合，如果发生错位而强行旋入螺栓，将会降低运行精度。导轨安装步骤如下：1)将导轨基准面紧靠机床装配表面的侧基面，对准螺孔，将导轨轻轻地用螺栓予以固定。2)上紧导轨侧面的顶紧装置，使导轨基准侧面紧靠贴床身的侧面。3)，用力矩扳手按参考值拧紧导轨的安装螺钉；从中间开始按交叉顺序向两端拧紧。,由于进给伺服驱动、主轴驱动和CNC技术的发展，以及为适应高生产效率的需要，数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进，逐步发展为数控机床的独特机械结构。图5-1所示为CK6136型数控车床。,5.1数控机床机械结构概述,2020/5/2,5,5.1.1数控机床机械结构的主要组成,数控机床的机械结构，除机床基础部件外，还有下列几部分：1）主传动系统。2）进给传动系统。3）实现工件回转、定位的装置和附件。4）实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置。5）刀架或自动换刀装置（ATC）。6）自动拖盘交换装置（APC）。7）特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置。8）为完全自动化控制功能的各种反馈信号及元器件,2020/5/2,6,5.1.2数控机床机械结构的主要特点由于数控加工是一种程序控制过程，使其相应形成了以下几个特点：（1）自动化程度高，可以减轻工人的劳动强度。（2）加工精度高、加工质量稳定可靠、重复性好。（3）加工生产率高。（4）对零件加工的适应性强、灵活性好、能加工形状复杂的零件。（5）有利于生产管理的现代化。,2020/5/2,7,数控机床是机、电、液、气、计算机自动控制等为一体的自动化机床，经各部分的执行功能最后共同完成机械执行机构的移动、转动、夹紧、松开、变速和换刀等各种动作，实现切削加工任务。在机床工作时，它们的各项功能相互结合，发生故障时也混在一起，故障现象与故障原因并非简单的一一对应关系，而往往可能出现一种故障现象是由几种不同原因引起的，或一种原因引起几种故障，即大部分故障是以综合故障形式出现的，这就给故障诊断及其排除带来了很大困难。,5.2数控机床机械故障诊断方法,2020/5/2,8,5.2.1机械故障及其分类,一般来说，机床的机械故障类型可分为以下几种。（1）功能性故障主要指工件加工精度方面的故障，表现在加工精度不稳定、加工误差大、运动方向误差大、工件表面粗糙。（2）动作型故障主要指机床各执行部件动作故障，如主轴不转动、液压变速不灵活、工件或刀具夹不紧或松不开、刀架或刀库转位定位不太准等。（3）结构型故障主要指主轴发热、主轴箱噪声大、切削时产生振动等。（4）使用型故障主要指因使用和操作不当引起的故障，如由过载引起的机件损坏、撞车等。,2020/5/2,9,5.2.2数控机床机械故障诊断方法数控机床机械系统故障的诊断方法可以分为实用诊断技术、常用诊断技术、现代诊断技术三种。数控机床机械系统故障的诊断方法见表5-1。,2020/5/2,10,数控机床是机、电、液、气、计算机自动控制等为一体的自动化机床，经各部分的执行功能最后共同完成机械执行机构的移动、转动、夹紧、松开、变速和换刀等各种动作，实现切削加工任务。在机床工作时，它们的各项功能相互结合，发生故障时也混在一起，故障现象与故障原因并非简单的一一对应关系，而往往可能出现一种故障现象是由几种不同原因引起的，或一种原因引起几种故障，即大部分故障是以综合故障形式出现的，这就给故障诊断及其排除带来了很大困难。,5.3主传动系统与主轴部件的诊断与维修,2020/5/2,11,5.3.1主轴部件,1主轴端部的结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图5-2所示为普通机床和数控机床所通用的几种结构形式。,2020/5/2,12,2.主轴部件的支承机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承。1）主轴部件常用滚动轴承的类型如图5-3所示2）滚动轴承的精度主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6、精密级5、特精级4和超精级2。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取4、5级，后支承用5、6级。3）主轴滚动轴承的配置如图5-4所示,2020/5/2,13,4）主轴滚动轴承的预紧常用的方法有以下几种：(1)轴承内圈移动如图5-5所示(2)修磨座圈或隔套如图5-6、5-7所示3.主轴的材料和热处理主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此，对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为2228HRC。4.主轴的润滑与冷却主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。,2020/5/2,14,1主轴部件的维护数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度；它的功率大小和回转速度影响加工效率；它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升。在结构上，必须很好地解决刀具和工件的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。（1）防泄漏：图5-8所示为卧式加工中心主轴前支承的密封结构。,2020/5/2,15,5.3.2主传动系统的特点、一般调试方法,主轴的密封有接触式和非接触式密封。图5-9是几种非接触密封的形式。接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封，如图5-10所示。（2）刀具夹紧在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀具自动夹紧装置的刀杆常用7:24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。2.主传动链的维护3主传动链故障及诊断方法主传动链常见故障及排除方法如表5-2所列。,2020/5/2,16,5.4进给传动机构故障的诊断与维修,2020/5/2,17,5.4.1滚珠丝杠螺母副目前广泛应用的进给运动的传动方式主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠螺母副的间接传动的进给运动方式;另一种是采用直线电机直接驱动的进给运动方式。后者多用于高速加工中。常用的循环方式有外循环与内循环两种：1、外循环2、内循环滚珠丝杠副与滑动丝杠螺母副比较有很多优点：传动效率高、灵敏度高、传动平稳；磨损小、寿命长；可消除轴向间隙，提高轴向刚度等。,1.滚珠丝杠副的安装常见安装方式有以下四种情况(如图5-11的（a）、（b）、（c）、（d）所示)。(1)固定自由适用于低转速，中精度，短轴向丝杠；(2)支承支承适用于中等转速，中精度；(3)固定支承适用于中等转速、高精度；(4)固定固定适用于高转速、高精度。2.滚珠丝杠副的预紧滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度。在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修配垫片厚度、双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。1、修配垫片消隙式如图5-12所示2、双螺母消隙式如图5-13所示3、齿差消隙式如图5-14所示,2020/5/2,18,3.滚珠丝杠副的润滑及防护装置滚珠丝杠副在工作状态下，必须润滑，以保证其充分发挥机能。润滑方式主要有以下两种：润滑脂、润滑油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使用条件等的不同而不同。滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，因此考虑油污物异物（切削）进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。防尘装置可采用可随移动部件移动而收展的钢制盖板或柔性卷帘。,2020/5/2,19,5.4.2静压蜗杆蜗轮条传动传动原理静压蜗杆蜗轮齿条是一种精密传动副，用于将回转运动转变为直线位移。如图5-15所示，蜗杆可看作长度很短的丝杠，其长径比很小。蜗轮齿条则可以看作一个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。与滚珠丝杠不同，蜗轮齿条能无限接长，因此，运动部件的行程可以很长。,2020/5/2,20,5.4.3预加载荷双齿轮齿条工作行程很大的大型数控机床通常采用齿轮齿条来实现进给运动。进给力不大时，可以采用类似于圆柱齿轮传动中的双薄片齿轮结构，通过错齿的方法来消除间隙；当进给力较大时，通常采用双厚齿轮的传动结构。图5-16是双厚齿轮的传动结构图。,2020/5/2,21,5.4.4直线电动机传动直线电动机的工作原理与旋转电动机没有本质区别，可将其视为旋转电动机沿圆周方向拉伸展平的产物，如图5-17所示，对应于旋转电动机的定子部分，称为直线电动机的初级；对应于旋转电动机的转子部分，称为直线电动机的次级。在结构上，可以有如图5-18所示的短次级和短初级两种形式。为了减小发热量和降低成本，高速机床用直线电动机一般采用图5-18b所示的短初级和动次级结构。,2020/5/2,22,5.4.5滚珠丝杠常见的的故障、故障原因及维修方法表5-3为滚珠丝杠螺母副常见的故障、故障原因及维修方法一览表。,2020/5/2,23,5.5导轨副故障的诊断与维修,2020/5/2,24,5.5.1导轨滑块副导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨。1.滑动导轨2.静压导轨如图5-19所示3.滚动导轨如图5-20所示4.滚动导轨的结构，结构如图5-21所示5.滚动导轨的安装、预紧如图5-22所示,5.5.2导轨常见的的故障、故障原因及维修方法表5-5为导轨副在使用中常见故障、故障原因及维修方法一览表。,2020/5/2,25,5.6液压、气动系统故障诊断与维修,2020/5/2,26,5.6.1数控机床液压回路常见故障及维修液压传动系统在数控机床中占有很重要的位置，加工中心的刀具自动交换系统(ATC)，托盘自动交换系统，主轴箱的平衡，主轴箱齿轮的变档以及回转工作台的夹紧等般都采用液压系统来实现。机床液压设备是由机械、液压、电气及仪表等组成的统一体，分析系统的故障之前必须弄清楚整个液压系统的传动原理、结构特点，然后根据故障现象进行分析、判断，确定区域、部位、以至于某个元件。液压系统的工作总是由压力、流量、液流方向来实现的，可按照这些特征找出故障的原因并及时给予排除。造成故障的主要原因一般不外有三种情况：一是设计不完善或不合理；二是操作安装有误，使零件、部件运转不正常；三是使用、维护、保养不当。前一种故障必须充分分析研究后进行改装、完善，后两种故障可以用修理及调整的方法解决。,1液压泵故障液压泵主要有齿轮泵、叶片泵等，下面以齿轮泵为例介绍故障及其诊断。齿轮泵最常见的故障是泵体与齿轮的磨损、泵体的裂纹和机械损伤。出现以上情况一般必须大修或更换零件。2整体多路阀常见故障的可能原因及排除方法(1)工作压力不足(2)工作油量不足(3)复位失灵复位弹簧损坏与变形，更换新产品。(4)外泄漏,2020/5/2,27,3电磁换向阀常见故障的可能原因和排除方法(1)滑阀动作不灵活(2)电磁线圈烧损4液压缸故障及排除方法(1)外部漏油(2)活塞杆爬行和蠕动,2020/5/2,28,2020/5/2,29,5.6.2数控机床气压回路常见故障及维修1气动系统维护的要点(1)保证供给洁净的压缩空气(2)保证空气中含有适量的润滑油(3)保持气动系统的密封性(4)保证气动元件中运动零件的灵敏性(5)保证气动装置具有合适的工作压力和运动速度2气动系统的点检与定检(1)管路系统点检(2)气动元件的定检：表5-6气动元件的定检,5.7刀库及自动换刀装置故障分析与排除,2020/5/2,30,5.7.1刀库的形式刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影响。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成多种形式。图5-23所示为常见的几种刀库形式。单盘式刀库图5-23ad存放的刀具数目般为1540把，为适应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。图5-23d是刀具可作90翻转的圆盘刀库，采用这种结构可以简化取刀动作。单盘式的结构简单，取刀也很方便，因此应用广泛。当刀库存放刀具的数目要求较多时，若仍采用单圆盘刀库，则刀库直径增加太大而使结构庞大。为了既能增大刀库容量而结构又较紧凑，研制了各种形式的刀库。如图5-23e为鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。,5.7.2刀库的故障刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀库的刀套不能夹紧，刀具、刀库上不到位等。(1)刀库不能转动或转动不到位，刀库不能转动的可能原因有：联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；变频器故障，应查变频器的输入输出电压正常与否；PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；机械连接过紧或黄油粘涩；电网电压过低(不应低于370V)。刀库转动不到位的可能原因有：电机转动故障，传动机构误差。(2)刀套不能夹紧刀具可能原因是刀套上的调整螺母松动，或弹簧太松，造成卡紧力超重，刀具超重。(3)刀套上下不到位可能原因是装置调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确；因限位开关安装不准或调整不当而造成反馈信号错误。(4)刀套不能拆卸或停留一段时间才能拆卸应检查操纵刀套90上下的气缸、气阀是否松动，气压足不足，刀套的转动轴锈蚀等。,2020/5/2,31,5.7.3换刀机械手故障（1）刀具夹不紧可能原因有气泵气压不足，增压漏气，刀具卡紧气压漏气，刀具松开弹簧上的螺帽松动。(2)刀具夹紧后松不开可能原因有松锁刀的弹簧压合过紧，应调节松锁刀弹簧上的螺钉，使最大载荷不超过额定数值。(3)刀具从机械手中脱落应检查刀具是否超重，机械手卡紧锁是否损坏或没有弹出来。(4)刀具交换时掉刀换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。(5)机械手换刀速度过快或过慢可能是因气压太高或太低和换刀气阀节流开口太大或太小。,2020/5/2,32,2020/5/2,33,图5-1CK6136型数控车床1-主轴2-溜板箱3-刀架4-防护罩5-数控系统6-机床控制操作面板7-尾座8-床身,2020/5/2,34,表5-1数控机床机械系统故障的诊断方法,2020/5/2,35,续表5-1数控机床机械系统故障的诊断方法,2020/5/2,36,续表5-1数控机床机械系统故障的诊断方法,2020/5/2,37,图5-2主轴端部的结构形式,2020/5/2,38,图5-3主轴常用的滚动轴承,2020/5/2,39,图5-4数控机床主轴轴承配置形式,2020/5/2,40,图5-5轴承内圈移动,2020/5/2,41,图5-6修磨座圈图5-7隔套的应用,2020/5/2,42,2020/5/2,43,图5-8主轴前支承的密封结构1-进油口；2-轴承；3-套筒；4、5-法兰盘；6-主轴；7-泄漏孔；8-回油斜孔；9-泄油孔,图5-9非接触式密封1-端盖2-螺母,2020/5/2,44,图5-10接触式密封1-甩油环2-油毡圈3-耐油橡胶密封圈,2020/5/2,45,表5-2主传动链常见故障诊断及排除方法,2020/5/