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1、职业技术院校规划教材职业技术院校规划教材数控机床故障诊断与维修数控机床故障诊断与维修第2章 数控机床机械结构的故障诊断与维修2022/5/191职业技术院校规划教材职业技术院校规划教材数控机床故障诊断与维修数控机床故障诊断与维修2.1 数控机床机械结构的主要组成2.2 数控机床的主传动系统2.3 数控机床的进给传动系统2.4 自动换刀装置2.5 回转工作台2.6 数控机床的液压与气动装置2022/5/192第2章 数控机床机械结构的故障诊断与维修 由于进给伺服驱动、主轴驱动和CNC技术的发展，以及为适应高生产率的需要，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。逐步发展为数控机床的独特
2、机械结构。图2-1所示为CK6136型数控车床。 2.1 数控机床机械结构的主要数控机床机械结构的主要组成组成2022/5/1932.2 数控机床的主传动系统数控机床的主传动系统 2.2.1 主主轴变速方式速方式 1无级变速，如图2-2所示 2分段无级变速，如图2-3所示。 3液压拨叉变速机构，如图2-4所示 4电磁离合器变速，如图2-5 2-6 2-7所示 5内装电动机主轴变速，如图2-8所示2022/5/194 2.2.2 主轴部件主轴部件 主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。 主轴端部的结构形状如图2-9所示202
3、2/5/195 2.2.3主轴部件的支承主轴部件的支承 机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用的滚动轴承。 1主轴部件常用滚动轴承的类型如图2-10所示 2滚动轴承的精度 主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6、精密级5、特精级4和超精级2。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取4、5级，后支承用5、6级。 3主轴滚动轴承的配置如图2-11所示2022/5/196 4主轴滚动轴承的预紧
4、 常用的方法有以下几种： (1)轴承内圈移动 如图2-12所示 (2)修磨座圈或隔套 如图2-13所示2.2.4主轴的材料和热处理主轴的材料和热处理 主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此，对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为2228HRC。2022/5/197 2.2.5主轴的润滑与冷却主轴的润滑与冷却 主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。 2.2.6主轴部件的维护主轴部件的维护 数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精
5、度影响工件的加工精度；它的功率大小和回转速度影响加工效率；它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。 2.2.7主传动链的维护主传动链的维护 2.2.8主传动系统常见故障及排除方法主传动系统常见故障及排除方法 （见表（见表2-12-1）2022/5/1982.3 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统2022/5/199 2.3.1滚珠丝杠螺母副滚珠丝杠螺母副 目前广泛应用的进给运动的传动方式主要有两种：一种是回转伺服电机通过滚珠丝杠螺母副的间接传动的进给运动方式;另一种是采用直线电机直接驱动的进给运动方式。后者多用于高速加工中。 常用的循环方式有外循环与内循环两种： 1、外循环如
6、图2-18所示 2、内循环如图2-19所示 （一）滚珠丝杠副的预紧 滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度。 在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修配垫片厚度、双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。 1、修配垫片消隙式如图2-20所示 2、双螺母消隙式如图2-21所示 3、齿差消隙式如图2-22所示 （二）滚珠丝杠副的支承 安装方式对滚珠丝杠副承载能力、刚性及最高转速有很大影响。滚珠丝杠螺母副在安装时应满足以下要求： 1）、滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动； 2）、螺母座孔中心应与丝杠安装轴
7、线同心； 3）、滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨； 4）、能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。2022/5/1910常见安装方式有以下四种情况(如图2-23的（a）、（b）、（c）、（d）所示)。(1)固定自由 适用于低转速，中精度，短轴向丝杠；(2)支承支承 适用于中等转速，中精度；(3)固定支承 适用于中等转速、高精度；(4)固定固定 适用于高转速、高精度。（三）制动装置滚珠丝杠副的传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高速大惯量场合时需要制动装置。2022/5/1911（四）（四）滚珠珠丝杠副的杠副的润滑及防滑及防护装置装置滚珠丝杠副在工作状态下，必须润滑，以保证其充分发挥机能。润滑
8、方式主要有以下两种：润滑脂、润滑油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使用条件等的不同而不同。滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入就很快使它磨损，因此考虑油污物异物（切削）进入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起来。防尘装置可采用可随移动部件移动而收展的钢制盖板或柔性卷帘。2022/5/19122.3.2导轨滑块副导轨滑块副 导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、静压导轨和滚动导轨。（一）滑动导轨（二）静压导轨如图2-25所示（三）滚动导轨如图2-26所示（四）滚动导轨的结构，结构如图2
9、-27所示（五）滚动导轨的安装、预紧如图2-30所示2022/5/19132.3.3静压蜗杆静压蜗杆蜗轮条传动蜗轮条传动（一）传动原理静压蜗杆蜗轮齿条是一种精密传动副，用于将回转运动转变为直线位移。如图2-31所示，蜗杆可看作长度很短的丝杠，其长径比很小。蜗轮齿条则可以看作一个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。与滚珠丝杠不同，蜗轮齿条能无限接长，因此，运动部件的行程可以很长。（二）传动方案蜗杆蜗轮齿条机构常用传动方案有以下两种：蜗杆箱固定，如图2-33所示。蜗轮齿条固定，如图2-34所示。2022/5/19142.4 自动换刀装置自动换刀装置为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一
10、台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具的种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表2-5。 2022/5/1915 2.4.1排刀式刀架排刀式刀架 排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料为主的机床较为常见。它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板或一种称之为
11、快换台板上。刀具典型布置方式如图2-35所示。 2.4.2经济型数控车床方刀架经济型数控车床方刀架 经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础上发展的一种自动换刀装置，功能和普通四方刀架一样，有四个刀位，能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转90时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的选择是由加工程序指令控制如图2-37所示 2.4.3一般转塔回转刀架一般转塔回转刀架图2-38为数控车床的转塔回转刀架它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。2022/5/19162.4.4 刀库的形式刀库的形式刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之一。其容量、布局和具体结
12、构对数控机床的设计有很大影响。根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成多种形式。图2-39所示为常见的几种刀库形式。单盘式刀库图2-39ad存放的刀具数目般为1540把，为适应机床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如轴向、径向或斜向。图2-39d是刀具可作90翻转的圆盘刀库，采用这种结构可以简化取刀动作。单盘式的结构简单，取刀也很方便，因此应用广泛。当刀库存放刀具的数目要求较多时，若仍采用单圆盘刀库，则刀库直径增加太大而使结构庞大。为了既能增大刀库容量而结构又较紧凑，研制了各种形式的刀库。如图2-39e为鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容
13、量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。172022/5/192.4.5刀库的故障刀库的故障刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀库的刀套不能夹紧，刀具、刀库上不到位等。(1)刀库不能转动或转动不到位，刀库不能转动的可能原因有：联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；变频器故障，应查变频器的输入输出电压正常与否；PLC无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；机械连接过紧或黄油粘涩；电网电压过低(不应低于370V)。刀库转动不到位的可能原因有：电机转动故障，传动机构误差。(2)刀套不能夹紧刀具 可能原因是刀套上的调整螺母松动，或弹簧太松，造成卡紧力超重，刀具超重。(3)刀套上下不到位 可能原因是装置
14、调整不当或加工误差过大而造成拨叉位置不正确；因限位开关安装不准或调整不当而造成反馈信号错误。2022/5/19182.4.6换刀机械手故障换刀机械手故障（1）刀具夹不紧 可能原因有气泵气压不足，增压漏气，刀具卡紧气压漏气，刀具松开弹簧上的螺帽松动。(2)刀具夹紧后松不开 可能原因有松锁刀的弹簧压合过紧，应调节松锁刀弹簧上的螺钉，使最大载荷不超过额定数值。(3)刀具从机械手中脱落 应检查刀具是否超重，机械手卡紧锁是否损坏或没有弹出来。(4)刀具交换时掉刀 换刀时主轴箱没有回到换刀点或换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀，都会导致换刀时掉刀。 (5)机械手换刀速度过快或过慢 可能是因气压太
15、高或太低和换刀气阀节流开口太大或太小。2022/5/19192.4.7加工中心自动换刀装置常见故障分析加工中心自动换刀装置常见故障分析 刀库乱刀故障处理方法 故障原因： 1）PMC参数丢失或系统记忆值与实际不符；2）换刀装置拆修；3）操作者误操作；具体处理方法：1）手动方式使刀库回到原位位置，即1号刀座对应换刀位置；2）通过系统PMC参数画面，初始化数据表，数据表的D000设定为0，D001D024设定值分别为1、2、3-24进行设定；3）通过系统PMC参数画面刀库计数器初始化设定为23；4）系统MDI方式下，把实际刀具送回到刀库中。 换刀过程中出现碰刀的处理2022/5/19202.5 回转
16、工作台回转工作台2022/5/1921 为了扩大数控机床的加工性能，适应某些零件加工的需要，数控机床的进给运动，除X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动之外，还可以有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周进给运动，这分别称A、B、C轴。通常数控机床的圆周进给运动，可以实现精确的自动分度改变工件相对于主轴的位置，以便分别加工各个表面，这对箱体类零件的加工带来了便利。对于自动换刀多工序数控机床来说，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控工作台。2.5.1鼠牙盘式分度工作台鼠牙盘式分度工作台鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面底座、夹紧液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成，其结构如图2-54所示。2.5.2数控回转运动工作台数控回转运动工作台数控回转运动工作台能实现进给运动，它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之点。如图2-55所示为闭环数控旋转工作台结构图。2.5.3回转工作台的常见故障及排除方法回转工作台的常见故障及排除方法回转工作台的常见故障及排除方法如表2-6所示。 2022/5/1922现代数控机床在实现整机的全自动化控制中，除数控系统外，还需要配
