數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)及其故障診斷與維修

數(shù)控機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)及其故障診斷與維修第1頁/共39頁導(dǎo)讀：數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)得提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。數(shù)字控制機(jī)床就是為了解決單件、小批量、特別是復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。第2頁/共39頁第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是1952年美國PARSONS公司與麻省理工學(xué)院（MIT）合作研制的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，可用于加工復(fù)雜曲面零件。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展先后經(jīng)歷了電子管（1952年）、晶體管（1959年）、小規(guī)摸集成電路（1965年）、大規(guī)模集成電路及小型計(jì)算機(jī)（1970年）和微處理機(jī)或微型機(jī)算機(jī)（1974年）等五代數(shù)控系統(tǒng)。第3頁/共39頁二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)1高速化采用高速的32位以上的微處理器，可提高數(shù)控系統(tǒng)的分辨率及實(shí)現(xiàn)連續(xù)小程序段的高速、高精加工。日本產(chǎn)的FANUC15系統(tǒng)開發(fā)出64位CPU系統(tǒng)，能達(dá)到最小移動(dòng)單位0.1um時(shí)，最大進(jìn)給速度為100m/min。2多功能化第4頁/共39頁3智能化：引進(jìn)了自適應(yīng)控制技術(shù).自適應(yīng)控制（AdaptiveControl，簡稱AC）技術(shù)是能調(diào)節(jié)在加工過程中所測得的工作狀態(tài)特性，且能使切削過程達(dá)到并維持最佳狀態(tài)的技術(shù)。4高精度化：通過減少數(shù)控系統(tǒng)誤差和采用補(bǔ)償技術(shù)可提高數(shù)控機(jī)床的加工精度。5高可靠性：通過提高數(shù)控系統(tǒng)的硬件質(zhì)量，采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化來提高其可靠性。第5頁/共39頁緒論一、數(shù)控機(jī)床的分類第6頁/共39頁⑴金屬切削類指采用車、銑、撞、鉸、鉆、磨、刨等各種切削工藝的數(shù)控機(jī)床。它又可被分為以下兩類。①普通型數(shù)控機(jī)床如數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床等。②加工中心其主要特點(diǎn)是具有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的刀具庫，工件經(jīng)一次。裝夾后，通過自動(dòng)更換各種刀具，在同一臺(tái)機(jī)床上對(duì)工件各加工面連續(xù)進(jìn)行銑（車）鍵、鉸、鉆、攻螺紋等多種工序的加工，如（幢／銑類）加工中心、車削中心、鉆削中心等第7頁/共39頁⑵金屬成型類指采用擠、沖、壓、拉等成型工藝的數(shù)控機(jī)床，常用的有數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控折彎機(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控旋壓機(jī)等。⑶特種加工類主要有數(shù)控電火花線切割機(jī)、數(shù)控電火花成型機(jī)、數(shù)控火焰切割機(jī)、數(shù)控激光加工機(jī)等。⑷測量、繪圖類主要有三坐標(biāo)測量儀、數(shù)控對(duì)刀儀、數(shù)控繪圖儀等。第8頁/共39頁

2按運(yùn)動(dòng)方式分類（1）點(diǎn)位控制系統(tǒng)（PositioningControl）只控制刀具從一點(diǎn)到另一點(diǎn)的位置，而不控制移動(dòng)軌跡，在移動(dòng)過程中刀具不進(jìn)行切削加工。

刀具的三種路徑（1）（2）（3）XYZ第9頁/共39頁（2）直線控制系統(tǒng)（Straight-lineControl）是控制刀具或機(jī)床工作臺(tái)以給定的速度，沿平行于某一坐標(biāo)軸方向，由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)，并且在移動(dòng)過程中進(jìn)行直線切削加工。第10頁/共39頁（3）輪廓控制系統(tǒng)（ContourControl）是對(duì)兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)軸同時(shí)進(jìn)行連續(xù)控制，并能對(duì)機(jī)床移動(dòng)部件的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，即要控制加工的軌跡，加工出要求的輪廓。其運(yùn)動(dòng)軌跡是任意斜率的直線、圓弧、螺旋線等。第11頁/共39頁3、按控制方式分類（1）開環(huán)控制（OpenLoopControl）即不帶位置測量元件，數(shù)控裝置根據(jù)控制介質(zhì)上的指令信號(hào)，經(jīng)控制運(yùn)算發(fā)出指令脈沖，使伺服驅(qū)動(dòng)元件轉(zhuǎn)過一定的角度，并通過傳動(dòng)齒輪、滾珠絲杠螺母副，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如工作臺(tái)）移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。特點(diǎn)是沒有來自位置測量元件的反饋信號(hào)，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作情況不進(jìn)行檢查，指令流向?yàn)閱蜗?，控制精度較低。第12頁/共39頁

開環(huán)控制驅(qū)動(dòng)裝置工作臺(tái)數(shù)控裝置控制介質(zhì)指令脈沖伺服電機(jī)齒輪箱第13頁/共39頁（2）閉環(huán)控制（ClosedLoopControl）是將位置檢測裝置安裝于機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件上，加工中將測量到的實(shí)際位置值反饋。另外通過與伺服電機(jī)剛性連接的測速元件，隨時(shí)實(shí)測驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，得到速度反饋信號(hào)，并與速度指令信號(hào)相比較，其比較的差值對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨時(shí)進(jìn)行校正，直至實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件工作臺(tái)的最終精確定位。第14頁/共39頁

閉環(huán)控制測速元器件位移指令位移反饋速度反饋位置檢測裝置工作臺(tái)第15頁/共39頁（3）半閉環(huán)控制（Semi-ClosedLoopControl）是將位置檢測裝置安裝于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)軸端或安裝于傳動(dòng)絲杠端部，間接地測量移動(dòng)部件（工作臺(tái)）的實(shí)際位置或位移。第16頁/共39頁半閉環(huán)控制測速元器件位移指令位移反饋速度反饋位置檢測裝置工作臺(tái)第17頁/共39頁4、按控制聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸數(shù)分類二軸聯(lián)動(dòng)：主要用于數(shù)控車床加工旋轉(zhuǎn)曲面或數(shù)控銑床加工曲線柱面。如圖1-4所示。第18頁/共39頁②二軸半聯(lián)動(dòng)主要用于三軸以上機(jī)床的控制，其中兩根軸可以聯(lián)動(dòng)，而另外一根軸可以作周期勝進(jìn)給。圖1-5所示為采用這種方式用行切法加工三維空間曲面。第19頁/共39頁③三軸聯(lián)動(dòng)：一般分為兩類，一類就是X、y、Z三個(gè)直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，比較多的用于數(shù)控銑床、加工中心等，如圖16所示用球頭銑刀銑切三維空間曲面．另一類是除了同時(shí)控制X、Y、Z中兩個(gè)直線坐標(biāo)外，還同時(shí)控制圍繞其中某一直線坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸。如車削加工中心，它除了縱向（Z軸）、橫向（X軸）兩個(gè)直線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)外，還需同時(shí)控制圍繞Z軸旋轉(zhuǎn)的主軸（C軸）聯(lián)動(dòng)。第20頁/共39頁④四軸聯(lián)動(dòng)：同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)直線坐標(biāo)軸與某一旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)，圖17所示為同時(shí)控制x、Y、Z三個(gè)直線坐標(biāo)軸與一個(gè)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床。第21頁/共39頁⑤五軸聯(lián)動(dòng)：除同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)育線坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)外．還同時(shí)控制圍繞這這些直線坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的A、B、C坐標(biāo)軸中的兩個(gè)坐標(biāo)軸，形成同時(shí)控制五個(gè)軸聯(lián)動(dòng)這時(shí)刀具可以被定在空間的任意方向．如圖18所示．比如控制刀具同時(shí)繞x軸和Y軸兩個(gè)方向擺動(dòng)，使得刀具在其切削點(diǎn)上始終保持與被加工的輪廓曲面成法線方向，以保證被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，減小被加工表面的粗糙度第22頁/共39頁二、數(shù)控機(jī)床的組成

數(shù)控機(jī)床由數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、檢測反饋裝置和機(jī)床本體四大部分組成，再加上程序的輸入/輸出設(shè)備、可編程控制器、電源等輔助部分。

1.數(shù)控裝置(數(shù)控系統(tǒng)的核心)由硬件和軟件部分組成，接受輸入代碼經(jīng)緩存、譯碼、運(yùn)算插補(bǔ)）等轉(zhuǎn)變成控制指令，實(shí)現(xiàn)直接或通過PLC對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)裝置的控制。

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2.伺服驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控裝置和機(jī)床主機(jī)之間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，接受數(shù)控裝置的生成的進(jìn)給信號(hào)，經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)主機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。

3.檢測反饋裝置是通過檢測元件將執(zhí)行元件（電機(jī)、刀架）或工作臺(tái)的速度和位移檢測出來，反饋給數(shù)控裝置構(gòu)成閉環(huán)或半閉環(huán)系統(tǒng)。

4.機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件（床身箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸和進(jìn)給機(jī)構(gòu)等。第24頁/共39頁三、數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)維護(hù)及維修的基本知識(shí)1、數(shù)控機(jī)床機(jī)械機(jī)構(gòu)的維護(hù)（1）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的維護(hù)和保養(yǎng)對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行日常維護(hù)與保養(yǎng)，可以延長電氣元件的使用壽命，防止機(jī)械部件的非正常磨損，避免發(fā)生意外的惡性事故，使機(jī)床始終保持良好的狀態(tài)，盡可能地保持長時(shí)間的穩(wěn)定工作，延長無故障時(shí)間。做好數(shù)控機(jī)床日常維護(hù)保養(yǎng)如：數(shù)控機(jī)床長期不用時(shí)最重要的日常維護(hù)工作是通電第25頁/共39頁（2）機(jī)械部件檢查調(diào)試1）機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸傳動(dòng)鏈的檢查調(diào)整。2）各運(yùn)動(dòng)軸精度的檢查調(diào)整。3）減速莊塊的檢查調(diào)整4）液壓系統(tǒng)的檢查調(diào)整。5）氣動(dòng)系統(tǒng)的檢查調(diào)整。6）潤滑部分的檢查調(diào)整。

第26頁/共39頁四、數(shù)控機(jī)床故障維修基本知識(shí)

1.故障的基本概念故障—數(shù)控機(jī)床全部或部分喪失原有的功能。故障診斷—在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中，根據(jù)設(shè)備的故障現(xiàn)象，在掌握數(shù)控系統(tǒng)各部分工作原理的前提下，對(duì)現(xiàn)行的狀態(tài)進(jìn)行分析，并輔以必要檢測手段，查明故障的部位和原因。提出有效的維修對(duì)策。第27頁/共39頁

2.故障的分類

1）從故障的起因分類關(guān)聯(lián)性故障—和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)或性能等缺陷有關(guān)而造成（分固有性和隨機(jī)性）。非關(guān)聯(lián)性故障—和系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)與制造無關(guān)的故障。

2）從故障發(fā)生的狀態(tài)分類突然故障—發(fā)生前無故障征兆，使用不當(dāng)。漸變故障—發(fā)生前有故障征兆，逐漸嚴(yán)重。第28頁/共39頁

3）按故障發(fā)生的性質(zhì)分類軟件故障—程序編制錯(cuò)誤、參數(shù)設(shè)置不正確、機(jī)床操作失誤等引起。硬件故障—電子元器件、潤滑系統(tǒng)、限位機(jī)構(gòu)、換刀系統(tǒng)、機(jī)床本體等硬件損壞造成。干擾故障—由于系統(tǒng)工藝、線路設(shè)計(jì)、電源地線配置不當(dāng)?shù)纫约肮ぷ鳝h(huán)境的惡劣變化而產(chǎn)生。第29頁/共39頁

4）按故障的嚴(yán)重程度分類危險(xiǎn)性故障—數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，機(jī)床安全保護(hù)系統(tǒng)在需要?jiǎng)幼鲿r(shí)，因故障失去保護(hù)動(dòng)作，造成人身或設(shè)備事故。安全性故障—機(jī)床安全保護(hù)系統(tǒng)在不需要?jiǎng)幼鲿r(shí)發(fā)生動(dòng)作，引起機(jī)床不能起動(dòng)。

第30頁/共39頁3.數(shù)控系統(tǒng)的可靠性數(shù)控機(jī)床除了具有高精度、高效率和高技術(shù)的要求外，還應(yīng)該具有高可靠性。衡量的指標(biāo)有：

MTBF—平均無故障時(shí)間

MTTR—排除故障的修復(fù)時(shí)間平均有效度A：

A=MTBF/（MTBF+MTTR）第31頁/共39頁數(shù)控設(shè)備使用壽命—故障頻率曲線第32頁/共39頁

4.數(shù)控機(jī)床維修的特點(diǎn)

1）數(shù)控機(jī)床是高投入、高精度、高效率的自動(dòng)化設(shè)備；

2）一些重要設(shè)備處于關(guān)鍵的崗位和工序，因故障停機(jī)時(shí)，影響產(chǎn)量和質(zhì)量；

3）數(shù)控機(jī)床在電氣控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)比普通機(jī)床復(fù)雜，故障檢測和診斷有一定的難度。第33頁/共39頁五、數(shù)控診斷技術(shù)的發(fā)展

1.通訊診斷(遠(yuǎn)程、海外診斷）用戶機(jī)床的通訊口通過電話線和維修中心的專用通訊診斷計(jì)算機(jī)相連。計(jì)算機(jī)發(fā)診斷程序用戶測試數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)診斷結(jié)果和處理方法