1、數控機床主運動故障淺析 - 1 - 1 -摘要摘要隨著制造技術的發展，對現代數控機床的要求越來越高，借助現代設計技術、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態性能、加工精度和可靠性有了極大的提高，我國機床工業不能安于現狀，必須改變觀念，立足創新，迎頭趕上。 數控機床是現代制造業的關鍵設備，一個國家數控機床的產量和技術水平在某種程度上就代表這個國家的制造業水平和競爭力。我國數控系統在技術上已趨于成熟，在重大關鍵技術，已達到國際先進水平。自“七五”以來，國家一直把數控系統的發展作為重中之重來支持，現已開發出具有中國版權的數控系統，掌握了國外一直對我國封鎖的一些關鍵技術。 數控技術的應用不但給

2、傳統制造業帶來了革命性的變化，使制造業成為工業化的象征，而且隨著數控技術的不斷發展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(IT、汽車、輕工、醫療等)的發展起著越來越重要的作用，因為這些行業所需裝備的數字化已是現代發展的大趨勢。AbstractAlong with the development of manufacturing technology, and to the requirements of the modern numerical control machine more and more high, with the modern design technology, p

3、rocesses and new functional unit intensive machine processing range, dynamic properties, processing precision and reliability has improved tremendously, our country machine tool industry cant status quo, must change the idea, based on innovation, catch up.Numerical control machine tool is the modern

4、 manufacturing the key equipment, a country the output of nc machine tools and technology level in some extent is 數控機床主運動故障淺析 - 2 - 2 -representative of the countrys manufacturing level and competitiveness. China CNC system in ripe, technology has in major key technology, has reached the internation

5、al advanced level. Since the seventh five-year plan, the state has since the numerical control system development as a top priority to support, has been developed out of the numerical control system with Chinese copyright, the master of our country has been abroad block off some key technology.Not o

6、nly the numerical control technology application for the traditional manufacturing industry has brought the revolutionary change, make the manufacturing industry to become the symbol of industrialization, and along with numerical control technology unceasing development and application domain expans

7、ion, IT to national economy and the peoples livelihood some important industry (IT, automobile, light industry, medical treatment, the development of playing a more and more important role, because these industry equipment IT needs the digitization already is the modern development trends.目錄目錄摘要摘要.

8、1 英文摘要英文摘要.2第一章第一章 緒論緒論1.11.1 數控車床的產生與發展數控車床的產生與發展3 31.21.2 數控車床的組成及工作原理數控車床的組成及工作原理3 3 1.2.11.2.1 數控機床的組成數控機床的組成4 41.31.3 數控機床的工作原理數控機床的工作原理44第第 二二 章章 數數控控車車床床主主傳傳動動系系統統簡簡介介及及控控制制7 72.12.1 數控機床對主傳動系統的要求數控機床對主傳動系統的要求 77數控機床主運動故障淺析 - 3 - 3 -2.22.2主軸驅動裝置的工作原主軸驅動裝置的工作原 8 8 2.2.12.2.1 電主軸驅動的介紹及特點電主軸驅動的介

9、紹及特點 8 82.2.22.2.2 電主軸電機驅動特點電主軸電機驅動特點9 92.2.32.2.3電主軸及其電動機工作原理電主軸及其電動機工作原理10102.32.3主軸準停控制主軸準?？刂?10102.3.12.3.1主軸準?？刂圃跀悼貦C床上的作用主軸準停控制在數控機床上的作用10102.3.22.3.2機械準?？刂茩C械準?？刂?1112.3.32.3.3電器準停控制電器準?？刂?212第三章第三章 數控車床主傳動系統及主軸部件數控車床主傳動系統及主軸部件1313 3.13.1 主軸傳動的配置方式主軸傳動的配置方式 1414 3.23.2 主軸組件的潤滑與密封主軸組件的潤滑與密封.16 3

10、.33.3 間隙誤差對主運動的影響及排除間隙誤差對主運動的影響及排除 .18.18第四章第四章 數控車床主運動常見故障與排除方法數控車床主運動常見故障與排除方法 20204.14.1 主軸傳動常見故障與淺析主軸傳動常見故障與淺析 20204.24.2 傳動機構常見故障與維修傳動機構常見故障與維修 2323 4.34.3 其他輔助結構對主傳動的影響其他輔助結構對主傳動的影響 2828第五章第五章 總結與展望總結與展望 3434參考文獻參考文獻 3535后后 記（致謝）記（致謝） 3636數控機床主運動故障淺析 - 4 - 4 -第一章緒論第一章緒論1.11.1 數控機床的產生與發展數控機床的產生

11、與發展 數控機床是一種高效能自動加工機床，是一種典型的機電一體化產品。與普通機床相比，數控機床具有如下一些優點：易于加工異型復雜零件；提高生產率；可以實現一機多用，多機看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數量；可以大大減輕工人勞動強度，減少所需工人數量等?；仡檾悼丶夹g的發展已經經歷了兩個階段，六代的發展歷程。第一個階段叫做 NC 階段，經歷了電子管、晶體管、和小規模集成電路三代。自 1970 年開始小型計算機開始用于數控系統就進入了第二個階段，叫做 CNC 階段，成為第四代數控系統

12、：從 1974 年微處理器開始用于數控系統即發展到第五代。經過十多年的發展，數控系統從性能到可靠性都得到了根本性的提高。實際上從 20 世紀末期直到今天，在生產中使用的數控系統大部分都是第五代數控系統。但第五代數控系統以及以前各代都是一種專用封閉的系統，而第六代開放式數控系統將代表著數控系統的未來發展方向，將在現代制造業中發揮越來越重要的作用。1.21.2 數控車床的組成及工作原數控車床的組成及工作原1.2.11.2.1 數控機床的基本結構組成數控機床的基本結構組成電 氣 回 路輔 助 裝 置PLC主軸伺服單元操 作 面 板主軸驅動裝置進給驅動裝置測量反饋裝置進給伺服單元輸入/輸出設 備計算機

13、數 控裝 置機 床 本 體 數控車床又稱為 CNC 車床，即用計算機數字控制的車床，也是目前使用較為廣泛的數控機床之一。數控車床是將編制好的加工程序輸送到數控系統中由數控系統通過 5 個坐標伺服電機去控制車床進給運動部件的動作順序、移動量和進給速度，再配以主軸的轉速和轉向，便能加工出各種形狀不同的軸類或片類回轉體零件。(1)車床主機 車床主機指的是數控車床的機械部件，主要包括床身、主軸箱、刀架、尾座、進給傳動機構等。數控機床主運動故障淺析 - 5 - 5 -(2)數控系統 數控系統(有時稱為控制系統)是數控車床的控制核心。其主要部分是一臺計算機，這臺計算機與我們通常使用的計算機從構成上講基本是

14、相同的，其中包括CPU(中央處理器)、存儲器、CPT(顯示器)等部分數控系統中用的計算機一般是專用計算機也有一些是工業控制用計算機(工控機)。(3)驅動系統 驅動系統是數控車床切削工作的動力部分，主要實現主運動和進給運動。在數控車床中，驅動系統稱為伺服系統，由伺服驅動電路和驅動裝置兩大部分組成。伺服驅動電路的作用是接受指令，經過軟件的處理，推動驅動裝置運動。驅動裝置主要由主軸電機、進給系統的步進電機或交直流伺服電機等組成。(4)輔助裝置 與普通車床相類似，輔助裝置是指數控車床中一些為加工服務的配套部分，如液壓、氣動裝置、冷卻、照明、潤滑、防護和排屑裝置等。(5)機外編程囂 由于數控車床經常用于

15、加工一些復雜的零件，比如加工工具有復雜母線的回轉體零件等，所以有一些加工程序會比較復雜。如果在車床上編制這些加工程序，一方面要占用大量的機時，另一方面在程序的編制過程中容易發生錯誤，于是機外編程器就應運而生了。機外編程器是在普通的計算機上安裝一套編程軟件，使用這套編程軟件以及相應的后置處理軟件，就可吼在機外編制加工程序。通過車床控制系統上的通信接口或其他存儲介質(如軟盤、光盤等)，把編制的加工程序輸到車床的控制系統中，完成零件的加工。 1.31.3 數控機床的工作原理數控機床的工作原理按照零件加工的技術要求和工藝要求，編寫零件的加工程序，然后將加工程序輸入到數控裝置，通過數控裝置控制機床的主軸

16、運動、進給運動、更換刀具，以及工件的夾緊與松開，冷卻、潤滑泵的開與關，使刀具、工件和其它輔助裝置嚴格按照加工程序規定的順序、軌跡和參數進行工作，從而加工出符合圖紙要求的零件。數控機床主運動故障淺析 - 6 - 6 -第二章第二章 數數控控車車床床主主運運 動動系系統統簡簡介介及及控控制制2.12.1 數控機床對主傳動系統的要求數控機床對主傳動系統的要求主軸驅動系統是數控機床的重要組成部分之一。在數控機床上，主軸夾持工件或刀具旋轉，直接參加表面成形運動。主軸部件的剛度、精度、抗震性和熱變形直接影響加工零件的精度和表面質量。主運動的轉速高低及轉速范圍，傳動功率大小和動力特性，決定了數控機床的切削效

17、率和加工工藝能力。在 20 紀 60-70 年代，數控機床的主軸一般采用三相感應電動機配上多級齒輪變速箱實現有級變速的驅動方式。隨著刀具技術、生產技術、加工工藝以及生產效率的不斷發展，上述傳統的主軸驅動已不能滿足生產的需要?，F代數控機床對主軸傳動提出了更高的要求：1、調速范圍寬并實現無極調速 為保證加工時選用合適的切削用量，以獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。特別對于具有自動換刀功能的數控加工中心，為適應各種刀具、工序和各種材料的加工要求，對主軸的調速范圍要求更高，要求主軸能在較寬的轉速范圍內根據數控系統的指令自動實現無級調速，并減少中間傳動環節，簡化主軸箱。目前主軸驅動裝置的恒轉矩調速范

18、圍已可達 1100，恒功率調速范圍也可達130，一般過載 1.5 倍時可持續工作達到 30min。主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，其中有級變速僅用于經濟型數控機床，大多數數控機床均采用無級變速或分段無級變速。在無級變速中，變頻調速主軸一般用于普及型數控機床，交流伺服主軸則用于中、高檔數控機床。2、恒功率范圍要寬 主軸在全速范圍內均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內提供主軸電動機的最大功率。由于主軸電動機與驅動裝置的限制，主軸在低速段均為恒轉矩輸出。為滿足數控機床低速、強力切削的需要，常采用分級無級變速的方法（即在低速段采用機械減速裝置），以擴大輸出轉矩。3、具有 4

19、 象限驅動能力 要求主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短。目前一般伺服主軸可以在 1 秒內從靜止加速到 6000r/min。4、具有位置控制能力 即進給功能（C 軸功能）和定向功能（準停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及車削中心的某些加工工藝的需要。5、具有較高的精度與剛度，傳動平穩，噪音低。 數控機床主運動故障淺析 - 7 - 7 -數控機床加工精度的提高與主軸系統的精度密切相關。為了提高傳動件的制造精度與剛度，采用齒輪傳動時齒輪齒面應采用高頻感應加熱淬火工藝以增加耐磨性。最后一級一般用斜齒輪傳動，使傳動平穩。采用帶傳動時應采用齒型帶。應采用

20、精度高的軸承及合理的支撐跨距，以提高主軸的組件的剛性。在結構允許的條件下，應適當增加齒輪寬度，提高齒輪的重疊系數。變速滑移齒輪一般都用花鍵傳動，采用內徑定心。側面定心的花鍵對降低噪聲更為有利，因為這種定心方式傳動間隙小，接觸面大，但加工需要專門的刀具和花鍵磨床。6、良好的抗振性和熱穩定性。 數控機床加工時，可能由于持續切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因引起沖擊力和交變力，使主軸產生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至可能損壞刀具和主軸系統中的零件，使其無法工作。主軸系統的發熱使其中的零部件產生熱變形，降低傳動效率，影響零部件之間的相對位置精度和運動精度，從而造

21、成加工誤差。因此，主軸組件要有較高的固有頻率，較好的動平衡，且要保持合適的配合間隙，并要進行循環潤滑2.22.2 主軸驅動裝置的工作原理主軸驅動裝置的工作原理2.2.12.2.1電主軸驅動的介紹及特點電主軸驅動的介紹及特點電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內置編碼器、換刀裝置等。 電主軸所融合的技術： 高速軸承技術：電主軸通常采用復合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承，或靜壓軸承，內外圈不接觸，理論上壽命無限長 。 高速電機技術：電主軸是電機與主軸融合在一起的產物，電機的轉子即為主軸的旋轉部分，理論上可以把電主

22、軸看作一臺高速電機，其關鍵技術是高速度下的動平衡。 潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應的速度要打折扣。 所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油，所謂定量，就是通過一個叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。 而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉時會因油的阻力而發熱。 冷卻裝置：為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環冷數控機床主運動故障淺析 - 8 - 8 -卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。 內置脈沖編碼器：為了實現自動換刀以及剛性攻絲，電主軸

23、內置一脈沖編碼器，以實現準確的相位控制以及與進給的配合。 自動換刀裝置：為了適用于加工中心，電主軸配備了能進行自動換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸電主軸發展趨勢就是：以專業廠家生產的高質量的電主軸取代各機床廠家自己生產的傳統主軸，電主軸將會像直線導軌一樣成為機床標準部件。而設計生產的高轉速電主軸具有以下特點： 起動性能好，力矩大，效率高； 分別采用日本、德國、法國生產的精密鋼珠軸承，超精密陶瓷球軸承； 結構可靠、密封性能優良、精度高，使用壽命長； 噪音低、振動小、運轉平穩； 迅速、定位準確的自動換刀； 高端產品采用磁懸浮軸承，交流永磁同步電動機。2.2.22.2.2電主軸電機驅動特點電主軸電機

24、驅動特點（1）PCB用高速電機是一種電機轉子和主軸合二為一的高速精密主軸功能部件，變頻無級調速，運轉平穩可靠，具有較好的負載特性，密封性能好，電機采用風冷。主要用于高速木工銑削和雕刻。1、高速電主軸承全部采用C級高速角接觸球軸承，軸向設有預加負荷，提高主軸在高速旋轉下的支承剛度和磨削精度。 2、采用精密鋼球保持電主軸在高速磨削時的回轉精度。 3、電主軸按不同轉速用途可采用高速油脂及油霧潤滑兩種方式。 4、電主軸高速旋轉引起的溫升，采用冷卻液循環系統進行消除。（2）、PCB 用高速電機概述 PCB 電主軸是一種電機轉子和主軸合二為一的高速精密主軸功能部件，變頻無級調速，運轉平穩可靠，具有較好的負

25、載特性，密封性能好，電機采用風冷。主要用于高速木工銑削和雕刻。（3）、PCB 用高速電機的油霧潤滑 油霧潤滑具有潤滑和冷卻雙重作用，它以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后把其輸送到需要潤滑的位置。油霧潤滑所需設備簡單，維修方便，價格比較便宜，是一種普遍使用的高速電主軸潤滑方式。但它有污染環境，油數控機床主運動故障淺析 - 9 - 9 -耗比較高等缺點。隨著人們對環保要求的提高，油霧潤滑方式必將逐漸被淘汰。（4）、PCB 用高速電機熱源分析 PCB 電主軸有兩個主要的內部熱源：內置電動機的發熱和主軸軸承的發熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使

26、用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。 電主軸由于采用內藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機在實現能量轉換過程中，內部產生功率損耗，從而使電機發熱。研究表明，在電機高速運轉條件下，有近 1/3 的電機發熱量由電機轉子產生，并且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中；其余 2/3 的熱量產生于電機的定子。所以，對電機產生發熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環流動來實行強制冷卻。典型的冷卻系統是用外循環水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。2.2.32.2.3 電主軸及其電機工作原理電主軸及其電機工作原理電主軸的基本

27、結構和工作原理 高速主軸單元是高速加工機床最為關鍵的部件。高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸、水動 主軸。不同類型輸出功率相差較大，高速加工機床主軸需要在極短的時間內實現升降速，并在指定 位置快速準停。這就需要主軸有很高的角減速度和角加速度。如果通過皮帶等中間環節，不僅會在 高速狀態下打滑、產生振動和噪音，而且增加轉動慣量，給機床快速準停造成很大困難。目前，多數高速機床主軸采用內裝式主軸電機一體化的主軸單元，即所謂內裝式電機主軸，簡稱“電主軸” 。它采用無外殼電機，將帶有冷卻套的電機定子裝配 在主軸單元的殼體內，轉子和機床主軸的旋轉部件做成一體，主軸的變速范圍可由變頻交流電機控制，使變頻

28、電機和機床主軸合二為一。2.32.3主軸準?？刂浦鬏S準?？刂?.3.12.3.1主軸準?？刂圃跀悼貦C床上的作用主軸準?？刂圃跀悼貦C床上的作用主軸準停功能又稱為主軸定位功能，即當主軸停止時，控制其停于固定位置，這是實現自動換刀所必須的功能。在自動換刀的鏜銑加工中心上，切削的轉距通常是通過刀杠的端面鍵來傳遞的，這就要求主軸具有準確定位于圓周上特定角度的功能。當加工階梯孔或精鏜孔后退刀時，為防止刀具與小階梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面必須先讓刀，再退刀，而要讓刀具必須要有準停功能。準停功能分為機械式準停和電氣式準停。數控機床為了完成 ATC（刀具自動交換）的動作過程，必須設置主軸準停機構。 由于刀具

29、裝在主軸上，切削時切削轉矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端設置一個突鍵，當刀具裝入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順數控機床主運動故障淺析 - 10 - 10 -利換刀； 為此，主軸必須準確停在某 固定的角度上。由此可知主軸準停是實 現ATC 過程的重要環節 有 2 種方式，即機械式與電氣式 機械方式：(1)機械凸輪機構 (2)光電盤方式 進行粗定位，然后有一個液動或氣動的定位銷插入主軸上的銷孔或銷槽實現精確定位，完成換刀后定位銷退出，主軸才開始旋轉。 采用這種傳統方法定位，結構復雜，在早期數控機床上使用較多。主軸準停有時不準如何解決？ 反復執行 M19 定位查看是否頻繁的

30、出現準停不準的現象 1.如果每次都不準，但每次準停的位置相同，就通過調整參數進行修正，伺服主軸在系統參數上調整，變頻主軸在變頻器上調整 2.如果偶爾出現不準，且偏差不大，檢查電機定位系統，如果有外部定位開關的，先檢查定位開關的靈敏性，如果沒有檢查伺服與電機編碼器線 3.如果頻繁出現，且定位偏差每次不一樣，時大時小，通常是應用內部定位的，檢查電機與主軸的連接，是否出現松動不同步的情況。2.3.22.3.2機械準?？刂茩C械準?？刂浦鬏S準停指使主軸準確停止在某一固定位置，以便加工中心在該處換刀等操作?，F代數控機床中，一般采用電氣控制方式使主軸定向，只要數控裝置發出 M19 主軸準停指令，主軸就能準確

31、的定向。它是利用安裝在主軸上的主軸位置編碼器或接近開關(如磁性接近開關、光電開關等)作為位置反饋元件，控制主軸準確的停止在規定的位置上。 主軸準停控制，實際上是在主軸速度控制的基礎上，增加一個位置控制環。下圖分別為采用主軸位置編碼器或磁性開關兩種方案的原理圖。采用磁性傳感器時，磁性元件直接安裝于主軸上，而磁性傳感頭則固定在主軸箱上，為減少干擾，磁性傳感頭與放大器之間的連線需采用屏蔽線，且連線越短越好。采用位置編碼器時，若安裝不方便，可通過 11 齒輪聯接。這兩種方案要依機床實際情況來選用。 主軸準?？刂圃韴D主軸位置編碼器的工作原理和光電脈沖編碼器相同，但其線紋是 1024 條/周，經 4 倍

32、頻細分電路細分為 4096 個脈沖/轉，輸出信號幅值為 5 伏。數控機床主運動故障淺析 - 11 - 11 -數控機床為了完成 ATC（刀具自動 交換）的動作過程，必須設置主軸準停 機構。 由于刀具裝在主軸上，切削時 切削轉矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞， 因此在主軸前端設置一個突鍵，當刀具裝入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順利換刀； 為此，主軸必須準確停在某固定的角度上。由此可知主軸準停是實現 ATC 過程的重要環節 。2.3.32.3.3 電器準?？刂疲弘娖鳒释？刂疲壕碗姎饪刂贫?，機床主軸的控制是有別于機床伺服軸的。一般情況下，機床主軸的控制系統為速度控制系統，而機床伺服軸的控

33、制系統為位置控制系統。換句話說，主軸編碼器一般情況下不是用于位置反饋的（也不是用于速度反饋的） ，而僅作為速度測量元件使用，從主軸編碼器上所獲取的數據，一般有兩個用途，其一是用于主軸轉速顯示；其二是用于主軸與伺服軸配合運行的場合（如螺紋切削加工，恒線速加工，G95 轉進給等） 。 注：當機床主軸驅動單元使用了帶速度反饋的驅動裝置以及標準主軸電機時，主軸可以根據需要工作在伺服狀態。此時，主軸編碼器作為位置反饋元件使用。機床主軸，一般用于給機床加工提供動力，通常主驅動被加工工件旋轉的是車削加工，所對應的機床是車床類；主軸驅動切削工件旋轉的是銑削加工，所對應的機床是銑床類。主軸電機通常有普通電機與標

34、準主軸電機兩種（與之對應的驅動裝置也分為開環與閉環兩種） 。主軸驅動裝置，有普通變頻器和閉環主軸驅動裝置等，普通變頻器的生產廠家很多，目前市場上流行的有德國西門子公司、日本三肯、安川等。閉環主軸驅動裝置一般由各數控公司自行研制并生產，如西門子公司的 611 系列，日本發那克公司的 系列等。而現代數控機床采用 電氣方式定位較多。 (1)用磁性傳感器檢測定位 ，在主軸上安裝一個發磁體與主軸一起旋轉，在距離發磁體旋轉外軌跡 12mm 處固定一個磁傳感器，它經過放大器并與主軸控制單元相連接，當主軸需要定向時，便可停止在調整好的位置上。 (2)主軸編碼器檢測定位 ，這種方法是通過主軸電動機內置安裝的位置

35、編碼器或在機床主軸箱上安裝一個與主軸11 同步旋轉的位置編碼器來實現準?？刂?，準停角角度可任意設定。 為什么加工中心要有主軸準停？ 數控機床為了完成 ATC(刀具自動交換 )的動作過程，必須設置主軸準停機構。由于刀具裝在主軸上，切削時切削轉矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端設置一個突鍵，當刀具裝入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順數控機床主運動故障淺析 - 12 - 12 -利換刀：為此，主軸必須準確停在某固 定的角度上。由此可知主軸準停是實現ATC 過程的重要環節。 當主軸電機跟主軸之間有減速比的話， 1:10 以下（非 1:1 直連）的建議采用：(2)主軸編碼器檢測定位

36、 。第三章第三章 數控車床主傳動系統及主軸部件數控車床主傳動系統及主軸部件3.13.1 主軸傳動的配置方式主軸傳動的配置方式1、與主軸部件相連的傳動方式；（1）帶有變速齒輪的主傳動 ；a、滑移齒輪的換擋常采用液壓撥叉或者直接由液壓缸帶動，還可經由過程電磁離合器直接實現換擋這種配置方式在大、中型數控機床中采用較多。帶有變速齒輪的主傳動:大、中型數控機床采用這種變速方式。通過少數幾對齒輪降速，擴大輸出扭矩，以滿足主軸低速時對輸出扭矩特性的要求。（2）電動機與主軸直聯的主傳動； b、其特點是結構緊湊，但主軸轉速的變化及轉矩的輸出和電動機的輸出特征一致，因而使用受到一定的限定。由主軸電機直接驅動: 調

37、速電機與主軸用聯軸器同軸聯接，這種方式大大簡化了主傳動系統的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發熱對主軸精度影響較大。用兩個電動機分別驅動主軸:這是上述兩種方式的混合傳動，具有上述兩種性能。高速時電動機通過皮帶輪直接驅動主軸旋轉，低速時，另一個電動機通過兩級齒輪傳動驅動主軸旋轉，齒輪起到降速和擴大變速范圍的作用，這樣就使恒功率區增大，擴大了變速范圍?？朔说退贂r轉矩不夠且電動機功率不能充分利用的問題。但兩個電機不能同時工作，也是一種浪費。（3）采用帶傳動的形式 ；c、這種情勢可避免齒輪傳動引起的振動和噪聲，但只能用在低扭矩的情況下這種配置在小機床中經常使用。數控機床主運動

38、故障淺析 - 13 - 13 - 通過帶傳動的主傳動:這種傳動主要應用在轉速較高、變速范圍不大的機床。電動機本身的調速就能夠滿足要求，不用齒輪變速，可以避免齒輪傳動引起的振動與噪聲。它適用于高速、低轉矩特性要求的主軸。常用的是三角帶和同步齒形帶。2、主傳動的主要傳動部件結構圖 ；（1）電動機與主軸相連的傳動（電主軸的直接傳動） ；（2）三位液壓撥叉變速齒輪；（3）主軸；數控機床主運動故障淺析 - 14 - 14 -（4）編碼器；3.23.2 主軸組件的潤滑與密封主軸組件的潤滑與密封(1)主軸潤滑 為了保證主軸有良好的潤滑，減少摩擦發熱，同時又能把主軸組件熱量帶走，通常采用循環式潤滑系統。用液壓

39、泵供油強力潤滑，在油箱中使用油溫控制器控制油液溫度。近年來一部分數控機床的主軸軸承采用高級油脂封放式潤滑，每加一次油脂可以使用 710 年，簡化了結構，降低了成本且維護保養簡單，但需防止潤滑油和油脂混合，通常采用迷宮式密封方式。為了適應主軸轉速向更高速化發展的需要，新的潤滑冷卻方式相繼開發出來。這些新的潤滑冷卻方式不單減少軸承溫升，還要減少軸承內外圈的溫差, 以保證主軸的熱變形小。油氣潤滑方式：這種潤滑方式近似于油霧潤滑方式，所不同的是，油氣潤滑是定時定量地把油霧送進軸承空隙中，這樣既實現了油霧潤滑，又不至于油霧太多而污染周圍空氣；而油霧潤滑則是連續供給油霧。噴注潤滑方式：它用較大流量的恒溫油

40、(每個軸承 34L/min)噴注到主軸軸承上，以達到潤滑、冷卻的目的。這里需特別指出的是，較大流量噴注的油，不是自然回流，而是用排油泵強制排油，同時，采用專用高精度大容量恒溫油箱，油溫變動控制在0.5。(2)密封 在密封件中，被密封的介質往往是以穿漏、滲透或擴散的形式越界泄漏到密封連接處的彼側。造成泄漏的基本原因是流體數控機床主運動故障淺析 - 15 - 15 -從密封面上的間隙中溢出，或是由于密封部件內外兩側密封介質的壓力差或濃度差，致使流體向壓或濃度低的一側流動力。（2）防泄漏 在密封件中，被密封的介質往往是以穿漏、滲透或擴散的形式越界泄漏到密封連接處的彼側。造成泄漏的基本原因是流體從密封

41、面上的間隙中溢出?；蚴怯捎诿芊獠考韧鈨蓚让芊饨橘|的壓力差或濃度差，致使流體向壓力或濃度低的一側流動。列如臥式加工中心主軸前支承的密封結構。臥式加工中心主軸前支承處采用的雙層小間隙密封裝置。主軸前端車出兩組鋸齒形護油槽，在法蘭盤和上開溝槽及泄漏孔，當噴入軸承內的油液流出后被法蘭盤內壁擋住，并經過其下部的泄油孔和套筒上的回油斜孔流回油箱，少量油液沿著主軸流出時，主軸護油槽在離心力的作用下被甩至法蘭盤的溝槽內，經過回油斜孔重新流回油箱，達到了潤滑介質防泄漏的目的當外部切削液、切屑及灰塵等沿主軸與法蘭盤之間的間隙進入時，經法蘭盤的溝槽由泄漏孔排出，少量的切削液、切屑及灰塵進入前鋸齒溝槽，在主軸高速旋

42、轉的離心力作用下仍被甩至法蘭盤的溝槽內由泄油孔 7 排出，達到了主軸端部密封的目的。要使間隙密封結構能在一定的壓力和溫度范圍內具有良好的密封防泄漏性能，必須保證法蘭盤和主軸及軸承端面的配合間隙符合如下條件。法蘭盤的配合間隙應控制在 0.10.2mm（單邊）范圍內。如果間隙偏大，則泄漏量將按照間隙的 3 次方擴大；若間隙過小，由于加工及安裝的誤差，容易與主軸局部接觸使主軸局部升溫并產生聲。法蘭盤內端與軸承端面的間隙應控制在 0.150.3mm 之間。小間隙可使壓力油直接被擋住并沿法蘭盤內端面下部的泄油孔回油斜孔流回油箱。法蘭盤主軸的配合間隙應控制在 0.150.25mm（單邊）范圍內。間隙太大，

43、進入主軸內的切削液及雜物會顯著增多，間隙太小，則容易與主軸接觸。法蘭盤溝槽深度應大于 10mm（單邊），泄漏孔應大于 6mm，并位于主軸下端靠近溝槽內壁處。法蘭盤的溝槽深度應大于 12mm（單邊），主軸上的鋸齒尖而深；一般在 57mm范圍內，以確保具有足夠的甩油空間。法蘭盤處的主軸鋸齒向后傾斜，法蘭盤處的主軸鋸齒向前傾斜。法蘭盤上的溝槽與主軸上的護油槽對齊，以保證被主軸甩至法蘭盤溝槽內腔的油液能可靠地流回油箱。套筒前端的回油斜孔及法蘭盤的泄油孔流量為進油孔的 23 倍，以保證壓力油能順利地流回油箱。（3）刀具夾緊 在自動換刀機床的刀具自動夾緊裝置中，刀具自動夾緊裝置的刀桿常采用 7：24 的大

44、錐度錐柄，既利于定心，也為松刀帶來方便。用蝶形彈簧通過數控機床主運動故障淺析 - 16 - 16 -拉桿及夾頭拉住刀柄的尾部，使刀具錐柄和主軸錐孔緊密配合，夾緊力達 10000N 以上。松刀時，通過液壓缸活塞推動拉桿來壓縮蝶形彈簧，使夾頭張開，夾頭與刀柄上的拉釘脫離，刀具就可拔出進行新、舊刀具的更換，新刀裝入后，液壓缸活塞后移，新刀具又被蝶形彈簧拉緊。在活塞推動拉桿松開刀柄的過程中，壓縮空氣由噴氣頭經過活塞中心孔和拉桿中的孔吹出，將錐孔清理干凈，防止主軸錐孔中掉入切屑和灰塵，把主軸錐孔表面和刀桿的錐柄劃傷，同時保證刀具的正確位置。4.3 滾珠絲杠誤差對主運動的影響及排除；滾珠絲杠副的常見故障及

45、排除方法 序號故障現象故障原因排除方法絲桿支承軸承的壓蓋壓合情況不好調整軸承壓蓋，使其壓緊軸承端面絲桿支承軸承可能破損如軸承破損更換新軸承電動機與絲桿聯軸器松動擰緊聯軸器鎖緊螺釘絲桿潤滑不良改善潤滑條件，使潤滑油量充足1滾珠絲杠螺母副噪聲滾珠絲杠螺母副滾珠有破損更換新滾珠軸向預加載荷太大調整軸向間隙和預加載荷絲桿與導軌不平行調整絲桿支座的位置，使絲桿與導軌平行螺母軸線與導軌不平行調整螺母座的位置2滾珠絲杠運動不靈活絲桿彎曲變形校直絲桿3滾珠絲杠螺母副傳動狀況不良滾珠絲杠螺母副潤滑狀況不良用潤滑脂潤滑的絲桿需要移動工作臺取下套罩，涂上潤滑脂1 數控機床導軌副的結構及維修導軌副是機床的重要部件之一

46、，它在很大程度上決定數控機床的剛度、精度和精度保持性。數控機床導軌必需具有較高的導向精度、高剛度、高耐磨性，機床數控機床主運動故障淺析 - 17 - 17 -在高速進給時不振動、低速進給不爬行等特性。目前數控機床使用的導軌主要有 3 種：貼塑滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌。2、 滾動導軌滾動導軌作為滾動摩擦副的一類，具有以下特點：摩擦系數?。?.0030.005），運動靈活。動、靜摩擦系數基本相同，因而啟動阻力小，而且不易產生爬行。 可以預緊，剛度高；壽命長，精度高，潤滑方便。滾動導軌有多種形式，目前數控機床常用的滾動導軌為直線滾動導軌。它主要由導軌體、滑塊、滾柱或滾珠、保持器、端蓋等組成。當滑

47、塊與導軌體相對移動時，滾動體在導軌體和滑塊之間的圓弧直槽內滾動，并通過端蓋內的滾道，從工作負荷區到非工作負荷區，然后再滾動回工作負荷區，不斷循環，從而把導軌體和滑塊之間的移動變成滾動體的滾動。為防止灰塵和臟物進入導軌滾道，滑塊兩端及下部均裝有塑料密封墊，滑塊上還有潤滑油杯。3、 液體靜壓導軌液體靜壓導軌是將具有一定壓力的油液經節流器輸送到導軌面的油腔，形成承載油膜，將相互接觸的金屬表面隔開，實現液體摩擦。這種導軌的摩擦系數?。s0.0005），機械效率高；由于導軌面間有一層油膜，吸振性好；導軌面不相互接觸，不會磨損，壽命長，而且在低速下運行也不易產生爬行。但是靜壓導軌結構復雜，制造成本較高，一

48、般用于大型或重型機床。3 3.3.3 導軌副的維護導軌副的維護1、間隙調整導軌副維護很重要的一項工作是保證導軌面之間具有合理的間隙。間隙過小，則摩擦阻力大，導軌磨損加?。婚g隙過大，則運動失去準確性和平穩性，失去導向精度。下面介紹幾種間隙的調整方法。壓板調整間隙。為矩形導軌上常用的幾種壓板裝置。壓板用螺釘固定在動導軌上，常用鉗工配合刮研及選用調整墊片、平鑲條等機構，使導軌面與支承面之間的間隙均勻，達到規定的接觸點數。所示的壓板結構，如間隙過大，應修磨和刮研 B 面；間隙過小或壓板與導軌壓得太緊，則可刮研或修磨 A 面；采用鑲條式調整間隙。 鑲條調整間隙。一種全長厚度相等、橫截面為平行四邊形（用于

49、燕尾形導軌）或矩形的平鑲條，通過側面的螺釘調節和螺母鎖緊，以其橫向位移調整間隙。由于收緊數控機床主運動故障淺析 - 18 - 18 -力不均勻，故在螺釘的著力點有撓曲。條及三種用于斜鑲條的調節螺釘，以其斜鑲條的縱向位移來調整間隙。斜鑲條在全長上支承，其斜度為 1：40 或 1：100，由于鍥形的增壓作用會產生過大的橫向壓力，因此調整時應細心。壓板鑲條調整間隙。T 形壓板用螺釘固定在運動部件上，運動部件內側和 T 形壓板之間放置斜鑲條，鑲條不是在縱向有斜度，而是在高度方面做成傾斜。調整時，借助壓板上幾個推拉螺釘，使鑲條上下移動，從而調整間隙。三角形導軌的上滑動面能自動補償，下滑動面的間隙調整和矩

50、形導軌的下壓板調整底面間隙的方法相同；圓形導軌的間隙不能調整。2、滾動導軌的預緊為了提高滾動導軌的剛度，對滾動導軌應進行預緊。預緊可提高接觸剛度和消除間隙；在立式滾動導軌上，預緊可防止滾動體脫落和歪斜。常見的預緊方法有兩種。第四章第四章 數控車床主運動常見故障與排除方法數控車床主運動常見故障與排除方法。4.14.1 主軸傳動常見故障與淺析主軸傳動常見故障與淺析 （1）主軸發熱 原因：主軸軸承毀傷或軸承不清潔 ；排除方法：更換軸承，清除臟物 原因：主軸前端蓋與主軸箱體壓蓋研傷 修磨主軸前端蓋，使其壓緊主軸前軸承，軸承與后蓋有 0.020.05mm 間隙 。原因：軸承潤滑脂耗盡或潤滑脂涂抹過多涂抹

51、潤滑脂，每個 3ml （2）主軸在強力磨削時停轉 原因：電動機與主軸連接的皮帶過松 移動電動機座，拉緊皮帶，之后將電動機座從頭鎖緊 原因：皮帶外貌有油 用燃料清洗后擦潔凈，再裝上 原因：皮帶使用過久而失效 更換新皮帶 原因：摩擦離合器調整過松或磨損 數控機床主運動故障淺析 - 19 - 19 -調整摩擦離合器，修磨或更換摩擦片 （3）主軸噪聲 原因：缺少潤滑 涂抹潤滑脂保證每個軸承涂抹潤滑脂量不得超過 3ml 原因：小帶輪與大帶輪傳動平穩情況欠安 帶輪上的平衡塊脫落，從頭進行動平衡 原因：主軸與電動機連接的皮帶過緊 移動電動機座，使皮帶松緊度合適 原因：齒輪嚙合間隙不均勻或齒輪損壞 調整嚙合間

52、隙或更換新齒輪 原因：傳動軸承損壞或傳動軸彎曲 修復或更換軸承，校直傳動軸 （4）主軸沒有潤滑船回或潤滑不足 原因：油泵轉向不正確，或間隙太大 改變油泵轉向或修理油泵 原因：吸油管沒有插入油箱的油面下面 將吸油管插入油面以下 2/3 原因：油管和濾油器擁塞 清除擁塞物 原因：潤滑壓力不足 調整供油壓力 （5）潤滑泄漏 原因：潤滑超過限量 ;調整供油量 原因：密封件損壞 更換密封件 原因：管件損壞 更換管件 三、主軸定位不良的故障維修 故障現象：加工中心主軸定位不良，引發換刀過程發生中斷。分析及處理過程：某加工中心主軸定位不良，引發換刀過程發生中斷。開始時，出現的次數不很多，重新開機后又能工作，

53、但故障反復出現。經在故障出現后，對機床進行了仔細觀察，才發現故障的真正原因是主軸在定向后發生位置偏移，且主軸在定位后如用手碰一下(和工作中在換刀時當刀具插入主軸時的情況相近)，主軸則會產生相反方向的漂移。檢查電氣單元無任何報警，該機床的定位采用的是編碼器，從故障的現象和可能發生的部位來看，電氣部分的可能性比較?。粰C械部分又很簡單，最主要的是聯接，所以決定檢查聯接部分。在檢查到編碼器的聯接時發現編碼器上聯接套的緊定螺釘松動，使聯接套后退造成與主軸的聯接部分間隙過大使旋轉不同步。將緊定螺釘按要求固定好后故障消除。注意：發生主軸定位方面的故障時，應根據機床的具體結構進行分析處理，先檢查電氣部分，如確

54、認正常后再考慮機械部分。 主傳動系統的常見故障及排除方法 序號故障現象故障原因排除方法數控機床主運動故障淺析 - 20 - 20 -主軸軸承損傷或軸承不清潔更換軸承，清除臟物主軸前端蓋與主軸箱體壓蓋研傷修磨主軸前端蓋，使其壓緊主軸前軸承，軸承與后蓋有0.020.05mm 間隙1主軸發熱軸承潤滑油脂耗盡或潤滑油脂涂抹過多涂抹潤滑油脂，每個 3ml電動機與主軸連接的皮帶過松移動電動機座，拉緊皮帶，然后將電動機座重新鎖緊皮帶表面有油用汽油清洗后擦干凈，再裝上皮帶使用過久而失效更換新皮帶2主軸在強力切削時停轉摩擦離合器調整過松或磨損調整摩擦離合器，修磨或更換摩擦片缺少潤滑涂抹潤滑脂保證每個軸承涂抹潤滑

55、脂量不得超過 3ml小帶輪與大帶輪傳動平穩情況不佳帶輪上的平衡塊脫落，重新進行動平衡主軸與電動機連接的皮帶過緊移動電動機座，使皮帶松緊度合適齒輪嚙合間隙不均勻或齒輪損壞調整嚙合間隙或更換新齒輪3主軸噪聲傳動軸承損壞或傳動軸彎曲修復或更換軸承，校直傳動軸油泵轉向不正確，或間隙太大改變油泵轉向或修理油泵吸油管沒有插入油箱的油面下面將吸油管插入油面以下 2/3油管和濾油器堵塞清除堵塞物4主軸沒有潤滑油循環或潤滑不足潤滑油壓力不足調整供油壓力潤滑油過量調整供油量密封件損壞更換密封件5潤滑油泄漏管件損壞更換管件數控機床主運動故障淺析 - 21 - 21 -蝶形彈簧位移量較小調整蝶形彈簧行程長度6刀具不能

56、夾緊刀具松緊彈簧上的螺母松動順時針旋轉松夾刀具彈簧上的螺母使其最大工作載荷不得超過 13kN松刀彈簧壓合過緊逆時針旋轉松夾刀具彈簧上的螺母使其最大工作載荷不得超過 13kN7刀具夾緊后不能松開液壓缸壓力和行程不夠調整液壓壓力和活塞行程開關位置4.24.2 傳動機構常見故障與維修傳動機構常見故障與維修 步進驅動系統簡單來說，包括有步進電動機和步進驅動器。1、步進電動機的主要原理（1）原理通常電機的轉子為永磁體，當電流流過定子繞組時，定子繞組產生一矢量磁場。該磁場會帶動轉子旋轉一角度，使得轉子的一對磁場方向與定子的磁場方向一致。當定子的矢量磁場旋轉一個角度。轉子也隨著該磁場轉一個角度。每輸入一個電

57、脈沖，電動機轉動一個角度前進一步。它輸出的角位移與輸入的脈沖數成正比、轉速與脈沖頻率成正比。改變繞組通電的順序，電機就會反轉。所以可用控制脈沖數量、頻率及電動機各相繞組的通電順序來控制步進電機的轉動。2、步進驅動裝置常見故障及排除步進驅動是開環控制系統中最常選用的伺服驅動系統。開環進給系統的結構較簡單，調試、維修、使用都很方便，工作可靠，成本低廉。在一般要求精度不太高的機床上曾得到廣泛應用。使用過程中，步進驅動系統常見如下故障：（1）電動機過熱報警，可能原因及故障排除見表 4-1。表 4-1：步進電動機過熱的報警綜述故障現象可能原因排除措施工作環境過于惡劣，環境溫度過高重新考慮機床應用條件，改

58、善工作環境參數選擇不當，如電流過大，超過相電流根據參數說明書，重新設置參數有些系統會報警，顯示電動機過熱。用手摸電動機，會明顯感覺溫度不正常，甚至燙手電壓過高建議穩壓電源 （2） 工作中，尖叫后不轉，具體情況為加工或運行過程中，驅動器或步進電動機發出刺耳的尖叫聲?？赡茉蚣芭懦胧┮?4-2：數控機床主運動故障淺析 - 22 - 22 -表 4-2：步進驅動器尖叫后不轉的故障原因及排除綜述故障現象可能原因排除措施輸入脈沖頻率太高，引起堵轉降低輸入脈沖頻率輸入脈沖的突調頻率太高 降低輸入脈沖的突調頻率驅動器或步進電動機發出刺耳的尖叫聲，然后電動機停止不轉輸入脈沖的升速曲線不夠理想引起堵轉調整輸入

59、脈沖的升速曲線 （3） 工作過程中停車，在工作正常的狀況下，發生突然停車的故障。引起此故障的可能原因見表 4-3。表 4-3 工作過程中停車的故障綜述 可能原因檢查步驟排除措施驅動電源故障用萬用表測量驅動電源的輸出驅動電路故障發生脈沖電路故障更換驅動器電動機故障繞組燒壞電動機線圈匝間短路或接地用萬用表測量線圈間是否短路 更換電動機雜物卡住可目測消除外界的干擾因素 （4）工作噪聲特別大，仔細觀察加工或運行過程中，還有進二退一現象?？赡茉蚣芭懦胧┮姳?4-4：表 4-4：工作噪聲特別大的故障原因及排除綜述 故障現象可能原因排除措施低頻旋轉時有進二退一現象，高速上不去檢查相序正確連接動力線 電動

60、機運行在低頻區或共振區分析電動機速度及電動機頻率后，調整加工切削參數 純慣性負載、正反轉頻繁重新考慮次機床的加工能力磁路混合式或永磁式轉子磁鋼退磁后以單步運行或在失步區更換電動機電動機故障如永磁單向旋轉步進電動機的定向機構損壞更換電動機 （5） 無力或者是出力降低或稱“悶車” ，即在工作過程中，某軸有可能突然停止，俗稱“悶車” ，可能原因見表 4-5。 數控機床主運動故障淺析 - 23 - 23 -表 4-5：“悶車”的可能原因及排除措施故障部位可能原因排除措施電壓沒有從驅動器輸出來檢查驅動器，確保有輸出驅動器故障驅動器端故障電動機繞組內部發生錯誤更換驅動器電動機繞組碰到機殼，發生相間短路或者