第二章数控机床机械装置故障诊断与维修

第二章数控机床机械装置故障诊断与维修第1页，课件共75页，创作于2023年2月第一节数控机械装置简介一、数控车床的机械结构的组成第2页，课件共75页，创作于2023年2月4.1认识数控机床的机械结构加工中心的机械结构

第3页，课件共75页，创作于2023年2月

4.2数控机床机械结构的特点

二、数控机床机械结构特点1）静刚度和动刚度高合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完整箱体结构；合理选择及布局隔板和筋条，尽量减小接合面，提高部件间接触刚度等；合理进行结构布局；采取补偿构件变形的结构措施。

2）抗振性高

第4页，课件共75页，创作于2023年2月

4.2数控机床机械结构的特点

立柱结构筋条结构第5页，课件共75页，创作于2023年2月

4.2数控机床机械结构的特点

3）灵敏度高4）热变形小在数控机床结构布局设计中可考虑尽量采用对称结构（如对称立柱等），进行强制冷却（如采用空冷机），使排屑通道对称布置等措施。5）自动化程度高，操作方便第6页，课件共75页，创作于2023年2月回转交换式APC移动交换式APC第7页，课件共75页，创作于2023年2月6）高精度的保持性为了保证数控机床长期具有稳定的加工精度，要求数控机床具有很高的精度保持性。7）高可靠性数控机床是根据数控程序自动或半自动加工，尤其是柔性制造系统中的数控机床，可在一定时间内实现无人看管，因此要求机床具有高的可靠性。第8页，课件共75页，创作于2023年2月一、机械故障及其分类（一）机械故障的概念所谓机械故障，就是指机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。如机床运转不平稳、轴承噪声过大、机械手夹持刀柄不稳定等现象都是机械故障的表现形式。第二节数控机床机械装置故障诊断方法第9页，课件共75页，创作于2023年2月（2）机械故障分类机械故障可以从不同的角度来进行分类。不同的分类方法反映了机械故障的不同侧面，对机械故障进行分类的目的是为了更好地针对不同的故障形式采取相应的对策。机械故障可按其原因、性质、影响、特点等情况作如下分类。第10页，课件共75页，创作于2023年2月1.按故障发生的原因划分（1）磨损性故障机械系统因使用过程中的正常磨损而引发的故障，对这类故障形式，一般只进行寿命预测。（2）错用性故障因使用不当而引发的故障。（3）先天性故障由于设计或制造不当而造成机械系统中存在某些薄弱环节而引发的故障。第11页，课件共75页，创作于2023年2月2.按故障性质划分（1）间断性故障只是短期内丧失某些功能，稍加修理调试就能恢复，不需要更换零件。（2）永久性故障某些零件已损坏，需要更换或修理才能恢复。第12页，课件共75页，创作于2023年2月3.按故障发生后的影响程度划分（1）部分性故障设计功能部分丧失的故障。（2）完全性故障设计功能完全丧失的故障。4.按故障造成的后果划分（1）危害性故障会对人身、生产和环境造成危险或危害的故障，如机床保护系统不能有效工作而造成损害工件或操作者等。

第13页，课件共75页，创作于2023年2月（2）安全性故障不会对人身、生产和环境造成危害的故障。如保护系统在不需保护时动作等。5.按故障发生的快慢划分（1）突发性故障不能靠早期测试检测出来的故障。即此类故障是不可预测的，对这类故障只能进行预防，如过载造成机件损坏。（2）渐发性故障故障的发展有一个过程，因而可对其进行预测和监视。如疲劳裂纹的产生和扩展。第14页，课件共75页，创作于2023年2月

6.按故障发生的频次划分（1）偶发性故障发生频率很低的故障，即“意外现象”。（2）多发性故障经常发生的故障。7.按故障发生、发展规律划分（1）随机故障故障发生的时间是随机的。

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（2）有规则故障故障的发生比较有规则。机械故障还可从其他角度来进行分类，但不管如何分类，每一种故障都有其主要特征，即所谓故障模式或故障状态。即使仅就机械故障而言，要将其一一罗列也是相当复杂的，但归纳它们的共同形态，可列出下列数种：异常振动、磨损、疲劳、裂纹、破断、过度变形、腐蚀、剥离、渗漏、堵塞、异常声响、油质劣化、材料劣化、粘合、污染、不稳定及其他。第16页，课件共75页，创作于2023年2月二、数控机床机械故障特点数控机床机械部分的故障与普通机床机械部分的故障有许多共同点，因此在对机械故障进行诊断时，有许多地方是相通的，或者说是可借鉴的。但由于数控机床大量采用电气控制与驱动，这就使得数控机床的机械结构与普通机床的机械结构相比，有了很大的简化。第17页，课件共75页，创作于2023年2月

许多普通机床上常出现的机械故障，在数控机床上的发生率已大大降低或根本没有。但是数控机床由于其自身性能的要求，使得其机械结构又具有许多新的特点，因此数控机床机械结构的故障又呈现出一些新的特征。其常见的机械故障是多种多样的，数控机床的说明书或机械修理手册对一些机械故障进行了说明，在此仅介绍一些带共性的部件故障。第18页，课件共75页，创作于2023年2月1.进给传动链故障数控机床普遍采用了滚动摩擦副，所以进给传动链故障大部分是以运动品质下降表现出来的。如定位精度下降、反向间隙过大，机械爬行，轴承噪声过大(一般都在撞车后出现)因此，这部分修理常与运动副预紧力、松动环节和补偿环节有关。

第19页，课件共75页，创作于2023年2月2.主轴部件故障由于使用调速电动机，数控机床主轴箱的内部结构比较简单。可能出现故障的部分有自动换刀部分的刀杆拉紧机构、自动换挡机构及主轴运动精度的保持装置等。3.自动换刀装置(ATC)故障自动换刀装置用于加工中心等设备，目前50％的机械故障与它有关。故障主要是刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定和机械手运动误差过大等。这些故障最后大多数都造成换刀动作卡住，使整机停止工作等。第20页，课件共75页，创作于2023年2月4.各级运动位置检查的行程开关压合故障在数控机床中，为了保证自动化工作的可靠性，大量采用运动位置检查的行程开关。在机床长期工作中，运动部件运动特性的变化、压合行程开关的机械装置可靠性及行程开关本身品质特性都会大大影响整机的故障及排除故障的工作。第21页，课件共75页，创作于2023年2月

5.配套附件的可靠性配套附件包括切削液装置、排屑装置、导轨防护罩、冷却液防护罩、主轴冷却恒温油箱和液压油箱等。要经常检查它们运行是否可靠。第22页，课件共75页，创作于2023年2月6、数控机床机械故障诊断方法数控机床机械故障诊断包括对数控机床运行状态的识别，对其运行过程的监测，以及对其运行发展趋势的预测三个方面。通过对数控机床机械装置的某些特征参数，如振动、噪声和温度等进行测定，将测定值与规定的正常值进行比较，以判断机械装置的工作状态是否正常。若对机械装置进行定期或连续监测，便可获得机械装置状态变化的趋势性规律，从而对机械装置的运行状态进行预测和预报。

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随着电子测试技术、信号处理技术以及计算机技术的迅猛发展，对数控机床机械故障诊断的方法已从传统的凭感觉器官和经验来判定故障的部位和原因，拓展到采用先进测试仪器和手段乃至故障诊断专家系统等现代化的故障诊断方法来对机械故障进行诊断和预测。现分述如下：第24页，课件共75页，创作于2023年2月1.简易诊断法简易诊断法是靠人的感官功能(视、听、触、嗅等)，借助一些常用工、量具对机床的运行状态进行监测和判断的过程。在对机械故障进行诊断之前，通常应询问下列情况：（1）机床开动时有何异常现象，故障是在什么情况下发生的，操作者都做过什么操作。（2）对比故障前后工件的精度和表面粗糙度，以便分析故障产生的原因。（3）主轴系统、进给系统是否能正常工作，有无异常现象出现。（4）润滑油品牌号是否符合规定，用量是否适当。（5）以前曾发生过什么故障，是如何处理的，机床何时进行过保养检修等。

第25页，课件共75页，创作于2023年2月在听取故障情况介绍时，要特别仔细、认真并作好记录，重要的地方要重新确认一下。在完成问询之后，要通过视觉仔细观察数控机床的机件有无松动、裂纹及其他损伤；可以检查润滑是否正常，有无干摩擦和跑、冒、滴、漏现象；可以观察机床外表颜色是否发生变化，以判断机床转动部位有无长时间受热升温的现象；还可观看油箱内的油的稀稠、颜色是否异常，油箱内沉积物中金属磨粒的多少、大小及特点以判断润滑油是否变质及相关机件的磨损情况；还可观察机床主传动及进给系统的传动轴、滚珠丝杠是否变形，轮系中的各主要元件有否跳动等。第26页，课件共75页，创作于2023年2月利用听觉细心判断数控机床运转的声响。这是因为机床正常运转时，所发出的声响总是具有一定的音律和节奏，并保持一定程度的稳定。利用听觉对发生了故障的机床所出现的重、杂、怪、乱的异常噪声与机床的正常声响进行比对，判断机床内部是否出现松动、撞击、不平衡等隐患。维修人员可以用手锤轻轻敲击零件，可判别零件是否缺损，有无裂纹产生。第27页，课件共75页，创作于2023年2月

另外，还可借助简单的诊断仪器如电子听诊器来对机床故障进行诊断。电子听诊器是一种振动加速度传感器。它将机床振动状况转换成电信号并进行放大，人们用耳机监听运行设备的振动声响，以实现对声音的定性测量。第28页，课件共75页，创作于2023年2月人的手指触觉是很灵敏的，可以较准确地分辨出80℃以内的温度，其误差可准确到3℃～5℃。经验告诉我们，当机床温度在0℃左右时，手感冰凉，若触摸时间较长会产生刺骨痛感；l0℃左右时，手感较凉，但一般能忍受；20℃左右时，手感稍凉，随着接触时间延长，手感渐温；30℃左右时，手感微温，有舒适感；40℃左右时，手感较热，有微烫感觉；50℃左右时，手感较烫，若用掌心按的时间较长，会有汗感；第29页，课件共75页，创作于2023年2月60℃左右时，手感很烫，但一般能忍受10秒长的时间；70℃左右时，手感烫得灼痛，一般只能忍受3秒长的时间，并且手的触摸处会很快变红；80℃以上时，瞬时接触手感“麻辣火烧”，时间过长，可出现烫伤。所以，在采用手指触觉判断温度高低时，应注意触摸方法，一般先用右手微微弯曲的食指、中指、无名指指背中节部位试探性触及机床表面，无灼痛感时，才可用手指肚或手掌触摸机床表面，以判断其温升情况。第30页，课件共75页，创作于2023年2月

另外，用手触摸机床表面可以感觉出振动的强弱以及是否产生冲击，从而判断机床振动的情况。同时还可用手指直接感觉出机床的移动部件是否在爬行。利用人的嗅觉对机床的某些部位因剧烈摩擦，使附着的油脂或其他可燃物发生氧化、蒸发，以及因各种原因引起的燃烧所发出的气味进行判断，往往可收到较好的效果。一方面可帮助人们迅速找到故障部位，另一方面可根据气味的种类判别是何种材料发出的，以便为诊断故障原因提供依据。

第31页，课件共75页，创作于2023年2月

采用简易诊断法来判断数控机床的故障，是定性的、粗略的和经验性的，但对数控机床的管理及维修仍有现实的意义。第32页，课件共75页，创作于2023年2月2.无损探伤法无损探伤是在不损坏检测对象的前提下，探测其内部或外表的缺陷(伤痕)的现代检测技术。在工业生产中，许多重要设备的原材料、零部件、焊缝等必须进行必要的无损探伤，当确认其内部或表面不存在危险性或非允许缺陷时，才可以使用或运行。这种方法在数控机床的制造及其机械故障的诊断中也需要应用。目前用于机器故障诊断的无损探伤方法多达几十种，在工业生产检验中，应用最广泛的有超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤、渗透探伤等。第33页，课件共75页，创作于2023年2月

就其检测对象而言，超声波探伤和射线探伤比较适合于检测机体内部缺陷，而对于机体表面缺陷采用磁粉探伤、渗透探伤则更为合适。除此之外，许多现代无损检测技术如红外线探伤、激光全息摄影、同位素射线示踪等也获得了应用，对数控机床采用无损探伤技术进行机械故障诊断可有效地提高机床的运行可靠性，另外，对于改进数控机床的设计制造工艺，降低制造成本也具有十分现实的意义。第34页，课件共75页，创作于2023年2月第三节主传动系统与主轴部件故障的诊断与维修主传动系统主要包括：1、主轴箱2、主轴部件3、调速主轴电机主轴部件主要有：1、主轴2、主轴轴承、工件3、刀具自动夹紧机构第35页，课件共75页，创作于2023年2月

数控机床与普通机床比较具有以下特点：

1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

2）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。

3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。一、数控机床主传动的特点第36页，课件共75页，创作于2023年2月数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的再求。故大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。二、数控机床主轴的变速方式第37页，课件共75页，创作于2023年2月这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。（一）带有变速齿轮的主传动（如图）第38页，课件共75页，创作于2023年2月同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮可作无相对滑动的同步传动。同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。第39页，课件共75页，创作于2023年2月这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）第40页，课件共75页，创作于2023年2月三、主传动系统的故障诊断及排除1、噪音过大（1）对于齿轮变速形式产生噪声的原因一般是因为齿轮啮合间隙不均匀或齿轮已损坏。第41页，课件共75页，创作于2023年2月（2）对于带传动形式产生噪声的主要原因一般为主轴与电动机连接的皮带过紧，大小带轮传动平衡情况不好。2、变速时挂不上挡对于齿轮变速的形式中，通常出现这一类故障。原因之一是液压变速系统中的液压元件不具有良好的速度调节功能，或相应的电磁元件不具有“记忆”功能所致。第42页，课件共75页，创作于2023年2月

主轴部件主轴部件的性能要求高回转精度、足够的功率输出、刚度、抗振性、温升以及自动变速、准停和自动换刀等要求。主轴部件的结构成组高精度轴承（滚动/静压/磁力/陶瓷）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

第43页，课件共75页，创作于2023年2月主轴的维护特点

1.主轴润滑减少摩擦、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油脂润滑-油气润滑方式：定时定量把油雾送进轴承空隙中-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）第44页，课件共75页，创作于2023年2月第二节主轴部件2.防泄露

第45页，课件共75页，创作于2023年2月主轴故障诊断故障现象故障原因1.主轴发热轴承损伤或不清洁、轴承油脂耗尽或油脂过多、轴承间隙过小2.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3.润滑油泄漏润滑油过量、密封件损伤或失效、管件损坏第46页，课件共75页，创作于2023年2月

主轴故障诊断故障现象故障原因4.主轴噪声缺少润滑、皮带轮动平衡（振动）不佳、带轮过紧、齿轮磨损或啮合间隙过大、轴承损坏5.主轴没有或油泵转向不正确、油管或润滑不足滤油器堵塞、油压不足第47页，课件共75页，创作于2023年2月主轴故障诊断故障现象故障原因6.刀具不能蝶形弹簧位移量太小、刀夹紧具松夹弹簧上螺母松动7.刀具夹紧后刀具松夹弹簧压合过紧、不能松开液压缸压力和行程不够第48页，课件共75页，创作于2023年2月第49页，课件共75页，创作于2023年2月第四节进给传动机构故障的诊断及排除滚珠丝杠螺母副的维护1.轴向间隙的调整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）2.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动以及轴承是否损坏第50页，课件共75页，创作于2023年2月第51页，课件共75页，创作于2023年2月第52页，课件共75页，创作于2023年2月滚珠丝杠螺母副的维护

3.滚珠丝杠副的润滑润滑剂（油/脂）可提高耐磨性和传动效率（工作前/半年）

4.滚珠丝杠的防护防止硬质灰尘或切屑污物的进入，可采用防护罩或防护套管等

第53页，课件共75页，创作于2023年2月滚珠丝杠螺母副的故障诊断

故障现象故障原因1.噪声大丝杠支承轴承损坏或压盖压合不好、联轴器松动、润滑不良或丝杠副滚珠有破损2.丝杠运动轴向预紧太大、丝杠或螺母轴不灵活线与导轨不平行、丝杠弯曲第54页，课件共75页，创作于2023年2月第五节导轨副故障的诊断与维修导轨副的维护1.间隙调整—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稳性、失去导向精度）2.滚动导轨的预紧—提高刚度、消除间隙3.导轨的润滑—降低摩擦系数、减少磨损、防止导轨面锈蚀。润滑方式：人工加油油杯供油、压力油润滑润滑油：粘度变化小、润滑性好、油膜刚度第55页，课件共75页，创作于2023年2月4.导轨的防护防止切屑、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保养。导轨故障诊断第56页，课件共75页，创作于2023年2月第57页，课件共75页，创作于2023年2月第58页，课件共75页，创作于2023年2月第59页，课件共75页，创作于2023年2月第60页，课件共75页，创作于2023年2月3.导轨故障诊断

故障现象故障原因1.导轨研伤地基与床身水平有变化使局部载荷过大、长期短工件加工局部磨损严重、导轨润滑不良、导轨材质不佳、刮研不符和要求、导轨维护不良落入赃物第61页，课件共75页，创作于2023年2月3.导轨故障诊断

故障现象故障原因2.移动部件导轨面研伤、导轨压板研伤、镶条与导轨间隙太小3.加工面在导轨直线度超差、工作台塞接刀处不平铁松动或塞铁弯度过大、机床水平度差使导轨发生弯曲第62页，课件共75页，创作于2023年2月第六节数控机床刀库与自动换刀装置故障诊断与维修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，刀具号要和刀库上所需刀具一致3.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第63页，课件共75页，创作于2023年2月刀库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（行程开关、电磁阀、液压系统的压力等）第64页，课件共75页，创作于2023年2月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、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定和机械手运动误差过大等故障现象故障原因1.刀库刀套不刀套上的调整螺母位置不对

能卡紧刀具2.刀库不能旋转电机和蜗杆轴联轴器松动第65页，课件共75页，创作于2023年2月刀库与换刀机械手的故障诊断故障现象故障原因3.刀具从机械刀具超重、机械手卡紧销损手中脱