第四章数控机床机械结构故障诊断

1、第四章第四章 数控机床机械结构故障诊断数控机床机械结构故障诊断第一节第一节 数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断方法第二节第二节 主轴部件主轴部件第三节第三节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副第四节第四节 导轨副导轨副第五节第五节 刀库及换刀装置刀库及换刀装置第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统第四章第四章 数控机床机械结构故障诊断数控机床机械结构故障诊断 一、故障与故障诊断一、故障与故障诊断 数控机床在机械结构上和普通机床不数控机床在机械结构上和普通机床不同点在于传动链缩短，传动部件的精度高，同点在于传动链缩短，传动部件的精度高，机械维护的面更广。主轴、进给轴、导轨机械维护

2、的面更广。主轴、进给轴、导轨和丝杠、刀库和换刀装置、液压和气动等。和丝杠、刀库和换刀装置、液压和气动等。 熟悉机械故障的特征，掌握数控机床熟悉机械故障的特征，掌握数控机床机械故障的诊断的方法和手段。还要注意机械故障的诊断的方法和手段。还要注意数控机床机电之间的内在联系。数控机床机电之间的内在联系。第一节第一节 数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断方法1. 1. 机械故障的原因机械故障的原因 机床在运行过程中，机械零部件受到力、机床在运行过程中，机械零部件受到力、 热、摩擦以及磨损等诸多因素的作用，使热、摩擦以及磨损等诸多因素的作用，使其领部件偏离或丧失原有的功能。其领部件偏离或丧失原有

3、的功能。2. 2. 机械故障诊断机械故障诊断 机床运行状态的识别、运行状态的信号获机床运行状态的识别、运行状态的信号获取、特征参数的分析，故障性质的判断和取、特征参数的分析，故障性质的判断和故障部位的确定。故障部位的确定。第一节第一节 数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断方法二、二、 机械故障诊断的方法机械故障诊断的方法l实用诊断技术（问、听、看、闻、摸、查）实用诊断技术（问、听、看、闻、摸、查）l振动、噪声测试振动、噪声测试(幅值大小、频率结构）幅值大小、频率结构）l油液分析（磨粒成分、型貌、数量）油液分析（磨粒成分、型貌、数量）l温度测试（表面温度及变化规律）温度测试（表面温度及变

4、化规律）l超声、超声、X射线探伤（机件内部缺陷）射线探伤（机件内部缺陷）l专家诊断系统（专家的经验、数据）专家诊断系统（专家的经验、数据）第一节第一节 数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断方法1.1.实用诊断技术实用诊断技术l问问操作者（渐操作者（渐/突发、故障现象、加工件突发、故障现象、加工件的情况、传动系统的运动和动力、润滑、的情况、传动系统的运动和动力、润滑、保养和检修情况）保养和检修情况）l看看机床的转速变化、工件的表面粗糙度机床的转速变化、工件的表面粗糙度和振纹、颜色伤痕等明显症状和振纹、颜色伤痕等明显症状l听听机床运转声（强弱、频率高低等）机床运转声（强弱、频率高低等）l闻

5、闻润滑油脂氧化蒸发油烟气焦糊气润滑油脂氧化蒸发油烟气焦糊气第一节第一节 数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断方法1.1.实用诊断技术实用诊断技术l触触用手感来判别机床的故障（温升、用手感来判别机床的故障（温升、 振振动、伤痕和波纹、爬行、松紧）动、伤痕和波纹、爬行、松紧） 实用诊断技术在机械故障的诊断中具有实实用诊断技术在机械故障的诊断中具有实用简便、快速有效的特点，但诊断效果的用简便、快速有效的特点，但诊断效果的好坏在很大程度上要凭借维修技术人员的好坏在很大程度上要凭借维修技术人员的经验，而且有一定的局限性，对一些疑难经验，而且有一定的局限性，对一些疑难故障难以奏效。故障难以奏效。二

6、、机械故障诊断的方法二、机械故障诊断的方法 2. 2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法 以机床振动作为信息源，在机床运行过程以机床振动作为信息源，在机床运行过程中获取信号，对信号作各种处理和分析，中获取信号，对信号作各种处理和分析，通过某些特征量的变化来判别有无故障、通过某些特征量的变化来判别有无故障、根据由以往诊断经验形成的一些判据来确根据由以往诊断经验形成的一些判据来确定故障的性质并综合一些其他依据来进一定故障的性质并综合一些其他依据来进一步确定故障的部位。步确定故障的部位。 具有实用可靠、判断准确的特点具有实用可靠、判断准确的特点2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法l诊断过程

7、诊断过程1 1）阅被诊断设备的技术资料，分析传动关系、）阅被诊断设备的技术资料，分析传动关系、计算传动件的特征值；计算传动件的特征值；2 2）获取信号、信号调理与处理；）获取信号、信号调理与处理；3 3）信号分析、故障判断（部位、性质）。）信号分析、故障判断（部位、性质）。 l故障振动信号分类故障振动信号分类 1 1）平稳性故障信号）平稳性故障信号 2 2）冲击性故障信号）冲击性故障信号 2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法 1 1）平稳性故障信号）平稳性故障信号机械结构在正弦机械结构在正弦周期性力信号、复杂周期性力信号和准周周期性力信号、复杂周期性力信号和准周期性力信号（轴弯曲、偏心、

8、滚子失圆等期性力信号（轴弯曲、偏心、滚子失圆等渐变性故障）作用下产生的响应信号。渐变性故障）作用下产生的响应信号。 特点：响应信号的频率成分与激励信号特点：响应信号的频率成分与激励信号的频率成分相同。频谱为有限根谱线，而的频率成分相同。频谱为有限根谱线，而且能量集中在故障的特征频率及其倍频上。且能量集中在故障的特征频率及其倍频上。 2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法2 2）冲击性故障信号）冲击性故障信号 机械结构在周期性冲击力作用下的脉冲响机械结构在周期性冲击力作用下的脉冲响 应，他与冲击信号本身有很大的不同。应，他与冲击信号本身有很大的不同。 特点：信号能量短时间释放，其频谱为无特点

9、：信号能量短时间释放，其频谱为无 穷根谱线，间隔等于脉冲发生的频率。能穷根谱线，间隔等于脉冲发生的频率。能 量集中于基频。量集中于基频。 2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法l信号分析方法信号分析方法 1)1)时域分析法（直观）时域分析法（直观） 了解信号的幅值和时间的关系，确定振动了解信号的幅值和时间的关系，确定振动的程度，设备是否有故障及严重程度。不的程度，设备是否有故障及严重程度。不能确定故障部位（特征量的统计分析、相能确定故障部位（特征量的统计分析、相关分析等、均值、有效值、均方根值、方关分析等、均值、有效值、均方根值、方差等）。差等）。 2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断

10、法l信号分析方法信号分析方法 2)2)频域分析法频域分析法( (了解了解信号的频率结构，寻找信号的频率结构，寻找故障源故障源) ) 幅值谱分析幅值谱分析-应用傅里叶变换、傅里叶傅应用傅里叶变换、傅里叶傅里叶积分将时域信号变为频域信号。里叶积分将时域信号变为频域信号。 功率谱分析功率谱分析-在频域中对信号能量或功率在频域中对信号能量或功率分布情况的描述。分布情况的描述。 滤波谱滤波谱-分析平稳性故障信号分析平稳性故障信号 解调谱解调谱-分析冲击性故障信号分析冲击性故障信号2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法l测试仪器系统测试仪器系统2. 机械振动检测诊断法机械振动检测诊断法l诊断实例诊断实

11、例 1 1）了解设备的运行状态：设备在运行中）了解设备的运行状态：设备在运行中有什么异常情况，不同速度档位有什么区有什么异常情况，不同速度档位有什么区别。别。 2 2）得到设备的有关资料：设备的传动系）得到设备的有关资料：设备的传动系统图、轴承分布图等技术资料，并对其进统图、轴承分布图等技术资料，并对其进行分析。行分析。 3 3）计算传动链和传动件的特征频率：计）计算传动链和传动件的特征频率：计算传动链，计算各传动件的特征频率系数算传动链，计算各传动件的特征频率系数。 对对设备进行诊断测试设备进行诊断测试1 1）放置测振、测速传感器（位置、信号要）放置测振、测速传感器（位置、信号要 求）（一般

12、选振动或噪声较大的部位）；求）（一般选振动或噪声较大的部位）；2 2）连接仪器系统；）连接仪器系统；3 3）开动被测设备；）开动被测设备；4 4）调节测速电平、显示主轴转速并记录；）调节测速电平、显示主轴转速并记录；5 5）从较高频段开始测试，逐渐到较低频段，）从较高频段开始测试，逐渐到较低频段， 并调节放大器的增益，使信号处于最佳状并调节放大器的增益，使信号处于最佳状 态；态；6 6）记录、打印测试结果。）记录、打印测试结果。传动链传动链 30/60 27/30 27/57 30/60 27/30 27/57 特征系数特征系数 4.69 140. 2.35 63.33 2.1 574.69

13、140. 2.35 63.33 2.1 57 1.01.0特征频率特征频率 3.58 107.4 1.79 48.32 1.61 43.5 0.7633.58 107.4 1.79 48.32 1.61 43.5 0.763 l 故障诊断分析故障诊断分析1 1）由主轴转频计算各传动件的特征频率；）由主轴转频计算各传动件的特征频率；2 2）对照计算值和测试结果，由前述机械故）对照计算值和测试结果，由前述机械故障诊断知识进行分析，判断故障的部位和障诊断知识进行分析，判断故障的部位和故障性质。得出诊断结果。故障性质。得出诊断结果。第二节第二节 主轴部件主轴部件l主轴部件的性能要求主轴部件的性能要求

14、高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗振性、温升以及自动变速、准停和自动换振性、温升以及自动变速、准停和自动换刀等要求。刀等要求。l主轴部件的结构主轴部件的结构 成组高精度轴承（滚动成组高精度轴承（滚动/静压静压/磁力磁力/陶瓷）陶瓷）及其配置、轴承间隙调整和润滑密封以及及其配置、轴承间隙调整和润滑密封以及满足工件的自动装夹要求满足工件的自动装夹要求 第二节第二节 主轴部件主轴部件l主轴的维护特点主轴的维护特点 1.主轴润滑主轴润滑 减少摩擦、带走热量，（磨损和热变形）减少摩擦、带走热量，（磨损和热变形）-循环润滑方式：液压泵供油强力润滑和循环润滑方式：液压泵

15、供油强力润滑和 油脂润滑油脂润滑-油气润滑方式：定时定量把油雾送进轴油气润滑方式：定时定量把油雾送进轴 承空隙中承空隙中-喷注润滑方式：较大流量的恒温油喷注喷注润滑方式：较大流量的恒温油喷注 到主轴轴承（大容量恒温油箱）到主轴轴承（大容量恒温油箱）第二节第二节 主轴部件主轴部件2.防泄露防泄露 l主轴故障诊断主轴故障诊断故障现象故障原因故障现象故障原因1.1.主轴发热轴承损伤或不清洁、轴承油主轴发热轴承损伤或不清洁、轴承油 脂耗尽或油脂过多、轴承间脂耗尽或油脂过多、轴承间 隙过小隙过小2.2.主轴强力电机与主轴传动的皮带过松、主轴强力电机与主轴传动的皮带过松、切削停转皮带表面有油、离合器松切削

16、停转皮带表面有油、离合器松3.3.润滑油泄漏润滑油过量、密封件损伤或润滑油泄漏润滑油过量、密封件损伤或失效、管件损坏失效、管件损坏 l主轴故障诊断主轴故障诊断故障现象故障原因故障现象故障原因4. 主轴噪声缺少润滑、皮带轮动平衡主轴噪声缺少润滑、皮带轮动平衡 （振动）（振动） 不佳、带轮过紧、齿轮磨不佳、带轮过紧、齿轮磨 损或啮合间隙过大、轴承损或啮合间隙过大、轴承 损坏损坏5.主轴没有或主轴没有或 油泵转向不正确、油管或油泵转向不正确、油管或 润滑不足润滑不足 滤油器堵塞、油压不足滤油器堵塞、油压不足第二节第二节 主轴部件主轴部件l主轴故障诊断主轴故障诊断故障现象故障原因故障现象故障原因6.

17、刀具不能刀具不能 蝶形弹簧位移量太小、刀蝶形弹簧位移量太小、刀 夹紧夹紧 具松夹弹簧上螺母松动具松夹弹簧上螺母松动7.刀具夹紧后刀具夹紧后 刀具松夹弹簧压合过紧、刀具松夹弹簧压合过紧、 不能松开不能松开 液压缸压力和行程不够液压缸压力和行程不够第三节第三节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副l滚珠丝杠螺母副的维护滚珠丝杠螺母副的维护1.轴向间隙的调整轴向间隙的调整 保证反向传动精度和轴向刚度（垫片调隙保证反向传动精度和轴向刚度（垫片调隙式、螺纹调隙式、齿差调隙式）式、螺纹调隙式、齿差调隙式） 2.支承轴承的定期检查支承轴承的定期检查 定期检查丝杠支承与床身的连接是否有松定期检查丝杠支承与床身的连接是

18、否有松动以及轴承是否损坏动以及轴承是否损坏第三节第三节 滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副l滚珠丝杠螺母副的维护滚珠丝杠螺母副的维护 3.滚珠丝杠副的润滑滚珠丝杠副的润滑 润滑剂（油润滑剂（油/脂）可提高耐磨性和传动效脂）可提高耐磨性和传动效 率（工作前率（工作前/半年）半年） 4.滚珠丝杠的防护滚珠丝杠的防护 防止硬质灰尘或切屑污物的进入，可采用防止硬质灰尘或切屑污物的进入，可采用防护罩或防护套管等防护罩或防护套管等 滚珠丝杠螺母副的故障诊断滚珠丝杠螺母副的故障诊断 故障现象故障原因故障现象故障原因1.1.噪声大噪声大 丝杠丝杠支承轴承损坏或压盖压合支承轴承损坏或压盖压合 不好、联轴器松动、润滑不

19、良不好、联轴器松动、润滑不良 或丝杠副滚珠有破损或丝杠副滚珠有破损2. 丝杠运动丝杠运动 轴向预紧太大、丝杠或螺母轴轴向预紧太大、丝杠或螺母轴不灵活不灵活 线与导轨不平行、丝杠弯曲线与导轨不平行、丝杠弯曲第四节第四节 导轨副导轨副l导轨副的维护导轨副的维护1.间隙调整间隙调整保证导轨面之间合理的间隙，保证导轨面之间合理的间隙，小摩擦力大、磨损，大运动失去准确性和平小摩擦力大、磨损，大运动失去准确性和平稳性、失去导向精度）稳性、失去导向精度）2.滚动导轨的预紧滚动导轨的预紧提高刚度、消除间隙提高刚度、消除间隙3.导轨的润滑导轨的润滑降低摩擦系数、减少磨损、降低摩擦系数、减少磨损、防止导轨面锈蚀。

20、防止导轨面锈蚀。润滑方式：人工加油油杯供油、压力油润滑润滑方式：人工加油油杯供油、压力油润滑润滑油：粘度变化小、润滑性好、油膜刚度润滑油：粘度变化小、润滑性好、油膜刚度第四节第四节 导轨副导轨副4.导轨的防护导轨的防护防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨上而防止切屑、磨粒或冷却液散落在导轨上而引起磨损、擦伤、和锈蚀，导轨面上应有引起磨损、擦伤、和锈蚀，导轨面上应有可靠的防护装置。常用的有刮板式、卷帘可靠的防护装置。常用的有刮板式、卷帘式和叠层式防护罩。需要经常进行清理和式和叠层式防护罩。需要经常进行清理和保养。保养。l导轨故障诊断导轨故障诊断3.导轨故障诊断导轨故障诊断 故障现象故障原因故障现象故

21、障原因1.导轨研伤导轨研伤 地基与床身水平有变化使局部地基与床身水平有变化使局部 载荷过大、长期短工件加工局载荷过大、长期短工件加工局 部磨损严重、导轨润滑不良、部磨损严重、导轨润滑不良、 导轨材质不佳、刮研不符和要导轨材质不佳、刮研不符和要 求、导轨维护不良落入赃物求、导轨维护不良落入赃物3.导轨故障诊断导轨故障诊断 故障现象故障原因故障现象故障原因2.移动部件移动部件 导轨面研伤、导轨压板研伤、导轨面研伤、导轨压板研伤、 镶条与导轨间隙太小镶条与导轨间隙太小3.加工面在加工面在 导轨直线度超差、工作台塞导轨直线度超差、工作台塞接刀处不平接刀处不平 铁松动或塞铁弯度过大、机铁松动或塞铁弯度过

22、大、机 床水平度差使导轨发生弯曲床水平度差使导轨发生弯曲第五节第五节 刀库及换刀装置刀库及换刀装置l刀库与换刀机械手的维护要点刀库与换刀机械手的维护要点1.严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止 机械手换刀时掉刀或发生碰撞机械手换刀时掉刀或发生碰撞2.不管什么方式选刀时，刀具号要和刀库上不管什么方式选刀时，刀具号要和刀库上 所需刀具一致所需刀具一致3.手动方式放往刀库上装刀时，要确保装到手动方式放往刀库上装刀时，要确保装到 位、装牢靠。刀座上的锁紧也要可靠位、装牢靠。刀座上的锁紧也要可靠第五节第五节 刀库及换刀装置刀库及换刀装置l刀库与换刀机械手的维护要点刀库

23、与换刀机械手的维护要点4.经常检查刀库的回零位置是否正确，主轴经常检查刀库的回零位置是否正确，主轴 回换刀点位置到位，及时调整回换刀点位置到位，及时调整5.要保持刀具刀柄和刀套的清洁要保持刀具刀柄和刀套的清洁6.开机时，应先使刀库和机械手空运行，检开机时，应先使刀库和机械手空运行，检 查各部分工作是否正常（行程开关、电磁查各部分工作是否正常（行程开关、电磁 阀、液压系统的压力等）阀、液压系统的压力等）第五节第五节 刀库及换刀装置刀库及换刀装置l刀库与换刀机械手的故障诊断刀库与换刀机械手的故障诊断 故障主要表现在：刀库运动故障、定位误故障主要表现在：刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳

24、定和机械手差过大、机械手夹持刀柄不稳定和机械手运动误差过大等运动误差过大等 故障现象故障现象 故障原因故障原因1.刀库刀套不刀库刀套不 刀套上的调整螺母位置不对刀套上的调整螺母位置不对 能卡紧刀具能卡紧刀具2.刀库不能旋转刀库不能旋转 电机和蜗杆轴联轴器松动电机和蜗杆轴联轴器松动第五节第五节 刀库及换刀装置刀库及换刀装置l刀库与换刀机械手的故障诊断刀库与换刀机械手的故障诊断 故障现象故障现象 故障原因故障原因3.刀具从机械刀具从机械 刀具超重、机械手卡紧销损刀具超重、机械手卡紧销损 手中脱落手中脱落 坏或没有弹出来坏或没有弹出来4.刀具交换时刀具交换时 换刀时主轴没有回到换刀点换刀时主轴没有回

25、到换刀点 掉刀掉刀5.换刀速度过换刀速度过 气压太高或太低和节流阀开气压太高或太低和节流阀开 快或过慢快或过慢 口太大或太小口太大或太小第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统 一、液压传动系统一、液压传动系统 1.驱动对象驱动对象l液压卡盘液压卡盘l静压导轨静压导轨l液压拨叉变速液压液压缸液压拨叉变速液压液压缸l主轴箱的液压平衡主轴箱的液压平衡l液压驱动机械手和主轴上松刀液压缸等液压驱动机械手和主轴上松刀液压缸等第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统 一、液压传动系统一、液压传动系统 2.液压系统的维护要点液压系统的维护要点l控制油液污染，保持油液清洁（控制油液污染，保

26、持油液清洁（80%故障）故障）l控制液压系统中油液的温升（效率、压力、控制液压系统中油液的温升（效率、压力、 速度、动作可靠、泄漏、氧化）速度、动作可靠、泄漏、氧化）l控制液压系统的泄漏（提高液压元件零部控制液压系统的泄漏（提高液压元件零部件的加工精度、元件和管道的安装质量以件的加工精度、元件和管道的安装质量以及提高密封件的质量和定期更换。及提高密封件的质量和定期更换。第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统 2.液压系统的维护要点液压系统的维护要点l防止液压系统振动和噪声（螺钉松动、管防止液压系统振动和噪声（螺钉松动、管接头松脱而引起泄漏）接头松脱而引起泄漏）l严格执行日常点检制度

27、（液压故障有隐蔽严格执行日常点检制度（液压故障有隐蔽性、可变性和难于判断性的特点）性、可变性和难于判断性的特点）l严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制度（防止松动、污染、堵塞、磨损等情况度（防止松动、污染、堵塞、磨损等情况的发生）的发生）第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统3.液压系统的点检液压系统的点检l元件和管接头是否有泄漏元件和管接头是否有泄漏l液压泵和液压马达运转时有否异常噪声液压泵和液压马达运转时有否异常噪声l液压缸移动时是否正常平稳液压缸移动时是否正常平稳l液压系统的各点压力是否正常和稳定液压系统的各点压力是否正常和稳定l油液的温度是否在允许范围内油液的温度是否在允许范围内l电气控制及换向阀工作是否灵敏可靠电气控制及换向阀工作是否灵敏可靠l油箱内油量是否在标线范围内油箱内油量是否在标线范围内第六节第六节 液压与气压传动系统液压与气压传动系统 3.液压系统的点检液压系统的点检l定期对油箱内的油液进行检验、过滤、更定期对油箱内的油液进行检验、过滤、更换。换。l定期检查和紧固重要部位的螺钉和