項目3數控機床機械裝置故障診斷與維修【項目目標】

重點掌握數控機床機械部件的結構。【項目導讀】本章介紹數控機床主軸部件、進給運動部件、刀庫及自動換刀裝置、機床輔助裝置的典型結構及工作原理、常見故障現象及故障排除方法。任務3.1數控機床機械裝置故障概述3.1.1數控機床機械故障的特點數控機床機械故障：指機械系統（零件、組件、部件或整臺設備乃至一系列的設備組合）因偏離其設計狀態而喪失部分或全部功能的現象。如機床運轉不平穩、軸承噪聲過大、機械手夾持刀柄不穩定等現象機械故障的分類：◎功能型故障◎動作型故障◎結構型故障◎使用型故障3.1.2機械部件故障常見類型☆按照故障發生的原因分磨損性故障；錯用性故障；先天性故障☆按照故障的性質分間歇性故障；永久性故障☆按照故障發生后的影響程度分部分性故障；完全性故障機械部件故障常見類型☆按照故障造成的后果分危害性故障；安全性故障☆按照故障發生的快慢分突發性故障；漸發性故障☆按照故障發生的頻次偶發性故障多發性故障☆按照故障發生、發展的規律分隨機性故障；有規則故障3.1.3數控機床各典型部件可能出現的主要故障1.進給傳動鏈故障定位精度下降、反向間隙過大、機械爬行

2.主軸部件故障刀桿拉緊機構、自動換擋機構故障3.自動換刀裝置（ATC）故障刀庫運動故障、定位誤差過大、機械手夾持刀柄不穩定

4.各級運動位置檢查的行程開關壓合故障運動部件運動特性的變化、壓合行程開關的機械裝置可靠性5.配套附件的可靠性切削液裝置、排屑裝置、導軌防護罩故障任務3.2數控機床主軸部件的故障診斷與維修3.2.1數控機床的主軸部件主軸部件是機床的一個關鍵部件，它包括主軸、主軸軸承、安裝在主軸上的傳動零件、工件或刀具自動松夾機構等，對于加工中心還有定向準停機構。

主軸端部的結構形狀車床鏜、銑床磨床主軸部件的支承☆主軸部件常用的滾動軸承類型圓錐滾子軸承錐孔雙列圓柱滾子軸承同時承受徑向和軸向載荷，通常用作主軸的前支承只能承受徑向載荷。

雙列推力角接觸軸承帶凸肩的雙列圓柱滾子軸承該軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承，并將其外圈外徑作成負偏差，保證只承受軸向載荷可用作主軸前支承，空心滾子承受沖擊載荷時刻產生微小變形，能增大接觸面積并有吸振和緩沖作用主軸滾動軸承的配置前支承采用圓柱滾子軸承和60°雙列推力角接觸球軸承組合，后支承采用成對向心推力球軸承的配置形式前、后支承采用高精度向心推力球軸承前支承采用雙列圓錐滾子軸承，后支承采用單列圓錐滾子軸承滾動軸承的精度有高級E、精密級D、特精級C和超精級B主軸滾動軸承的預緊軸承內圈移動修磨座圈或隔套修磨座圈隔套的應用主軸的潤滑與密封油氣潤滑方式：定時定量地把油霧送進軸承空隙中噴注潤滑方式：用較大流量的恒溫油（每個軸承3～4L/min）噴注到主軸軸承主軸密封臥式加工中心主軸前支承的密封結構1—進油口2—軸承3—箱體4、5—法蘭盤6—主軸7—泄漏孔8—回油斜孔9—泄油孔3.2.2數控機床主軸準停裝置主軸準停方式電氣準停控制定位的三種方式：1.主軸電動機內裝傳感器實現主軸準停控制利用內裝傳感器發出的主軸速度、位置信號及一轉信號實現主軸準停控制，適用于主軸電動機與主軸直聯或1:1傳動的場合，內裝MZ/MZi系列內裝編碼器。2.主軸外接主軸獨立編碼器實現主軸準停控制利用與主軸1:1連接的主軸編碼器發出的主軸速度、位置信號及一轉信號實現主軸準停控制，適用于主軸電動機與主軸之間有機械齒輪傳動的場合、內裝M/Mi系列編碼器。3.主軸電動機內裝傳感器和外接一轉檢測元件（接近開關）實現主軸準停控制利用主軸外接一轉信號開關（接近開關）發出的主軸一轉信號和主軸電動機內裝傳感器發出的主軸速度和位置反饋信號實現主軸準停控制，適用于主軸電動機與主軸之間有機械齒輪傳動的場合，內裝M/Mi系列編碼器。任務3.3數控機床進給運動部件的故障診斷與維修3.3.1數控機床進給運動部件機械結構滾珠絲杠螺母副工作原理滾珠絲杠螺母副的結構原理示意圖1—螺母2—滾珠3—絲杠在絲杠3和螺母1上有螺旋槽，套裝在一起時形成了螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的循環滾道，并在滾道內裝滿滾珠2，當絲杠旋轉時，滾珠在滾道內既自轉又沿滾道循環轉動，迫使螺母（或絲杠）軸向移動循環方式每一列鋼珠轉幾圈后經插管式回珠器返回。插管式回珠器位于螺母之外，稱為外循環☆外循環插管式回珠器插管式回珠器外循環方式☆內循環內循環方式1—絲杠2反向器3—滾珠4—螺母滾珠絲杠螺母副預緊墊片調隙法螺母調隙法1、2—螺母齒差調整法滾珠絲杠螺母副的支承形式和制動方式?支承方式一端裝推力軸承一端裝推力軸承，另一端裝深溝球軸承兩端裝推力軸承兩端裝推力軸承及深溝球軸承?支承方式?制動方式?用具有剎車作用的制動電動機?在傳動鏈中配置逆轉效率低的高減速比系統，如齒輪、蝸桿減速器等?采用超越離合器導軌導軌主要用來支承和引導運動部件沿一定的導軌運動。在導軌副中運動的一方稱動導軌，不動的一方稱支承導軌直線滑動導軌的截面形狀常用直線滑動導軌有矩形、三角形、燕尾形及圓形截面矩形導軌三角形導軌燕尾形導軌圓柱形導軌直線導軌的組合?雙三角形導軌

為雙V型導軌，導軌面同時起支承和導向作用，適用于精度要求高的機床?雙矩形導軌

這種導軌易加工制造，承載能力大，但導向精度差，常用于普通精度的機床?三角形—平導軌組合

為V形—平導軌組合，不需用鑲條調整間隙，導軌精度高，通常用于磨床、精密鏜床?三角形—矩形導軌組合

臥式車床的導軌?平-平-三角形導軌組合

【例1】某加工中心運行時，工作臺Y軸方向位移接近行程終端過程中絲杠反向間隙明顯增大，機床定位精度不合格。故障分析及處理：故障部位明顯在X軸伺服電機與絲杠傳動鏈一側，拆卸電動機與滾珠絲杠之間的彈性聯軸器，用扳手轉動滾珠絲杠進行手感檢查。通過手感檢查，發現工作臺X軸方向位移接近行程終端時，感覺到阻力明顯增加。拆下工作臺檢查，發現Y軸導軌平行度嚴重超差，故而引起機械轉動過程中阻力明顯增加，滾珠絲杠彈性變形，反向間隙增大，機床定位精度不合格。經過認真修理、調整后，重新裝好后，故障排除【例2】某一數控車床，經常出現Z軸伺服電動機過電流報警。故障分析及處理：開式以為是電氣故障，調整了一下過電流限定值，就好了一些。但不久，Z軸伺服電機出現過熱。將Z軸伺服電動機拆下，發現換向器表面已變色。這時用手搬Z軸絲杠，搬不動，并且整個絲杠上沒有任何劃痕。但螺母搬不動。隨之把整個絲杠拆下，飛了很大勁才把螺母拆下，螺母滾珠是外循環的，在螺母的滾道有很多油垢，還有類似棉紗之類的東西，很硬粘在滾道上，所有的滾珠一動不動。將油垢和棉紗之類的東西都清理后，重新裝回到機床后，故障現象消失。任務3.4數控機床自動換刀裝置的

故障診斷與維修3.4.1數控機床常見自動換刀方式電動刀架自動換刀裝置普通型數控車床中，自動換刀裝置采用電動刀架，有4工位和6工位兩種形式，機床標準配置為4工位電動刀架采用蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理，具有轉未快，定位精度高，切向力矩大的優點，同時采用無觸點霍爾開關發信，使用壽命長。該工作過程包括刀架抬起、刀架轉位、刀架定位和夾緊刀架4個過程四工位電動刀架結構示意圖1—刀架底座2—蝸輪絲杠3—粗定位盤4—刀架體5—球頭銷6—轉位套7—瓷缸3—刀位檢測盤（霍爾開關）9——粗定位銷10—刀架電動機刀架抬起當數控系統發出換刀指令后，刀架電動機10起動正傳，通過聯軸器使刀架蝸桿轉動。從而帶動渦輪絲杠2轉動，刀架體4的內孔加工有螺紋，與絲杠軸連接,渦輪與絲杠為整體結構。當渦輪開始轉動時，由于刀架底座1和刀架體4上的端面齒合狀態且渦輪絲杠軸向固定，因此這是刀架體4抬起，從而完成刀架抬起動作。刀架轉位當刀架體抬起到一定距離后，端面齒脫開，轉位套6用銷釘與渦輪絲杠2連接，隨渦輪絲杠一同轉動，當端面齒完全脫開時，球頭銷5在彈簧力的作用下進入轉位套6的槽中，到動刀架體轉位，刀架體轉位的同時帶動磁缸7也轉位，與刀號轉位盤8（4個霍爾開關控制電路板）配合進行刀號的檢查。刀架定位當系統程序的刀號與實際刀架檢測刀號一致時，刀架電動機立即停止，并開始反轉，球頭銷從轉位套的槽中被擠出，使粗定位銷9在彈簧的作用下進入粗定位盤3的凹槽中，由于粗定位銷的限制，刀架體4能轉動，使其在該位置垂直落下，刀架體4和刀座1上的端面齒嚙合實現精確定位。夾緊刀架電動機繼續反轉（反轉時間由系統PLC程序控制），此時渦輪停止轉動，蝸桿軸自身轉動，當兩個端面齒增加到一定夾緊力時，刀架電動機10立即斷電停止。電動轉塔自動換刀裝置常用的有6工位、8工位和12工位。有電動轉塔換刀裝置、伺服轉塔換刀裝置和動力頭轉塔電動轉塔有下面四個特點：※采用行星輪系傳動的減速機構、結構緊湊、傳動效率高。※刀盤無需抬起就能實現轉位松開和制動控制。※可雙向回轉和任意刀位就近選刀，最大限度的減少刀架轉位的輔助時間。※分度工位由二進制絕對編碼器識別，刀架定位與鎖緊由接近開關發出信號，到位控制時通過系統PMC程序編制，安全可靠。電動轉塔結構簡圖1-電動機2-齒輪3-電動機齒輪4-行星齒輪5-空套齒輪6-鎖緊接近開關7-預分度到位接近開關8-電磁鐵9-插銷10-動齒盤11-擋圈12-定齒盤13-分度主軸14-雙聯齒盤15-彈簧16-滾輪架17-滾輪18-驅動齒輪19-箱體20-角度編碼器21-后蓋22-電動機剎緊裝置【例1】CK6140數控機床換刀時3號刀位轉不到位故障分析：一般有兩種原因，一是電動機相位接反，但調整電動機相位線后故障不能排除。二是磁鋼與霍爾元件高度位置不準。拆開刀架上蓋，發現4號磁鋼與霍爾元件高度位置距離相差較大，用尖嘴鉗調整3號磁鋼與霍爾元件高度與其它刀號基本一致，重新啟動系統，故障排除。【例2】某數控車床在運行過程中出現刀架不轉位（一般系統會提示刀架位置信號錯誤），有多種原因可以引起刀架不轉動。故障分析：刀架繼電器過載后斷開。①刀架電動機380V相位錯誤。由于刀架只能順時針轉動（刀架內部有方向定位機械機構），若三相位接錯，刀架電動機一通電就反轉，則刀架不能轉動。②刀架電動機三相電缺相。③刀架位置信號所用的24V電源故障。④刀架體內中心軸上的推力球軸承被軸向定位盤壓死，軸承不能轉動，使得刀架電動機不能帶動刀架轉動。

拆下零件檢查原因，發現由于刀架轉位帶來的振動，使得螺釘松動，定位鍵長時間承受正反方向的切向力，使得定位鍵損壞，螺母和定位盤向下移動，給軸承施加較大軸向力，使其轉動不了。任務3.5數控機床液壓系統的故障診斷與維修3.5.1液壓系統在數控機床上的應用液壓系統在數控機床中的輔助功能：※自動換刀所需的動作。※機床運動部件的平衡。※機床運動部件的制動和離合器的控制，齒輪撥叉掛檔等。※機床的潤滑冷卻。※機床防護罩、板、門的自動開關。※工作臺的松開夾緊，交換工作臺的自動交換動作。※夾具的自動松開、夾緊。※工件、工具定位面和交換工作臺的自動吹屑、清理定位基準面等。3.5.2液壓系統基本構成及常見故障表現形式液壓系統的組成※能源部分※執行部分※控制調節部分※輔助部分※傳動介質液壓系統的基本構成及其回路壓力控制回路壓力控制回路的功能是利用壓力控制元件來控制整個液壓系統（或局部油路）的工作壓力，以滿足執行元件對力（或力矩）的要求，或者達到合理利用功率、保證系統安全等目的調壓回路調壓回路（a）單極調壓回路（b）遠程調壓回路1-液壓泵2-溢流閥3-主溢流閥4-遠程調壓閥調壓回路的功能是控制系統的最高工作壓力，使其不超過某一預先調定的數值（即壓力閥的調整壓力）減壓回路減壓回路的功能是在單泵供油的液壓系統中，使其一條支路獲得比主油路工作壓力還要低的穩定壓力減壓回路1-溢流閥2-減壓閥3-單向閥增加回路當液壓系統中某一支路需要壓力很高流量很小的壓力油，若采用高壓泵不經濟，或根本沒有這樣高壓力的液壓泵時，就要采用增壓回路來提高壓力增壓回路（a）但作用增壓回路（b）雙作用增壓回路1-電磁換向閥2-油箱3-單向閥卸荷回路卸荷回路是在執行元件短時間停止運動，而原動機任然運轉的情況下，能使液壓泵卸去載荷（即泵作空載運轉）的回路。卸荷：指液壓泵以很小的輸出功率運轉，即液壓泵輸出油液以很低的壓力排回油箱；或液壓泵輸出很小流量的壓力油卸荷回路(a)采用三位四通換向閥卸荷（b）采用二位二通電磁換向閥直接卸荷(c)用先導式溢流閥卸荷（d）用外控順序閥卸荷（e）壓力補償變量泵的卸荷（f）保壓卸荷平衡回路目的：對于執行元件與垂直運動部件相連（如豎直安邦治國的液壓缸等）的結構，當垂直運動部件下行時，都會出現超越負載（或稱負負載）。采用這種回路可防止運動部件的自行下滑和超速，平衡回路速度控制回路調速回路調速是指調節執行元件的運動速度根據液壓缸的速度：v=q/A；液壓馬達的轉速：nm=q/Vm。改變流量q，或者改變執行執行元件的幾何尺寸（液壓缸的工作面積A或液壓馬達的排量Vm）都可以改變其運動速度，得出兩類基本調速方法：

節流調速容積調速（a）進口節流調速回路（b）出口節流調速回路節流調速回路速度變換回路速度變換回路是使執行元件從一種速度變換到另一種速度的回路增速回路是指在不增加液壓泵流量的前提下，提高執行元件速度的回路☆增速回路（a）自重充液增速回路（b）差動連接增速回路增速回路☆減速回路減速回路是使執行元件由快速轉換為慢速的回路。靠節流閥或調速閥來減速，用行程閥或電氣行程開關控制換向閥的通斷將快速轉換為慢速。（a）行程閥控制（b）行程開關控制減速回路方向控制回路方向控制回路是通過控制液壓系統中液流的通、斷及流動方向的，進而達到控制執行元件運動、停止及改變運動方向的目的☆換向回路（a）控制單作用液壓缸換向（b）控制差動缸換向用二位三通換向閥的換向回路☆鎖緊回路作用：為了使液壓缸活塞能在任意位置上停止運動，并防止在外力作用下發生竄動，須采用鎖緊回路。鎖緊的原理：將執行元件的進回油路封閉，利用三位四通換向閥的中位機能（O型或M型）可以使活塞在行程范圍內的任意位置上停止運動用液控單向閥的鎖緊回路☆浮動回路浮動回路與鎖緊回路相反，它將執行元件的進、回油路連通或同時接回油箱，使之處于無約束的浮動狀態。這樣，在外力作用下執行元件仍可運動MJ-50數控車床液壓系統回路分析MJ-50數控車床液壓系統的原理圖1、2、3、5-換向閥6、7、8-減壓閥9、10、11-調速閥12、13、14-壓力表卡盤分系統卡盤分系統的執行元件是一液壓缸，控制油路則由一個有兩個電磁鐵的二位四通換向閥1、一個二位四通換向閥2、兩個減壓閥6和7組成高壓夾緊：3DT失電、1DT得電，換向閥2和1均位于左位。分系統的進油路：液壓泵→液壓閥6→換向閥2→換向閥1→液壓缸右腔。回油路：液壓缸左腔→換向閥1→油箱。這時活塞左移使卡盤夾緊（稱正卡或外卡），夾緊力的大小可通過減壓閥6調節。由于閥6的調定值高于閥7，所以卡盤處于高壓夾緊狀態。松夾時，使2DT得電、1DT失電，閥1切換至右位。進油路：液壓泵→減壓閥6→換向閥2→換向閥1→液壓缸左腔。回油路：液壓缸右腔→換向閥1→油箱。活塞右移，卡盤松開。MJ-50數控車床液壓系統主要承擔卡盤、回轉刀架與刀盤及尾架套筒的驅動與控制。低壓夾緊：油路與高壓夾緊狀態基本相同，唯一不同是這時3DT得電而使閥2切換至右位，因而液壓泵的供油只能經減壓閥7進入分系統。通過調節閥7便能實現低壓夾緊狀態下的夾緊力。回轉刀盤分系統回轉分盤分系統由兩個執行元件，刀盤的松開與夾緊由液壓缸執行，而液壓馬達則驅動刀盤回轉。有兩條支路：第一條支路由三位四通換向閥3和兩個單向調速閥9和10組成。通過三位四通換向閥3的切換控制液壓馬達在正、反轉時都能通過進油路容積節流調速來調節旋轉速度。第二條支路控制刀盤的放松與夾緊，它是通過二位四通換向閥的切換來實現的刀盤的完整旋轉過程：刀盤松開→刀盤通過左轉或右轉就近到達指定刀位→刀盤夾緊。電磁鐵的動作順序是4DT得電（刀盤松開）→8DT（正轉）或7DT（反轉）得電（刀盤旋轉）→8DT（正轉時）或7DT（反轉時）失電（刀盤停止轉動）→4DT失電（刀盤夾緊）。尾架套筒分系統尾架套筒通過液壓缸實現頂出與縮回。控制回路由減壓閥8、三位四通換向閥5和單向調速閥11組成。分系統通過調節減壓閥8，將系統壓力降為尾架套筒頂緊所需的壓力。單向調速閥11用于在尾架套筒伸出時實現回油節流閥調速控制伸出速度。所以，尾架套筒伸出時，6DT得電，其油路為：系統供油經閥8、閥5左位進入液壓缸的無桿腔，而有桿腔的液壓油則經閥11的調速閥和閥5回油箱。尾架套筒縮回時，5DT得電，系統供油經閥8、閥5右位、閥11的單向閥進入液壓缸的有桿腔，而無桿腔的油則經閥5直接回油箱。3.5.3液壓系統常見故障診斷與維修液壓系統的維護要點※控制油液污染，保持油液清潔※控制液壓系統中油液的溫升

※控制液壓系統的泄漏※防止液壓系統振動與噪聲※嚴格執行日常點檢測制度※嚴格執行定期緊固、清洗、過濾和更換制度【例1】數控車床CKD6140卡盤失壓故障。故障現象：液壓卡盤夾緊力不足，卡盤失壓，監視不報警。故障檢查與分析：該機床為德州機床廠生產的CKD6140數控車床，配套的電動刀架為LD4-I型。卡盤夾緊力不足，可能是系統壓力不足、執行件內泄、控制回路動作不穩定及卡盤移動受阻造成。故障處理：調整系統壓力至要求，檢修液壓缸的內泄及控制回路動作情況，檢查卡盤各摩擦副的滑動情況。如卡盤仍然夾緊力不足，要經過分析，調整液壓缸與卡盤間聯接拉桿的調整螺母，故障消除。【例2】JOG方式時，機械手在取刀時，不能縮爪故障現象：機床在JOG狀態下加工工件時，機械手將刀具從主刀庫中取出送入送刀盒中，不能縮爪，但卻不報警，將方式選擇到ATC狀態，手動操作都正常。故障檢查與分析：使用的是FANUC系統的加工中心，經查看梯形圖，原來是限位開關LS916沒有壓合，調整限位開關位置后，機床恢復正常。但過一段時間后，再次出現此故障，檢查LS916并沒松動