1、数控机床故障诊断与维护 主编 徐衡33295-01第八章数控机床机械结构故障的诊断与维护33295-08学 习 目 标数控机床机械结构故障诊断及维护的主要学习内容包括:机床精度的检验,机床几何精度和机床定位精度的检测,机床切削精度的检查;机床主传动经常性维护项目,主传动故障的诊断与维修;机床进给系统机械传动结构的维修,重点为滚珠丝杠螺母副、传动齿轮、导轨副的调整与维护;换刀装置、液压系统和气动系统的维护与故障诊断。33295-08第一节机床精度的检验一、机床几何精度的检验1.几何精度检测内容2.检测机床几何精度的常用工具3.检测机床几何精度的环境条件33295-08以下列出一台普通立式加工中心
2、的几何精度检测内容:1)工作台面的平面度。2)各坐标方向移动的相互垂直度。3)X、Y坐标方向移动时工作台面的平行度。4)X坐标方向移动时工作台面T形槽侧面的平行度。5)主轴的轴向窜动。6)主轴孔的径向圆跳动。7)主轴箱沿Z坐标方向移动时主轴轴线的平行度。33295-088)主轴回转轴线对工作台面的垂直度。9)主轴箱在Z坐标方向移动的直线度。从上述九项精度要求中可以看出,第一类精度是对机床各大运动部件,如床身、立柱、溜板、主轴箱等运动的直线度、平行度、垂直度要求;第二类是对执行切削运动主要部件,如主轴的自身回转精度及直线运动精度的要求。因此,这些几何精度综合反映了机床机械坐标系的几何精度,以及进
3、行切削运动的主轴部件在机械坐标系中的几何精度。工作台面及台面上T形槽相对于机械坐标系的几何精度要求,反映了数控机床加工中的工件坐标系对机械坐标系的几何关系。因为工作台面及定位基准T形槽都是工件夹具的定位基准,加工工件用的工件坐标系往往都以此为基准。33295-08二、机床定位精度的检测定位精度数值表明机床在自动加工中能达到的最好加工精度。一般情况下,定位精度主要检查内容有:1)直线运动定位精度(X、Y、Z、U、V、W轴)。2)直线运动重复定位精度。33295-083)直线运动轴机械原点的返回精度。4)直线运动失动量(反向间隙)测定。5)回转运动定位精度(A、B、C轴)。6)回转运动重复定位精度
4、。7)回转轴原点返回精度。8)回转运动失动量测定。33295-081.直线运动定位精度检测直线运动定位精度检测一般都在机床空载条件下进行。按标准规定,对数控机床检测以激光测量为准,如图8-1所示。2.直线运动重复定位精度检测3.直线坐标轴返回原点精度测试4.直线运动失动量(反向间隙)测定5.回转轴运动精度的测定33295-08图8-1直线运动定位精度检测1工作台2反光镜3分光镜4激光干涉仪5数显及记录仪33295-08三、机床切削精度的检查1.单项加工切削精度检查项目1)镗孔精度。2)面铣刀铣削平面精度(X-Y平面)。3)镗孔的孔距精度和孔径分散度。4)直角的直线铣削精度。5)斜线铣削精度。6
5、)圆弧铣削精度。7)箱体掉头镗孔同轴度(对卧式机床)。8)平转台回转90铣四方加工精度。33295-082.切削精度检查项目说明1)镗孔精度试验如图8-2a所示。2)面铣刀铣削平面精度主要反映X轴和Y轴两轴运动的平面度,以及主轴中心线对X-Y运动平面的垂直度(直接在台阶差上表现)。3)镗孔的孔距精度和孔径分散度检查是以快速定位14个孔位,精镗4个孔(图8-2c),测量4个孔位置的X坐标和Y坐标的坐标值,以实测值和指令值之差的最大值作为孔距精度测量值。33295-084)检查直线铣削精度的铣削加工如图8-2d所示,在X轴和Y轴方向分别进给,用立铣刀侧刃精铣工件四周边。5)检查斜线铣削精度的加工是
6、用立铣刀侧刃精铣如图8-2e所示工件的四周边。6)检查圆弧铣削是用立铣刀侧刃精铣如图8-2f所示的圆表面,然后在圆度仪上测量试件,就可以得到加工圆弧面的质量。33295-08图8-2各种单项切削精度检验33295-08第二节主传动机械结构的维护与维修数控机床的主传动系统将动力传递给主轴,以保证主轴具有切削所需要的转矩和速度。由于数控机床具有比传统机床更高的切削性能要求,因此要求数控机床的主轴部件具有更高的回转精度、更好的结构刚度和抗振性能。数控机床的主传动常采用大功率的变速电动机,因此主传动链较传统机床短,不需要复杂的机械变速机构。33295-08一、主传动机械结构的维护特点1.主轴部件的结构
7、数控机床主轴部件的典型结构如图8-3所示2.主轴的润滑3.主轴部件的密封、防漏主轴轴承防漏结构如图8-3所示4.自动换刀33295-08图8-4主轴轴承防漏1压盖2螺母33295-08二、机床主传动的经常性维护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)当传动链出现不正常现象时,应立即停机,排除故障。3)操作者应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,保证油量充足。4)使用带传动的主轴系统,须定期观察、调整主轴驱动带的松紧程度,防止传动带因打滑而造成的丢转现象。5)由液压系统平衡主轴箱质量的平衡系统,须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。
8、33295-086)用液压拨叉变速的主传动系统,必须在主轴停车后再变速。7)使用啮合式电磁离合器变速的主传动系统,离合器必须在主轴低于2r/min的转速下变速。8)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。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,并更换液压泵过滤器。11)每天检查主轴润滑恒温油箱,保证其油量充足,工作正常。12)防止各种杂质进入润滑油箱,保持油液清洁。33295-0813)经常检查轴端及各处密封,防止润滑油的泄漏。14)刀具夹紧装置长时间使用后,会使活塞杆和拉杆间的间隙加大,造成拉杆位移量减少,使碟形弹簧张闭伸缩
9、量不够,影响刀具的夹紧,故须及时调整液压缸活塞的位移量。15)经常检查压缩空气气压,并调整到标准值。33295-08三、主传动故障的诊断表8-1列出了数控机床主传动链故障的诊断方法。33295-08表8-1主传动链的故障诊断33295-08表8-1主传动链的故障诊断33295-08第三节进给系统机械传动结构的维修一、滚珠丝杠螺母副的调整与维护滚珠丝杠螺母副由滚珠、丝杠、回珠器、螺母等组成,如图8-5、图8-6所示。图8-5所示螺母副在结构上采用插管在螺母外实现滚珠循环,称为外循环式。图8-6所示螺母副的回珠器钢球1.滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法33295-08图8-5滚珠丝杠螺母副(滚珠
10、外循环)33295-08图8-6滚珠丝杠螺母副(滚珠内循环)33295-08基本原理是使丝杠上的两个螺母间产生轴向相对位移,以达到消除间隙和产生预紧力的目的。其结构形式有下述三种:(1)双螺母垫片调隙式双螺母垫片调隙式结构如图8-7所示。(2)双螺母螺纹调隙式双螺母螺纹调隙式结构如图8-8所示.(3)双螺母齿差调隙式图8-9所示为双螺母齿差调隙式结构。33295-08图8-7双螺母垫片调隙式结构33295-08图8-8双螺母螺纹调隙式结构33295-08图8-9双螺母齿差调隙式结构33295-084.滚珠丝杠的防护3.滚珠丝杠副的润滑5.滚珠丝杠副的故障诊断表8-2所示为滚珠丝杠副故障诊断的方
11、法。33295-08表8-2滚珠丝杠副的故障诊断33295-081.刚性消除间隙方法二、传动齿轮间隙的消除刚性消除间隙方法分为采用偏心调整和垫片调整两种。(1)偏心调整法偏心法调整齿轮间隙如图8-10所示(2)垫片调整法垫片调整法通过调整齿轮轴上的垫片厚度,改变齿轮或齿轮间的轴向位置,从而达到消除间隙的目的。图8-11所示为通过调整垫片厚度消除直齿轮啮合间隙的结构。2.弹性消除间隙方法33295-08图8-10用传动齿轮偏心套调整间隙1小齿轮2偏心套3大齿轮 33295-08图8-14周向弹簧调整结构1、2薄斜齿轮3、9柱销4弹簧5、6调整螺母7调整螺栓8凸耳33295-08三、导轨副的调整与
12、维护滚动导轨副的功能是支承和引导滑板或工作台完成直线运动并承受切削负荷。数控机床要求滑板或工作台在导轨上实现无间隙往复运动。滚动导轨副的结构形式很多,如图8-15所示。其共同特点是利用滚动体(钢球或钢柱)使导轨副间接触为滚动摩擦(摩擦因数一般在0.003左右),以减少摩擦阻力。图8-15a中滚动体为钢球,图8-15b中滚动体为钢柱。33295-08图8-15滚动导轨副a)滚动体为钢球b)滚动体为钢柱33295-08目前数控机床上使用最多的滚动导轨副是双V形(或称矩形)直线滚动导轨副,如图8-16所示。图8-16双V形直线滚动导轨副结构33295-081.间隙调整导轨副维护很重要的一项工作是保证
13、导轨面之间具有合理的间隙。间隙过小,则摩擦阻力大,导轨磨损加剧;间隙过大,则运动失去准确性和平稳性,失去导向精度。间隙调整的方法有如下几种:(1)压板调整间隙矩形导轨上常用的压板装置形式为:修复刮研式、镶条式、垫片式,如图8-17所示。33295-08(2)镶条调整间隙常用的镶条有两种,即等厚度镶条和斜镶条。等厚度镶条如图8-18a所示,它是一种全长厚度相等、横截面为平行四边形(用于燕尾形导轨)或矩形的平镶条,通过侧面的螺钉调节和螺母锁紧,以其横向位移来调整间隙。由于压紧力作用点因素的影响,在螺钉的着力点有挠曲。斜镶条如图8-18b所示,它由一种全长厚度变化的镶条及三种用于斜镶条的调节螺钉组成
14、,以斜镶条的纵向位移来调整间隙。斜镶条在全长上支承,其斜度为1 40或1 100。由于楔形的增压作用会产生过大的横向压力,因此调整时应细心。(3)压板镶条调整间隙压板镶条如图8-19所示33295-08图8-17压板调整间隙a)修复刮研式b)镶条式c)垫片式33295-08图8-18镶条调整间隙a)等厚度镶条b)斜镶条 33295-08图8-19压板镶条调整间隙33295-08图8-20列举了四种滚动导轨的结构。常见的预紧方法有两种:(1)采用过盈配合。2.滚动导轨的预紧(2)调整法。33295-08图8-20滚动导轨的预紧a)滚柱或滚针导轨自由支承b)滚柱或滚针导轨预加载c)交叉式滚柱导轨d
15、)循环式滚动导轨块33295-083.导轨的润滑对导轨面进行润滑后,可降低摩擦因数,减少磨损,并且可防止导轨面锈蚀。导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂,前者用于滑动导轨,而滚动导轨则两种都用。(1)润滑方法(2)对润滑油的要求4.导轨的防护5.导轨的故障诊断导轨故障的诊断方法见表8-3。33295-08表8-3导轨故障的诊断方法33295-08第四节换刀装置的维护与故障诊断一、换刀装置概述具有自动换刀装置的数控机床,一次装夹工件下能采用多把刀具进行加工,从而避免因工件多次装夹带来的误差,并可减少因多次装夹造成的辅助停机时间,提高了生产率和机床利用率。自动换刀的方式大致有以下三种:1.回转刀架换刀
16、这种换刀方式将多把刀具安装在回转刀架上,因此回转刀架本身就是刀库,如图8-21所示。2.多主轴回转刀架换刀33295-083.刀库换刀这种换刀方式的主要特征是带有独立的刀库,是目前加工中心大量使用的换刀方式,如图8-22所示。4.换刀装置故障诊断要点33295-08图8-21回转刀架 33295-08 图8-22刀库33295-08二、刀库与换刀机械手的维护要点1)严禁把超重、超长的刀具装入刀库,以防止在机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞。2)采用顺序选刀方式时,必须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。3)用手动方式往刀库上装刀时,要确保装到位、装牢靠,应检查刀座上的锁紧是否可靠。4
17、)经常检查刀库的回零位置是否正确,检查机床主轴回换刀点位置是否到位,并及时调整,否则将不能完成换刀动作。5)要注意保持刀具刀柄和刀套的清洁。33295-086)开机时,应先使刀库和机械手空运行,检查各部分工作是否正常,特别要检查各行程开关和电磁阀能否正常动作。三、刀库与换刀机械手故障的诊断刀库与换刀机械手故障的诊断见表8-4。四、换刀装置故障诊断实例33295-08表8-4刀库与换刀机械手故障的诊断33295-08第五节其他辅助装置故障一、液压系统1.液压系统的组成一个完整的液压系统由以下几部分组成:1)能源部分。2)执行机构部分包括液压缸、液动机等,它们用来带动运动部件,将液体压力能转变成使
18、工作部件运动的机械能。3)控制部分。4)辅件部分。33295-08图8-23液压系统原理图1油箱2过滤器3液压泵4溢流阀5压力计6三位四通电磁阀7、9单向节流阀8液压缸10单向阀11电动机33295-082.液压系统的维护要点(1)控制油液污染(2)控制液压系统中油液的温升(3)控制液压系统泄漏泄漏和吸空是液压系统常见的故障。(4)防止液压系统出现振动与噪声。(5)严格执行日常点检制度(6)严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制度。33295-083.液压系统的点检1)各液压阀、液压缸及管子接头是否有外漏。2)液压泵或液压马达运转时是否有异常噪声等现象。3)液压缸移动时工作是否正常、平稳。4)液
19、压系统各测压点的压力是否在规定的范围内,压力是否稳定。5)油液的温度是否在允许的范围内。6)液压系统工作时有无高频振动。7)由电气或撞块(凸轮)控制的换向阀工作是否灵敏可靠。33295-088)油箱内油量是否在油标刻线范围内。9)行程开关或限位挡块的位置是否有变动。10)液压系统手动或自动工作循环时是否有异常现象。11)定期对油箱内的油液进行取样化验,检查油液质量,定期过滤或更换油液。12)定期检查蓄能器的工作性能。13)定期检查冷却器和加热器的工作性能。14)定期检查和紧固重要部位的螺钉、螺母、接头和法兰螺钉。33295-0815)定期检查和更换密封件。16)定期检查、清洗或更换液压件。17
20、)定期检查、清洗或更换滤芯。18)定期检查和清洗油箱和管道。4.液压元件的常见故障及其诊断和排除方法(1)液压泵故障33295-08液压泵运转不正常或有咬死现象。1)噪声严重及压力波动的可能原因及排除方法如下:泵的过滤器被污物阻塞不能起过滤作用。用干净的清洗油将过滤器中的污物除去。油位不足,吸油位置太高,吸油管露出油面。加油到油标位,降低吸油位置。泵体与泵盖的两侧没有加纸垫而产生硬物冲撞;泵体与泵盖不垂直密封,旋转时吸入空气。在泵体与泵盖间加入纸垫;用金刚砂在平板上研磨泵体,使泵体与泵盖平面度误差不超过0.005mm;紧固泵体与泵盖的连接,33295-08不得有泄漏现象。泵的主动轴与电动机联轴
21、器不同心,有扭曲摩擦。调整泵与电动机联轴器的同心度,使其误差不超过0.2mm。泵的齿轮啮合精度不够。对研齿轮,达到齿轮啮合精度要求。泵轴的油封骨架脱落,导致泵体不密封。更换合格的泵轴油封。2)输油量不足的可能原因如下:轴向间隙与径向间隙过大。由于齿轮泵齿轮的两侧端面在旋转过程中与轴承座圈产生相对运动会造成磨损,当轴向间隙和径向间隙过大时必须更换零件。33295-08泵体裂纹与气孔泄漏现象。当泵体出现裂纹时,需要更换泵体,在泵体与泵盖间加入纸垫,紧固各连接处的螺钉。油液粘度太高或油温过高。使用L-AN32全损耗系统用油时应选用合适的温度,一般为1050。如果三班工作,应装冷却装置。电动机反转。纠
22、正电动机旋转方向。过滤器有污物,管道不畅通。清除污物,更换油液,保持油液清洁。压力阀失灵。修理或更换压力阀。3)液压泵运转不正常或有咬死现象的可能原因及排除方法如下:33295-08泵的轴向间隙及径向间隙过小。如果轴向、径向间隙过小,则应更换零件,或者调整轴向、径向间隙。滚针转动不灵活。更换滚针轴承。盖板与轴的同心度不好。更换盖板,使其与轴同心。压力阀失灵。检查压力阀弹簧是否失灵,阀体小孔是否被污物堵塞,滑阀和阀体是否失灵。更换弹簧,清除阀体小孔中的污物或换滑阀。泵与电动机间联轴器的同心度不够。调整泵轴与电动机联轴器的同心度,使其误差不超过0.20mm。泵中有杂质。在装配时,可能有铁屑遗留或油
23、液中吸入杂质,用细铜丝33295-08网过滤全损耗系统用油去除污物。(2)整体多路换向阀常见故障。1)工作压力不足。溢流阀调定压力偏低。调整溢流阀压力。溢流阀的滑阀卡死。拆开清洗并重新组装。调压弹簧损坏。更换新的调压弹簧。系统管路压力损失太大。更换管路或在许用压力范围内调整溢流阀的压力。33295-082)工作流量不足。系统供油不足。检查油源。阀内泄漏量大。如油温过高,粘度下降,应采取降低油温的措施;如油液选择不当,应更换油液;如滑阀与阀体配合间隙过大,应更换新产品。3)复位失灵。4)外渗漏。Y形密封圈损坏。更换产品。油口安装法兰面密封不良。检查相应部位的紧固和密封。33295-08各结合面紧
24、固螺钉、调压螺钉背帽松动或堵塞。紧固相应部件。(3)电磁换向阀常见故障1)滑阀动作不灵活。滑阀被拉坏。拆开清洗,或者修整滑阀与阀孔的毛刺及拉坏的表面。阀体变形。调整安装螺钉的压紧力,安装扭矩不得大于规定值。复位弹簧折断。更换弹簧。2)电磁铁线圈烧损。线圈绝缘不良。更换电磁铁。33295-08电压太低。使用电压应为额定电压的90%以上。工作压力和流量超过规定值。调整工作压力,或者使用性能更高的阀。回油压力过高。检查背压,应在规定值16MPa以下。(4)液压缸故障1)外部漏油。活塞杆碰伤拉毛。用极细的砂纸或油石进行修磨,不能修磨的,应更换新件。33295-08防尘密封圈被挤出和反唇。拆开检查,重新
25、更换。活塞和活塞杆上的密封件磨损。更换新密封件。液压缸安装定心不良,使活塞杆伸出困难。拆下来检查安装位置是否符合要求。2)活塞杆爬行和蠕动。液压缸内进入空气或油中有气泡。松开接头,将空气排出。液压缸的安装位置偏移。在安装时必须进行检查,使之与主机运动方向平行。33295-08活塞杆全长或局部弯曲。活塞杆全长校正,直线度允差应小于0.3mm/100mm,或更换活塞杆。缸内锈蚀或拉伤。去除锈蚀和毛刺,严重时更换缸筒。5.液压系统故障维修实例例8-3故障现象:JCS-018A立式加工中心的机械手失灵,手臂转动速度快慢不均,气液转换器失油频率加快,机械手旋转不到位,手臂升降不动作,或手臂复位不灵。调整
26、SC-15节流阀配合手动调整,只能维持短时间正常运行,且排气声音逐渐浑浊,不像正常动作时清晰,最后严重到不能换刀。33295-08故障分析:1)将手臂旋转75,手臂两端分别抓主轴和刀套上的刀具,必须到位抓牢才能下降脱刀。2)因刀套上下和手臂上下由独立的气源推动,排气也是独立的消声排气口,所以不受手臂旋转力传递的影响,但在旋转不到位时,手臂是不可能升降的。3)观察75、180时的手臂旋转,或不旋转时液压缸伸缩对应气液转换各油标的升降、高低情况,发觉左右配对的气液转换器,其左边呈上限右边就呈下极限,反之亦然,且公用的排气口有大量油液排出。33295-08二、气动系统1.气动系统的原理图8-24所示
27、为常用的气动系统原理图。2.气动系统的维护要点(1)保证供给洁净的压缩空气(2)保证空气中含有适量的润滑油(3)保持气动系统的密封性(4)保证气动元件中运动零件的灵敏性(5)保证气动装置具有合适的工作压力和运动速度33295-08图8-24气动系统原理图33295-08要求有适度的润滑。如果润滑不良将会发生以下故障:1)由于摩擦阻力增大而造成气缸推力不足,阀芯动作失灵。2)由于密封材料的磨损而造成空气泄漏。3)由于锈蚀造成元件的损伤及动作的失灵。33295-083.气动系统的点检与定检(1)管路系统的点检(2)气动元件的定检气动元件的定检见表8-5。33295-08表8-5气动元件的定检332
28、95-08实训十三外围机床故障模拟与诊断一、实训目的1)了解数控机床报警的产生流程。2)了解数控机床最基本的外围报警构成。二、实训设备1)RS-SY-0i C/0i mate C数控机床综合实训系统。2)万用表。33295-08三、实训相关知识1.机床侧报警2.报警号3.拨码开关表33295-08四、实训内容1.观察故障对机床运行的影响利用RS-SY-0i C/0i mate C数控机床综合实训系统I/O单元上的拨码开关,断开或接通相应的I/O信号,模拟出机床外围故障报警,并观察各故障对机床运行的影响。2.排除故障预先设置一些故障,然后安排学生去排除。33295-08五、实训步骤1.在MDI方
29、式下通过运行程序使刀架旋转2.观察刀架转位故障3.超程及超程复位4.返回参考点5.急停与复位33295-08实训十四刀架控制原理及调试一、实训目的1)了解刀架的电气控制原理。2)了解刀架的PLC及相关参数。二、实训设备RS-SY-0i C/0i mate C数控机床综合实训系统。33295-08三、实训相关知识1.电动刀架的工作原理两相四工位电动刀架的电气控制原理如图8-25所示。2.电动刀架的设定刀架检测信号如图8-26所示。33295-08图8-25两相四工位电动刀架的电气控制原理33295-08图8-26刀架检测信号33295-08刀架的选刀与锁紧信号如图8-27所示。图8-27刀架的选刀与锁紧信号33295-08四、实训内容1)利用综合实训系统I/O单元上的拨码开关,断开或接通相应的刀架刀位检测信号,模拟出刀架刀位检测故障报警,并观察各故障对机床运行的影响。2)老师可以预先设置一些故障,然后安排学生去排除。33295-08此时的刀架运行情况。3)调整PLC 14号和15号定时器参数,观察刀架的运行变化。五、实训步骤1)刀位故障。2)利用设备上的拨码开关,断掉相应的刀位信号,进行手动换刀操作,观察
