1、 数控机床是典型的机电一体化产品。与普通机床相比,数控机床的机械结构更简化,但功能和性能却提高了很多。数控机床机械故障的维修工作主要是主轴部件的维修、进给传动部件的维修和辅助装置的维修三个方面。数控机床机械故障和数控系统故障有一定的内在联系,熟悉机械部件的维护要求、故障诊断及排除方法或手段,对数控机床的维修是很有帮助的。3.1数控机床机械系统3.1.1数控机床对机械系统的要求现代数控机床为达到高精度、高效率、高自动化程度,机械系统应满足以下要求。1.高刚度数控机床有时要在高速或重载下工作,因此机床的床身、主轴、立柱、工作台和刀架等主要部件均需要具有很高的刚度,以使工作中无变形、无振动。例如:床
2、身应合理布置加强肋,以利于承受重载与重切削力;工作台与滑板具有足够的刚度,以利于承受工件重量;2.高灵敏性数控机床工作时,主轴既要在高刚度和高速下回转,又要有高灵敏度,故多采用滚动轴承或静压轴承。进给运动部件不仅精度要求比通用机床高,同样也要求有较高的灵敏度,因此工作台的移动由直流或交流伺服电动机驱动,经滚珠丝杠或静压丝杠传动。3.高抗振性数控机床的运动部件,除了应具有高刚度、高灵敏度外,还应具有高抗振性,在高速重载下应无振动,以保证加工工件的高精度和高表面质量。4.热变形小数控机床的主轴、工作台、刀架等运动部件,在运动中会产生热量。为保证部件的运动精度,要求各运动部件的发热量少,以防产生热变
3、形。5.高精度保持性为了保证数控机床长期具有稳定的加工精度,要求数控机床具有很高的精度保持性。除了各有关零件应正确选材外,还要求采取一些工艺措施,如导轨淬火和磨削、粘贴耐磨塑料等,以提高运动部件的耐磨性,从而达到较高的精度保持性能。6.高可靠性数控机床在自动方式下工作时,尤其是柔性制造系统中的数控机床,长期运转中无人看管,因此要求机床具有高的可靠性。不仅一些运动部件和电气、液压系统保证稳定工作,而且动作频繁的刀库、换刀机构、工作台交换装置等部件,也必须保证长期可靠地工作。3.1.2数控机床机械系统的结构数控机床技术发展迅速,其机械结构已从初期对通用机床局部结构的改进,逐步发展到形成独特的机械结
4、构。数控机床的机械结构主要由下列各部分组成。1)机床的基础件,又称为机床大件,通常是指床身、立柱、横梁、滑座和工作台等。2)主运动传动系统。3)进给运动传动系统。4)实现主轴回转和定向的装置。5)实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置,如液压、气动、润滑、冷却、排屑、防护等。6)刀架或自动换刀装置(ATC)。7)工作台交换装置(APC)。8)特殊功能装置,如刀具破损监控装置。现代数控机床机械结构的发展趋势是:基础件模块化、集成化、机电一体化;主运动传动系统采用电气调速甚至电主轴;进给运动传动系统采用功能部件、无齿轮传动、伺服电动机与丝杠直连等。图3-1XH715型立式加工中心的典型结构a)机床
5、整体b)刀库c)自动换刀装置d)导轨副e)电主轴f)数控面板g)工作台3.1.3数控机床机械系统故障的诊断方法数控机床运行过程中,机械零部件受到冲击、磨损、高温、腐蚀等多种应力的作用,运行状态不断变化,一旦发生故障,往往会导致不良后果。因此,必须在机床运行过程中或不拆卸全部结构的情况下,对机床的运行状态进行定量测定,判断机床的异常及故障的部位和原因,并预测机床未来的状态,从而提高机床运行的可靠性,提高机床的利用率。数控机床机械系统故障的诊断方法分为简易诊断法和精密诊断法两种。1.简易诊断法 简易诊断法也称机械检测法,是由维修人员使用一般的检查 工具并通过问、看、听、摸、嗅等方式对机床进行故障诊
6、断。简易诊断法能快速测定故障部位,监测劣化趋势,以选择对哪些疑难问题进行精密诊断。2.精密诊断法精密诊断法是根据简易诊断法选择出的疑难问题,由专职人员利用先进测试手段进行精确的定量检测与分析,根据故障位置、原因和数据,确定应采取的最合适的修理方法和时间。一般情况都采用简易诊断法诊断机床故障的初始状态,只有对那些在简易诊断中提出的疑难问题才进行精密诊断,这样两种诊断技术的使用才最经济有效。3.2数控机床机械部件故障的维修3.2.1主轴部件故障的维修数控机床主轴箱、主轴部件、主轴调速电动机是主运动系统。主轴部件在主轴箱内,由主轴、主轴轴承、工件或刀具自动松夹机构等组成,对于加工中心还有主轴定向准停
7、机构。1.主轴轴承润滑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。一般采用液压泵强力供润滑油,或在油箱中使用油温控制器控制油液温度。为满足主轴转速更高速化发展的需要,新的润滑冷却方式相继得到应用,如油气润滑和喷注润滑,这些新型润滑冷却方式不仅能减少轴承2.主轴密封主轴密封件中,被密封的介质往往会以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的另外一侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙溢出,或由于密封件内外两侧介质的压力差或浓度差,导致流体向压力或浓度低的一侧流动。图3-2所示为卧式加工中心主轴前支承的密封结构,采用的是双层小间隙密封装置。
8、主轴前端车出两组锯齿形护油槽,在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔,喷入轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住,并经过下面的泄油孔9和套筒3上的回油斜孔8流回油箱。少量油液沿主轴6流出时,在主轴护油槽离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内,经回油斜孔8重新流回油箱,达到了防止润滑油液泄漏的目的。图3-2主轴前支承的密封结构1进油口2轴承3套筒4、5法兰盘6主轴7泄漏孔8回油斜孔9泄油孔3.主轴间隙密封结构的调整要使间隙密封结构能在一定的压力和温度范围内具有良好的密封防漏性能,必须保证法兰盘4和5与主轴及轴承端面的配合间隙。1)法兰盘4与主轴6的配合间隙应控制在0.10.2mm(单边)范围内。如果间隙偏
9、大,则泄漏量将按间隙的3次方扩大;若间隙过小,由于加工及安装误差,容易与主轴局部接触,使主轴局部升温并产生噪声。2)法兰盘4内端面与轴承端面的间隙应控制在0.150.3mm范围内。小间隙可使压力油直接被挡住并沿法兰盘4内端面下部的泄油孔9经回油斜孔8流回油箱。3)法兰盘5与主轴的配合间隙应控制在0.150.25mm(单边)范围内。间隙太大,进入主轴6内的切削液及杂物会显著增多;间隙太小,则易与主轴接触。法兰盘5沟槽深度应大于10mm(单边),泄漏孔7的直径应大于?6mm,并位于主轴下端靠近沟槽内壁处。4)法兰盘4的沟槽深度大于12mm(单边),主轴上的锯齿尖而深,一般在58mm范围内,以确保具
10、有足够的甩油空间。法兰盘4处的主轴锯齿向后倾斜,法兰盘5处的主轴锯齿向前倾斜。5)法兰盘4上的沟槽与主轴6上的护油槽对齐,以保证被主轴甩至法兰盘沟槽内腔的油液能可靠地流回油箱。6)套筒前端的回油斜孔8及法兰盘4的泄油孔9的流量为进油孔的23倍,以保证压力油能顺利地流回油箱。这种主轴前端密封结构也适合于普通卧式车床的主轴前端密封。在油脂润滑状态下使用该密封结构时,取消了法兰盘泄油孔及回油斜孔,并且有关配合间隙适当放大,经正确加工及装配后同样可达到较为理想的密封效果。3.2.2主轴辅件故障的维修1.刀具自动松夹机构在数控镗铣床刀具自动松夹机构中,刀柄常采用7 24的锥柄,既利于定心,也为松刀带来方
11、便。刀具自动松夹机构用碟形弹簧通过拉杆及夹头将钢球拉入d2孔内,并拉住刀柄的尾部,使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合,夹紧力F达10000N以上。刀具自动松夹机构如图3-3所示。图3-3数控镗铣床刀具自动松夹机构2.主轴锥孔的清洁主轴锥孔的清洁十分重要。在活塞拉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,以防止主轴锥孔中掉入切屑,把主轴锥孔表面和刀杆的锥面划伤,同时保证刀具的正确位置,如图3-3所示。3.3数控机床进给传动部件故障的维修 数控机床进给传动系统的任务是实现执行机构(刀架、工作台等)的运动。3.3.1滚珠丝杠副故障的维修1.滚珠丝杠副及有关的维
12、修维护任务(1)轴向间隙的调整滚珠丝杠副的轴向间隙直接影响其反向传动精度和轴向刚度。滚珠丝杠副轴向间隙的消除常用双螺母调整法。它的调整原理是:利用两个螺母的相对轴向位移,使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧螺旋滚道的两个相反的侧面上。用上述方法消除轴向间隙时,应注意预紧力不宜过大,预紧力过大会使空载力矩增加,从而降低传动效率,缩短使用寿命。轴向间隙的调整原则是数控机床在额定满载情况下,刚好实现无间隙进给为最佳状态。双螺母丝杠的间隙的调整方法有垫片调隙法、螺纹调隙法、齿差调隙法。图3-4垫片调隙法滚珠丝杠副垫片调隙法是通过调整垫片2的厚度,使螺母1的右侧与钢球4接触,螺母6的左侧与钢球4接触,消除滚珠
13、丝杠副的轴向间隙,如图3-4所示。螺纹调隙法是通过旋转圆螺母1,使螺母5轴向移动,钢球分别与螺母7的右侧和螺母5的左侧接触,消除滚珠丝杠副的轴向间隙,如图3-5所示。图3-5螺纹调隙法滚珠丝杠副1、2圆螺母3丝杠4垫片5、7螺母6螺母内齿圈取出,根据间隙的大小,使两个螺母分别在相同方向上转过一个齿或几个齿,这样就使两个螺母彼此在轴向上接近了一个相同的距离(因为两边的齿数差是1,所以实际转过的角度是不同的),如图3-6所示。(2)支承轴承的定期检查应定期检查丝杠支承轴承与床身的连接是否有松动,以及支承轴承是否损坏等。如有以上问题,要及时紧固松动部位或更换支承轴承。(3)滚珠丝杠副的润滑为提高传动
14、效率和耐磨性,必须在滚珠丝杠副里加润滑剂,润滑剂可用润滑油和润滑脂。润滑油为清洁机油,经过壳体上的油孔注入螺母的空间内,一般在每次机床工作前加注一次。润滑脂可采用锂基润滑脂,加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内,一般每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次,更换时先清洗丝杠上的旧润滑脂,然后涂上新的润滑脂。图3-6齿差调隙法滚珠丝杠副1、4内齿圈2、5外齿轮3螺母座6丝杠(4)滚珠丝杠副的保护滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动件一样,要避免磨料微粒及化学活性物质的进入。如在滚道上落入了脏物或使用肮脏的润滑油,不仅会妨碍滚珠的正常运转,而且会使磨损急剧增加。对于制造误差和预紧变形量以微米计的滚珠丝杠传动副来
15、说,这种磨损就更加敏感,因此有效的密封防护和保持润滑油的清洁就显得十分必要。导轨副是数控机床的重要执行部件,主要有贴塑导轨、静压导轨、滚动导轨等。3.3.2导轨副的维修 3.4数控机床机械辅助装置故障的维修3.4.1刀库和自动换刀装置(ATC)故障的维修自动换刀装置(ATC)是数控机床的重要机械执行机构。大部分数控机床(加工中心)的换刀是由带刀库的自动换刀系统依靠机械手在机床主轴与刀库之间自动交换刀具的,也有少数数控机床(加工中心)是通过主轴与刀库的相对运动而直接交换刀具的;数控车床及车削中心的换刀装置大多依靠电动或液压回转刀架完成,对于小规格的零件,也有用排刀式刀架完成换刀的。2.刀架、刀库
16、和换刀机械手的故障诊断及排除方法1.刀库和换刀机械手维护的工作任务 数控机床液压传动系统的主要驱动对象有液压卡盘、静压导轨、液压拨叉变速液压缸、主轴箱的液压平衡、液压驱动机械手和主轴上的松刀液压缸等。1.液压传动系统的维护工作任务3.4.2数控机床液压传动系统的维修 2.液压传动系统的故障诊断及排除方法 3.4.3数控机床气动系统的维护数控机床一般都使用气动系统,所以厂房内应备有清洁、干燥的压缩空气供给系统网络,其流量和压力应符合使用要求,空气压缩机要安装在远离数控机床的地方。根据厂房内的布置情况、用气量大小,应给压缩空气供给系统网络安装冷冻空气干燥机、空气过滤器、气罐、安全阀等装置。数控机床
17、的气动系统主要用于主轴锥孔吹气和开关防护门,如图3-11所示。有些加工中心依靠气液转换装置实现机械手的动作和主轴松刀。图3-11加工中心气动控制原理图1气源2压缩空气调整装置3消声器4主轴5防护门气缸数控机床气动系统的维护工作任务如下。1)保证供给洁净的压缩空气。压缩空气中都含有水分、油分和粉尘等杂质。水分会使管道、阀和气缸腐蚀;油分会使橡胶、塑料和密封材料变质;粉尘会造成阀体动作失灵。应选用合适的过滤器,以清除压缩空气中的杂质。使用过滤器时应及时排除积存的液体,否则当积存液体接近挡水板时,气流仍可将积存物卷起。2)保证空气中含有适量的润滑油。大多数气动执行元件和控 制元件都要有适度的润滑。如
18、果润滑不良,将会发生以下故障。摩擦阻力增大则造成气缸推力不足,阀芯动作失灵。密封材料的磨损会造成空气泄漏。由于生锈造成元件的损伤及动作失灵。3)保证气动系统的密封性。气动系统密封性不好就会漏气,漏气不仅增加了能量的消耗,还会导致供气压力的下降,甚至造成气动元件工作失常。严重的漏气在气动系统停止运行时,由漏气引起的响声很容易发现;轻微的漏气则应利用仪表,或用涂抹肥皂水的办法进行检查。4)保证气动元件中运动零件的灵敏性。从空气压缩机排出的压缩空气,包含有粒度为0.010.08m的压缩机油微粒,在排气温度为120220的高温下,这些油粒会迅速氧化,氧化后油粒颜色变深,粘性增大,并逐步由液态固化成油泥。这种微米级以下的颗粒,一般过滤器无法滤除。5)保证气动装置具有合适的工作压力和运动速度。调节工作压力时,压力表应当工作可靠,读数准确。减压阀与节流阀调节后,必须紧固调压阀盖或锁紧螺母,防止松动。XK5040-1型数控铣床是北京第一机床厂生产的具有较高水平的数控机床。其机械传动简单稳定,液压系统设计比较合理,系统功能齐全。3.5数控机床机械系统的维修案例
