《数控机床 故障诊断与维护》-教学单元3 数控机床机械结构故障诊断及维护

教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.1既述机械故障及其分类机械故障是指机械系统(零件、组件、部件、整台设备或一系列设备的组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。数控机床机械部件故障常见类型有以下几种。1.按照故障发生的类型分①功能型故障:功能型故障主要指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，加工表面粗糙度大。②动作型故障:动作型故障主要指设备各执行部件的动作故障，比如主轴无法转动、液压变速动作不灵活、机械手动作故障、工件或者刀具夹不紧或者松不开以及刀库转位、定位不准确等。③结构型故障:结构型故障主要指电机发热、主轴箱噪声大、一切削过程中产生振动等。下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.按照故障发生的原因分①磨损性故障:正常磨损而引发的故障。②错用性故障: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种薄弱环节而引发的故障。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.按照故障的性质分①间歇性故障: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。4.按照故障发生后的影响程度分①部分性故障:部分功能丧失的故障。②完全性故障:功能完全丧失的故障。5.按照故障造成的后果分①危害性故障:会对人身、生产和环境造成危险的故障。②安全性故障:不会对人身、生产和环境造成危害的故障。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护6.按照故障发生的快慢分①突发性故障:不能靠早期测试检测出来的故障。②渐发性故障:故障发展有一个过程，可以对其进行预测和监视。7.按照故障发生的频率①偶发性故障:发生频率很低的故障。②多发性故障:经常发生的故障。8.按照故障发生、发展的规律分①随机性故障:故障发生的时间是随机的。②有规则故障:故障发生比较有规则。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.1.2数控机床机械故障诊断方法1.望、闻、问、切法采用望、闻、问、切等方法或者选用温度、速度、加速度、位移、转速、压力、应力等不同种类的传感器来感知设备的状态，把相关信息传递出来。运用简单的工具、仪器，比如百分表、水准仪、光学仪等来帮助检测。此外，还可以根据经验诊断，经验诊断法具有快速、正确、方便的特点，但要求诊断人员具有较丰富的实践经验。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.温度检测法采用温度计、热电偶、测温贴片等接触仪器直接接触轴承、电动机、齿轮箱等装置的表面进行测量，或者采用先进的红外线测温仪、红外热像仪等非接触型仪器遥测不宜接触物体的表面，可以防止强度丧失和过热损伤等。3.振动检测通过安装在机床某些部位的传感器，利用振动仪巡回检测，测量机床上特定处的总振级大小，比如位移、速度、加速度和幅频特性等。对故障进行预测和监测，首先是强度测定，倘若能确定强度有异常，再做定量分析。4.噪声监测用噪声计、声波计对机床齿轮、轴承在运行过程中的噪声信号频谱中的变化规律进行深人分析，识别和判别齿轮、轴承磨损失效故障状态。上一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.2数控初庆初耐宣装调试与验胶3.2.1任务引入机床的正确安装和调试是保证机床用好，充分发挥其效益的首要条件。数控机床是高精度的机床，由于安装和调试的失误，往往造成精度的丧失，故障率的增加，因而应引起高度重视。在进行机械故障的诊断与维护，特别是在加工出现质量问题时，很大程度上就可能属于机床的精度故障，因此精度的检测也就显得十分重要。机床的精度一般包括机床的静态几何精度、动态的位置精度及加工时的工作精度。下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护因此，要做好数控机床机械安装调试与验收，需要完成以下任务:①数控机床安装的环境要求有些什么?②如何进行数控机床机械安装?③数控机床机械调试步骤是什么?①数控机床机械精度包含哪些?如何进行检验?上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.2.2相关知识1.安装的环境要求数控机床作为一种精密机械设备，也是高度机电一体化的设备，其本身特性决定了它的安装调试过程，必须严格按照科学严谨的方法进行。安装调试人员要有很强的责任心，同时也要具备一定的电气和机械方面的知识。在调试过程中做到胆大心细，按步骤有顺序地进行，一个功能(动作)调试完成再进行下一个功能(动作)的调试，直到数控机床的全部功能(动作)调试完成。为了保持机床的精度，必须密切注意安装机床的环境状况。(1)环境参数表3-1列出了数控机床环境参数要求。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

(2)安装场所不得将设备安装在辐射中，如微波、紫外线、激光或X射线范围内。为了保证机床的加工精度，减少设备周围的温差，请不要在以下区域安装:①阳光直射;②湿度大;③温差大;

④振动;⑤强磁场;⑥多尘。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

避免在设备的安装区域的周围有如下情况:①车库;②有汽车频繁往来的车道;③压力或冲压设备;①电焊、点焊或氢弧焊;⑤变电站;⑥高压线路;⑦易产生粉尘的设备或加工。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(3)安装场地设备安装场所的地基，必须全部夯实，没有空洞、虚土等地基不良现象。设备安装场所必须有符合国家有关要求的固定电源，不得使用临时电源。必须保证设备有良好的接地保护。设备的安装场所必须要有稳定的气源。提供的压缩空气必须为干燥的、洁净的符合国家有关要求的压缩空气。(4)电源要求数控系统对电源要求较严，一般要求工作电压为(220±22)V。针对我国供电工况，对于有条件的企业，可为数控机床采取专线供电或增设稳压装置，以减少供电品质差的影响，为数控系统的正常运行提供有力保证。

(5)压缩空气压缩空气的主管路必须配有主管道过滤器、干燥器。气压必须保证在0.5-0.7MPa，气体流量5m3/h上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.数控机床机械安装

(1)机床主体初就位和连接用户在机床到达之前应按机床制造商提供的机床基础图做好机床基础，在安装地脚螺栓的部位做好预留孔。当数控机床运到用户后，按开箱手续把机床部件运至安装场地。然后，按说明书的介绍把组成机床的各大部件分别在地基上就位。就位时，垫铁、调整垫块和地脚螺栓等相应对号入座。把机床各部件整机部件后就进行电缆、油管和气管的连接。机床说明书中有电气接线图和气、液压管路图，应据此把有关电缆和管道按标记一一对号接好。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护此阶段注意事项如下:①机床拆箱后首先找到随机的文件资料，找出机床装箱单，按照装箱单清各包装箱内零部件、电缆、资料等是否齐全。②机床各部件组装前，首先去除安装连接面、导轨和各运动面上的防锈涂料，做好各部件外表清洁工作。③连接时要特别注意清洁工作和可靠的接触及密封，并检查有无松动和损坏。电缆插上后一定要拧紧紧固螺钉，保证接触可靠。油管、气管连接中要特别防止异物从接口中进入管路，造成整个液压系统故障，管路连接时每个接头都要拧紧。电缆和油管连接完毕后，要做好各管线的就位固定，防护罩壳的安装，保证整齐的外观。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)数控系统的连接和调试①数控系统的开箱检查无论是单个购入的数控系统还是与机床配套整机购入的数控系统，到货开箱后都应进行仔细检查。检查包括系统本体和与之配套的进给速度控制单元和伺服电动机、主轴控制单元和主轴电动机。②外部电缆的连接外部电缆连接是指数控装置与外部MDI/CRT单元、强电柜、机床操作面板、进给伺服电动机动力线与反馈线、主轴电动机动力线与反馈信号线的连接及与手摇脉冲发生器等的连接。应使这些符合随机提供的连接手册的规定。最后还应进行地线连接。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护③数控系统电源线的连接应在切断数控柜电源开关的情况下连接数控柜电源变压器原边的输入电缆。④设定点的确认数控系统内的印刷线路板上有许多用跨接线短路的设定点，需要对其适当定以适应各种型号机床的不同要求。⑤输入电源电压、频率及相序的确认各种数控系统内部都有直流稳压电源，为系统提供所需的+5V,24V等直流电压。因此，在系统通电前，应检查这些电源的负载是否有对地短路现象。可用万用表来确认。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护⑥确认直流电源单元的电压输出端是否对地短路⑦接通数控柜电源，检查各输出电压在接通电源之前，为了确保安全，可先将电动机动力线断开。接通电源之后，首先检查数控柜中各个风扇是否旋转，就可确认电源是否已接通。⑧确认数控系统各中参数的设定⑨确认数控系统与机床侧的接口完成上述步骤，可以认为数控系统已经调整完毕，具备了与机床联机通电试车的条件。此时，可切断数控系统的电源，连接电动机的动力线，恢复报警设定。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.数控机床机械调试(1)通电试机按机床说明书要求给机床润滑、润滑点灌注规定的油液和油脂，清洗液压油箱及过滤器，灌入规定标号的液压油。液压油事先要经过过滤。接通外界输入的气源。机床通电操作可以是一次各部分全面供电，或各部件分别供电，然后再做总做电试验。分别供电比较安全，但时间较长。通电后首先观察有无报警故障，然后用手动方式陆续启动各部件。检查安全装置是否作用，能否正常工作，能否达到额定的工作指标。总之，根据机床说明书资料粗略检查机床主要部件，功能是否正常、齐全，使机床各环节都能操作运动起来。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护然后，调整机床的床身水平，粗调机床的主要几何精度，再调整重新组装的主要运动部件与主机的相对位置，用快干水泥灌注主机和各附件的地脚螺栓，把各个预留孔灌平，等水泥完全干固。在数控系统与机床联机通电试车时，虽然数控系统已经确认，工作正常无任何报警，应在接通电源的同时，做好按压急停按钮的准备，以备随时一切断电源。在检查机床各轴的运转情况时，应用手动连续进给移动各轴，通过CRT或DPL(数字显示器)的显示值检查机床部件移动方向是否正确。然后检查各轴移动距离是否与移动指令相符。如不符，应检查有关指令、反馈参数，以及位置控制环增益等参数设定是否正确。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护随后，再用手动进给以低速移动各轴，并使它们碰到超程开关，用以检查超程限位是否有效，数控系统是否在超程时发出报警。最后，还应进行一次返回基准点动作。机床的基准点是以后机床进行加工的程序基准位置，因此，必须检查有无基准点功能及每次返回基准点的位置是否完全一致。

(2)机床精度和功能的调试在已经固化的地基上用地脚螺栓和垫铁精调机床主床身的水平，找正水平后移动床身上的各运动部件(主柱、溜板和工作台等)，观察各坐标全行程内机床的水平变换情况，并相应调整机床几何精度使之在允许误差范围之内。使用的检测工具有精密水平仪、标准方尺、平尺、平行光管等。在调整时，主要以调整垫铁为主，必要时可稍微改变导轨上的镶条和预紧滚轮等。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护让机床自动运动到刀具交换位置(可用G28Y0Z0或G30Y0Z0等程序)，用手动方式调整装刀机械手和卸刀机械手相对主轴的位置。在调整中采用一个校对心棒进行检测，有误差时可调整机械手的行程，移动机械手支座和刀库位置等，必要时还可以修改换刀位置点的设定(改变数控系统内的参数设定)。调整完毕后紧固各调整螺钉及刀库地脚螺栓，然后装上几把接近规定允许重量的刀柄，进行多次从刀库到主轴的往复自动交换，要求动作准确无误，不撞击，不掉刀。带APC交换工作台的机床要把工作台运动到交换位置，调整托盘站与交换台面的相对位置，达到工作台自动换刀时动作平稳、可靠、正确。然后在工作台面上装上70%-80%的允许负载，进行多次自动交换动作，达到正确无误后再紧固各有关螺钉。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护仔细检查数控系统和PLC装置中参数设定值是否符合随机资料中规定数据，然后试验各主要操作功能、安全措施、常用指令执行情况等。例如，各种运行方式(手动、点动、MDI、自动方式等)，主轴挂挡指令，各级转速指令等是否正确无误。在机床调整过程中，一般要修改和机械有关的NC参数，例如各轴的原点位置等修改和机床部件相关位置有关参数，如刀库刀盒坐标位置等。修改后的参数应在验收后记录或存储在介质上。检查辅助功能及附件的正常工作，例如机床的照明灯、冷却防护罩盒各种护板是否完整;往切削液箱中加满切削液，试验喷管是否能正常喷出切削液;在用冷却防护罩条件下切削液是否外漏;排屑器能否正确工作;机床主轴箱的恒温油箱能否起作用等。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(3)试运行数控机床安装调试完毕后，要求整机在带一定负载条件下经过一段较长时间的自动运行较全面地检查机床功能及工作可靠性。运行时间尚无统一的规定，一般采用每天运行8h，连续运行2-3天;或24h连续运行1-2天。这个过程称作安装后的试运行。考核程序中应包括:主要数控系统的功能使用，自动更换取用刀库中2/3的刀具，主轴的最高、最低及常用的转速，快速和常用的进给速度，工作台面的自动交换，主要M指令的使用等。试运行时机床刀库上应插满刀柄，取用刀柄重量应接近规定重量。在试运行时间内，除操作失误引起的故障以外，不允许机床有故障出现，否则表明机床的安装调试存在问题。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(4)数控机床的检测验收数控机床的验收大致分为两大类:一类是对新型数控机床样机的验收，由国家指定的机床检测中心进行;另一类是一般的数控机床用户验收其购置的数控设备。对新型数控机床样机的验收，需要进行全方位的试验检测。它需要使用各种高精度仪器来对机床的机、电、液、气等各部分及整机进行综合性能及单项性能的检测，包括进行刚度和热变形等一系列机床试验，最后得出该机床的综合评价。对于一般的数控机床用户，其验收工作主要根据机床出厂检验合格证上规定的验收条件及实际能提供的检测手段来部分地或全部测定机床合格证上的各项技术指标。合格后将作为日后维修时的技术指标依据。主要工作如下。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护（1）机床外观检查在对数控机床做详细检查验收以前，还应对数控柜的外观进行检查验收，应包括下述几个方面。①外表检查。用肉眼检查数控柜中的各单元是否有破损、污染，连接电缆捆绑是否有破损，屏蔽层是否有剥落现象。②数控柜内部件紧固情况检查。包括螺钉紧固检查、连接器紧固检查、印刷线路板的紧固检查。③伺服电动机的外表检查。特别是对带有脉冲编码器的伺服电动机的外壳应做认真检查，尤其是后端。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护（3）机床性能及NC功能试验现以一台立式加工中心为例说明一些主要的项目。①主轴系统性能;②进给系统性能;③自动换刀系统;④机床噪声，机床空运转时的总噪声不得超过标准;⑤电气装置;⑥数字控制装置;⑦安全装置;⑧润滑装置;⑨气、液装置;⑩连续无载荷运转机床长时间连续运行(如8h16h和24h等)，是综合检查整台机床自动实现各种功能可靠性的最好办法。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.2.3任务实施1.机床几何精度检验数控机床的精度检测是一项复杂和要求非常高的工作，国家也制定了一系列的强制性的技术标准。例如，机床安全标准机床验收标准和精度要求，其检测手段及技术要求也逐渐规范。对于数控机床专业生产厂家来说，需要使用各种高精度的仪器对机床的机、电、液等各部分及整台机床进行综合性能及每个单项性能测试。为此，生产厂家除了准备普通的检测装备外，还须购买价格十分昂贵的，诸如激光干涉仪、球杆仪等精密检测工具，对数控机床进行高精度的精度校正，并可对机床动态轮廓精度进行检测和评价。但对于一般的数控机床用户，主要是根据生产厂家随机附带的机床出厂检验合格证上规定的验收技术条件及实际能提供的检测手段来逐项检查各项技术指标。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护机床的精度是衡量机床性能的一项重要指标，精度通常是以检验项目测出来的误差来表示的，误差越小则精度越高。按机床的工作状态不同，精度可分为静态精度与动态精度。静态精度通常又分几何精度与定位精度。数控机床的几何精度是综合反映该设备的关键机械零部件和组装后的几何形状误差。以下列出一台普通立式加工中心的几何精度检测内容。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(1)基准面精度①工作台面的平面度;②各坐标方向移动的相互垂直度。(2)主轴的回转精度①主轴的轴向窜动;②主轴孔的径向跳动。(3)直线运动精度①X坐标方向移动时工作台面的平行度;②Y坐标方向移动时工作台面的平行度;③X坐标方向移动时工作台面T形槽侧面的平行度;④主轴箱沿Z坐标方向移动时主轴轴心线的平行度;⑤主轴回转轴心线对工作台面的垂直度;⑥主轴箱在Z坐标方向移动的直线度。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.机床定位精度检验定位精度表明所测量的机床各运动部件在数控装置控制下运动所能达到的精度。它主要检查内容有:①直线运动定位精度(包括X,Y,G,U,V,W轴);②直线运动重复定位精度;③直线运动轴机械原点的返回精度;④直线运动矢动量的测定;⑤回转运动定位精度(转台A,B,C,轴);⑥回转运动的重复定位精度;⑦回转轴原点的返回精度;⑧回轴运动矢动量测定。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.切削精度检验切削精度又称动态精度，数控机床的静态精度通常是在不切削情况下检测的，而在实际运动与切削过程中，机床的动态刚性和热稳定性等因素会影响机床的加工精度，因此加工中必须考虑机床的动态精度。动态精度是指机床在实际运动加工过程中的精度，主要表现为速度、加速度以及加工出工件的工作精度。机床切削精度检查实质是对机床的几何精度和定位精度在切削和加工条件下的一项综合考核。国内多以单项加工为主。卧式数控车床其单项工作精度涉及精车外圆、精车端面、切螺纹等，综合试切车削涉及轴类、盘类两种零件。如图3-1(a)所示，选择一个轴类零件作为试切件。数控铣床切削零件的精度检验一般分单项工作精度检验和综合试切件的精度检验。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护通常铣床的制造厂商都有类似图3-1(b)所示的零件作为试切件，因为它由多个几何体组成，能综合反映数控铣床的几何精度和工作精度。对于加工中心，主要单项精度有:①撞孔精度;②端面铣刀铣削平面的精度(X-Y平面);③撞孔的孔距精度和孔径分散度;①直线铣削精度;⑤斜线铣削精度;⑥圆弧铣削精度;⑦箱体掉头撞孔同心度(对卧式机床);⑧水平转台回转90。铣四方加工精度(对卧式机床)。上一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.3主轴部件的故暄诊断与维扣3.3.1任务引入数控机床的主传动是承受主一切削力的传动运动，它的功率大小与回转速度直接影响着机床的加工效率，而主轴部件是保证机床加工精度和自动化程度的主要部件，它们对数控机床的性能有着决定性的影响。数控机床的主传动变速机构仍较以往的普通机床有了极大的简化，主轴箱内各种零件如轴、齿轮、轴承等的数量都大为减少，这就使得可能出现机械故障的部位也大为减少。下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护要做好主轴部件的故障诊断与维护，需要完成以下任务:①数控机床主轴传动系统要求及传动形式如何?②数控机床主轴部件结构如何?③数控机床主轴部件常见故障及维修方式有哪些?④如何对数控机床主轴部件进行维护保养?上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.3.2相关知识1.主轴传动系统与普通机床相比，数控机床的工艺范围更宽，工艺能力更强，因此要求其主传动具有较宽的调速范围，以保证在加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的加工质量和生产率。现代数控机床的主运动广泛采用无级变速传动，用交流调速电机或直流调速电机驱动，能方便地实现无级变速，且传动链短、传动件少。根据数控机床的类型与大小，其主传动主要有以下三种形式。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护（1）带有变速齿轮的主传动如图3-2（a）所示，它通过少数几对齿轮传动，使主传动成为分段无级变速，以便在低速时获得较大的扭矩，满足主轴对输出扭矩特性的要求。这种方式在大中型数控机床采用较多，但也有部分小型数控机床为获得强力一切削所需扭矩而采用这种传动方式。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)通过带传动的主传动如图3-2(b)所示，电机轴的转动经带传动传递给主轴，因不用齿轮变速，故可避免因齿轮传动而引起的振动和噪声。这种方式主要用在转速较高、变速范围不大的机床上，如图3-3和图3-4所示，常用的带有三角带和同步齿形带。采用同步齿形带传动方式有如下特点:①传动效率高，可达98%以上;②无滑动，传动比准确;③传动平稳，噪声小;④使用范围较广，速度可达50m/s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦;⑤维修保养方便，不需要润滑;⑥安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(3)用两个电动机分别驱动主轴传动如图3-2(c)所示，这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能。高速时电动机通过皮带轮直接驱动主轴旋转，低速时，另一个电动机通过两级齿轮传动驱动主轴旋转，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率区增大，扩大了变速范围，克服了低速时转矩不够且电动机功率不能充分利用的问题。但两个电机不能同时工作，因此这也是一种浪费。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(4)调速电动机直接驱动主轴传动如图3-2(d)和图3-5所示，调速电机与主轴用联轴器同轴连接，这种方式大大简化了主传动系统的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电机发热对主轴精度影响较大。(5)内装式电主轴主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑，重量轻，惯量小，提高了主轴启动、停止的响应特性，目前高速加工机床主轴多采用这种方式，这种类型的主轴也称为电主轴。如图3-6所示。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.主轴部件主轴部件是数控机床的一个关键部件，包括主轴、主轴的支承、安装在主轴上传动件和密封件等。主轴部件质量的好坏直接影响机床加工精度和加工质量，它的功率大小与回转速度影响加工效率，自动变速、准停和换刀等功能影响机床的自动化程度。因此，主轴部件应满足以下几个方面的要求:高回转精度、刚度、抗震性、耐磨性和热稳定性等。而且在主轴结构上采用刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构，以求很好地解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(1)典型主轴端部结构形式主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙调整、主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控撞铣床的主轴，为实现刀具的快速或自动装卸，还必须设计有刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。主轴端部结构形式如图3-7所示。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)主轴的支承数控机床主轴的支承主要采用图3-8所示的三种主要形式。图3-8(a)所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。图3-8（b）所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。图3-8(c)所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(3)滚动轴承的间隙与预紧滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。过盈量不宜太大，否则轴承的摩擦磨损加剧，承载能力将显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所不同。主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。如图3-9所示。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(4)典型主轴部件结构图3-10所示为数控车床主轴，前支承采用双列短圆柱滚子轴承，承受径向载荷和60。角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷;后支承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，能承受较大的切削负载，主轴刚性高。图3-11所示为卧式铣床主轴支承，轴的径向刚度好，并有较高的转速。图3-12所示为卧式撞铣床主轴部件的支承，这种支承方式可以承受双向轴位载荷和径向载荷，承载能力大，刚性好，结构简单。图3-13所示为主轴箱结构简图，主要由四个功能部件构成，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、切屑清除装置和主轴准停装置。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护取用过刀具过程:CNC发出换刀指令~液压缸右腔进油~活塞左移~推动拉杆克服弹簧的作用左移~带动钢球移至大空间~钢球失去对拉钉的作用~取刀。吹扫过程:旧刀取走后~CNC发出指令~空压机启动~压缩空气经压缩空气管接头吹扫装刀部位并用定时器计时。装刀过程:时间到~CNC发出装刀指令~机械手装新刀~液压缸右腔回油~拉杆在碟形弹簧的作用下复位~拉杆带动拉钉右移至小直径部位~通过钢球将拉钉卡死。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

主轴转矩的传递:机床的一切削转矩是由主轴上的端面键来传递的。主轴的准停功能:在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。数控机床主轴的准停装置分接触式和非接触式两种。传统的做法是采用机械挡块等来定向，如图3-14（a）所示。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，如图3-14（b）所示，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。电气式主轴准停装置:即用电磁传感器检测定向。如图3-14（b）所示，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mm处，固定了一个磁传感器10，它经过放大器11与主轴伺服单元3连接。主轴定向指令1发出后，主轴处于定向状态，当发磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止.上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.3.3任务实施1.主轴部件常见故障及维修主轴是机床的核心，针对主轴电机及主轴箱经常出现的一些故障以及维护维修措施阐述如下。

(1)主轴电机数控机床大多采用变频调速电动机。变频调速电动机具有较硬的机械特性，稳定性良好;无转差损耗，效率高;接线简单、控制方便、价格低;能高效率地平滑调速，而且转速高、功率大，速度变换迅速、可靠;能无级变速等特点。变频调速电动机一般常见的机械故障表现为电机发热、振动、噪声等。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护①电机发热首先排除电器故障引起的电机发热。机械故障一般是电机轴承损坏、轴承间隙大导致电机转子高速旋转时与定子摩擦或者轴承缺润滑脂引起的;同时，主轴机的散热排风扇不工作或者损坏，也可以引起电机发热。维修方法:一般更换电机轴承或者轴承加适量润滑脂，检查排风扇是否良好，清除排风扇上的污物。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护②电机振动振动的原因除了轴承损坏外，电机紧固螺栓松动或者电机皮带轮与电机轴间隙过大都能够引起电机的振动。维修方法:更换电机轴承或者轴承加润滑脂，紧固电机与机床床身连接螺栓，检查皮带轮动平衡，以及皮带轮内孔尺寸与电机主轴的配合间隙是否超差。③电机噪声电机产生噪声的机械故障原因主要是电机轴承损坏或轴承缺少润滑脂。维修方法:更换电机轴承，轴承重新更换润滑脂，最好采用耐高温的润滑脂，并且润滑脂涂抹要适量。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)主轴箱主轴箱部件是机床的重要部件之一。主轴部件和支承件均采用了刚度和抗震性较好的新型结构。主轴的加工精度、抗震性能以及热变形等对活塞的加工质量有直接的影响。因为采用了变频调速电动机，数控机床的主轴箱结构比较简单。主要是前后轴承支撑主轴，由电动机靠皮带传送动力直接带动旋转，主轴前端一般采用双列圆柱滚子轴承和角接触球轴承组合，后支承采用双列圆柱滚子轴承。前后轴承利用锁紧螺母与轴承间隙调整垫消除调整轴向和径向间隙。这种结构能够具有强有力的切削性能，并且加工精度也能满足活塞加工的要求。主轴箱的主要故障表现为主轴发热、噪声、加工尺寸不稳定等。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护①主轴发热、噪声主轴发热的原因主要是轴承损坏或者轴承缺润滑脂，轴承的预紧力过紧引起的。维修方法:主轴发热是要先找到发热源，判断是哪一端轴承发热引起的，然后用手转动主轴，判断主轴转动时松紧是否均匀，有没有沉点。如果是轴承引起的主轴发热，就要更换或清洗主轴轴承、轴承加适量润滑脂。在清洗轴承的时候一般采用煤油或者汽油清洗，先粗洗后精洗，然后均匀涂抹耐高温润滑脂后再重新装配。如果是轴承预紧力过大引起的发热，先分别检查测量前后轴承与轴承间隙调整垫之间的间隙，要求在无锁紧螺母的外力下，轴承与轴承间隙调整垫之间的间隙0.08-0.10mm，然后重新锁紧螺母，消除轴承间隙即可。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护②加工尺寸不稳定主轴轴承损坏或者轴承间隙过大或过小都会引起加工产品的尺寸不稳定。维修方法:检查更换主轴轴承。轴承磨损严重会直接影响加工工件的尺寸精度和工件表面粗糙度。调整轴承间隙调整垫的厚度，使主轴的轴向跳动和径向跳动达到最佳状态。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护2.主轴部件常见故障分析与维修实例例1:某立式加工中心撞孔精度下降，圆柱度超差，主轴发热，噪声大，但用手拨动主轴转动阻力较小。故障分析与处理:主轴部件解体检查，发现故障原因如下:①主轴轴承润滑脂内混有粉尘和水分，这是因为该加工中心用的压缩空气无精滤和干燥装置，故气动吹屑时少量粉尘和水汽窜入主轴轴承润滑脂内，造成润滑不良，导致发热且有噪声;主轴内锥孔定位表面有少许碰伤，锥孔与刀柄锥面配合不良，有微量偏心;②前轴承预紧力下降，轴承游隙变大;③主轴自动夹紧机构内部分碟形弹簧疲劳失效，刀具未被完全拉紧，有少许窜动。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护更换前轴承及润滑脂，调整轴承游隙，轴向游隙0.003mm，径向游隙±0.002mm;自制简易研具，手工研磨主轴内锥孔定位面，用涂色法检查，保证刀柄与主轴定心锥孔的接触面积大于85%;更换碟形弹簧。将修好的主轴装回主轴箱，用千分表检查径向跳动，近端小于0.006mm，远端150mm处小于0.010mm试加工，主轴温升和噪声正常，加工精度满足加工工艺要求，故障排除。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护改进措施:①增加压缩空气精滤和干燥装置，过滤器要定期排水，定期清洗或更换滤芯;②随时检查主轴锥孔、刀柄的清洁和配合状况，检查空气干燥器工作是否正常;③合理安排加工工艺，避免材料切除率陡变;④严禁超负荷运行，有故障应及时报修，不得带病运行。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

例2:某立式加工中心主轴内刀具自动夹紧机构的拉杆钢球和刀柄拉紧螺钉尾部锥面经常损坏。故障分析与处理:检查发现，主轴松刀动作与机械手拔刀动作不协调。这是因为限位开关挡铁装在气液增压缸的汽缸尾部，虽然汽缸活塞动作到位，增压缸活塞动作却没有到位，致使机械手在刀柄还没有完全松开的情况下强行拔刀，损坏拉杆钢球及拉紧螺钉。清洗增压油缸，更换密封环，给增压油缸注油，气压调整至0.5-0.8MPa,试用后故障消失。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护改进措施:①定期检查并清洁气液增压油缸，监测刀具自动夹紧机构各部分的运行状况，及时消除故障隐患;②定期检查调整气压和液压系统压力，检验液压油质，如氧化变质应及时更换。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例3:某立式加工中心换刀时冲击响声大，主轴前端拨动刀柄旋转的定位键局部变形。故障分析与处理:响声主要出现在机械手插刀阶段，故障初步确定为主轴准停位置误差和换刀参考点漂移。本机床采用霍尔元件检测定向，引起主轴准停位置不准的原因可能是主轴准停装置电气系统参数变化、定位不牢靠或主轴径向跳动超差。首先检查霍尔元件的安装位置，发现固定螺钉松动，机械手插刀时刀柄键槽未对正主轴前端定位键，定位键被撞坏。主轴换刀参考点接近开关的安装位置同样有松动现象，使换刀参考点微量下移，刀柄插入主轴锥孔时锥面直接撞击主轴定心锥孔，产生异响。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护调整霍尔元件的安装位置后拧紧并加防松胶。重新调整主轴换刀参考点接近开关的安装位置，更换主轴前端的定位键，故障消失。改进措施:定期检查清洁主轴准停装置和主轴换刀参考点定位装置，注意观察刀柄插入主轴锥孔时的状态，及时消除故障隐患。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例4:某数控车床主轴噪声较大，主轴无载情况下，负载表指示超过40%。故障分析与处理:首先检查主轴参数设定，包括放大器型号、电动机型号以及伺服增益等，在确认无误后，则将检查重点放在机械侧。发现主轴轴承损坏，经更换轴承之后，在脱开机械侧的情况下检查主轴电动机远转情况。发现负载表指示已正常但仍有噪声。随后，将主轴参数00号设定为1，也即让主轴驱动系统开环运行，结果噪声消失，说明速度检测器件PLG有问题。经检查，发现PLG的安装不正，调整位置之后再运行主轴电动机，噪声消失，机床能正常工作。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例5:某机床在工作过程中，主轴箱内机械变挡滑移齿轮自动脱离啮合，主轴停转。故障分析与处理:该机床是带有变速齿轮的主传动，采用液压缸推动滑移齿轮进行变速，液压缸同时也锁住滑移齿轮。变挡滑移齿轮自动脱离啮合，原因主要是液压缸内压力变化。控制液压缸的O形三位四通换向阀在中间位置时不能闭死，液压缸前后两腔油路相渗漏，这样势必造成液压缸上腔推力大于下腔，使活塞杆渐渐向下移动，逐渐使滑移齿轮脱离啮合，造成主轴停转。更换新的三位四通换向阀后即可解决问题;或改变控制方式，采用二位四通，使液压缸一腔始终保持压力油。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

例6:某数控机床发出主轴箱变挡指令后，主轴处于慢速来回摇摆状态，一直挂不上挡。分析及处理过程:该机床为带有变速齿轮的主传动。为了保证滑移齿轮移动顺利啮合于正确位置，机床接到变挡指令后，在电气设计上指令主电动机带动主轴做慢速来回摇摆运动。此时，如果电磁阀发生故障(阀芯卡孔或电磁铁失效)，油路不能切换，液压缸不动作，或者液压缸动作，发反馈信号的无触点开关失效，滑移齿轮变挡到位后不能发出反馈信号，都会造成机床循环动作中断。更换新的液压阀或失效的无触点开关后，故障消除。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.主轴部件的维护与保养主轴部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由主轴、轴承、主轴准停装置、自动夹紧和切屑清除装置组成。数控机床主轴部件的润滑、冷却与密封是机床使用和维护过程中值得重视的几个问题。良好的润滑效果，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命;为此，在操作使用中要注意到:低速时，采用油脂、油液循环润滑;高速时采用油雾、油气润滑方式。但是，在采用油脂润滑时，主轴轴承的封入量通常为轴承空间容积的1000，切忌随意填满，因为油脂过多，会加剧主轴发热。对于油液循环润滑，在操作使用中要做到每天检查主轴润滑恒温油箱，看油量是否充足，如果油量不够，则应及时添加润滑油;同时要注意检查润滑油温度范围是否合适。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统，用液压泵强力供油润滑，使用油温控制器控制油箱油液温度。高档数控机床主轴轴承采用了高级油脂封存方式润滑，每加一次油脂可以使用7-10年。新型的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护常见主轴润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷注润滑等。脂润滑不需任何设备，是低速主轴普遍采用的润滑方式;油雾润滑是将润滑油(如透平油)经压力空气雾化后对轴承进行润滑的，这种方式实现容易，设备简单，油雾既有润滑功能，又能起到冷却轴承的作用，但油雾不易回收，对环境污染严重，故逐渐被新型的油气润滑方式所取代;油气润滑方式近似于油雾润滑方式，油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区，润滑油起润滑的作用，而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用，油气始终处于分离状态，这有利于润滑油的回收，而对环境却没有污染;喷注润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的，功率消耗较大，成本高，常用在城、值为2.5X106以上的超高速主轴上。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护主轴部件的维护与保养内容如下:第一，每天检查主轴润滑油箱，使其油量充足，工作正常。第二，主轴部件的冷却主要是以减少轴承发热，有效控制热源为主。注意观察主轴箱温度，检查主轴润滑油箱，调节温度范围，使油量充足。第三，主轴部件的密封则不仅要防止灰尘、屑末和切削液进人主轴部件，还要防止润滑油的泄漏。主轴部件的密封有接触式和非接触式密封。对于采用油毡圈和耐油橡胶密封圈的接触式密封，要注意检查其老化和破损;对于非接触式密封，为了防止泄漏，重要的是保证回油能够尽快排掉，要保证回油孔的通畅。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护第四，带传动的主轴系统，需定期观察调整主轴驱动带的松紧程度，主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。第五，注意保持主轴与刀柄连接部位及刀柄的清洁，防止对主轴的机械碰击。每年对主轴润滑油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器。第六，经常检查压缩空气气压，并调整到标准要求值，足够的气压才能使主轴锥孔中的切屑和灰尘清理彻底。综上所述，在数控机床的使用和维护过程中必须高度重视主轴部件的润滑、冷却与密封问题，并且仔细做好这方面的工作。上一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.4数控初庆进给传动部件故暄诊断与维扣3.4.1任务引入数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护要做好进给传动部件的故障诊断与维护，需要完成以下任务:①数控机床进给传动系统要求及传动形式如何?②数控机床进给传动部件结构如何?③数控机床进给传动部件常见故障及维修方式有哪些?④如何对数控机床进给传动部件进行维护保养?上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.4.2相关知识1.进给传动系统进给系统机械传动结构是伺服进给系统的主要组成部分，如图3-15所示，进给传动系统主要由传动机构、运动变换机构、导向机构、执行件组成，它是实现成形加工运动所需的运动及动力的执行机构。由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应注意以下要求。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(1)提高传动精度和刚度数控机床本身的精度，尤其是进给传动装置的传动精度和定位精度对零件的加工精度起着关键性的作用，是数控机床的特征指标。为此，首先要保证各个传动件的加工精度，尤其是提高滚珠丝杠螺母副(直线进给系统)、蜗杆副(圆周进给系统)的传动精度。另外，在进给传动链中加入减速齿轮以减小脉冲当量(即伺服系统接收一个指令脉冲驱动工作台移动的距离)，从系统设计的角度分析，也可以提高传动精度;通过预紧传动滚珠丝杠，消除齿轮、蜗轮等传动件的间隙等办法，来提高传动精度和刚度。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)减少各运动零件的惯量传动件的惯量对进给传动系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。在满足传动强度和刚度的前提下，尽可能减小执行部件的质量，减小旋转零件的直径和质量，以减少运动部件的惯量。(3)减少运动件的摩擦阻力机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给传动系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个伺服进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及塑料导轨和静压导轨等。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(4)响应速度快所谓快速响应特性是指进给传动系统对输入指令信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。快速响应是伺服进给系统的动态性能，反映了系统的跟踪精度。工件加工过程中，工作台应能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，在运行时不出现丢步和多步现象。进给传动系统响应速度的大小不仅影响到机床的加工效率，而且影响加工精度。设计中应使机床工作台及传动机构的刚度、间隙、摩擦以及转动惯量尽可能达到最佳值，以提高伺服进给系统的快速响应性。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(5)较强的过载能力由于电动机频繁换向，且加减速度很快，电动机可能在过载条件下工作，这就要求电动机有较强的过载能力，一般要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。(6)稳定性好，寿命长稳定性是伺服进给系统能够正常工作的最基本条件，特别是在低速进给情况下不产生爬行，并能适应外加负载的变化而不发生共振。稳定性与系统的惯性、刚度、阻尼及增益等都有关系，适当选择的各项参数，并能达到最佳的工作性能，是伺服进给系统设计的目标。所谓伺服进给传动系统的寿命，主要指其保持数控机床传动精度和定位精度的时间长短，即各传动部件保持其原来制造精度的能力。为此，应合理选择各传动部件的材料、热处理方法及加工工艺，并采用适当的润滑方式和防护措施，以延长其寿命。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(7)使用维护方便数控机床属于高精度自动控制机床，主要用于单件、中小批量、高精度及复杂的生产加工，机床的开机率相应就高，因而进给传动系统的结构设计应便于维护和保养，最大限度地减少维修工作量，以提高机床的利用率。2.进给传动部件通常，一个典型的数控机床闭环控制进给系统，由位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件等几部分组成。其中，机械传动装置是位置控制中的一个重要环节。这里所说的机械传动装置，是指将驱动源的旋转运动变为工作台的直线运动的整个机械传动链，包括齿轮装置、丝杠螺母副等中间传动机构。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(1)联轴器联轴器是用来连接进给机构的两根轴使之一起回转移传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难(轴需作轴向移动)。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本低、可传递较大扭矩，常用于转速低、轴的刚性大及对中性好的场合。它的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，就会在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(2)减速机构②齿轮传动装置齿轮传动是应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个:一个是将高转速的转矩的伺服电机(如步进电机、直流和交流伺服电机等)的输出改变为低转速大转矩的执行件的输人;另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中占有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护②同步齿形带同步齿形带传动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻，故可用于高速传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高，现已在数控机床上广泛应用。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(3)滚珠丝杠螺母副丝杠螺母副是机床上常用的运动变换机构，其功用是将旋转运动变换成直线运动。按丝杠与螺母的摩擦性质不同，可将数控机床上常用的丝杠螺母副分为以下几类。①滑动丝杠螺母副，主要用于旧机床的数控化改造、经济型数控机床等。②滚珠丝杠螺母副，广泛用于中、高档数控机床，如图3-16所示。③静压丝杠螺母副，主要用于高精度数控机床、重型机床。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

这里主要介绍一下滚珠丝杠螺母副的结构、特点、设计要求和应用。为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，形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。滚珠丝杠副的摩擦角小于10，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动(如主轴箱或升降台的升降)，则必须有制动装置。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上几乎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。按照滚珠的循环方式，滚珠丝杠螺母副分成内循环方式和外循环方式两大类。外循环方式(如图3-17)是指在循环过程中滚珠与丝杠脱离接触的方式。外循环方式制造工艺简单，应用广泛;螺母径向尺寸较大;但因用弯管端部作挡珠器，故刚性差、易磨损，且噪声较大。内循环方式(如图3-18)是指在循环过程中滚珠始终保持和丝杠接触的方式。这种方式螺母结构紧凑，定位可靠，刚性好，不易磨损，返回滚道短，不易产生滚珠堵塞，摩擦损失小。缺点是结构复杂、制造较困难。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护滚珠丝杠螺母副的选择包括其精度选择、尺寸规格(包括导程与公称直径)、支承方式等几个方面的内容。应该根据机床的精度要求来选用滚珠丝杠螺母副的精度，根据机床的载荷来选定滚珠丝杠的直径，在加工中心的设计中一般按额定动载荷来确定滚珠丝杠螺母副的尺寸规格，对细长而又承受压缩载荷的滚珠丝杠作压杆稳定性核算;对转速高，支承距离大的滚珠丝杠螺母副作临界转速校核;对精度要求高的滚珠丝杠作刚度校核;对数控机床，需核算其转动惯量;对全闭环系统，需核算其谐振频率。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护滚珠丝杠螺母副的精度将直接影响数控机床各坐标轴的定位精度。滚珠丝杠螺母副按精度分为四种类型，见表3-1.滚珠丝杠螺母副的结构尺寸主要有:丝杠的名义直径D0，、螺距t、长度L、滚珠直径d0，等，尤其是名义直径与刚度直接相关，直径越大，承载能力和刚度越大，但直径大转动惯量也会随之增加，使系统的灵敏度降低。所以，一般是在兼顾二者的情况下选取最佳直径。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

数控机床的进给传动系统要获得较高传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母副本身的刚度外，滚珠丝杠的正确安装及支承结构的刚度也是不可忽视的因素。常用的滚珠丝杠支承形式有以下四种，如图3-19所示。①一端装推力轴承。这种安装方式适用于短丝杠，它的承载能力小，轴向刚度低。一般用于数控机床的调节环节或升降台式数控铣床的垂直方向。②一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承。此种方式用于丝杠较长的情况，当热变形造成丝杠伸长时，其一端固定，另一端能作微量的轴向浮动。安装时应注意使推力轴承端远离热源及丝杠的常用段，以减少丝杠热变形的影响。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护③两端装推力轴承。把推力轴承装在滚珠丝杠的两端，并施加预紧拉力，可以提高轴向刚度，但这种安装方式对丝杠的热变形较为敏感。④两端装推力轴承及深沟球轴承。它的两端均采用双重支承并施加预紧，使丝杠具有较大的刚度，这种方式还可使丝杠的温度变形转化为推力轴承的预紧力。但设计时要求提高推力轴承的承载能力和支承刚度。滚珠丝杠螺母副的传动效率高但不能自锁，需要设置制动装置(特别是用在垂直传动或高速大惯量场合时)。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护最常见的制动方式是电气电磁方式，即采用电磁制动器，且这种制动器就放置在电动机内部。图3-20为FANUC公司伺服电动机电磁制动器的示意图。机床工作时，在电磁线圈7电磁力的作用下，外齿轮8与内齿轮9脱开，弹簧受压缩，当停机或停电时，永久磁铁5失电，在弹簧恢复力作用下，齿轮8,9啮合，内齿轮9与电动机端盖合为一体，故与电动机轴连接的丝杠得到制动，这种电磁制动器装在电动机壳内，与电动机形成一体化的结构。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.4.3任务实施1.进给运动部件常见故障及维修在数控机床的进给运动链中，数控机床将旋转运动转换为直线运动的方法很多，采用丝杠螺母副是常用的方法之一。其常见故障及排除方法见表3-22.进给传动部件常见故障分析与维修实例例1:一台配套FANUC6ME系统的加工中心，X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。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护故障分析及处理: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X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。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护在以上处理的基础上，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。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例2:某工件在加工圆弧时，圆弧插补后出现走刀过渡痕迹，加工质量不合格。故障分析及处理:经检查发现X轴有爬行现象。对速度环、位置环进行调整，但均无效。检查机械机构时发现工作台未从静压导轨上浮起。进一步检查液压系统时，发现工作台支路有泄漏环节，调整泄漏环节后，工作台可浮起且X轴爬行现象消失，加工质量合格。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

例3:配FANUC6ME数控系统的立式铣床在自动加工某一曲线零件时出现爬行现象，表面粗糙度大。故障分析及处理:在运行测试程序时，直线、圆弧插补时皆无爬行现象，由此确定原因在编程方面。经对加工程序仔细检查后发现该加工曲线是由众多小段圆弧组成的，而编程时又使用了正确定位检查G61指令，将程序中的G61取消，改用G64后，爬行现象消除。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例4:一台配套FANUC7M系统的加工中心，进给加工过程中，发现Y轴有振动现象。故障分析及处理: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。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护维修时通过互换法，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个的弹簧已经烧断，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。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护例5:某卧式加工中心出现AIA21报警，即Y轴移动中的位置误差量大于设定值而报警。故障分析及处理:该加工中心使用FANUC0数控系统，采用闭环控制。以安装于导轨侧和立柱上的光栅尺为位置检测元件，系统控制以位置环为外环;安装于伺服电动机端部的旋转编码器为角度测量元件，速度环为系统控制的内环。伺服电动机和滚珠丝杠通过联轴器直接连接。根据该机床控制原理及机床传动连接方式，初步判断出现AIA21报警的原因是Y轴联轴器连接不良。对Y轴传动系统进行检查，发现联轴器连接螺钉松动。紧固Y轴传动系统中所有的螺钉后，故障消除。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

例6:某CINCINNATI立式加工中心，Y轴运动到某点后中断。故障分析及处理:经检查，Y轴断路器跳闸，复位后Y轴仍不能运动。初步确定为Y轴卡死或伺服驱动系统故障。首先检查Y向滑座导轨及镶条间隙，无问题。断电后用手不能转动Y轴滚珠丝杆螺母机构，确认是因日常维护保养不当，致使Y轴丝杆螺母卡死。取出Y轴滚珠丝杆螺母副，找一合适的钳台夹紧，将锁紧螺母退松，用手转动滚珠丝杆。彻底清洗后重装并调整丝杆螺母副的预紧力。预紧力一般为最大载荷的1/3，是靠测量预紧后增加的摩擦力矩来换算的。将滚珠丝杆螺母副装回加工中心，检查并调整丝杆两端向心推力组合轴承的预紧力，用手转动滚珠杆的松紧程度以初定预紧力大小，重新调整滑座导轨及镶条间隙。试车后故障排除。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护改进措施:①及时、彻底清理加工中心各部分的切屑，防止灰尘或切屑进入滚珠丝杆螺母副;②工作中应避免碰击滚珠丝杆螺母副防护装置，防护装置一旦损坏应立即更换;③每半年清除一次滚珠丝杆上旧的润滑脂，涂上新的润滑脂。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护

例7:某CINCINNATI立式加工中心X,Y两轴联动加工圆台时误差大，工件圆台在过象限处有一较明显的起伏。故障分析及处理:初步判断是X,Y轴的定位精度差或是X,Y轴有关位置补偿参数变化。调出CNC系统X,Y轴位置补偿参数检查，均在要求范围。在JOG模式下低速转动Y轴，用千分表检查，发现Y轴轴向窜动达0.2mm。检查Y轴进给传动链前、后支承座，丝杆电机支架及电机轴承无异常，丝杆轴承座内轴承游隙及预紧正常，但轴承座压盖轻微松动。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护调整丝杆轴承座压盖，使其压紧轴承外圈端面，拧紧锁紧螺母。重新检测Y轴轴向窜动，小于0.005mm。重装后试加工，故障排除。改进措施:①加强进给传动链的日常检查维护，及时紧固松动部位;②通过对加工零件的检测，及时对进给传动链进行调整;③每年应检查一次进给传动链的反向间隙和丝杆螺距误差并及时补偿，作出详细记录存档。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护3.进给传动部件的维护与保养进给传动机械部件的维护主要包括以下几个方面。(1)支承轴承的维护与安装首先对设备的定期检修、运转检查及对外围零件更换时被拆卸下来的轴承进行检查，以此判断可否再次使用或使用情况的好与坏。要仔细调查和记录被拆下来的轴承和外观情况，为了弄清和调查润滑剂的剩余量，取样以后，要很好地清洗一下轴承。其次检查滚道面、滚动面和配合面的状况以及保持架的磨损状态等有无损伤和异常情况。判断轴承可否再次使用，要在考虑轴承损伤的程度、机器性能、重要性、运行条件、检查周期等以后再来决定。检查结果，如果发现轴承有损伤和异常情况时，应查明原因，制定对策。另外，如果检查发现有下面几种缺陷，轴承就不能再用了，需要更换新的轴承。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护a.内外圈、滚动体、保持架其中任何一个有裂纹和出现碎片的;b.内外圈、滚动体其中任何一个有剥离的;c.滚道面、挡边、滚动体有显著卡伤的;d.保持架的磨损严重或铆钉松动厉害的;e.滚道面、滚动体生锈和有伤痕的;f.滚动面、滚动体上有显著压痕和打痕的;g.内圈内径面或外圈外径上有蠕变的;h.过热变色厉害的;i.润滑脂密封轴承的密封圈和防尘盖破损来严重的。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护(1)运转中检查与故障处理运转中的检查项目有轴承的滚动声、振动、温度、润滑的状态等，具体情况如下。①轴承的滚动声。采用测声器对运转中的轴承的滚动声大小及音质进行检查，轴承即使有轻微的剥离等损伤，也会发出异常音和不规则音，用测声器能够分辨。②轴承的振动。轴承振动对轴承的损伤很敏感，例如剥落、压痕、锈蚀、裂纹、磨损等都会在轴承振动测量中反映出来，所以，通过采用特殊的轴承振动测量器(频率分析器等)可测量出振动的大小，通过频率不可推断出异常的具体情况。测得的数值因轴承的使用条件或传感器安装位置等而不同，因此需要事先对每台机器的测量值进行分析比较后确定判断标准。上一页下一页返回教学单元3数控机床机械结构故障诊断及维护③轴承的温度。轴承的温度，一般由轴承室外面的温度就可推