数控机床典型结构及其故障诊断《数控机床故障诊断》课件

2数控机床典型结构及其故障诊断

《1》数控机床基础件指床身、底座、立柱、横粱、滑座、工作台等。是整台机床的基础和框架，机床的其他零、部件固定在基础件上，或工作时在其导轨上运动。

《2》数控机床的机械结构①主传动系统；②进给传动系统；当前1页，总共76页。③实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置。液压、气动，润滑、冷却等系统，排屑、防护装置，刀架和自动换刀装置，自动托盘交换装置；

④特殊功能装置刀具破损监控、精度检测和监控装置。当前2页，总共76页。主轴的作用提供切削功率、在高档数控机床中还具有C轴功能及定向功能

当前3页，总共76页。进给部件：其作用是在伺服电机的驱动下完成直线运动的定位、进给。下图是滚珠丝杠、联轴节的实物照片。

当前4页，总共76页。位置检测装置：

完成位置信号的反馈，反馈精度决定了机床的加工精度。以下是：直线光栅尺、圆光栅等位置检测元件

当前5页，总共76页。《3》加工中心除上述组成部分外，至少还应有自动换刀装置，有的还有双工位工件自动交换装置。《4》柔性制造单元带有工位数较多的工件自动交换装置，带有上下料自动工业机器人。当前6页，总共76页。第四周08机电第六周08机械、机械师当前7页，总共76页。自动换刀装置：数控车床的转塔刀架、加工中心的刀库及换刀机构，能够使工件一次装夹后不用再拆卸工件就可完成多工序的加工。

当前8页，总共76页。2．1数控机床主传动将主电机的原动力变成可加工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，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割用量。同时主传动系统还需要有较高精度和刚度，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。当前9页，总共76页。TIANJIN中德培训中心刀库主轴X轴Y轴Z轴操作显示单元机械手当前10页，总共76页。床身导轨该图是一个加工中心的光机由X、Y、Z及主轴头组成。导轨的作用：支承和引导运动部件沿一定轨道运动。当前11页，总共76页。数控车床当前12页，总共76页。数控磨床当前13页，总共76页。电加工当前14页，总共76页。数控冲床当前15页，总共76页。2．1．1主传动变换方式

数控机床的主传动必须满足以下要求：1>为了适应材料切削加工的要求以及不同的加工方法，主轴的传动系统要有较宽的调速范围以及相应的输出力矩。

2>主轴部件将直接装夹刀具对工件进行切削。主轴对零件的加工质量、表面粗糙度和刀具使用寿命均有很大的影响，要求它能高效地加工高精度、表面质量较好的工件。当前16页，总共76页。3>主轴传动系统要求有良好的运动参数及动力学参数，才能体现高精度、高速度、高刚度、小振动、小的热变形及低噪声。

4>对于数控加工中心，要求ATC刀具交换机构从主轴取刀、装刀具时可靠地锁紧与松开，同时要求数控机床主轴转角位置准确。当前17页，总共76页。数控机床主传动系统种类主要有无级变速，分段无级变速和内置电机变速三种方式。(1)无级变速主传动采取无级变速，不仅能在一定的变速范围内选择到合理的切削速度，而且还能够在运动中自动变速.

无级变速有机械、液压、电气等多种形式。

当前18页，总共76页。数控机床一般都采用直流或交流主轴伺服电机作为驱动的电气无级变速。其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电机的输出特性一致，因而使用上受到一定限制。当前19页，总共76页。例如，某公司生产的直流主轴伺服电机功率可以从3.7kW--15kW，用于控制数控机床的主传动。它具有如下特点：①采用全封闭式结构，能防止沙尘与切削油液等的溅人；②电机转子轴为空心机构，内装冷却系统，能将电机内部的热量有效地减少到最小，由于采用了特殊的辅助电机，可使损耗减少，效率提高；③过载能力强，可以在30min内过载36％运转；当前20页，总共76页。

④有较宽的调速范围，低速时采用调压调速，可获得恒转矩输出，高速时采用调磁调速，可获得恒功率输出；

⑤采用晶闸管三相全波整流驱动电路，加速和减速响应灵敏，运动平稳，能保证工件加工表面的粗糙度的要求；

⑥主轴定向准停。当前21页，总共76页。(2)分段无级变速数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，一般要求在低速段为恒转矩传动。

为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。当前22页，总共76页。在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反启动，停止与制动是直接控制电机来实现。主轴的变速是由电机转速的无级变速与齿轮的有级变速相配合来实现。

齿轮有级变速机构通常采用两种变速方式：《1》液压拨叉变速；《2》电磁离合器变速。

当前23页，总共76页。《1》液压拨叉变速需要配置液压系统，简单、有效。《2》电磁离合器变速优点：便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用。能简化变速机构，通过安装在传动轴上离合器的吸台和分离的不同组合来改变齿轮的传动路线，实现主轴的变速。缺点：采用电磁离合器变速具有剩磁和发热等缺点，因此它的应用范围也受到一定限。当前24页，总共76页。液压拨叉变速机构

带有齿轮传动的主传动系统中，齿轮的换挡主要靠液压拨叉来完成。

图3-3三位液压拨叉工作原理图1、5－液压缸；2－活塞杆；3－拨叉；4－套筒。当前25页，总共76页。电磁离合器变速（主轴）电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件，由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选用，因而它已成为自动装置中常用的操纵元件。

图3-4THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统六个电磁离合器当前26页，总共76页。当前27页，总共76页。采用带传动的分段无级变速系统：

在一些小型数控机床上也可以传动带有平带、V带和齿形带以及多锲带等。优点：结构简单，安装调试方便，缺点：调调速范围受到电机约束。当前28页，总共76页。传动带同步带梯形齿同步带圆弧齿同步带当前29页，总共76页。(3)内置电机主轴变速-----电主轴将调速电机与主轴合成一体，转速达20000r／min。优点：结构紧凑、重量轻、适合快速启动和停止，并改善了主轴启动，停止响应特性，便于控制，大大简化了主轴箱体与主轴的结构，

当前30页，总共76页。缺点：主轴温度控制困难。其热变形严重影响机床的加工精度。

电机运转产生的热量直接影响主轴，故冷却装置和温控系统是最重要装置，其制造、维修困难，成本也较高。当前31页，总共76页。2．1.2主轴组件数控机床的主轴组件：主轴轴承、刀具自动装卸装置、吹屑装置、主轴准停和主轴的拉刀结构等。(1)主轴轴承结构数控机床的主轴轴承，大多采用滚动轴承：

向心球轴承、角接触球轴承，圆锥滚子轴承、推力轴承、圆柱滚子轴承等。当前32页，总共76页。当前33页，总共76页。调心球轴承：特点：具有两列球滚子，主要承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别适用于重载或振动载荷下工作。但不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良好，能补偿同轴度误差。当前34页，总共76页。调心滚子轴承特点：具有两列滚子，主要承受径向载荷，同时也能承受任一方向的轴向载荷。有高的径向载荷能力，特别适用于重载或振动载荷下工作。不能承受纯轴向载荷。该类轴承外圈滚道是球面形，故其调心性能良好，能补偿同轴度误差。当前35页，总共76页。推力调心滚子轴承与调心滚子轴承同样，具有自动调心功能，对同轴度和轴的挠曲不甚敏感。这类轴承轴向载荷能力非常大。用作单向轴向定位。相对滑动小，但极限转速较低。当前36页，总共76页。圆锥滚子轴承可以承受大的径向载荷和轴向载荷。由于圆锥滚子轴承只能传递单向轴向载荷，因此，为传递相反方向的轴向载荷就需要另一个与之对称安装的圆锥滚子轴承。当前37页，总共76页。推力球轴承采用带有球滚动的滚道沟的垫圈状套圈构成。可承受轴向载荷，但不能承受径向载荷。极限转速低。不适于高速运转。当前38页，总共76页。可以承受大的径向载荷和轴向载荷

圆锥滚子轴承承受的转速比较高。当前39页，总共76页。深沟球轴承主要承受径向载荷，也可同时承受径向载荷和轴向载荷。当其仅承受径向载荷时，接触角为零。摩擦系数很小，极限转速也很高，适用于高转速甚至极高转速的运行，而且非常耐用，无需经常维护。当前40页，总共76页。

特点:同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。

单列角接触球轴承只能承受一个方向的轴向负荷，在承受径向负荷时，将引起附加轴向力。并且只能限制轴或外壳在一个方向的轴向位移。因此，一般都常采用成对安装。

单列角接触球轴承当前41页，总共76页。圆柱滚子与滚道为线接触轴承。负荷能力大，主要承受径向负荷。滚动体与套圈挡边摩擦小，适于较高速旋转。当前42页，总共76页。滚针轴承

径向结构紧凑，其内径尺寸和载荷能力与其他类型轴承相同时，外径最小，特别适用于径向安装尺寸受限制的支承结果。极限转速低。当前43页，总共76页。选用轴承时主要考虑：轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和轴承的温升等因素。有以下几种方式：A、采用2～3个角接触球轴承组合B、采用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组合。这时轴承经过预紧后，可得到较高的刚度。C、要求有很大的刚性时，采用圆柱滚子轴承和双向推力球轴承的组合，但此时主轴的极限转速受到了限制。

当前44页，总共76页。常用主轴轴承的典型结构有以下三种;1．前后支撑用双列圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双向接触球轴承来承受轴向负荷。这种结构刚性较好，能进行强力切削，适应于中等转速的机床。当前45页，总共76页。2.前后支撑全部采用成组角接触球轴承，承受轴向和径向负荷。这种结构适应高转速，中等切削负荷的数控机床。当前46页，总共76页。

前支撑用角接触球轴承，背靠背安装，用以承受轴向和径向负荷；后支撑用圆柱滚子轴承。适应较高转速、较大切削负荷，主轴精度较高，但所承受轴向负荷较前一种结构小。目前高速主轴多数采用陶瓷滚动轴承，在脂润滑情况下dn值可达120X104（d为轴承平均直径；n为轴承每分钟转数）。当前47页，总共76页。(2)主轴内刀具自动装卸及吹屑装置刀柄采用7：24锥度与主轴的左端面锥孔连接；7：24锥度的锥柄既有利于定心，也便于刀柄松开和推出。主轴端面有一健，既可通过它传递刀具的转矩，又可用于刀具的周向定位．在自动交换刀具时要求能自动松开和夹紧刀具。当前48页，总共76页。当前49页，总共76页。当前50页，总共76页。当前51页，总共76页。切屑的排除为了保持主轴孔的清洁，常用压缩空气吹掉切屑。图2—5所示的活塞14的心部钻有压缩空气通道。当活塞向下移动时，压缩空气流过活塞由拉杆孔喷出来，将主轴锥孔清理干净。当前52页，总共76页。活塞14对碟形弹簧的压力如果作用在主轴上，并传至主轴的支承，使它承受附加的载荷，这样不利于主轴支承的工作。要使对碟形弹簧的压力转化为内力，不致传递到主轴的支承上去。当前53页，总共76页。主轴的拉刀机构刀具自动夹紧机构----主轴系统应具备自动松开和夹紧刀具功能.

当前54页，总共76页。主轴内部刀具自动夹紧机构换刀柄过程：《1》气缸6带压杆8压下拉杆4，碟形弹簧5被压，抓刀爪2移出内套3，刀柄换出。《2》换上另一把刀柄，气缸6带压杆8上移。碟形弹簧5恢复，带动拉杆4，使抓刀爪2移进内套3，抓紧刀柄。当前55页，总共76页。图3-23拉紧结构当前56页，总共76页。卸荷装置1-螺母；2-箱体；3-连接座；4-弹簧；5-液压缸体；6-液压缸；7-活塞杆；8-拉杆；9-套环；10-垫圈。1）7活塞杆向下压量，8拉杆下压中间叠形弹簧，使刀柄夹头松开。因此，会从内部给主轴一个向下的力，这个力要加在轴承上。为了减小此力，用了此卸荷装置。(3)卸荷装置当前57页，总共76页。卸荷机构：油缸体6与连接座3固定在一起，但是连接座3由螺钉5通过弹簧4压紧在箱体2的端面上，连接座3与箱孔为滑动配合。当油缸的上端通人高压油使活塞7向下推压拉杆8并压缩碟形弹簧的同时，油缸的上端面也同时承受相同的液压力，故此，整个油缸连同连接座3压嫡弹簧4而向上移动，使连接座3上的垫片lo的上端面与主轴上的螺母1的左端面压紧，因此，松开刀柄时对碟形弹簧的液压力就成了在活塞?、油缸体6、连接座3。垫片10、螺母1、碟形弹簧、套环9、拉杆8之间的内力，因而使主轴支承不致承受液压推力。当前58页，总共76页。(3)主轴准停装置数控机床为了完成ATC(自动刀具交换)的运作过程，必须设置主轴准停机构。在每一次自动换刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键才能顺利换刀。准停---主轴具有准确定位的功能称。当前59页，总共76页。主轴准停装置有机械方式和电气定位方式两种．①机械方式采用机械凸轮机构或光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销杆插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才能开始旋转，这种方式定位比较可靠准确，但结构复杂、维修困难。当前60页，总共76页。②电气定位方式电气式主轴准停的特点：不需要机械部件，定向时间短，可靠性高，只需要简单的强电顺序控制，精度和刚度高。

三种电器准停方式：1．磁传感器主轴准停当前61页，总共76页。2．编码器型主轴准停

准停角度可由外部开关量任意设定。当前62页，总共76页。3、数控系统控制准停在闭环系统中，以电动机轴端编码器信号作为反馈信号，注意主轴上安装元件的平衡问题。

由数控系统设定主轴准停角度当前63页，总共76页。2．1．3主传动链的常见故障诊断

主传动系统的常见故障诊断及排除方法当前64页，总共76页。当前65页，总共76页。当前66页，总共76页。2．1．4主传动链的维护为了减少主传动链故障的发生，应对其进行维护：

1．熟悉数控机床主传动链的结构、性能参数，严禁超性能使用；2.主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障，3.注意观察主轴箱温度，检查主轴润滑恒温油箱，调节温度范围，使油量充足；

4.使用带传动的主轴系统，需定期观察调整主轴驱动皮带的松紧程度，防止因皮带打滑造成的丢转现象;

当前67页，总共76页。5．由液压系统平衡主轴箱重量的平衡系统，需定期观察液压系统的压力表，当油压低于要求值时，要进行补油；6．使用液压拨叉变速的主传动系统，必须在主轴停车后变速；7.使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统，必须在低于1～2r／min的转速下变速；8.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。当前68页，总共76页。9．每年对主轴润滑恒温油箱中的润滑油更换一次，并清洗过滤器，10．每年清理润滑油池底一次，并更换液压泵滤油器；11.每天检查主轴润滑恒