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1、数控机床故障诊断与维修基础,1 数控机床入门知识 2 数控机床的故障 3 数控机床的可靠性 4 数控机床的修理,1 数控机床入门知识,1 数控机床的概念是一种典型的机电一体化产品，能实现机械加工的高速度、高精度和高度自动化，代表了机床发展的方向。国际信息处理联盟（IFIP）第五技术委员会对数控机床的定义是：数控机床是一个装有程序控制系统的机床。该系统能够逻辑地处理具有使用号码，或其它符号编码指令规定的程序。这里所说的程序控制系统，通常称作数控系统。,下一页,返回,2 数控机床的组成数控机床的组成框图如图1所示。数控机床主要由三大部分组成，除了机床本体外，还包括数控机床特有的两部分：即对数控机床
2、进行指挥、控制的数控装置和驱动机床执行机构实施运动的伺服系统。,返回,1 数控机床入门知识,上一页,下一页,3 数控机床的工作原理数控机床的工作过程数控机床的工作过程如图2所示。2. 控机床的工作原理数控机床在加工零件时，根据所输入的数控程序，由数控装置控制机床执行机构的各种动作，使刀具与工件及其它辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路径和参数进行工作，从而加工出满足给定技术要求的零件。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,4 数控机床的种类 按机床的工艺用途分类 （1）普通数控机床普通数控机床是与传统的普通机床工艺可行性相似的各种数控机床的统称。又可以分为数控车床、数控铣床、数控刨
3、床、数控磨床、数控钻床及数控电加工机床等。如图3是数控车床，图4是数控铣床。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,（）加工中心数控加工中心机床简称加工中心（即MC），是带有刀库和自动换刀装置，并具有多种工艺手段的数控机床。除常见的卧式、立式、单柱、双柱（龙门式）加工中心外，还有单工作台、多工作台及复合（五面）加工中心等。图5是卧式加工中心，图6是立式加工中心。加工中心设置有刀库和相应的换刀机构图6所示加工中心的刀库容量为16把。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,（）多坐标轴数控机床有些复杂的工件，例如螺旋浆、飞机发动机叶片曲面等用三坐标轴数控机床无法加工，于是出现了多坐标轴
4、的数控机床，其特点是控制轴数较多，机床结构比较复杂。坐标轴的轴数取决于加工工件的工艺要求。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,(4) 特种数控机床特种数控机床是通过特殊的数控装置并自动进行特种加工的机床，其特种加工的含义主要是指加工手段特殊，零件的加工部位特殊，加工的工艺性能要求特殊等。常见的特种数控机床有：数控线切割机床、数控激光加工（切割、打孔、焊接等）机床，数控火焰切割机床及数控弯管机床等。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,2. 按照机械加工的运动轨迹分类（1）点位控制机床点位控制就是保证单点在空间的位置，而不保证点到点之间的路径轨迹和精度的控制。如图7所示，起点到
5、终点的运动轨迹可以是1轨迹或2轨迹中的任一种。这种控制主要用于数控冲床、数控钻床、数控点焊设备中；还可以用在数控坐标镗铣床上。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,(2)直线控制机床直线控制就是不仅要保证点的位置精度，而且要保证点与点之间的走直线精度，如图8所示。在数控镗铣床上使用这种控制方法，可以在一次装夹箱式零件中对其平面和台阶完成铣削，然后再进行钻孔、镗孔加工。这样可以大大提高生产率。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,(3) 轮廓控制机床轮廓控制是对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，如图9所示。它不仅能保证各点的位置精度，而且还要控制加工过程中各点的位移速度，也就是
6、刀具移动的轨迹。要保证尺寸精度，还要保证形状精度。在运动过程中，同时要向两个坐标轴分配脉冲，使它们走出所要求的形状来，这叫插补运算。它是一种软仿形，而不是靠模仿形。所以大大缩短了生产准备时间，更重要的是这种软仿形的精度要比硬仿形的高很多倍。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,3. 按伺服系统的控制原理分类(1) 开环控制系统开环控制就是无位置反馈的一种控制方法，它采用的控制对象、执行机构多半是步进式电动机或液压转矩放大器(电液脉冲马达)，图10就是采用步进电机作为控制对象的。在实际工业生产中，这种结构逐渐被闭环系统所取代。开环控制系统结构简单、控制方法简便，所以价格也很便宜。对于加工
7、精度要求不高，且功率需求不是很大的地方，还是可以使用的。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,(2)闭环控制系统图11是闭环控制数控机床的结构简图.闭环控制系统就是对机床移动部件的位置直接用直线位置检测装置进行检测，再把实际测量出的位置反馈到数控装置中去，与输入指令比较是否有差值，然后用这个差值去控制，使运动部件按实际需要值去运动，从而实现准确定位。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,5 数控机床的坐标系数控机床的坐标轴1) 坐标轴和运动方向命名的原则（参见JB/T 3051999）（1）标准的坐标是一个右手直角笛卡尔坐标系，见图12。（2）假定刀具相对静止的工件而运动。当工
8、件运动时，即在坐标 轴符号上加“”表示。（3）刀具远离工件的运动方向为坐标的正方向。（4）机床旋转坐标系的正方向是按照右旋螺纹进入工件的方向。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,2）坐标轴的规定（1）Z坐标轴 在机床坐标系中，规定传递切削动力的主轴轴线为Z坐轴。 对于没有主轴的机床（如数控龙门刨床），则规定Z坐标轴 垂直于工件装夹面方向。 如机床上有多个主轴，则选一垂直于工件装夹面的主轴作为主要的主轴。 当主轴始终平行于标准坐标系的一个坐标，则该坐标即为Z坐标，例如卧式铣床的水平主轴。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,（2）X坐标轴 X坐标是水平的，它平行于工件的装夹面。
9、 对工件旋转的机床，X坐标的方向在工件的径向上，并且平 行于横滑座。 对刀具旋转的机床，如Z坐标是水平(卧式)的，当从主要刀具的主轴向工件看时，+X坐标方向指向右方；如Z坐标是垂直(立式)的，对单立柱机床，当从主要刀具的主轴向立柱看时，+X坐标方向指向右方。 对刀具或工件均不旋转的机床(如刨床)，X坐标平行于主要切削方向，并以该方向为正方向。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,（3）Y坐标轴。Y坐标轴根据Z和X坐标轴，按照右手直角笛卡尔坐标系确定。（4）旋转坐标A、B、C。A、B、C分别表示其轴线为平行于X、Y、Z坐标轴的旋转坐标。如+A表示在+X坐标轴方向按照右旋螺纹旋转的方向。（
10、5）如在X、Y、Z主要直线运动之外另有第二组平行于它们的运动，可分别将它们的坐标指定为U、V、W。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,下一页,2. 机床坐标系的确定方法及应用1）机床坐标系的确定方法（参考图13、14、15）（1）坐标轴的确定方法一般先确定Z坐标轴，因为它是传递切削动力的主要轴或方向，再按规定确定其X坐标轴，最后用右手螺旋定则确定Y坐标轴。（2）机床坐标系的原点机床坐标系原点又称机床零位或机床零点，该零点是在机床设计时规定的，以零点限位和撞块为标记，可设定在各坐标轴位移的不同位置。,1 数控机床入门知识,返回,上一页,2 数控机床的故障,2.1 故障的概念数控机床的故障是指数
11、控机床丧失了规定的功能，它包括机械系统、数控系统和伺服系统等方面的故障。,下一页,返回,2 数控机床的故障,2.2 故障的分类按起因分可分为关联性和非关联性故障。非关联性故障是指与数控系统本身的结构和制造无关的故障。关联性故障是指由于数控系统设计、结构或性能等缺陷造成的故障。关联性故障又可分为系统性故障和随机性故障。系统性故障是指系统一旦满足某种条件，随机性故障是指系统在完全相同的外界条件下，故障有时发生或不发生的情况。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,2 按发生状态分分为突然故障和渐变故障。突然故障是指数控机床在正常使用的过程中，事先并无任何故障征兆出现，而突然出现的故障。渐变故障
12、是指数控机床在发生故障前的某一时期内，已经出现故障的征兆，但此时（或在消除系统报警后），数控机床还能够正常使用，并不影响加工出的产品质量。数控机床在使用过程中，由于相对运动产生磨擦，磨损过程大致分为下述三个阶段，如图16所示。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,3 按影响程度分分为完全失效故障和部分失效故障。 4 按性质分可分为危险性故障和安全性故障。 5 按软硬件不同分可分为软件故障、硬件故障二种。 6 按诊断方式分有诊断显示故障和无诊断显示故障两种。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,返回,上一页,下一页,2.3 故障的机理分析 故障机理是指诱发零件、部件、系统发生故障的物
13、理、化学、电学与机械学过程，也可以说是形成故障的原因。故障机理还可以表述为数控机床的某种故障在达到表面化之前，其内部的演变过程及其因果关系。在研究故障机理时，需要考察的基本因素至少有3个。,2 数控机床的故障,对象：指故障件本身的内部状态与结构对故障的诱发作用，即内因的作用。 2 原因：能引起设备与系统发生故障的破坏因素，如动作 应力、环境应力、人为的失误以及时间的因素等故障诱因。 3 结果：产生的异常状态，或者说基本因素2作用基本因素1的结果。基本因素1的状态超过某种界限，就发生故障而作为故障模式，即基本因素3。故障机理可表示如图17,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,故障的发生受空
14、间、时间、设备(故障件)的内部和外界多方面因素的影响，有的是一种因素起主导作用，有的是多种因素综合起作用。为了搞清故障是怎样发生的，必须搞清各种直接和间接引发故障产生的因素及其所起的作用。例如，图18为数控机床常用的一种空气开关，在使用中由于多种原因都可能造成接触功能失效，从而导致机床停机。图19表示了故障原因、故障机理和故障模式。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,2.4 故障产生的规律与一般设备相同，数控机床的故障率随时间变化的规律可用图20所示的浴盆曲线（也称失效率曲线）表示。在整个使用寿命期，根据数控机床的故障频率大致分为三个阶段，即早期故障期、偶发故障期和耗损故障期。,返回,
15、上一页,下一页,2 数控机床的故障,早期故障期早期故障期数控机床故障率高，但随着使用时间的增加迅速下降。这段时间的长短，随产品、系统的设计与制造质量而异，约为10个月左右。数控机床使用初期之所以故障频繁，原因大致如下：（1）机械部分由于零件的加工表面存在着微观的和宏观的几何形状偏差，部件的装配可能存在误差，因而，在机床使用初期会产生较大的磨合磨损，使设备相对运动部件之间产生较大的间隙，导致故障的发生。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,（2）电气部分 在实际运行时，由于电路的发热，交变负荷、浪涌电流及反电势的冲击，性能较差的某些元器件经不住考验，因电流冲击或电压击穿而失效，或特性曲线发
16、生变化，从而导致整个系统不能正常工作。 （3）液压部分 由于液压系统中某些部位长时间无油，汽缸中润滑油干涸，造成油缸或汽缸可能产生锈蚀。此外，一些杂物和水分也可能进入新安装的空气管道 ，造成液压气动部分的初期故障。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,2 偶发故障期数控机床在经历了初期的各种老化、磨合和调整后，开始进入相对稳定的正常运行期。正常运行期约为10年左右。在这个阶段，故障率低而且相对稳定，近似常数。偶发故障是由于偶然因素引起的。3 耗损故障期耗损故障期出现在数控机床使用的后期，其特点是故障率随着运行时间的增加而升高。出现这种现象的基本原因是由于数控机床的零部件及电子元器件经过长时间的运行，由于疲劳、磨损、老化等原因，寿命已接近衰竭，从而处于频发故障状态。,返回,上一页,下一页,2 数控机床的故障,返回,上一页,下一页,2.5 故障的常规处理故障的种类1）机床处于何种运行方式（纸带方式、手动数据输入方式、存储器方式、点动操作方式、编辑方式、手轮操作 方式等）？2）数控系统状态显示的内容是什么？3）定位误差超差情况如何？4）刀具运动轨迹误差状态以及出现误差时的速度是否正常？5）显示器上有报警吗？报警号是什么？,
