数控机床机械装置故障诊断与维修

项目3数控机床机械装置故障诊断与维修【项目目标】

重点掌握数控机床机械部件的结构。【项目导读】本章介绍数控机床主轴部件、进给运动部件、刀库及自动换刀装置、机床辅助装置的典型结构及工作原理、常见故障现象及故障排除方法。任务3.1数控机床机械装置故障概述3.1.1数控机床机械故障的特点数控机床机械故障：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机械故障的分类：◎功能型故障◎动作型故障◎结构型故障◎使用型故障3.1.2机械部件故障常见类型☆按照故障发生的原因分磨损性故障；错用性故障；先天性故障☆按照故障的性质分间歇性故障；永久性故障☆按照故障发生后的影响程度分部分性故障；完全性故障机械部件故障常见类型☆按照故障造成的后果分危害性故障；安全性故障☆按照故障发生的快慢分突发性故障；渐发性故障☆按照故障发生的频次偶发性故障多发性故障☆按照故障发生、发展的规律分随机性故障；有规则故障3.1.3数控机床各典型部件可能出现的主要故障1.进给传动链故障定位精度下降、反向间隙过大、机械爬行

2.主轴部件故障刀杆拉紧机构、自动换挡机构故障3.自动换刀装置（ATC）故障刀库运动故障、定位误差过大、机械手夹持刀柄不稳定

4.各级运动位置检查的行程开关压合故障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5.配套附件的可靠性切削液装置、排屑装置、导轨防护罩故障任务3.2数控机床主轴部件的故障诊断与维修3.2.1数控机床的主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴、主轴轴承、安装在主轴上的传动零件、工件或刀具自动松夹机构等，对于加工中心还有定向准停机构。

主轴端部的结构形状车床镗、铣床磨床主轴部件的支承☆主轴部件常用的滚动轴承类型圆锥滚子轴承锥孔双列圆柱滚子轴承同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承只能承受径向载荷。

双列推力角接触轴承带凸肩的双列圆柱滚子轴承该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负偏差，保证只承受轴向载荷可用作主轴前支承，空心滚子承受冲击载荷时刻产生微小变形，能增大接触面积并有吸振和缓冲作用主轴滚动轴承的配置前支承采用圆柱滚子轴承和60°双列推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承的配置形式前、后支承采用高精度向心推力球轴承前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承采用单列圆锥滚子轴承滚动轴承的精度有高级E、精密级D、特精级C和超精级B主轴滚动轴承的预紧轴承内圈移动修磨座圈或隔套修磨座圈隔套的应用主轴的润滑与密封油气润滑方式：定时定量地把油雾送进轴承空隙中喷注润滑方式：用较大流量的恒温油（每个轴承3～4L/min）喷注到主轴轴承主轴密封卧式加工中心主轴前支承的密封结构1—进油口2—轴承3—箱体4、5—法兰盘6—主轴7—泄漏孔8—回油斜孔9—泄油孔3.2.2数控机床主轴准停装置主轴准停方式电气准停控制定位的三种方式：1.主轴电动机内装传感器实现主轴准停控制利用内装传感器发出的主轴速度、位置信号及一转信号实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴直联或1:1传动的场合，内装MZ/MZi系列内装编码器。2.主轴外接主轴独立编码器实现主轴准停控制利用与主轴1:1连接的主轴编码器发出的主轴速度、位置信号及一转信号实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴之间有机械齿轮传动的场合、内装M/Mi系列编码器。3.主轴电动机内装传感器和外接一转检测元件（接近开关）实现主轴准停控制利用主轴外接一转信号开关（接近开关）发出的主轴一转信号和主轴电动机内装传感器发出的主轴速度和位置反馈信号实现主轴准停控制，适用于主轴电动机与主轴之间有机械齿轮传动的场合，内装M/Mi系列编码器。任务3.3数控机床进给运动部件的故障诊断与维修3.3.1数控机床进给运动部件机械结构滚珠丝杠螺母副工作原理滚珠丝杠螺母副的结构原理示意图1—螺母2—滚珠3—丝杠在丝杠3和螺母1上有螺旋槽，套装在一起时形成了螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道b，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠2，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，迫使螺母（或丝杠）轴向移动循环方式每一列钢珠转几圈后经插管式回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外，称为外循环☆外循环插管式回珠器插管式回珠器外循环方式☆内循环内循环方式1—丝杠2反向器3—滚珠4—螺母滚珠丝杠螺母副预紧垫片调隙法螺母调隙法1、2—螺母齿差调整法滚珠丝杠螺母副的支承形式和制动方式◊支承方式一端装推力轴承一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承两端装推力轴承两端装推力轴承及深沟球轴承◊支承方式◊制动方式►用具有刹车作用的制动电动机►在传动链中配置逆转效率低的高减速比系统，如齿轮、蜗杆减速器等►采用超越离合器导轨导轨主要用来支承和引导运动部件沿一定的导轨运动。在导轨副中运动的一方称动导轨，不动的一方称支承导轨直线滑动导轨的截面形状常用直线滑动导轨有矩形、三角形、燕尾形及圆形截面矩形导轨三角形导轨燕尾形导轨圆柱形导轨直线导轨的组合►双三角形导轨

为双V型导轨，导轨面同时起支承和导向作用，适用于精度要求高的机床►双矩形导轨

这种导轨易加工制造，承载能力大，但导向精度差，常用于普通精度的机床►三角形—平导轨组合

为V形—平导轨组合，不需用镶条调整间隙，导轨精度高，通常用于磨床、精密镗床►三角形—矩形导轨组合

卧式车床的导轨►平-平-三角形导轨组合

【例1】某加工中心运行时，工作台Y轴方向位移接近行程终端过程中丝杠反向间隙明显增大，机床定位精度不合格。故障分析及处理：故障部位明显在X轴伺服电机与丝杠传动链一侧，拆卸电动机与滚珠丝杠之间的弹性联轴器，用扳手转动滚珠丝杠进行手感检查。通过手感检查，发现工作台X轴方向位移接近行程终端时，感觉到阻力明显增加。拆下工作台检查，发现Y轴导轨平行度严重超差，故而引起机械转动过程中阻力明显增加，滚珠丝杠弹性变形，反向间隙增大，机床定位精度不合格。经过认真修理、调整后，重新装好后，故障排除【例2】某一数控车床，经常出现Z轴伺服电动机过电流报警。故障分析及处理：开式以为是电气故障，调整了一下过电流限定值，就好了一些。但不久，Z轴伺服电机出现过热。将Z轴伺服电动机拆下，发现换向器表面已变色。这时用手搬Z轴丝杠，搬不动，并且整个丝杠上没有任何划痕。但螺母搬不动。随之把整个丝杠拆下，飞了很大劲才把螺母拆下，螺母滚珠是外循环的，在螺母的滚道有很多油垢，还有类似棉纱之类的东西，很硬粘在滚道上，所有的滚珠一动不动。将油垢和棉纱之类的东西都清理后，重新装回到机床后，故障现象消失。任务3.4数控机床自动换刀装置的

故障诊断与维修3.4.1数控机床常见自动换刀方式电动刀架自动换刀装置普通型数控车床中，自动换刀装置采用电动刀架，有4工位和6工位两种形式，机床标准配置为4工位电动刀架采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理，具有转未快，定位精度高，切向力矩大的优点，同时采用无触点霍尔开关发信，使用寿命长。该工作过程包括刀架抬起、刀架转位、刀架定位和夹紧刀架4个过程四工位电动刀架结构示意图1—刀架底座2—蜗轮丝杠3—粗定位盘4—刀架体5—球头销6—转位套7—瓷缸3—刀位检测盘（霍尔开关）9——粗定位销10—刀架电动机刀架抬起当数控系统发出换刀指令后，刀架电动机10起动正传，通过联轴器使刀架蜗杆转动。从而带动涡轮丝杠2转动，刀架体4的内孔加工有螺纹，与丝杠轴连接,涡轮与丝杠为整体结构。当涡轮开始转动时，由于刀架底座1和刀架体4上的端面齿合状态且涡轮丝杠轴向固定，因此这是刀架体4抬起，从而完成刀架抬起动作。刀架转位当刀架体抬起到一定距离后，端面齿脱开，转位套6用销钉与涡轮丝杠2连接，随涡轮丝杠一同转动，当端面齿完全脱开时，球头销5在弹簧力的作用下进入转位套6的槽中，到动刀架体转位，刀架体转位的同时带动磁缸7也转位，与刀号转位盘8（4个霍尔开关控制电路板）配合进行刀号的检查。刀架定位当系统程序的刀号与实际刀架检测刀号一致时，刀架电动机立即停止，并开始反转，球头销从转位套的槽中被挤出，使粗定位销9在弹簧的作用下进入粗定位盘3的凹槽中，由于粗定位销的限制，刀架体4能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体4和刀座1上的端面齿啮合实现精确定位。夹紧刀架电动机继续反转（反转时间由系统PLC程序控制），此时涡轮停止转动，蜗杆轴自身转动，当两个端面齿增加到一定夹紧力时，刀架电动机10立即断电停止。电动转塔自动换刀装置常用的有6工位、8工位和12工位。有电动转塔换刀装置、伺服转塔换刀装置和动力头转塔电动转塔有下面四个特点：※采用行星轮系传动的减速机构、结构紧凑、传动效率高。※刀盘无需抬起就能实现转位松开和制动控制。※可双向回转和任意刀位就近选刀，最大限度的减少刀架转位的辅助时间。※分度工位由二进制绝对编码器识别，刀架定位与锁紧由接近开关发出信号，到位控制时通过系统PMC程序编制，安全可靠。电动转塔结构简图1-电动机2-齿轮3-电动机齿轮4-行星齿轮5-空套齿轮6-锁紧接近开关7-预分度到位接近开关8-电磁铁9-插销10-动齿盘11-挡圈12-定齿盘13-分度主轴14-双联齿盘15-弹簧16-滚轮架17-滚轮18-驱动齿轮19-箱体20-角度编码器21-后盖22-电动机刹紧装置【例1】CK6140数控机床换刀时3号刀位转不到位故障分析：一般有两种原因，一是电动机相位接反，但调整电动机相位线后故障不能排除。二是磁钢与霍尔元件高度位置不准。拆开刀架上盖，发现4号磁钢与霍尔元件高度位置距离相差较大，用尖嘴钳调整3号磁钢与霍尔元件高度与其它刀号基本一致，重新启动系统，故障排除。【例2】某数控车床在运行过程中出现刀架不转位（一般系统会提示刀架位置信号错误），有多种原因可以引起刀架不转动。故障分析：刀架继电器过载后断开。①刀架电动机380V相位错误。由于刀架只能顺时针转动（刀架内部有方向定位机械机构），若三相位接错，刀架电动机一通电就反转，则刀架不能转动。②刀架电动机三相电缺相。③刀架位置信号所用的24V电源故障。④刀架体内中心轴上的推力球轴承被轴向定位盘压死，轴承不能转动，使得刀架电动机不能带动刀架转动。

拆下零件检查原因，发现由于刀架转位带来的振动，使得螺钉松动，定位键长时间承受正反方向的切向力，使得定位键损坏，螺母和定位盘向下移动，给轴承施加较大轴向力，使其转动不了。任务3.5数控机床液压系统的故障诊断与维修3.5.1液压系统在数控机床上的应用液压系统在数控机床中的辅助功能：※自动换刀所需的动作。※机床运动部件的平衡。※机床运动部件的制动和离合器的控制，齿轮拨叉挂档等。※机床的润滑冷却。※机床防护罩、板、门的自动开关。※工作台的松开夹紧，交换工作台的自动交换动作。※夹具的自动松开、夹紧。※工件、工具定位面和交换工作台的自动吹屑、清理定位基准面等。3.5.2液压系统基本构成及常见故障表现形式液压系统的组成※能源部分※执行部分※控制调节部分※辅助部分※传动介质液压系统的基本构成及其回路压力控制回路压力控制回路的功能是利用压力控制元件来控制整个液压系统（或局部油路）的工作压力，以满足执行元件对力（或力矩）的要求，或者达到合理利用功率、保证系统安全等目的调压回路调压回路（a）单极调压回路（b）远程调压回路1-液压泵2-溢流阀3-主溢流阀4-远程调压阀调压回路的功能是控制系统的最高工作压力，使其不超过某一预先调定的数值（即压力阀的调整压力）减压回路减压回路的功能是在单泵供油的液压系统中，使其一条支路获得比主油路工作压力还要低的稳定压力减压回路1-溢流阀2-减压阀3-单向阀增加回路当液压系统中某一支路需要压力很高流量很小的压力油，若采用高压泵不经济，或根本没有这样高压力的液压泵时，就要采用增压回路来提高压力增压回路（a）但作用增压回路（b）双作用增压回路1-电磁换向阀2-油箱3-单向阀卸荷回路卸荷回路是在执行元件短时间停止运动，而原动机任然运转的情况下，能使液压泵卸去载荷（即泵作空载运转）的回路。卸荷：指液压泵以很小的输出功率运转，即液压泵输出油液以很低的压力排回油箱；或液压泵输出很小流量的压力油卸荷回路(a)采用三位四通换向阀卸荷（b）采用二位二通电磁换向阀直接卸荷(c)用先导式溢流阀卸荷（d）用外控顺序阀卸荷（e）压力补偿变量泵的卸荷（f）保压卸荷平衡回路目的：对于执行元件与垂直运动部件相连（如竖直安邦治国的液压缸等）的结构，当垂直运动部件下行时，都会出现超越负载（或称负负载）。采用这种回路可防止运动部件的自行下滑和超速，平衡回路速度控制回路调速回路调速是指调节执行元件的运动速度根据液压缸的速度：v=q/A；液压马达的转速：nm=q/Vm。改变流量q，或者改变执行执行元件的几何尺寸（液压缸的工作面积A或液压马达的排量Vm）都可以改变其运动速度，得出两类基本调速方法：

节流调速容积调速（a）进口节流调速回路（b）出口节流调速回路节流调速回路速度变换回路速度变换回路是使执行元件从一种速度变换到另一种速度的回路增速回路是指在不增加液压泵流量的前提下，提高执行元件速度的回路☆增速回路（a）自重充液增速回路（b）差动连接增速回路增速回路☆减速回路减速回路是使执行元件由快速转换为慢速的回路。靠节流阀或调速阀来减速，用行程阀或电气行程开关控制换向阀的通断将快速转换为慢速。（a）行程阀控制（b）行程开关控制减速回路方向控制回路方向控制回路是通过控制液压系统中液流的通、断及流动方向的，进而达到控制执行元件运动、停止及改变运动方向的目的☆换向回路（a）控制单作用液压缸换向（b）控制差动缸换向用二位三通换向阀的换向回路☆锁紧回路作用：为了使液压缸活塞能在任意位置上停止运动，并防止在外力作用下发生窜动，须采用锁紧回路。锁紧的原理：将执行元件的进回油路封闭，利用三位四通换向阀的中位机能（O型或M型）可以使活塞在行程范围内的任意位置上停止运动用液控单向阀的锁紧回路☆浮动回路浮动回路与锁紧回路相反，它将执行元件的进、回油路连通或同时接回油箱，使之处于无约束的浮动状态。这样，在外力作用下执行元件仍可运动MJ-50数控车床液压系统回路分析MJ-50数控车床液压系统的原理图1、2、3、5-换向阀6、7、8-减压阀9、10、11-调速阀12、13、14-压力表卡盘分系统卡盘分系统的执行元件是一液压缸，控制油路则由一个有两个电磁铁的二位四通换向阀1、一个二位四通换向阀2、两个减压阀6和7组成高压夹紧：3DT失电、1DT得电，换向阀2和1均位于左位。分系统的进油路：液压泵→液压阀6→换向阀2→换向阀1→液压缸右腔。回油路：液压缸左腔→换向阀1→油箱。这时活塞左移使卡盘夹紧（称正卡或外卡），夹紧力的大小可通过减压阀6调节。由于阀6的调定值高于阀7，所以卡盘处于高压夹紧状态。松夹时，使2DT得电、1DT失电，阀1切换至右位。进油路：液压泵→减压阀6→换向阀2→换向阀1→液压缸左腔。回油路：液压缸右腔→换向阀1→油箱。活塞右移，卡盘松开。MJ-50数控车床液压系统主要承担卡盘、回转刀架与刀盘及尾架套筒的驱动与控制。低压夹紧：油路与高压夹紧状态基本相同，唯一不同是这时3DT得电而使阀2切换至右位，因而液压泵的供油只能经减压阀7进入分系统。通过调节阀7便能实现低压夹紧状态下的夹紧力。回转刀盘分系统回转分盘分系统由两个执行元件，刀盘的松开与夹紧由液压缸执行，而液压马达则驱动刀盘回转。有两条支路：第一条支路由三位四通换向阀3和两个单向调速阀9和10组成。通过三位四通换向阀3的切换控制液压马达在正、反转时都能通过进油路容积节流调速来调节旋转速度。第二条支路控制刀盘的放松与夹紧，它是通过二位四通换向阀的切换来实现的刀盘的完整旋转过程：刀盘松开→刀盘通过左转或右转就近到达指定刀位→刀盘夹紧。电磁铁的动作顺序是4DT得电（刀盘松开）→8DT（正转）或7DT（反转）得电（刀盘旋转）→8DT（正转时）或7DT（反转时）失电（刀盘停止转动）→4DT失电（刀盘夹紧）。尾架套筒分系统尾架套筒通过液压缸实现顶出与缩回。控制回路由减压阀8、三位四通换向阀5和单向调速阀11组成。分系统通过调节减压阀8，将系统压力降为尾架套筒顶紧所需的压力。单向调速阀11用于在尾架套筒伸出时实现回油节流阀调速控制伸出速度。所以，尾架套筒伸出时，6DT得电，其油路为：系统供油经阀8、阀5左位进入液压缸的无杆腔，而有杆腔的液压油则经阀11的调速阀和阀5回油箱。尾架套筒缩回时，5DT得电，系统供油经阀8、阀5右位、阀11的单向阀进入液压缸的有杆腔，而无杆腔的油则经阀5直接回油箱。3.5.3液压系统常见故障诊断与维修液压系统的维护要点※控制油液污染，保持油液清洁※控制液压系统中油液的温升

※控制液压系统的泄漏※防止液压系统振动与噪声※严格执行日常点检测制度※严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制度【例1】数控车床CKD6140卡盘失压故障。故障现象：液压卡盘夹紧力不足，卡盘失压，监视不报警。故障检查与分析：该机床为德州机床厂生产的CKD6140数控车床，配套的电动刀架为LD4-I型。卡盘夹紧力不足，可能是系统压力不足、执行件内泄、控制回路动作不稳定及卡盘移动受阻造成。故障处理：调整系统压力至要求，检修液压缸的内泄及控制回路动作情况，检查卡盘各摩擦副的滑动情况。如卡盘仍然夹紧力不足，要经过分析，调整液压缸与卡盘间联接拉杆的调整螺母，故障消除。【例2】JOG方式时，机械手在取刀时，不能缩爪故障现象：机床在JOG状态下加工工件时，机械手将刀具从主刀库中取出送入送刀盒中，不能缩爪，但却不报警，将方式选择到ATC状态，手动操作都正常。故障检查与分析：使用的是FANUC系统的加工中心，经查看梯形图，原来是限位开关LS916没有压合，调整限位开关位置后，机床恢复正常。但过一段时间后，再次出现此故障，检查LS916并没松动