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1、第3章 数控机床机械结构的故障诊断与维修,项目一 数控机床的机械知识概述 项目二 数控机床机械故障诊断方法 项目三 主传动系统的诊断与维修 项目四 进给传动系统故障的诊断及维修 项目五 导轨副故障的诊断与维修 项目六 液压与气动系统故障诊断及维修 项目七 刀库及自动换刀装置故障诊断及维修,项目一 数控机床的机械知识概述,一、常见数控机床类型1.数控车床(1)普通数控车床。普通数控车床是机械制造业拥有量较多的一种车床，通常称之为经济型数控车床，图3-1为CK6140经济型数控车床外形图。,下一页,返回,项目一 数控机床的机械知识概述,(2)全机能数控车床。图3-2所示为45倾斜床身的数控车床(去
2、掉外壳等零部件)，具有回轮式刀塔，使用滚动导轨支承刀塔溜板，通常称之为全机能数控车床。(3)车削加工中心。车削加工中心是性能最好的数控车床，常用作精加工使用，其床身均为倾斜结构。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,2.数控镗铣床(1)数控铣床。数控铣床为三轴控制加工机床，与数控车床不同，其主运动由定尺寸刀具完成，加工过程所需的运动轨迹由X、Y、Z三轴共同运动实现，如图3-3所示。(2)镗铣加工中心。图3-4所示为FH4000卧式镗铣加工中心，为扩展机床的工艺范围，其上配备有多种动力铣头(角度铣头、直角铣头和加长铣头等)，根据加工过程需要，可以自动更换。,下一页,返回,上一页
3、,项目一 数控机床的机械知识概述,二、数控机床机械结构的基本组成数控机床就其机械结构的组成而言，始终是处于一个逐步发展变化的过程中。早期的数控机床主要是对普通机床的进给系统进行了革新和改造，因此，早期数控机床的外形和结构与普通机床基本相同。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,近30年来，由于计算机、自动控制、信息处理、传感器、动力元件以及新材料等技术的飞速发展，以及为适应高产率的需要，数控机床的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特机械结构。1.机械结构基本组成(1)主传动系统，其功用是实现主运动。(2)进给系统，其功用是实现进给运动。,下一
4、页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,(3)机床基础件(又称机床大件)，通常指床身、底座、立柱、滑座、工作台等，它们是整台机床的基础和框架，其功用是支承机床本体的其他零部件，并保证这些零部件在工作时或者固定在基础件上，或者在它的导轨上运动。(4)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、冷却以及防护、排屑等装置。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,(5)刀库、刀架及自动换刀装置。(6)自动托盘交换装置。(7)实现工作回转、分度定位的装置和附件，如回转工作台。(8)特殊功能装置，如刀具破损检测、精度检测和监控装置等。,下一页,返回,上一页,项目一
5、 数控机床的机械知识概述,2.数控机床的功能和性能对机械结构的影响数控机床为了体现自身的特点，在功能和性能上较普通机床有很大的增强和提高，正是由于功能和性能的变化，数控机床的机械结构在不断发展中也发生了重大变革。数控机床是按数控系统给出的指令自动地进行加工的，与普通机床在加工过程中需要人手动进行操作、调整的情况大不相同，这就要求数控机床的机械结构要适应自动化控制的需要。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,数控机床不仅要求有很高的加工精度、加工效率以及稳定的加工质量，而且还要求加工时能工序集中，一机多用，这就要求数控机床的机械结构不仅要有较好的刚度和抗振性，还要尽量减少热变形
6、和运动部件的摩擦产生温差引起的热负载。数控机床要充分满足工艺复合化和功能集成化的要求。所谓“工艺复合化”，简单地说就是“一次装夹，多工序加工”。而“功能集成化”则是指工件的自动定位，机内对刀，刀具破损监控，机床与工作精度检测和补偿等功能。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,三、数控机床机械结构的主要特点和要求1.高静、动刚度机床的刚度是指在切削力和其他力的作用下，反抗变形的能力。机床在静态力(如运动部件和工作的自重)作用下所表现的刚度称为机床的静刚度，机床在动态力(如切削力、驱动力、加速和减速所引起的惯性力、摩擦阻力等)作用下所表现的刚度称为机床的动刚度。,下一页,返回,上
7、一页,项目一 数控机床的机械知识概述,由于机床机械结构的情况复杂，一般很难对机床的结构刚度进行精确的理论计算，设计者往往只能对部分构件(如轴、丝杠等)用计算方法求算其刚度，而对于床身、立柱、工作台等零部件的弯曲和扭转变形、接合面的接触变形等，只能简化进行近似计算，计算结果往往与实际相差很大，故只能作定性分析的参考。即使采用有限元法来进行计算，通常仍需对模型、实物或类似的样机进行试验、分析和对比以确定合理的结构方案。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,但一般来说，对普通机床和同类型的数控机床在刚度方面的要求是一致的，只是要求的程度应该是有差异的。数控机床为获得高效率而具有的大
8、功率和高速度，使它所承受的各种外力负载情况更加恶劣，而且对加工过程的自动化也使得加工误差无法由人工干预来修正和补偿。所以数控机床的变形对加工精度的影响会更为严重。为保证数控机床在自动化、高效率的切削条件下获得稳定的高精度，其机械结构往往要求具有更高的抗振性。有标准规定数控机床的刚度系数应比类似的普通机床高50%。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,2.良好的抗振性机床工作时可能产生两种形态的振动:强迫振动和自激振动。机床的抗振性指的就是机床抵抗这两种振动的能力。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,强迫振动是在各种动态力(如高速回转部件的不平衡力，高速往复
9、运动部件的换向冲击力，断续切削时变动的切削力等)作用下被迫产生的振动。如振源频率与机床某主要部件(如主轴部件、床身)的某一振型的固有频率重合，还将发生共振。此时振幅增大，零件表面的加工质量严重下降，甚至使切削过程自身激发振动。自激振动的频率接近或略高于机床主振型的低阶固有频率，振幅比较大，会对加工过程产生极为不利的影响。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,数控机床的性能决定了它在工作时常需采用高速、高效的切削方式，而高速、高效的切削又是产生动态力和大切削宽度(影响自激振动的主要因素)的直接原因，并且切削过程的自动化又使得振动难以由人工来控制和消除，所以数控机床只有靠自身机床
10、结构的高抗振性来减小和克服振动对加工精度、加工过程的影响。因此，在设数控机床机械结构时，要采取措施提高机床的抗振性。常用的方法有:提高机床的静态刚度，增强构件或结构的阻尼，减小机床的内部振源等。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,3.高灵敏度数控机床的精度比普通机床高，因而运动部件应具有高灵敏度。要实现这一点，从机械结构方面来说，最重要的是要选好所用的导轨副，因为运动部件所受的摩擦阻力主要来自导轨副。现代数控机床上广泛采用滚动导轨、静态导轨、贴塑导轨等，这些导轨都有一个共同的优点，即动、静摩擦系数很小，并且其差值也很小。采用这些导轨可能保证运动部件在高速进给时不振动，低速进
11、给时不爬行，并且有较高的灵敏度。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,另一方面，驱动运动部件的动力源选择直流或交流伺服电机，配以具有高传动效率、无间隙的末级传动装置。如静压蜗轮蜗杆副、预载双齿轮齿条副、滚珠丝杠螺母副等，也是保证运动部件的高灵敏度的一个强有力的条件。再者，数控机床广泛采用伺服电机，调速范围大，并可无级调速，这就使得主轴箱、进给变速箱及其传动系统大为简化，箱体结构简单。齿轮、轴承和轴类零件的数量大为减少甚至不用齿轮，由电动机直接带动主轴或进给滚珠丝杠，对提高数控机床的灵敏度是极有好处的。对于主轴而言，由于既要在高转速下回转，又要有高刚度、高灵敏度，因而在考虑其机
12、械结构时，多数采用滚动轴承或静压轴承。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,4.热变形小热膨胀是各种金属和非金属材料的固有特性。机床工作时，切削过程、电动机、液压系统和机械摩擦都会发热，这些产生热量的部件和部位称为热源。热源产生的热量一部分由切屑和冷却液带走，另一部分通过传导、对流、辐射传递给机床的各个部件，引起温升，产生热膨胀。机床的热变形是影响加工精度的重要因素。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,热变形影响加工精度的原因，主要是由于热源分布不均匀，热源产生的热量不等，各处零件的质量不均，形成各部位的温升不一致，从而产生不均匀的温度场和不均匀的热膨胀变
13、形，以致影响刀具与工件的正确相对位置。数控机床的主轴和运动部件常在高速状态下工作，会因采用大切削量而带来大量的炽热切削，其发热远较普通机床严重。由于热变形是在机床工作过程中产生的，对加工精度的影响往往很难由机床操作者修正，所以在考虑数控机床机械结构时，应对如何减小机床的热变形予以特别重视。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,另外，对于滚珠丝杠结构还可采用预拉伸方式来减小丝杠的热变形。其原理是:在加工滚珠丝杠时，使螺距略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸，从而使其螺距值达到名义值，当丝杠工作受热，丝杠中的拉应力补偿了热应力，从而减小了热伸长。,下一页,返回,上一页,项目一 数
14、控机床的机械知识概述,5.高精度保持性和高可靠性数控机床自身的精度是很高的，因此可获得较高的加工精度。为保证高生产效率，数控机床常在高速或强力切削下满载工作。为保证机床具有稳定的加工精度，就要求数控机床具有很高的精度保持性。要做好这一点，在设计时除了对各主要部件、零件要正确选择材料，防止使用中的变形和快速磨损外，还要求采用新工艺、新技术以及加强特定的工艺措施。,下一页,返回,上一页,项目一 数控机床的机械知识概述,如淬火和磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性，从而达到具有较高的精度保持性的目的。数控机床是根据数控程序自动进行加工，尤其在柔性制造系统(FMS)中的数控机床，可在一
15、定时间内实现无人管理，因此要求机床具有很高的可靠性。除一些运动部件应保证不出故障外，对于系统中动作频繁的刀库、换刀机构、托盘、工作交换装置等部件，都必须保持在长期工作中十分可靠。总之，现代数控机床不断向高效率、高质量、高柔性、高速度、低成本及智能化的方向发展，其机床本体的各主要部件，如导轨、主轴、工作台、传动元件、刀库、机械手、工件交换装置等都应符合上述要求。,返回,上一页,项目二 数控机床机床机械故障诊断方法,一、机床机械故障诊断概述1.机械故障定义所谓机械故障，就是指机械系统(零件、组件、部件或整台设备乃至一系列的设备组合)因偏离其设计状态而丧失部分或全部功能的现象。如机床运转不平稳、轴承
16、噪声过大、机械手夹持刀柄不稳定等现象都是机械故障的表现形式。,下一页,返回,项目二 数控机床机床机械故障诊断方法,2.机械故障诊断所谓机械故障诊断，就是对机械系统所处的状态进行监测，判断其是否正常。当机械系统出现异常时，会使某些特性改变，产生能量、力、热及摩擦等各种物理和化学参数的变化，发出各种不同的信息。维修人员捕捉这些变化的征兆、检测变化的信号及规律，从而判定故障发生的部位、性质、大小，分析原因和异常情况，预报其发展趋势，判别损坏情况，作出决策，消除故障隐患，防止事故的发生，这就是机械故障诊断。,下一页,返回,上一页,项目二 数控机床机床机械故障诊断方法,3.机械故障诊断的意义应用机械故障诊断技术对机械系统进行监测和诊断，能及时发现机器的故障和预防设备恶性事故的发生，从而避免人员的伤亡、环境的污染和巨大的经济损失，还可以找出生产系统中的事故隐患，从而对机械设备和工艺进行改造，以消除事故隐患。另外，更重要的意义还在于对设备维修制度的改革，将传统的定期维修改变为预知维修，从而大大提高机械系统运行的安全性、可靠性和利用率，节约大量维修时间和费用，进而产生巨大的经济效益。,
