2017畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-數(shù)控機(jī)床主軸部件及其維護(hù)維修

1、.煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 數(shù)控技術(shù)系 系 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護(hù) 專業(yè) 08302 級(jí)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目: 數(shù)控機(jī)床主軸部件及其維護(hù)維修 姓名 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)教師（簽名） 二一年十月十二日 煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文)誠(chéng) 信 承 諾 書本人慎重承諾：我所撰寫的設(shè)計(jì)（論文） 數(shù)控機(jī)床主軸部件及其維護(hù)維修 是在老師的指導(dǎo)下自主完成，沒(méi)有剽竊或抄襲他人的論文或成果。如有剽竊、抄襲，本人愿意為由此引起的后果承擔(dān)相應(yīng)責(zé)任。畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的研究成果歸屬學(xué)校所有。 學(xué)生(簽名) 年 月 日摘要隨著電子技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。數(shù)控機(jī)床的主軸技術(shù)也是相當(dāng)?shù)闹匾矔?huì)出現(xiàn)故障,

2、外此給操作人員帶來(lái)便,為了發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的使用效率,本文中介紹了數(shù)控機(jī)床主軸常見的故障及對(duì)它的故障分析和解決的方法,結(jié)合原理圖來(lái)加以說(shuō)明。關(guān)鍵詞： 數(shù)控技術(shù)，主軸結(jié)構(gòu)，故障診斷。目 錄第一章 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)51.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì) 5第二章 數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu) 82.1高速加工對(duì)機(jī)床主軸的要求 82.2 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8第三章 數(shù)控機(jī)床主軸的故障分析與維修 10第四章 數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中主軸的異常及案例 144.1主軸發(fā)熱現(xiàn)象 144.2主軸出現(xiàn)異常噪音或振動(dòng) 144.3切削時(shí)主軸出現(xiàn)停轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)現(xiàn)象 15結(jié)論15參考文獻(xiàn) 16第一章 數(shù)控系統(tǒng)與數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1.1數(shù)控系統(tǒng)

3、發(fā)展趨勢(shì)從1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出第一臺(tái)試驗(yàn)性數(shù)控系統(tǒng)，到現(xiàn)在已走過(guò)了半個(gè)世紀(jì)歷程。隨著電子技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，當(dāng)今的數(shù)控系統(tǒng)功能已經(jīng)非常強(qiáng)大，與此同時(shí)加工技術(shù)以及一些其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和進(jìn)步提出了新的要求。 1.1.1 數(shù)控系統(tǒng)向開放式體系結(jié)構(gòu)發(fā)展 20世紀(jì)90年代以來(lái)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，推動(dòng)數(shù)控技術(shù)更快的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機(jī)豐富的軟、硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、可擴(kuò)展性，并可以較容易的實(shí)現(xiàn)智能化、網(wǎng)絡(luò)化。近幾年許多國(guó)家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國(guó)科學(xué)制造中心

4、(NCMS)與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站/機(jī)床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動(dòng)化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計(jì)劃等。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機(jī)技術(shù)，使編程、操作以及技術(shù)升級(jí)和更新變得更加簡(jiǎn)單快捷。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬件、軟件和總線規(guī)范都是對(duì)外開放的，數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶可以根據(jù)這些開放的資源進(jìn)行的系統(tǒng)集成，同時(shí)它也為用戶根據(jù)實(shí)際需要靈活配置數(shù)控系統(tǒng)帶來(lái)極大方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用，開發(fā)生產(chǎn)周期大大縮短。同時(shí)，這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級(jí)而升級(jí)，而結(jié)構(gòu)可以保持不變。 1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)向軟數(shù)控方向發(fā)展 現(xiàn)在，實(shí)際用于工

5、業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)控系統(tǒng)主要有以下四種類型，分別代表了數(shù)控技術(shù)的不同發(fā)展階段，對(duì)不同類型的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，數(shù)控系統(tǒng)不但從封閉體系結(jié)構(gòu)向開放體系結(jié)構(gòu)發(fā)展，而且正在從硬數(shù)控向軟數(shù)控方向發(fā)展的趨勢(shì)。 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC 0系統(tǒng)、MITSUBISHI M50系統(tǒng)、SINUMERIK 810M/T/G系統(tǒng)等。這是一種專用的封閉體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。目前，這類系統(tǒng)還是占領(lǐng)了制造業(yè)的大部分市場(chǎng)。但由于開放體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的市場(chǎng)正在受到挑戰(zhàn)，已逐漸減小。 “PC嵌入NC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)，如FANUC18i、16i系統(tǒng)、SINUMERIK 840D系統(tǒng)、Num1060系統(tǒng)、AB

6、9/360等數(shù)控系統(tǒng)。這是一些數(shù)控系統(tǒng)制造商將多年來(lái)積累的數(shù)控軟件技術(shù)和當(dāng)今計(jì)算機(jī)豐富的軟件資源相結(jié)合開發(fā)的產(chǎn)品。它具有一定的開放性，但由于它的NC部分仍然是傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)，用戶無(wú)法介入數(shù)控系統(tǒng)的核心。這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能強(qiáng)大，價(jià)格昂貴。 “NC嵌入PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控系統(tǒng)它由開放體系結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡和PC機(jī)共同構(gòu)成。這種運(yùn)動(dòng)控制卡通常選用高速DSP作為CPU，具有很強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)控制和PLC控制能力。它本身就是一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)，可以單獨(dú)使用。它開放的函數(shù)庫(kù)供用戶在WINDOWS平臺(tái)下自行開發(fā)構(gòu)造所需的控制系統(tǒng)。因而這種開放結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)控制卡被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制各個(gè)領(lǐng)域。如美國(guó)Delta Tau公

7、司用PMAC多軸運(yùn)動(dòng)控制卡構(gòu)造的PMAC-NC數(shù)控系統(tǒng)、日本MAZAK公司用三菱電機(jī)的MELDASMAGIC 64構(gòu)造的MAZATROL 640 CNC等。SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)這是一種最新開放體系結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。它提供給用戶最大的選擇和靈活性，它的CNC軟件全部裝在計(jì)算機(jī)中，而硬件部分僅是計(jì)算機(jī)與伺服驅(qū)動(dòng)和外部I/O之間的標(biāo)準(zhǔn)化通用接口。就像計(jì)算機(jī)中可以安裝各種品牌的聲卡和相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序一樣。用戶可以在WINDOWS NT平臺(tái)上，利用開放的CNC內(nèi)核，開發(fā)所需的各種功能，構(gòu)成各種類型的高性能數(shù)控系統(tǒng)，與前幾種數(shù)控系統(tǒng)相比，SOFT型開放式數(shù)控系統(tǒng)具有最高的性能價(jià)格比，因而最有生命力。通過(guò)軟

8、件智能替代復(fù)雜的硬件，正在成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的重要趨勢(shì)。其典型產(chǎn)品有美國(guó)MDSI公司的Open CNC、德國(guó)Power Automation公司的PA8000 NT等。1.1.3 數(shù)控系統(tǒng)控制性能向智能化方向發(fā)展 智能化是21世紀(jì)制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)大方向。隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動(dòng)生成、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動(dòng)

9、識(shí)別負(fù)載并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。 世界上正在進(jìn)行研究的智能化切削加工系統(tǒng)很多，其中日本智能化數(shù)控裝置研究會(huì)針對(duì)鉆削的智能加工方案具有代表性。1.1.4 數(shù)控系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化，主要指數(shù)控系統(tǒng)與外部的其它控制系統(tǒng)或上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)絡(luò)控制。數(shù)控系統(tǒng)一般首先面向生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)和企業(yè)內(nèi)部的局域網(wǎng)，然后再經(jīng)由因特網(wǎng)通向企業(yè)外部，這就是所謂Internet/Intranet技術(shù)。 隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成熟和發(fā)展，最近業(yè)界又提出了數(shù)字制造的概念。數(shù)字制造，又稱“e-制造”，是機(jī)械制造企業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志之一，也是國(guó)際先進(jìn)機(jī)床制造商當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)配置的供貨方式。隨著信息化技術(shù)的大量采用，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)用戶在

10、進(jìn)口數(shù)控機(jī)床時(shí)要求具有遠(yuǎn)程通訊服務(wù)等功能。 數(shù)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化進(jìn)一步促進(jìn)了柔性自動(dòng)化制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代柔性制造系統(tǒng)從點(diǎn)(數(shù)控單機(jī)、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機(jī)床)、線(FMC、FMS、FTL、FML)向面(工段車間獨(dú)立制造島、FA)、體(CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng))的方向發(fā)展。柔性自動(dòng)化技術(shù)以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)，同時(shí)注重加強(qiáng)單元技術(shù)的開拓、完善，數(shù)控機(jī)床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS聯(lián)結(jié)，向信息集成方向發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。1.1.5 數(shù)控系統(tǒng)向高可靠性方向發(fā)展隨著數(shù)控機(jī)床網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用的日趨廣泛，數(shù)控系統(tǒng)的高可靠性已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)制造商追

11、求的目標(biāo)。對(duì)于每天工作兩班的無(wú)人工廠而言，如果要求在16小時(shí)內(nèi)連續(xù)正常工作，無(wú)故障率在P(t)99%以上，則數(shù)控機(jī)床的平均無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間MTBF就必須大于3000小時(shí)。我們只對(duì)某一臺(tái)數(shù)控機(jī)床而言，如主機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10:1(數(shù)控的可靠比主機(jī)高一個(gè)數(shù)量級(jí))。此時(shí)數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時(shí)，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動(dòng)等的MTBF就必須大于10萬(wàn)小時(shí)。如果對(duì)整條生產(chǎn)線而言，可靠性要求還要更高。當(dāng)前國(guó)外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000小時(shí)以上，驅(qū)動(dòng)裝置達(dá)30000小時(shí)以上，但是，可以看到距理想的目標(biāo)還有差距。1.1.6 數(shù)控系統(tǒng)向復(fù)合化方向發(fā)展在零件加工過(guò)程中有大量的無(wú)

12、用時(shí)間消耗在工件搬運(yùn)、上下料、安裝調(diào)整、換刀和主軸的升、降速上，為了盡可能降低這些無(wú)用時(shí)間，人們希望將不同的加工功能整合在同一臺(tái)機(jī)床上，因此，復(fù)合功能的機(jī)床成為近年來(lái)發(fā)展很快的機(jī)種。柔性制造范疇的機(jī)床復(fù)合加工概念是指將工件一次裝夾后，機(jī)床便能按照數(shù)控加工程序，自動(dòng)進(jìn)行同一類工藝方法或不同類工藝方法的多工序加工，以完成一個(gè)復(fù)雜形狀零件的主要乃至全部車、銑、鉆、鏜、磨、攻絲、鉸孔和擴(kuò)孔等多種加工工序。普通的數(shù)控系統(tǒng)軟件針對(duì)不同類型的機(jī)床使用不同的軟件版本，比如Siemens的810M系統(tǒng)和802D系統(tǒng)就有車床版本和銑床版本之分。復(fù)合化的要求促使數(shù)控系統(tǒng)功能的整合。目前，主流的數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)商都能提供

13、高性能的復(fù)合機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)。1.1.7 數(shù)控系統(tǒng)向多軸聯(lián)動(dòng)化方向發(fā)展由于在加工自由曲面時(shí)，3軸聯(lián)動(dòng)控制的機(jī)床無(wú)法避免切速接近于零的球頭銑刀端部參與切削，進(jìn)而對(duì)工件的加工質(zhì)量造成破壞性影響，而5軸聯(lián)動(dòng)控制對(duì)球頭銑刀的數(shù)控編程比較簡(jiǎn)單，并且能使球頭銑刀在銑削3維曲面的過(guò)程中始終保持合理的切速，從而顯著改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，因此，各大系統(tǒng)開發(fā)商不遺余力地開發(fā)5軸、6軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，隨著5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)和編程軟件的成熟和日益普及，5軸聯(lián)動(dòng)控制的加工中心和數(shù)控銑床已經(jīng)成為當(dāng)前的一個(gè)開發(fā)熱點(diǎn)。 最近，國(guó)外主要的系統(tǒng)開發(fā)商在6軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究上已經(jīng)取得和很大進(jìn)展，在6軸聯(lián)動(dòng)加工中心上可

14、以使用非旋轉(zhuǎn)刀具加工任意形狀的三維曲面，且切深可以很薄，但加工效率太低一時(shí)尚難實(shí)用化。 電子技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、模糊控制技術(shù)的發(fā)展使新一代數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)水平大大提高，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，也促進(jìn)了現(xiàn)代制造技術(shù)的快速發(fā)展。數(shù)控機(jī)床性能在高速度、高精度、高可靠性和復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、柔性化、綠色化方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步?，F(xiàn)代制造業(yè)正在迎來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命1。第二章 數(shù)控機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)2.1 高速加工對(duì)機(jī)床主軸的要求 高速加工對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速高，輸出的扭矩和功率要大，還要求具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度和在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中保持具有良好的剛度、抗震性及熱穩(wěn)定性。目前，國(guó)際上工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家生產(chǎn)的高

15、速加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速高達(dá)20000100000r/min，國(guó)內(nèi)中小型加工中心、數(shù)控銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速也達(dá)40006000r/min 。實(shí)際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動(dòng)的高速電主軸，這類主軸因采用電機(jī)和機(jī)床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過(guò)精確的動(dòng)平衡校正，因此具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，但對(duì)輸出的扭矩和功率有所限制；另一類是以變頻主軸電機(jī)與機(jī)械變速機(jī)構(gòu)相結(jié)合的主軸，這類主軸輸出的扭矩和功率要大得多，但相對(duì)來(lái)說(shuō)回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性要差一點(diǎn)，因此對(duì)于這類主軸來(lái)說(shuō)，如何正確地設(shè)計(jì)機(jī)床主軸及其組件對(duì)機(jī)床加工精度的影響是至關(guān)重要的。2.2 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.2.1 主軸軸承   主軸軸承的

16、選擇：鑒于加工中心和高速數(shù)控銑床的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密的要求，普通的主軸雙聯(lián)軸承結(jié)構(gòu)已滿足不了要求現(xiàn)在對(duì)于高速加工中心和數(shù)控銑床，大多采用角接觸軸承組合設(shè)計(jì)。因?yàn)榻墙佑|軸承可以同時(shí)承受徑向和一個(gè)方向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高。如圖 2 所示，采用兩個(gè)角接觸球軸承背靠背組配，使支承點(diǎn) A 、 B 兩點(diǎn)向外擴(kuò)展，縮短了主軸頭部的懸伸，大大地減少了主軸端部的撓曲變形，提高了主軸剛度。 主軸軸承的預(yù)緊：用普通螺母作主軸軸承軸向限位，通常難以保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度 ( 如圖 1a) ，鎖緊后易使軸承偏斜，甚至有可能使軸彎曲 ( 如圖 1b) ，這都將影響軸的旋轉(zhuǎn)精度2。 圖 (a) 圖

17、 (b)圖2.2 普通螺母鎖緊時(shí)螺紋偏斜對(duì)軸承的影響主軸軸承的密封和潤(rùn)滑：由于高速機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速達(dá)5000r/min以上時(shí)脂潤(rùn)滑已很難達(dá)到要求，而稀油潤(rùn)滑在高速運(yùn)動(dòng)中潤(rùn)滑油的多少明顯地影響到主軸運(yùn)行的平穩(wěn)性。因此在目前的設(shè)計(jì)中多數(shù)采用集中定量定時(shí)油霧或滴油潤(rùn)滑方式。在高速加工中為了提高主軸軸承的壽命和確保軸承的旋轉(zhuǎn)精度，必須采取嚴(yán)格的密封措施，然而密封效果較好的接觸式密封又勢(shì)必影響到主軸轉(zhuǎn)速的提高，因此目前通用的有主軸吹氣、迷宮密封等非接觸式密封方式，對(duì)于要求不高的可以采用間隙密封，但必須準(zhǔn)確地控制間隙的大小，一般是在0.020.04mm之間。2.2.2 主軸拉桿自動(dòng)裝刀系統(tǒng) 在加工中

18、心和高速數(shù)控銑床中刀具安裝勢(shì)必采用自動(dòng)裝刀機(jī)構(gòu)。由預(yù)緊彈簧控制軸向拉力，再由氣壓、液壓或機(jī)械螺桿等執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)松刀和夾刀動(dòng)作的拉桿機(jī)構(gòu) ( 如圖 5) 。執(zhí)行機(jī)構(gòu)有與主軸一同旋轉(zhuǎn)的隨動(dòng)單元，也有不隨主軸旋轉(zhuǎn)的分離型結(jié)構(gòu)，前者結(jié)構(gòu)比較緊湊，復(fù)雜程度高，后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，但占用空間較大。另外，為了提高刀具重復(fù)安裝精度，減少刀具錐柄和主軸錐孔非正常接合，在自動(dòng)裝刀系統(tǒng)中必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)和用以清潔刀具錐柄、主軸錐面的吹氣或噴液的機(jī)構(gòu)。圖 5 KX714 主軸結(jié)構(gòu)1. 壓縮空氣管 2. 活塞 3. 雙溝鎖緊螺母 4. 碟形彈簧 5. 拉桿6. 主軸7. 主軸套筒 8. 主軸內(nèi)冷卻環(huán) 9. 刀具拉

19、釘 10. 擋油法蘭 2.2.3 主軸水冷卻系統(tǒng) 在高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中軸承溫升是造成主軸變形、加工精度下降的重要因素之一。大量的熱能會(huì)造成主軸嚴(yán)重的熱變形，不僅影響主軸回轉(zhuǎn)精度，而且還會(huì)抑制主軸轉(zhuǎn)速的提高，速度愈高這種現(xiàn)象愈明顯。因此，如何改善機(jī)床主軸系統(tǒng)熱特性，減少系統(tǒng)的熱源強(qiáng)度，降低溫升及減少系統(tǒng)的熱位移，在高速主軸設(shè)計(jì)中就顯得尤為重要。在主軸設(shè)計(jì)中除了正確地選擇主軸組件，減少系統(tǒng)熱源強(qiáng)度外，對(duì)主軸要進(jìn)行水冷卻，以降低溫升和減少系統(tǒng)熱位移。在主軸套筒外設(shè)計(jì)連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓機(jī)床冷卻液先流經(jīng)主軸套筒上的冷卻環(huán)槽，然后再噴出到刀具刀尖，用這種方式帶走軸承產(chǎn)生的絕大部分熱量，減少系統(tǒng)熱能向機(jī)床主軸

20、傳導(dǎo)。對(duì)于有些要求較高的機(jī)床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個(gè)不同的系統(tǒng)，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用到單元式主軸上。第三章 數(shù)控機(jī)床主軸的故障分析與維修3.1 開機(jī)后，不論輸入指令，主軸僅僅出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，實(shí)際轉(zhuǎn)速無(wú)法達(dá)到指定值。分析與處理過(guò)程：在數(shù)控機(jī)床上，主軸轉(zhuǎn)速的控制，一般是數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)不同的S代碼，輸出不同的主軸轉(zhuǎn)速模擬量值，通過(guò)主軸驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)主軸變速的。在本機(jī)床上，檢查主軸驅(qū)動(dòng)器無(wú)報(bào)警，而主軸出現(xiàn)底速旋轉(zhuǎn)，可以基本確認(rèn)主軸驅(qū)動(dòng)器無(wú)故障。根據(jù)故障現(xiàn)象，為了確定故障部位，利用萬(wàn)用表測(cè)量系統(tǒng)的主軸模擬量輸出，發(fā)現(xiàn)在不同的S*指令下，其值改變，由此確認(rèn)數(shù)控系統(tǒng)工作正常。分析主軸驅(qū)動(dòng)器的控制特點(diǎn)，主軸的旋

21、轉(zhuǎn)除需要模擬量輸入外，作為最基本的輸入信號(hào)還需要給定旋轉(zhuǎn)方向。在確認(rèn)主軸驅(qū)動(dòng)器模擬量輸入正確的前提下，進(jìn)一步檢查主軸轉(zhuǎn)向信號(hào)，發(fā)現(xiàn)其輸入模擬量的極性與主軸轉(zhuǎn)向的輸入信號(hào)不一致；交換模擬量的極性后重新開機(jī)，故障排除，主軸可以正常旋轉(zhuǎn)。3.2 主軸在高速旋轉(zhuǎn)時(shí),出現(xiàn)異常振動(dòng)的故障維修。分析與處理過(guò)程:數(shù)控機(jī)床的振動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)整以及機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率、主軸系統(tǒng)的固有頻率等因數(shù)有關(guān)，其原因通常比較復(fù)雜。但在本機(jī)床上，由于故障前交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)工作正常，可以在高速下旋轉(zhuǎn)：而主軸在超過(guò)3000r/min時(shí)，在任意轉(zhuǎn)速下振動(dòng)均存在，可以排除機(jī)械共振的原因。檢查機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的安裝與連接，未

22、發(fā)現(xiàn)異常，而在脫開主軸電動(dòng)機(jī)與主軸機(jī)床的連接后，從控制面板上觀察主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩顯示，發(fā)現(xiàn)其值有較大的變化，因此初步判定故障在主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電器部分。通過(guò)對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)部分的電器原理圖的分析(如圖1-1所示),再仔細(xì)檢查機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)連接，最終發(fā)現(xiàn)該機(jī)床的主軸驅(qū)動(dòng)器的接地線連接不良，將接地線重新連接后，機(jī)床恢復(fù)正常。圖1-1 主軸驅(qū)動(dòng)部分的電器原理圖3.3 在自動(dòng)加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)床不執(zhí)行螺紋加工程序。分析與處理過(guò)程：數(shù)控車床加工螺紋，其實(shí)質(zhì)是主軸的轉(zhuǎn)角與Z軸進(jìn)給之間進(jìn)行的插補(bǔ)。主軸的角度位移是通過(guò)主軸編碼器進(jìn)行測(cè)量的。在本機(jī)床上，由于主軸能正常旋轉(zhuǎn)與變速，分析故障原因主要有以下幾種：(1)主軸編碼

23、器與主軸驅(qū)動(dòng)器之間的連接不良。(2)主軸編碼器故障。(3)主軸驅(qū)動(dòng)器與數(shù)控之間的位置反饋信號(hào)電纜連接不良。經(jīng)檢查主軸編碼器與主軸驅(qū)動(dòng)器之間的連接正常，故可以排除第一項(xiàng)；且通過(guò)CRT的顯示，可以正常顯示主軸轉(zhuǎn)速，因此說(shuō)明主軸編碼器的A、*A、B、*B信號(hào)正常；在利用示波器檢查Z、*Z信號(hào)，可以確認(rèn)編碼器零脈沖輸出信號(hào)正確。根據(jù)檢查，可以確定主軸位置檢測(cè)系統(tǒng)工作正常。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的說(shuō)明書，進(jìn)一步分析螺紋加工功能與信號(hào)的要求，可以知道螺紋加工時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行的是主軸每轉(zhuǎn)進(jìn)行動(dòng)作，因此它與主軸到達(dá)的信號(hào)有關(guān)。在本系統(tǒng)中，主軸的每轉(zhuǎn)進(jìn)給動(dòng)作與參數(shù)PRM24.4的設(shè)定有關(guān)，當(dāng)該位設(shè)定為“0”時(shí)，Z軸進(jìn)給時(shí)不檢

24、測(cè)“主軸速度到達(dá)”信號(hào)；設(shè)定為“1”時(shí)，Z軸進(jìn)給時(shí)需要檢測(cè)“主軸速度到達(dá)”信號(hào)。在本機(jī)床上，檢查發(fā)現(xiàn)該位設(shè)定為“1”，因此只有“主軸速度到達(dá)”信號(hào)為“1”時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。通過(guò)系統(tǒng)的診斷功能，檢查發(fā)現(xiàn)當(dāng)實(shí)際主軸轉(zhuǎn)速顯示值與系統(tǒng)的指令值一致時(shí)，“主軸速度到達(dá)”信號(hào)仍然為“0”。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該信號(hào)連接線斷開；重新連接后，螺紋加工動(dòng)作恢復(fù)正常。3.4 S指令無(wú)效，主軸轉(zhuǎn)速僅為12r/min，無(wú)任何報(bào)警。分析與處理過(guò)程：測(cè)量主軸驅(qū)動(dòng)器的速度指令Vcdm信號(hào)，發(fā)現(xiàn)在04500r/min的任何S指令下，Vcmd總是為0，進(jìn)一步測(cè)量CNC的S模擬輸出，其值亦為“0”，表明CNC的主軸速度控制指令未輸出。

25、由于CNC無(wú)報(bào)警顯示，故主軸速度控制指令未輸出可能的原因是主軸未滿足轉(zhuǎn)速輸出的條件。對(duì)照系統(tǒng)的接口信號(hào)，通過(guò)對(duì)PLC程序梯形圖的分析發(fā)現(xiàn)：PLC程序中主軸的高/低速換檔的標(biāo)志位、機(jī)床的高/低速檔檢測(cè)開關(guān)輸入信號(hào)均為“0”，這與實(shí)際情況不符。通過(guò)手動(dòng)控制電磁閥，使機(jī)床換到低速檔后，機(jī)床的低速檔檢測(cè)開關(guān)輸入信號(hào)正確，PLC中主軸低速換檔的標(biāo)志位隨之變?yōu)檎_的狀態(tài)，滿足了主軸條件。在此條件下再次啟動(dòng)主軸，機(jī)床恢復(fù)正常。為了進(jìn)一步判斷機(jī)床故障的原因，通過(guò)MDI方式，執(zhí)行M42（換高速檔指令）后，發(fā)現(xiàn)M42指令不能完成。檢查高速檔電磁閥已經(jīng)得電，但高速檔到位信號(hào)為“0”，由此判定故障原因在機(jī)床的機(jī)械或液

26、壓部分。檢查主軸箱內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)機(jī)床的換檔機(jī)構(gòu)的撥叉松動(dòng)，在地速檔時(shí)，由于撥叉向下動(dòng)作，可以通過(guò)自重落下，因此機(jī)床可以正常工作；換高速檔時(shí)，撥叉向上運(yùn)動(dòng)，撥出后不能插入齒輪。經(jīng)重新安裝后，機(jī)床恢復(fù)正常。3.5 工停車時(shí)發(fā)出巨大的響聲,同時(shí)車間總電源跳閘車間。分析與處理過(guò)程：通過(guò)對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行檢修發(fā)現(xiàn):(1)原自動(dòng)空氣斷路器已損壞,其中一相觸頭接觸面太小；(2)車間供電變壓器容量小,處于超負(fù)荷運(yùn)行。修好后的三相電壓僅為340V(要求電壓調(diào)至360380V)。機(jī)床調(diào)速系統(tǒng)的可控硅整流部分為三相半波反并聯(lián)控制,檢查發(fā)現(xiàn)一只可控硅燒壞。查看驅(qū)動(dòng)部分,B相正組觸發(fā)脈沖只有4.6V,而正常時(shí)的觸發(fā)脈沖為15V

27、。發(fā)現(xiàn)觸發(fā)電路中的放大復(fù)合管T3性能不好造成。換上新管子后一切正常。燒可控硅的原因分析:機(jī)床在停車降速情況下燒可控硅或燒保險(xiǎn)是由于缺相造成逆變失敗。在逆變狀態(tài)與在整流狀態(tài)下都是觸發(fā)電位較高的可控硅SCR1,同時(shí)使前一相可控硅SCR3承受反相電壓而關(guān)斷,在整流狀態(tài)下,在SCR3的關(guān)斷其間以反相阻斷狀態(tài)為主,即使后一個(gè)可控硅不觸發(fā),而SCR3到一定時(shí)刻也會(huì)因過(guò)零而自動(dòng)關(guān)斷。但若在停車降速的情況下(即逆變狀態(tài)),可控硅在關(guān)斷時(shí)有很長(zhǎng)一段時(shí)間處于正向阻斷狀態(tài)。這樣若后一個(gè)可控硅不導(dǎo)通,由于電感L的放電作用,使該可控硅再延續(xù)導(dǎo)通一個(gè)時(shí)期而進(jìn)入正半周,可控硅將繼續(xù)導(dǎo)通下去,同時(shí)也阻礙后面的可控硅導(dǎo)通。于是

28、,可控硅輸出的正向電壓與電動(dòng)機(jī)電勢(shì)迭加,產(chǎn)生很大的電流,此時(shí)產(chǎn)生的逆變顛覆,輕則燒壞保險(xiǎn)絲,重則燒壞可控硅。36 主軸驅(qū)動(dòng)單元損壞，開機(jī)后，主軸報(bào)警，顯示器顯示“主軸沒(méi)準(zhǔn)備好”。分析與處理過(guò)程：打開主軸伺服單元電箱，發(fā)現(xiàn)伺服單元無(wú)任何顯示。用萬(wàn)用表測(cè)主軸伺服驅(qū)動(dòng)BKH電源進(jìn)線供電正常，而伺服單元數(shù)碼管無(wú)顯示，說(shuō)明該單元損壞。檢查該單元供電線路，發(fā)現(xiàn)供電線路實(shí)際接線與電氣圖不符，如圖2-2所示。該單元通電啟動(dòng)時(shí)，KM5先閉合，23s后，KM6閉合，將電阻R短接。電阻與扼流圈L得作用是在啟動(dòng)時(shí)防止浪涌電流對(duì)主軸單元的沖擊。實(shí)際接線中三只電阻卻接成了三相并聯(lián)形式，起不到保護(hù)作用，導(dǎo)致通電時(shí)主軸單元被

29、損壞，同時(shí)三只電阻因長(zhǎng)期通電燒糊。按電氣圖重新接線，更換新主軸單元后，機(jī)床恢復(fù)正常3。 圖2-2第四章 數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中主軸的異常及處理方法4.1 主軸發(fā)熱現(xiàn)象機(jī)床運(yùn)行中主軸發(fā)熱主要由于其轉(zhuǎn)速較高且連續(xù)工作，故摩擦熱和切削熱是主要熱源。若不盡快散熱、強(qiáng)制冷卻，控制其溫升，會(huì)使主軸發(fā)生熱變形，影響加工精度。一般處理方法是：(1)先檢查前后軸承潤(rùn)滑脂是否耗盡或涂抹過(guò)量，應(yīng)按量注入潤(rùn)滑脂；(2)再檢查前后軸承是否有損傷或混入異物，如軸承有破損應(yīng)更換新軸承；或者清除贓物，更換潤(rùn)滑脂。4.2 主軸出現(xiàn)異常噪音或振動(dòng)在主軸等速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，常會(huì)出現(xiàn)異常噪音或振動(dòng)，這種情況可能來(lái)自于主軸電機(jī)或是機(jī)械系統(tǒng)。檢查時(shí)

30、，可先使電機(jī)與主軸間的聯(lián)軸器斷開使電機(jī)空載運(yùn)行，若仍有噪音，則原因出在主軸電機(jī)，否則為機(jī)械系統(tǒng)中主軸箱內(nèi)機(jī)械部件故障。(1)機(jī)械系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行檢查 檢查主軸軸承的潤(rùn)滑情況，是否缺少潤(rùn)滑脂，如果缺少應(yīng)按量補(bǔ)充； 主軸驅(qū)動(dòng)皮帶輪是否存在轉(zhuǎn)動(dòng)不平衡狀況；檢查動(dòng)平衡塊是否松動(dòng)或脫落，如需要，應(yīng)對(duì)平衡塊進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；(2)對(duì)于交流主軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)出現(xiàn)的異常噪聲及振動(dòng)，維修時(shí)可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行處理：首先確定異常噪音或振動(dòng)是在什么狀態(tài)下發(fā)生的，如在減速過(guò)程中發(fā)生，則是再生回路故障，應(yīng)重點(diǎn)檢查再生回路的晶體管模塊是否損壞，保險(xiǎn)是否熔斷；若在等速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生噪音或振動(dòng)，則先檢查反饋電壓是否

31、正常，然后在突然切斷指令的情況下，觀察電機(jī)自由停車過(guò)程中是否有異常噪音或振動(dòng)。若有，則故障出現(xiàn)在機(jī)械部分，否則故障出現(xiàn)在印制線路板上。若反饋電壓不正常，則進(jìn)一步檢查振動(dòng)周期是否與速度有關(guān)。若有關(guān)，應(yīng)檢查主軸與主軸電機(jī)連接是否完好，電機(jī)軸承或主軸電機(jī)與主軸聯(lián)軸器是否正常，主軸箱內(nèi)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合是否良好，以及安裝在交流主軸電機(jī)尾部的脈沖發(fā)生器是否工作正常。若無(wú)關(guān)，故障多數(shù)是由于速度控制回路調(diào)整不當(dāng)引起的，或連接器接觸不良，或電機(jī)內(nèi)部存在機(jī)械故障。4.3切削時(shí)主軸出現(xiàn)停轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)現(xiàn)象數(shù)控機(jī)床在切削加工時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速不穩(wěn)或突然停轉(zhuǎn)現(xiàn)象，一般從以下方面處理：(1)首先觀察主軸伺服系統(tǒng)是否有報(bào)警顯示。若有，可按報(bào)警提示的內(nèi)容采取相應(yīng)措施，若無(wú)則應(yīng)檢查速度指令信號(hào)是否正常，若不正常，則為系統(tǒng)側(cè)輸出有問(wèn)題或數(shù)模轉(zhuǎn)換器存在故障。(2)印制線路板設(shè)定錯(cuò)誤，控制回路調(diào)整不當(dāng)也會(huì)造成此類異常。(3)主軸不轉(zhuǎn)還可能是由于主軸位置傳感器安裝有誤。造成傳感器無(wú)法發(fā)出檢測(cè)信號(hào)而引起的。此時(shí)應(yīng)調(diào)整傳感器的安裝位置，并檢查連接電纜是否存在接觸不良等故障。(4)若主軸電機(jī)不存在故障，則應(yīng)檢查主軸箱內(nèi)機(jī)械傳動(dòng)部件。此類故障多發(fā)生在主軸箱內(nèi)使用皮帶傳動(dòng)的機(jī)床上，檢查電機(jī)與主軸連接皮帶是否過(guò)松，皮帶表面是否沾染油污，皮帶是否老化變形。如皮