数控机床的机械结构

第5章数控机床机械结构的故障诊断及维修5.1数控机床机械结构概述

数控机床是数控系统与传统机床结合的产物，早期的数控机床，包括目前部分改造、改装的数控机床，大都是在普通机床的基础上，通过对进给系统的数控化改造而成的。因此，在许多场合，普通机床的构成模式、故障模式、诊断方法在很大程度被数控机床所采用。随着数控技术（包括伺服驱动、主轴驱动）的迅速发展，现代数控机床在机械结构上已经从普通机床的结构特征，逐步发展形成了自己独特的结构。特别是随着电主轴、直线电动机等新技术、新产品在数控机床上的推广应用，部分机械结构日趋简化，新的结构、功能部件不断涌现，数控机床的机械机构正在发生重大的变化，虚拟轴机床的出现和实用化，使传统的机床结构发生了根本性的转变。5.1.1数控机床机械结构的组成及特点数控机床机械结构的基本组成机械部分电气控制部分主运动系统进给系统支撑系统自动换刀系统辅助装置1.刀库2.换刀系统3.立柱4.液压系统5.主传动系统6.主轴头7.操纵台8.防护罩9.工作台10.底座（X、Z向进给系统）按数控机床机械结构故障按性质分类系统性故障随机故障5.1.2数控车床机械结构故障的特点

数控机床是机电一体化的产物，技术先进、结构复杂。数控机床的故障也是多种多样、各不相同，故障原因一般都比较复杂，这给数控机床的故障诊断和维修带来不少困难。数控机床机械部分常见故障数控机床机械故障通常指组成数控机床的机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等部分的故障。常见的故障主要有：（1）因机械部件安装、调试、操作使用不当等原因引起的机械传动故障。（2）因导轨、主轴等运动部件的干涉、摩擦过大等原因引起的故障。（3）因机械零件的损坏、联结不良等原因引起的故障，等等。机械故障主要表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大、机械部件动作不进行、机械部件损坏等等。润滑不良、液压、气动系统的管路堵塞和密封不良，是主机发生故障的常见原因。数控机床的定期维护、保养，控制和根除“三漏”现象发生是减少主机部分故障的重要措施。例1

一台数控沟槽磨床，在加工过程中偶尔出现问题，磨沟槽的位置发生变化，造成废品。

分析这台机床的工作原理，在磨削加工时首先测量臂向下摆动到工件的卡紧位置，然后工件开始移动，当工件的基准端面接触到测量头时，数控装置记录下此时的位置数据，然后测量臂抬起，加工程序继续运行。数控装置根据端面的位置数据，在距端面一定距离的位置磨削沟槽，所以沟槽位置不准与测量的准确与否有非常大的关系。因为不经常发生，所以很难观察到故障现象。因此根据机床工作原理，对测量头进行检查并没有发现问题；对测量臂的转动检查时发现旋转轴有些紧，可能测量臂有时没有精确到位，使测量产生误差。将旋转轴拆开检查发现已严重磨损，制作新备件，更换上后再也没有发生这个故障。主传动系统电动机与主轴直联的主传动经过一级变速的主传动带有变速齿轮的主传动电主轴5.2主传动系统与主轴部件的故障诊断及维修5.2.1主传动系统

主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。1）电动机与主轴直联的主传动

其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性致，因而使用上受到一定限制。2）经过一级变速的主传动一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束。3）带有变速齿轮的主传动这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。4）电主轴电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上，其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声，缺点是制造和维护困难且成本较高。

序号故障现象故障原因排除方法

1

主轴发热主轴轴承预紧力过大调整预紧力轴承研伤或损坏更换新轴承润滑油脏或有杂质清洗主轴箱，重新换油轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多涂抹润滑脂，每个轴承3mL

2

主轴在强力切削时停转电动机与主轴连接的传动带过松张紧传动带传动带表面有油用汽油清洗后擦干净传动带使用过久而失效更换新带磨擦离合器调整过松或磨损调整离合器，修磨或更换磨擦片

3

刀具不能夹紧碟形弹簧位移量太小调整碟形弹簧行程长度弹簧夹头损坏更换新弹簧夹头碟形弹簧失效更换新碟形弹簧刀柄上拉钉过长更换拉钉，并正确安装4刀具夹紧后不能松开松刀液压缸压力和行程不够调整液压力和行程开关位置碟形弹簧压合过紧调整碟形弹簧上螺母，减小弹簧压合量主传动系统的常见故障及排除方法序号故障现象故障原因排除方法

5

主轴无变速变档液压缸压力不足检测工作压力，若低于额定压力，应调整变档液压缸研损或卡死修去毛刺和研伤，清洗后重装变档电磁阀卡死检修电磁阀并清洗变档液压缸拨叉脱落修复或更换变档液压缸窜油或内泄更换密封圈变档复合开关失灵更换新开关

6

主轴箱噪声大主轴部件动平衡不良重做动平衡齿轮磨损修理或更换齿轮轴承拉毛或损坏更换轴承传动带松弛或磨损调整或更换传动带润滑不良调整润滑油量，保证主轴箱清洁度1.主轴轴承的配置形式前后支承用双列圆柱滚子轴承前支承用角接触球轴承前后支承都采用成组角接触球轴承5.2.1数控机床主轴部件在自动换刀机床的刀具自动夹紧装置中，刀杆常采用7：24的大锥度锥柄，既利于定心，也为松刀带来方便。用碟形弹簧通过拉杆及夹头拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合，夹紧力达10000N以上。松刀时，通过液压缸活塞推动拉杆来压缩碟形弹簧，使夹头涨开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，刀具即可拔出进行新旧刀具的交换；新刀装入后，液压缸活塞后移，新刀具又被碟形弹簧拉紧。在活塞推动拉杆松开刀柄的过程中，压缩空气由喷气头经过活塞中心孔和拉杆中的孔吹出，将锥孔清理干净，防止主轴锥孔中掉入切屑和灰尘，把主轴孔表面和刀杆的锥柄划伤，保证刀具的正确位置。

2．主轴内刀具的自动夹紧和切屑的清除装置3．主轴准停装置数控机床为了完成ATC(刀具自动交换)的动作过程，必须设置主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀：为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。通常主轴准停机构有2种方式，即机械式与电气式。

在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。4．主轴润滑与密封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热量带走，通常采用循环式润滑系统。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。主轴部件的常见故障及排除方法

1.主轴定位不良

2.主轴出现噪声

3.变档滑移齿轮引起主轴停转的故障

4.变档不能啮合的故障

5.主轴箱异常噪声

6.常年使用的主轴箱噪声

7.电主轴高速旋转发热的

齿轮副间隙的消除进给系统传动齿轮与齿条间隙的消除5.3进给传动系统的故障诊断及维修进给系统传动齿轮间隙的消除偏心轴套式消除间隙结构1—电机2—偏心轴套带锥度齿轮的消除间隙结构1、2—齿轮3—垫片刚性调整法斜齿轮消除间隙结构1

、2—薄齿轮

3—垫片4—厚齿轮构柔性调整法双齿轮错齿式消除间隙结1、2—薄齿轮3—弹簧

4、8—凸耳5—调节螺钉6、7—螺母压力弹簧消除间隙结构1—外圈2—内圈3—锥齿轮4—凸爪5—螺钉6—弹簧7—镶块8—圆弧槽碟形弹簧消除间隙结构1、2—斜齿轮3—碟形弹簧

4—垫圈5—螺母6—宽齿轮滚珠丝杠螺母副间隙调整及预紧

滚珠丝杠螺母副及间隙消除

滚珠丝杠螺母副预紧方法消除滚珠丝杠副间隙双螺母齿差调隙式结构双螺母垫片调隙式结构双螺母螺纹调隙式结构滚珠丝杠的预紧滚珠丝杠专用轴承向心轴承和圆锥轴承组合使用推力轴承或角接触球轴承和向心轴承组合使用为提高支承的轴向刚度滚珠丝杠的防护钢带缠卷式丝杠防护装置1—支承滚子2—张紧轮3—钢带数控机床导轨滑动导轨液体静压导轨气体静压导轨贴塑导轨液体静压导轨气体静压导轨贴塑导轨结构滚动导轨滚珠导轨滚柱导轨滚针导轨滚动导轨块导轨滚柱导轨滚珠导轨滚针导轨故障现象故障原因排除方法导轨擦伤机床经长时间使用，地基与床身水平度有变化，使导轨局部单位面积负荷过大定期进行床身导轨的水平度调整，或修复导轨精度长期加工短工件或承受过分集中的负荷，使导轨局部磨损严重注意合理分布短工件的安装位置，避免负荷过分集中导轨润滑不良调整导轨润滑油量，保证润滑油压力导轨材质不佳采用电镀加热自冷淬火对导轨进行处理，导轨上增加锌铝铜合金板，以改善摩擦情况研磨质量不符合要求提高研磨修复的质量机床维护不良，导轨里落入脏物加强机床保养，保护好导轨防护装置导轨上移动部件运动不良或不能移动导轨面擦伤用180#砂布修磨机床与导轨面上的擦伤导轨压板擦伤卸下压板，调整压板与导轨间隙

导轨镶条与导轨间隙太小，调得太紧松开镶条防松螺钉，调整镶条螺栓，使运动部件运动灵活，保证0.03mm的塞尺不得塞入，然后锁紧防松螺钉

加工面在接刀处不平导轨直线度超差调整或修刮导轨，允差0.015/500工作台镶条松动或镶条弯度太大调整镶条间隙，镶条弯度在自然状态下小于0.05mm/全长机床水平度差，使导轨发生弯曲调整机床安装水平度，保证平行度、垂直度在0.02/1000之内回转刀架换刀数控机床常见自动换刀方式更换主轴头换刀带刀库的自动换刀系统5.4刀库及自动换刀装置的故障诊断及维修自动换刀装置是加工中心的重要执行辅助机构，它的形式多种多样。

1）回转刀架换刀2）更换主轴头换刀3）带刀库的自动换刀系统1.圆盘式2.链式3.鼓式刀库及自动换刀装置常见故障

刀库不能转动刀库转不到位3.刀套不能夹紧刀具4.刀套上下不到位5.刀具夹不紧掉刀

6.刀具夹紧后松不开

7.刀具交换时掉刀8.回转刀架没有抬起动作9.刀架转位失去重复定位精度液压技术在数控机床中的应用

主传动变速系统

主轴部件

回转工作台

静压导轨

伺服机构

自动换刀装置刀套准停机构主轴箱重量的平衡

5.5数控机床的液压系统

液压系统基本回路单级调压回路

远程多级调压回路1.压力控制回路电液比例溢流阀的无级调压回路2.卸荷回路二位二通电磁换向阀的卸荷回路主换向阀中位机能的卸荷回路限压式变量泵的流量卸荷蓄能器保压的卸荷回路减压回路3.减压回路4.平衡回路单向顺序阀平衡回路液控单向阀的平衡回路遥控平衡阀平衡回路5.保压回路液控单向阀的保压回路自动补油保压回路进油节流调速回路回油节流调速回路6、调速回路容积节流调速回路限压式变量泵-调速阀调速回路差压式变量泵-节流阀调速回路压力反馈式变量泵-节流阀调速回路常见故障表现形式

（1）液压泵常见故障形式(i)

不出油、输油、量不足、压力上不去；(ii)

噪音严重压力波动厉害；(iii)

泵轴颈油封漏油。（2）液压缸常见故障形式(i)

爬行运动；(ii)

有冲击产生；(iii)

推力不足或工作速度逐渐下降甚至停止；(iv)

端高低压油腔互通，运行速度逐渐减慢直至停止。（3）阀体的故障形式(i)

压力波动；(ii)

调整无效；(iii)

漏油严重；(iv)噪音及振动。

液压系统常见故障诊断与维修

液压泵常见故障诊断与维修方法

故障现象不出油、输油量不足、压力上不去噪音严重压力波动厉害泵轴颈油封漏油故障诊断1、电动机转向不对2、吸油管或过滤器堵塞3、轴向间隙或径向间隙过大4、连接处泄漏，混入空气5、油液粘度太大或油液温升太高1、吸油管及过滤器堵塞或过滤器容量小2、吸油管密封处漏气或油液中有气泡3、泵与联轴节不同心4、油位低5、油温低或粘度高6、泵轴承损坏漏油管道液阻达大，使泵体内压力升高到超过油封许用的耐压值故障现象故障诊断爬行1、空气侵入2、液压缸端盖密封圈压得太紧或过松3、活塞杆与活塞不同心4、活塞杆全长或局部弯曲5、液压缸的安装位置偏移6、液压缸内孔直线性不良(鼓形锥度等)7、缸内腐蚀、拉毛8、双活塞杆两端螺冒拧得太紧，使其同心度不良冲击1、靠间隙密封的活塞和液压缸间隙，节流阀失去节流作用2、端头缓冲的单向阀失灵，缓冲不起作用推力不足或工作速度逐渐下降甚至停止1、液压缸