机电一体化数控机床应用及维护

1、毕业设计（论文）（说明书）题 目：数控机床的应用与维护姓 名：编 号：平顶山工业职业技术学院2008年 月 日平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书姓名专业 机电一体化 （数控）任务下达日期年月日设计（论文）开始日期年月日设计（论文）完成日期年月日设计（论文）题目：A 编制设计 B 设计专题（毕业论文）数控机床的应用与维护指导教师系（部）主 任平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）答辩委员会记录机电 系 机电一体化（数控） 专业，学生于年月日进行了毕业设计（论文）答辩。设计题目：专题（论文）题目：数控机床的应用与维护指导老师：答辩委员会根据学生提交的毕业设计（论文）材料，根据学生答辩情况

2、，经答辩委员会讨论评定，给予学生 毕业设计（论文）成绩为。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：， 平顶山工业职业技术学院毕业设计（论文）评语第页共页学生姓名： 李明明专业 机电一体化（数控）年级 06 级毕业设计（论文）题目：数控机床的应用与维护评阅人：指导教师：（签字）年月日成绩：系（科）主任：（签字）年月日毕业设计（论文）及答辩评语： 摘要马克思曾经说过 “各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动 资料生产 ”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先 进制造技术和装备最核心的技术。当今世

3、界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力 和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控 技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业， 而且在 “高精尖 ”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数 控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地 位的重要途径。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术， 数控装备是以数控技术 为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字 化装备，其技术范围覆盖很多领域： (1)机械

4、制造技术； (2)信息处理、加工、传输技术； (3) 自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6) 软件技术等。 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国 制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标， 用系统的方法，选择能够主导 21 世纪初期我 国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发 的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向， 即以数控终端产品为主， 以整机(如量大面广的数控车床、 铣床、 高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等)带动数控产业的发展。 重点解决

5、数控系统和相关功能部件的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的 产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最 终难以有出头之日。在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合， 以“做得出、用得上、卖得掉 ”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。目录摘要 1目录 2第一章 数控机床的分类 41.1 按加工工艺方法分类 41.1.1 金属切削类数控机床 41.1.2 特种加工类数控机床 41.1.3 板材加工类数控机床 41.2 按控制运动轨迹分类 51.2.1 点位控制数控机床 51.2.2 直线控制数控机床 51.2.3 轮

6、廓控制数控机床 51.3 按驱动装置的特点分类 61.3.1 开环控制数控机床 61.3.2 闭环控制数控机床 61.3.3 半闭环控制数控机床 61.3.4 混合控制数控机床 7第二章 数控机床加工工艺分析 72.1 刀具材料的选择 72.1.1 较高的硬度和耐磨性 72.1.2 足够的强度和韧性 82.1.3 较高的耐热性 82.1.4 较好的导热性 82.1.5 良好的工艺性 82.2 刀具的几何角度和结构的选取 92.3 合理选择切削用量 102.4 选用适当的冷却润滑液 10第三章 数控车削中圆弧的加工技巧实例 123.1 圆弧分层切削法 123.1.1 圆弧始点、终点均不变，只改变

7、半径 R 123.1.2 圆弧始点、终点坐标变化，半径 R 不变 123.1.3 圆弧始点、终点坐标，半径 R 均变化 13第四章 数控机床电气维修技术 144.1 人员条件 154.2 关于预防性维护 164.2.1 为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。 164.2.2 故障的调查与分析 184.2.3 . 电气维修与故障的排除 214.2.4 维修排故后的总结提高工作 22结束语 22致谢 25参考文献： 25第 1 章 数控机床的分类1.1 按加工工艺方法分类金属切削类数控机床与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻 床、数控磨床、数控

8、齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别， 具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和 自动化程度。在普通数控机床加装一个刀库和换刀装置就成为数控加工中心机床。加工中心机床进一 步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣 床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体 零件的四面甚至五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩、铰以及攻螺纹等多工序加工，特 别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误 差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了

9、辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。特种加工类数控机床 除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型 机床、数控等离子弧切割机床数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。板材加工类数控机床常见的应用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。近年来，其它机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业 机器人等。1.2 按控制运动轨迹分类点位控制数控机床位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐 标值，不控制点与点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐 标

10、同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动。 这类数控机床主要有数控坐标镗床、 数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。直线控制数控机床直线控制数控机床可控制刀具或工作台以适当的进给速度 ，沿着平行于坐标轴的方向进行直 线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。直线控制的简易数控车床，只有两个坐标轴，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个 坐标轴，可用于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多 轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一种直线控制数控机床。数控镗铣床、加工中心 等机床，它的各个坐标方向的进给运动的

11、速度能在一定范围内进行调整，兼有点位和直线控 制加工的功能，这类机床应该称为点位 /直线控制的数控机床。轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制 ，使合成的 平面或空间的运动轨迹能满足零件轮廓的要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点坐 标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的 数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加 工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的结构要比点位/直线控系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移

12、控制。现在计 算机数控装置的控制功能均由软件实现，增加轮廓控制功能不会带来成本的增加。因此，除 少数专用控制系统外，现代计算机数控装置都具有轮廓控制功能。1.3 按驱动装置的特点分类开环控制数控机床这类控制的数控机床是其控制系统没有位置检测元件 ，伺服驱动部件通常为反应式步进电动 机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动 步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动 部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此 类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，

13、所以称为 开环控制数控机床。开环控制系统的数控机床结构简单，成本较低。但是，系统对移动部件的实际位移量不进行 监测，也不能进行误差校正。因此，步进电动机的失步、步距角误差、齿轮与丝杠等传动误 差都将影响被加工零件的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机 床，特别是简易经济型数控机床。闭环控制数控机床接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位 移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现 移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测 精度，也与传动链的误差无关，因此其

14、控制精度高。图 1-3 所示的为闭环控制数控机床的系 统框图。图中A为速度传感器、C为直线位移传感器。当位移指令值发送到位置比较电路时， 若工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过 A 将速度反馈信号送 到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与位移指令值相 比较，用比较后得到的差值进行位置控制，直至差值为零时为止。这类控制的数控机床，因 把机床工作台纳入了控制环节，故称为闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂，成本高。半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电流

15、检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到 数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件 A 和光电编码盘 B 可间接检测出伺服电动 机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。 由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。半闭环控制数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和 伺服电动机设计成一体，这样，使结构更加紧凑。混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别 适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较

16、高的进给速度与相当高的精 度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式： （1）开环补偿型。它的基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（2）半闭环补偿型。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台上的直线位 移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中 A 是速度测量元件（如测 速发电机）， B 是角度测量元件， C 是直线位移测量元件。第 2 章 数控机床加工工艺分析2.1 刀具材料的选择在金属切削过程中

17、，切削层金属在刀具的作用下承受剪切滑移而塑性变形，刀具与工件、切 屑之间挤压与摩擦使刀具切削部分产生很高的温度，在断续切削加工中还会受到机械冲击及 热冲击的影响，加剧刀具的磨损，甚至使刀具破损，因此刀具切削部分的材料必须具备以下 几个条件。较高的硬度和耐磨性刀具切削部分的硬度必须高于工件材料的硬度，刀具材料的硬度越高，其耐磨性越好。刀具材料在常温下的硬度应在 62HRC 以上足够的强度和韧性刀具在切削过度中承受很大的压力， 有时在冲击和振动条件下工作， 要使刀具不崩刃和折断， 刀具材料必须具有足够的强度和韧性，一般用抗弯强度表示刀具材料的强度，用冲击值表示 刀具材料的韧性。较高的耐热性 耐热性

18、指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度及韧性的性能，是衡量刀具材料切削性 能的主要指标，这种性能也称刀具材料红硬性。较好的导热性刀具材料的导热系数越大， 刀具传出的热量越多， 有利于降低刀具的切削温度和提高刀具的 耐用度。良好的工艺性 为便于刀具的加工制造，要求刀具材料具有良好的工艺性能，如刀具材料的锻造、轧制、焊 接、切削加工和可磨削性、热处理特性及高温塑性变形性能，对于硬质合金和陶瓷刀具材料 还要求有良好的烧结与压力成形的性能 。刀具材料的切削性能关系着刀具的耐用度和生产率， 刀具材料的工艺性影响着刀具本身的制 造与刃磨质量。因此刀具材料宜选择硬度高、抗粘结性和韧性好的刀具材料。笔者在切

19、削参 数相同的条件下， 对几种材料的刀具进行了车削对比试验， ，采用 TiC-TiCN-TiN 复合涂层刀 片的外圆车刀，耐用度比较高，工件表面质量好，生产率高。这是因为这种涂层硬质合金材 料的刀片，具有更好的强度和韧性，又因其表面具有更高的硬度和耐磨性，更小的摩擦系数 和更高的耐热性，而成为数控车床车削不锈钢的良好刀具材料，是加工3Cr13 不锈钢的外圆车刀的首选材料。由于没有这种材料的切断刀片，通过表 2 的对比试验可知， YW2 硬质合金 的切削性能也不错，因此可选用 YW2 材料的刀片作为切断刀。2.2刀具的几何角度和结构的选取数控机床和加工中心用刀具（简称数控刀具）在国外发展很快，品

20、种规格已形成系列。我国对 数控刀具的研究开发起步较晚，数控刀具的开发与生产成为我国工具行业的薄弱环节，数控 刀具的落后已成为影响国产和进口数控机床充分发挥作用的主要障碍之一。目前国外设计数控刀具的方式基本上是通过直接调用已有的设计结果或经过局部修改而形 成新的品种或规格。而国内企业（包括中国第一汽车制造厂）在数控刀具设计中则大多是在商 用CAD（多为AutoCAD）软件平台上由设计人员进行交互式绘图。由于交互式绘图很难利用已有的设计结果，劳动强度大，设计效率低，难以满足实际生产需要。因此，研究开发先进的 数控刀具CAD/CAM技术，对于提高数控刀具设计、制造的质量和效率十分必要。在CAD技术的

21、发展过程中，参数化技术的出现是一次重要的革命。该技术以约束造型为核心，允许 工程设计人员以尺寸驱动的方式实现对设计结果的修改，非常适合于结构类似的系列化产品 设计。对于良好的刀具材料，选择合理的几何角度则显得尤为重要。加工不锈钢时，刀具切削部分 的几何形状，一般应从前角、后角方面的选择来考虑。在选择前角时，要考虑卷屑槽型、有 无倒棱和刃倾角的正负角度大小等因素。不论何种刀具，加工不锈钢时都必须采用较大的前 角。增大刀具的前角可减小切屑切离和清除过程中所遇到的阻力。对后角选择要求不十分严 格，但不宜过小，后角过小容易和工件表面产生严重摩擦，使加工表面粗糙度恶化，加速刀 具磨损。并且由于强烈摩擦，

22、增强了不锈钢表面加工硬化的效应T刀具后角也不宜过大，后角过大，使刀具的楔角减小，降低了切削刃的强度，加速了刀具的磨损。通常，后角应比加 工普通碳钢时适当大些。一般车削马氏体不锈钢时，刀具前角o取10°20。较为适宜。后角：-o取5°8°较合适，最大不超过10°。此外，刃倾角花，负的刃倾角可保护刀尖，提高刀刃强度，一般选取 丫0为-1030°主偏角 r应根据工件的形状、加工部位和装刀情况来选择。刃口表面粗糙度应为Ra0.40.2 m。在刀具结构上，对外圆车刀采用外斜式圆弧断屑槽，靠刀尖处切屑卷曲半径大，靠外缘处切 屑卷曲半径小，切屑翻向待加工表面

23、而折断，断屑情况好。对于切断刀，可将副偏角控制在1°以内，这样可以改善排屑条件、延长刀具的使用寿命。2.3 合理选择切削用量切削用量对工件表面质量、刀具耐用度、加工生产率影响较大。而切削理论认为，切削速度V 对切削温度和刀具耐用度的影响最大，进给量 f 次之， ap 最小，而在数控车床上一次走刀 加工的表面，其切深量ap是由工件尺寸与材料毛坯尺寸来决定的，一般为 03mm。难加工 材料的切削速度往往比普通钢的切削速度低得多，因为速度的提高，就会使刀具严重磨损， 而不同的不锈钢材料又有各自不同的最佳切削速度，这个最佳切削速度只能通过试验或查阅 有关资料确定。用硬质合金刀具进行加工时，一

24、般推荐切削速度V=6080m/min。进给量f对刀具耐用度影响不如切削速度大，但会影响断屑和排屑，从而影响工件表面的拉伤、擦伤， 影响加工的表面质量。被加工表面粗糙度值不高时，f选用0.10.2mm/r。总之，对于难加工材料，一般选用较低的切削速度，中等的走刀量。2.4 选用适当的冷却润滑液越来越多的加工车间正在寻找在加工时降低冷却液用量的方法，采用空气/油雾-最小量润滑(MQL)- 或不用润滑剂的干式加工。可提供非常惊人的经济与生态益处。但是，这些技术的优 点与局限性必须与合适应用及切削要求符合时才能得以成功应用。减少润滑油最少量润滑， 或称准干式润滑，是将最少量切削液与空气混合成为气雾，以

25、提供控制润滑，减少切削边缘 区的摩擦。MQL 概念是大约 15年前为了解决下述几方面问题而提出的即与各加工车间空气中浮游的切 削液颗粒有关的环境侵害及职业危害问题。切削液的管理，此技术减少了购买切削液的需求 及废切削液的处理成本。此外，减少了工件、刀具及机床的清洗次数。气雾差不多在加工过 程中全部用完，因此，工件、刀具及机床仍然保持干燥。加工车间采用 MQL 技术加工部件， 切屑干净、干燥，可以立即回收利用。 MQL 混合系统输送准确数量的气雾，将气雾的液滴直 径控制到特定的公差，保持最佳湿润与润滑。MQL流体的流速为30ml/hr500ml/hr比泛 流冷却的用量低许多数量级。在泛流冷却中，

26、消耗的冷却液用量多达 10升/分钟。例如，如果MQL气雾内的润滑油液滴设定为 0.1 m1阿，则冷却液用量不到50ml/hr。虽然某些 MQL 技术供应商宣称，此技术可采用任何切削液，但是，大多数加工车间都采用 高度精制的植物油或酣类润滑油。 这些高性能的油脂具有非材出色的润滑性与自然溶解特性， 而且，它们还是环保型的产品。此外，植物仙类切削液不会挥发，在气雾中采用它们来冷却 切削，能够稳定受控地移除热量。这有助于将刀具的温度保持稳定，消除刀具热震的可能性。 在要求使用硬质合金刀具的应用中，这一点非常重要，因为水基冷却液通过水的蒸发移除大 量热，迅速移除切削时产生的大量热将会使硬质合金刀具发生

27、热震，并引起硬质合金刀具内 钴粘合剂的分解。 将 MQL 气雾输送到冷却区有两种方法。第一种是依靠外部 MQL 供应系 统，其中空气与油通过喷嘴混合与输送至切削处。此系统成本低廉，可将现有机床改造成 MQL 。它不需要对机床或控制进行大量改造。然而，在某些应用中，使用这种 MQL 输送系 统存在一些缺点，例如，在深钻孔中，很难将润滑空气 /油雾输送至刀具 /工件界面。另一个实 例是带自动换刀装置的机床 MQL 输送系统所用的外部设备及其喷嘴，会干扰换刀装置。设计采用 MQL 的机床具有内部供应系统，通过主轴将空气与油输送至刀具。其中一种类型 是配备一个空气 /油混合室，通过内主轴管直接将气雾输

28、送至刀具。刀具内的管道将气雾输送 至切削区。在主轴速度高时，离心力会将气雾中的油滴甩到主轴管的外壁上，这样、无法将 最佳量的空气 / 油气雾输送至刀具。为了克服这一点，另一种设计是通过周围空气管道内的中心管、使油通过主轴。空气与油在 刀具附近的室内混合，因为空气 /油气雾只在小段距离受主轴旋转的影响，刀具尖端的排出反 应据说得到了改善。通过机床刀具直接进行润滑油预先设置，这两种设计都精确控制每个刀 具的润滑油排出量。而且，内部 MQL 系统没有外部装置，不会对其它设备造成干扰。内部输送 MQL 系统的刀具需要特别考虑。通过刀具输送气雾的通道必须设计为方向突然改 变尽可能少。 这对大直径刀具来说

29、颇具挑战性， 囚为大直径刀具中的气雾流动必须改变方向， 以到达其外径与切削区。 车削不锈钢用的冷却润滑液，应该具有高的冷却性能、高的润滑性 能和较好的渗透性。高的冷却性能，保证能带走大量的切削热。不锈钢韧性大，切削时易产生积屑瘤，恶化加工 表面，这就要求冷却润滑液有较高的润滑性能和较好的渗透性。常用的加工不锈钢冷却润滑 液有硫化油、硫化豆油、煤油加油酸或植物油、四抓化碳加矿物油、乳化液等。考虑到硫对机床有一定的腐蚀作用，植物油 （如豆油 ） 容易附在机床上结痴和变质。笔者选 用了四抓化碳与机油按重量比为 1：9 的混合物。其中四抓化碳渗透性好，机油的润滑性好。 试验证明，这种冷却润滑液适用于表

30、面粗糙度值要求小的不锈钢零件的半精加工和精加工工 序，特别适合于马氏体类不锈钢零件的车削加工。第 3 章 数控车削中圆弧的加工技巧实例数控车床与普通车床相比具有适应性强，加工精度高，生产效率高，能完成复杂型面的 加工等特点。随着新产品的开发，其形状越来越复杂，精度要求也越来越高，无疑要充分发 挥数控车床的优点。圆弧加工就体现了数控车床的优点。但是，在实际加工大圆弧时，由于 加工工艺的选择不当或缺少辅助计算工具常常出现编程困难，重者出现异常加工误差。对此 引起了我的注意，通过长期的试切实验，证明应用下面方法在圆弧编程中思路简单，加工出 的零件精度高。下面我以几种常见零件为例与大家一起讨论。3.1

31、 圆弧分层切削法3.1.1 圆弧始点、终点均不变，只改变半径 R 在零件加工一个凸圆弧，根据过两点作圆弧，半径越小曲率越大的原则，因此在切削凸圆弧 时，可以固定始点和终点把半径 R 由小逐渐变大至规定尺寸。但要注意，圆弧半径最小不得 小于品圆弧弦长的一半。3.1.2 圆弧始点、终点坐标变化，半径 R 不变如图 2 所示，在零件上加工一个凹圆弧，为了合理分配吃刀量，保证加工质量，采用等半 径圆弧递进切削，编程思路简单。图2N10 G01 X54 Z-30 F0 .3;N20 G02 X60 Z-33 R10 F0 .2;N30 G00 X54 Z-30;N40 G01 X48 F0.3 ;N50

32、 G02 X60 Z-36 R10 F0.2;N60 G00 X48 Z-30;N70 G01 X42 F0.3 ;N80 G02 X60 Z-39 R10 F0.2;N90 G00 X42 Z-30;N100 G01 X40 F0.3;N110 G02 X60 Z-40 R10 F0.1;圆弧始点、终点坐标，半径R均变化R等于上次走刀如图3所示，在零件一端加工一个半球，在该种情况下，走刀轨迹的半径 半径R与Z(或X)方向的变化量？Z(?X)之差图3N10 G01 X0 Z10 F0.3;N20 G03 X60 Z-20 R30 F0.2 ;N30 G00 Z6;N40 X0;N50 G03

33、X60 Z-20 R26 F0.2;N60 G00 Z2;N70 X0;N80 G03 X60 Z-20 R22 F0.2 ,N90 G00 Z0;N100 X0;N110 G03 X60 Z-20 R20 F0.1;第4章数控机床电气维修技术数控机床的应用越来越广泛，然而我国从事数控机床电气设计、 应用与维修技术工作的工程技术人员数以万计，然而由于此项技术的复杂性、多样性和多变性以及一些客观环境因素的 制约，在数控机床电气维修技术方面还没有形成一套成熟的、完整的理论体系。当今控制理 论与自动化技术的高速 发展，尤其是微电子技术和计算机技术的日新月异，使得数控技术也 在同步飞速发展，数控系统结

34、构形式上的PC基、开放化和性能上的多样化、复杂化、高智能化不仅给其应用从观念到实践 带来了巨大变化，也在其维修理论、技术和手段上带来了很 大的变化。因此，一篇讲座形式的文章不可能把已经形成了一门专门学科的数控机床电气维 修技术理论完整地表述出来，本文仅是将多年的实践探索及业内众同仁的经验总结加以适当的归纳整理，以求对该学科理论的发展及工程技术人员的实践有所裨益。数控机床的身价从几十万元到上千万元，一般都是企业中关键产品关键工序的关键设备， 一旦故障停机，其影响和损失往往很大。但是，人们对这样的设备往往更多地是看重其效能， 而不仅对合理地使用不够重视，更对其保养及维修工作关注太少，日常不注意对保

35、养与维修 工作条件的创造和投入，故障出现临时抱佛脚的现象很是普遍。因此，为了充分发挥数控机 床的效益，我们一定要重视维修工作，创造出良好的维修条件。由于数控机床日常出现的多 为电气故障，所以电气维修更为重要4.1人员条件数控机床电气维修工作的快速性、优质性关键取决于电气维修人员的素质条件。1首先是有高度的责任心和良好的职业道德2识面要广，要学习并基本掌握有关数控机床电气控制的各学科知识，如计算机技术、 模拟与数字电路技术、自动控制与拖动理论、控制技术、加工工艺以及机械传动技术，当然 还包括上节所讲的基本数控知识。3.经过良好的技术培训。数控技术基础理论的学习，尤其是针对具体数控机床的技术培 训

36、，首先是参加相关的培训班和机床安装现场的实际培训，然后向有经验的维修人员学习， 而更重要且更长时间的是自学。四于实践。要积极投入数控机床的维修与操作的工作中去，在不断的实践中提高分析能 力和动手能力。五. 握科学的方法。要做好维修工作光有热情是不够的，还必须在长期的学习和实践中总 结提高，从中提炼出分析问题、解决问题的科学的方法。六. 习并掌握各种电气维修中常用的仪器、仪表和工具。七. 握一门外语，特别是 英语。起码应做到能看懂技术资料。4.2关于预防性维护为了降低故障率，其工作内容主要包括下列几方面的工作。(1) 人员安排 为每台数控机床分配专门的操作人员、 工艺人员和维修人员，所有人员都要

37、 不断地努力提高自己的业务技术水平。(2) 建规建档 针对每台机床的具体性能和加工对象制定操作规章，建立工作与维修档案， 管理者要经常检查、总结、改进。(3) 日常保养 对每台数控机床都应建立日常维护保养计划，包括保养内容(如坐标轴传动系统的润滑、磨损情况，主轴润滑等，油、水气路，各项温度控制，平衡系统，冷却系统， 传动带的松紧，继电器、接触器触头清洁，各插头、接线端是否松动，电气柜通风状况等等)及各功能部件和元气件的保养周期(每日、每月、半年或不定期)。(4) 提高利用率数控机床如果较长时间闲置不用，当需要使用时，首先机床的各运动环节会由于油脂凝固、灰尘甚至生锈而影响其静、动态传动性能，降低

38、机床精度，油路系统的堵塞更是一大烦事；从电气方面来看，由于一台数控机床的整个电气控制系统硬件是由数以万计的电子元器件组成的，他们的性能和寿命具有很大离散性，从宏观来看分三个阶段：在一 年之内基本上处于所谓“磨合”阶段。在该阶段故障率呈下降趋势，如果在这期间不断开动 机床则会较快完成“磨合”任务，而且也可充分利用一年的维修期；第二阶段为有效寿命阶段，也就是充分发挥效能的阶段。在合理使用和良好的日常维护保养的条件下，机床正常运转至少可在五年以上；第三阶段为系统寿命衰老阶段，电器硬件故障会逐渐增多，数控系统的使用寿命平均在810年左右。因此，在没有加工任务的一段时间内，最好较低速度下空运行机床，至少

39、也要经常给数 控系统通电，甚至每天都应通电。数控机床的电气故障可按故障的性质、表象、原因或后果等分类。以故障发生的部位，分为硬件故障和软件故障。硬件故障是指电子、电器件、印制电 路板、电线电缆、接插件等的不正常状态甚至损坏，这是需要修理甚至更换才可排除的故障。 而软件故障一般是指 PLC逻辑控制程序中产生的故障，需要输入或修改某些数据甚至修改 PLC程序方可排除的故障。零件加工程序故障也属于软件故障。最严重的软件故障则是数控 系统软件的缺损甚至丢失，这就只有与生产厂商或其服务机构联系解决了。(2) 以故障出现时有无指示，分为有诊断指示故障和无诊断指示故障。当今的数控系统都设计有完美的自诊断程序

40、，时实监控整个系统的软、硬件性能，一旦发现故障则会立即报警 或者还有简要文字说明在屏幕上显示出来，结合系统配备的诊断手册不仅可以找到故障发生 的原因、部位，而且还有排除的方法提示。机床制造者也会针对具体机床设计有相关的故障 指示及诊断说明书。上述这两部分有诊断指示的故障加上各电气装置上的各类指示灯使得绝 大多数电气故障的排除较为容易。无诊断指示的故障一部分是上述两种诊断程序的不完整性 所致(如开关不闭合、接插松动等)。这类故障则要依靠对产生故障前的工作过程和故障现象 及后果，并依靠维修人员对机床的熟悉程度和技术水平加以分析、排除。(3) 以故障出现时有无破坏性，分为破坏性故障和非破坏性故障。对

41、于破坏性故障，损坏 工件甚至机床的故障，维修时不允许重演，这时只能根据产生故障时的现象进行相应的检查、 分析来排除之，技术难度较高且有一定风险。如果可能会损坏工件，则可卸下工件，试着重 现故障过程，但应十分小心。(4) 以故障出现的或然性，分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指只要满足一定 的条件则一定会产生的确定的故障；而随机性故障是指在相同的条件下偶尔发生的故障，这 类故障的分析较为困难，通常多与机床机械结构的局部松动错位、部分电气工件特性漂移或 可靠性降低、电气装置内部温度过高有关。此类故障的分析需经反复试验、综合判断才可能 排除。以机床的运动品质特性来衡量，则是机床运动特性下降的故

42、障。在这种情况下，机床虽 能正常运转却加工不出合格的工件。例如机床定位精度超差、反向死区过大、坐标运行不 平稳等。这类故障必须使用检测仪器确诊产生误差的机、电环节，然后通过对机械传动系统、 数控系统和伺服系统的最佳化调整来排除。此处故障的分类是为了便于故障的分析排除， 而一种故障的产生往往是多种类型的混合， 这 就要求维修人员具体分析，参照上述分类采取相应的分析、排除法。故障的调查与分析 这是排故的第一阶段，是非常关键的阶段，主要应作好下列工作： 询问调查 在接到机床现场出现故障要求排除的信息时，首先应要求操作者尽量保持 现场 故障状态，不做任何处理，这样有利于迅速精确地分析故障原因。同时仔细

43、询问故障指 示情况、故障表象及故障产生的背景情况，依此做出初步判断，以便确定现场排故所应携带 的工具、仪表、图纸资料、备件等，减少往返时间。 现场检查 到达现场后，首先要验证操作者提供的各种情况的准确性、完整性，从而 核实 初步判断的准确度。由于操作者的水平，对故障状况描述不清甚至完全不准确的情况不 乏其例，因此到现场后仍然不要急于动手处理，重新仔细调查各种情况，以免破坏了现场， 使排故增加难度。 故障分析 根据已知的故障状况按上节所述故障分类办法分析故障类型，从而确定排 故原 则。由于大多数故障是有指示的，所以一般情况下，对照机床配套的数控系统诊断手册 和使 用说明书，可以列出产生该故障的多

44、种可能的原因。 确定原因 对多种可能的原因进行排查从中找出本次故障的真正原因，这时对维修人 员是 一种对该机床熟悉程度、知识水平、实践经验和分析判断能力的综合考验。 排出故障准备 有的故障的排除方法可能很简单，有些故障则往往较复杂，需要做一 系列的准 备工作，例如工具仪表的准备、局部的拆卸、零部件的修理，元器件的采购甚至排 故计划步骤的制定等等。数控机床电气系统故障的调查、分析与诊断的过程也就是故障的排除过程，一旦查明了 原因 ，故障也就几乎等于排除了。因此故障分析诊断的方法也就变得十分重要了。下面把电 气故障的常用诊断方法综合列于下。(1) 直观检查法 这是故障分析之初必用的方法，就是利用感

45、官的检查。 询问向故障现场人员仔细询问故障产生的过程、故障表象及故障后果，并且在整个分 析判断过程中可能要多次询问。 目视 总体查看机床各部分工作状态是否处于正常状态(例如各坐标轴位置、主轴状态、刀库、机械手位置等)，各电控装置(如数控系统、温控装置、润滑装置等)有无报警指示， 局部查看有无保险烧煅，元器件烧焦、开裂、电线电缆脱落，各操作元件位置正确与否等等0 触摸在整机断电条件下可以通过触摸各主要电路板的安装状况、各插头座的插接状况、各功率及信号导线(如伺服与电机接触器接线)的联接状况等来发现可能出现故障的原 因。 通电 这是指为了检查有无冒烟、打火、有无异常声音、气味以及触摸有无过热电动

46、机和元件存在而通电，一旦发现立即断电分析。(2) 仪器检查法 使用常规电工仪表，对各组交、直流电源电压，对相关直流及脉冲信号 等进行测量，从中找寻可能的故障。例如用万用表检查各电源情况，及对某些电路板上设置 的相关信号状态测量点的测量，用示波器观察相关的脉动信号的幅值、相位甚至有无，用 PLC编程器查找PLC程序中的故障部位及原因等。(3 )信号与报警指示分析法 硬件报警指示 这是指包括数控系统、伺服系统在内的各电子、电器装置上的各种状态和故障指示灯，结合指示灯状态和相应的功能说明便可获知指示内容及故障原因与排除方 法。软件报警指示 如前所述的系统软件、PLC程序与加工程序中的故障通常都设有报

47、警 显示，依据显示的报警号对照相应的诊断说明手册便可获知可能的故障原因及故障排除方法。(4)接口状态检查法 现代数控系统多将PLC集成于其中，而CNC与PLC之间则以一系列 接口信号形式相互通讯联接。有些故障是与接口信号错误或丢失相关的，这些接口信号有的 可以在相应的接口板和输入/输出板上有指示灯显示，有的可以通过简单操作在CRT屏幕上显示，而所有的接口信号都可以用 PLC编程器调出。这种检查方法要求维修人员既要熟悉本 机床的接口信号，又要熟悉 PLC编程器的应用。(5) 参数调整法数控系统、PLC及伺服驱动系统都设置许多可修改的参数以适应不同机 床、不同工作状态的要求。这些参数不仅能使各电气

48、系统与具体机床相匹配，而且更是使机床各项功能达到最佳化所必需的。因此，任何参数的变化(尤其是模拟量参数)甚至丢失都是不允许的；而随机床的长期运行所引起的机械或电气性能的变化会打破最初的匹配状态和最 佳化状态。此类故障多指故障分类一节中后一类故障，需要重新调整相关的一个或多个参数 方可排除。这种方法对维修人员的要求是很高的，不仅要对具体系统主要参数十分了解，既 知晓其地址熟悉其作用，而且要有较丰富的电气调试经验。(6) 备件置换法 当故障分析结果集中于某一印制电路板上时，由于电路集成度的不断扩大而要把故障落实于其上某一区域乃至某一元件是十分困难的，为了缩短停机时间，在有相 同备件的条件下可以先将

49、备件换上，然后再去检查修复故障板。备件板的更换要注意以下问题。 更换任何备件都必须在断电情况下进行。 许多印制电路板上都有一些开关或短路棒的设定以匹配实际需要，因此在更换备件板上一定要记录下原有的开关位置和设定状态，并将新板作好同样的设定，否则会产生报警而 不能工作。 某些印制电路板的更换还需在更换后进行某些特定操作以完成其中软件与参数的建立。这一点需要仔细阅读相应电路板的使用说明。 有些印制电路板是不能轻易拔出的，例如含有工作存储器的板，或者备用电池板，它会丢失有用的参数或者程序。必须更换时也必须遵照有关说明操作。鉴于以上条件，在拔出旧板更换新板之前一定要先仔细阅读相关资料，弄懂要求和操作步

50、骤之后再动手，以免造成更大的故障。(7) 交叉换位法 当发现故障板或者不能确定是否故障板而又没有备件的情况下，可以将系统中相同或相兼容的两个板互换检查，例如两个坐标的指令板或伺服板的交换从中判断故 障板或故障部位。这种交叉换位法应特别注意，不仅硬件接线的正确交换，还要将一系列相 应的参数交换，否则不仅达不到目的，反而会产生新的故障造成思维的混乱，一定要事先考 虑周全，设计好软、硬件交换方案，准确无误再行交换检查。(8) 特殊处理法 当今的数控系统已进入PC基、开放化的发展阶段，其中软件含量越来越 丰富，有系统软件、机床制造者软件、甚至还有使用者自己的软件，由于软件逻辑的设计中 不可避免的一些问

51、题，会使得有些故障状态无从分析，例如死机现象。对于这种故障现象则可以采取特殊手段来处理，比如整机断电，稍作停顿后再开机，有时则可能将故障消除。维 修人员可以在自己的长期实践中摸索其 规律或者其他有效的方法。.电气维修与故障的排除(1)电源电源是维修系统乃至整个机床正常工作的能量来源，它的失效或者故障轻者会 丢失数据、造成停机。重者会毁坏系统局部甚至全部。西方国家由于电力充足，电网质量高, 因此其电气系统的电源设计考虑较少，这对于我国有较大波动和高次谐波的电力供电网来说 就略显不足，再加上某些人为的因素，难免出现由电源而引起的故障。我们在设计数控机床 的供电系统时应尽量做到： 提供独立的配电箱而

52、不与其他设备串用。 电网供电质量较差的地区应配备三相交流稳压装置。 电源始端有良好的接地。 进入数控机床的三相电源应采用三相五线制，中线(N)与接地(PE)严格分开。 电柜内电器件的布局和交、直流电线的敷设要相互隔离。(2) 数控系统位置环故障 位置单元报警。可能是位置测量回路开路；测量元件损坏；位置控制建立的接口信号 不存在等。 坐标轴在没有指令的情况下产生运动。可能是漂移过大；位置单元或速度单元接成正 反馈；反馈接线开路；测量元件损坏。(3) 机床坐标找不到零点。可能是零方向在远离零点；编码器损坏或接线开路；光栅零点 标记移位；回零减速开关失灵。(4) 机床动态特性变差，工件加工质量下降，

53、甚至在一定速度下机床发生振动。这其中有 很大一种可能是机械传动系统间隙过大甚至磨损严重或者导轨润滑不充分甚至磨损造成的； 对于电气控制系统来说则可能是速度单元、位置单元和相关参数已不在最佳匹配状态，应在 机械故障基本排除后重新进行最佳化调整。(5) 偶发性停机故障。这里有两种可能的情况：一种情况是如前所述的相关软件设计中的 问题造成在某些特定的操作与功能运行组合下的停机故障，一般情况下机床断电后重新通电便会消失；另一种情况是由环境条件引起的，如强力干扰（电网或周边设备）、温度过高、湿度过大等。这种环境因素往往被人们所忽视，例如南方地区将机床置于普通厂房甚至靠近敞 开的大门附近，电柜长时间开门运

54、行，附近有大量产生粉尘、金属屑或水雾的设备等等。这 些因素不仅会造成故障，严重的还会损坏系统与机床，务必注意改善。4.24维修排故后的总结提高工作对数控机床电气故障进行维修和分析排除后的总结与提高工作是排故的第三阶段，也是十分重要的阶段，应引起足够重视。总结提高工作的主要内容包括： 详细记录从故障的发生、分析判断到排除过程中出现的各种问题，采取的各种措施， 涉及到的相关电路图、相关参数和相关软件，其间错误分析和排除故障方法也应记录并记录 其无效的原因。除填入维修档案外，内容较多者还要另文详细书写。 有条件的维修人员应该从较典型的故障排除实践中找出常有普遍意义的内容作为研究课题进行理论性探讨，写

55、出论文，从而达到提高的目的。特别是在有些故障的排除中并未经由认真系统地分析判断而是带有一定地偶然性排除了故障，这种情况下的事后总结研究就更 加必要。 总结故障排除过程中所需要的各类图样、文字资料，若有不足应事后想办法补济，而 且在 随后的日子里研读，以备将来之需。 从排故过程中发现自己欠缺的知识，制定 学习计划，力争尽快补课。 找出工具、仪表、备件之不足，条件允许时补齐。结束语我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到 1979年，即封闭式发展阶段。 在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制， 数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的 “六五”、“七五”期间以及 “八五”的前期，即 引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视， 以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面 都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的 “八五”的后期和 “九五”期间，即实施产业化的研 究，进入市场竞争阶段。 在此阶段， 我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。 在“九五 末期，国