数控维修电子教案(2)

第5章数控设备机械运动的故障诊断与维修本章教学提要教学重点：数控设备的主轴传动、进给运动、刀库及换刀装置、回转工作台及液压传动系统的故障及其诊断方法，并通过实例说明数控设备机械传动故障的维修和调试方法。教学难点：1、数控设备机械传动故障种类及其处理的原则；2、数控设备的主轴传动、进给运动、刀库及换刀机械手、回转工作台等装置的常见故障的处理。本章教学内容5.1数控设备机械故障分类及其处理方法5.1.1数控设备机械故障分类数控设备机械故障按类型分，有以下几种。（1）功能型故障功能型故障主要指工件加工精度方面的故障，表现在加工精度不稳定，加工误差大，运动方向误差大，工件表面粗糙。（2）动作型故障动作型故障主要指机床各执行部件的动作故障，如主轴不转动、液压变速不灵活、机械手动作故障、工件或刀具夹不紧或松不开以及刀库转位定位不准确等。（3）结构型故障结构型故障主要指主轴发热，主轴箱噪声大，切削时产生振动等。（4）使用型故障使用型故障主要指因使用和操作不当引起的故障，如由过载引起的机件损坏、撞车等。5.1.2数控设备机械故障的常见诊断方法1．采用听、摸、视、闻方法利用听、摸、视、闻等方法或选用温度、速度、加速度、位移、转速、压力、应力等不同种类的传感器来感知设备的状态，并把有关信息传递出来。运用简单的工具、仪器，如百分表、水准仪、光学仪等来帮助检测。此外，还可根据经验诊断，经验诊断法具有快速、正确、方便的特点，但要求诊断人员具有较丰富的实践经验。2．温度监测法采用温度计、热电偶、测温贴片等接触型仪器直接接触轴承、电动机、齿轮箱等装置的表面进行测量，或采用先进的红外测温仪、红外热像仪等非接触型仪器遥测不宜接近的物体的温度，可以防止强度丧失和过热损伤等。3．振动监测通过安装在机床某些部位上的传感器，利用振动计巡回检测，测量机床上特定处的总振级大小，如位移、速度、加速度和幅频特性等。对故障进行预测和监测，首先是强度测定，确定有异常时，再作定量分析。4．噪声监测用噪声计、声波计对机床齿轮、轴承在运行中的噪声信号频谱中的变化规律进行深入分析，识别和判别齿轮、轴承磨损失效故障状态。5.1.3数控设备机械故障的常规处理方法数控设备机械故障出现后，不要急于动手处理，首先要查看故障记录，向操作人员询问故障发生的全过程。在确认通电对系统无危险的情况下，再通电亲自观察，特别要注意确定以下主要故障信息。①机械故障发生时报警号和报警提示是什么，那些指示灯和发光管指示了什么报警，如无报警，系统处于何种工作状态，系统的自诊断结果是什么；②故障发生在哪个部位，执行何种指令，故障发生前进行了何种操作，轴处于什么位置，与指令值的误差量有多大；③以前是否发生过类似故障，现场有无异常现象等。分析故障原因时应注意以下几点。注意①要在充分调查现场，掌握第一手材料的基础上，把故障问题正确地列出来。把故障现象表述清楚，对处理故障非常关键。②善于运用发散思维方式，无论对数控系统、强电部分，还是对机、液、气等，都要尽可能列出引起故障的原因以及每种可能解决的方法，进行综合、判断和筛选，最后找出解决方案。③在对故障进行深入分析的基础上，预测故障原因并拟定检查的内容、步骤和方法。另外，在检测、排除故障中还应掌握以下若干原则。（1）先查外部后查内部当数控设备发生机械故障后，维修人员应先采用望、闻、听、问等方法，由外而内逐一进行检查。比如，数控设备的外部行程开关、按钮开关、液压气动元件以及印制电路板插头座、边缘接插件等，它们与外部或它们相互之间的连接部位接触不良都会造成信号传递失灵，这是产生数控设备故障的重要因素。要尽量避免随意地启封、拆卸机床，否则会使机床大伤元气，丧失精度，降低性能。（2）先查机械后查电气机械故障直观易查，而数控系统故障的诊断则难度要大些。首先检查机械部分是否正常，行程开关是否灵活，气动、液压部分是否正常，滚动丝杠、滚动导轨及传动齿轮间隙是否过大等。一般来讲，数控设备的故障中有很大部分是由机械动作失灵或调整不当引起的。所以，在故障检修之前，首先注意排除机械性的故障，往往可以达到事半功倍的效果。（3）先简单后复杂当出现多种故障互相交织掩盖，一时无从下手时，应先解决容易的问题，后解决难度较大的问题。常常在解决简单故障的过程中，难度大的问题也可能变得容易，或者在排除简易故障时受到启发，对复杂故障的认识更为清晰，从而也有了解决办法。5.2数控设备主轴的故障诊断5.2.1主轴的结构及特点1．主轴的支承结构数控设备主轴的支承可以有多种配置形式。①前支承采用双列短圆柱滚子轴承和角接触双列向心推力球轴承组合，后支承采用向心推力球轴承的结构，如图5.1（a）所示。此种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，既可以满足强力切削的要求，又可以满足较高的加工精度，因此普遍应用于各类数控设备的主轴中。②前支承采用高精度双列向心推力球轴承，如图5.1（b）所示。向心推力球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控设备的主轴中。③前、后支承分别采用双列和单列圆锥滚子轴承，如图5.1（c）所示。这种轴承能承受较大的径向和轴向力，能承受重载荷尤其是较强的动载荷，且安装与调整性能好。但是这种配置方式限制了主轴的最高转速和精度，因此适用于中等精度、低速与重载的数控设备主轴中。主轴的结构根据数控设备的规格、精度采用不同的主轴轴承。一般，中、小规格数控设备的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承；重型数控设备采用液体静压轴承；高精度数控设备采用气体静压轴承；转速达20000r/min的主轴采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。图5.1数控设备主轴轴承结构形式2．主轴卡盘图5.2所示为数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘，卡盘3用螺钉固定在主轴（短锥定位）上，液压缸5固定在主轴后端。改变液压缸左、右腔的通油状态，活塞杆4带动卡盘内的驱动爪1和卡爪2，夹紧或放松工件，并通过行程开关6和7发出相应信号。图5.2液压驱动动力的自定心卡盘3．拉刀机构及吹净装置图5.3所示为某数控镗铣床主轴结构图，主轴前端有7:24的锥孔，用于装夹锥柄刀具。端面键13既做刀具定位用，又可通过它传递扭矩。为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动拉紧装置。从图中可以看出，该机床是由拉刀机构拉紧锥柄刀具尾端的轴颈锥面来实现刀具的定位及夹紧的。夹紧刀具时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推动活塞6上移，拉杆4在碟形弹簧5的作用下向上移动。由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球12进入主轴孔中直径较小的d2处（如图5.3（b）所示），被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。刀具松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4向下移动，碟形弹簧被压缩，当钢球12随拉杆一起下移进入主轴孔中直径较大的d1处时，它就不再约束拉钉的头部，使刀具能顺利退出，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面碰到拉钉，把刀具顶松。此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的心通孔吹入主轴装刀孔内，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的装夹精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀具。刀具拉紧后，行程开关8发出信号。主轴孔内锥面的吹净是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀具时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。主轴锥孔的清洁，常用压缩空气。图5.3（a）所示活塞6的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，与拉杆孔接通，压缩空气经拉杆4吹出，将锥孔清理干净。喷气小孔设计有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。图5.3数控镗铣床主轴结构图4．主轴准停装置自动换刀数控设备主轴部件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定不变的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀具上的键槽，同时使每次装刀时刀具与主轴的相对位置不变，图5.4主轴准停装置的工作原理以提高刀具的重复安装精度。图5.3所示主轴部件采用的是电气准停装置，其工作原理如图5.4所示。在传动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3，在主轴箱箱体的对应主轴准停的位置上，装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控装置发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，主轴以最低转速慢转很少几转后，永久磁铁3对准磁传感器2，磁传感器感受永久磁铁3的磁场，并发出准停信号。此信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种装置可保证主轴准停的重复精度在±1°范围内。主轴准停定位也可采用机械方式，图5.5所示为机械式主轴准停装置原理图。图中凸轮27和凸轮28即是供主轴准停用的凸轮。机床主轴准停装置工作过程如下：机床数控系统发出准停指令时，电气系统自动调整主轴至最低转速，约0.2～0.6s后，定位凸轮28的定位器液压缸与压力油接通，活塞压缩弹簧并使滚子与定位凸轮28的外圆接触。当主轴旋转使滚子落入定位凸轮28的直线部分时，由于活塞杆的移动，与其相连的挡块使微动开关a动作，通过控制回路的作用，一方面使主轴传动的各电磁离合器都脱开而使主轴以惯性慢慢转动，并且断开定位凸轮28的定位器液压缸的压力油，在弹簧力作用下，活塞杆带动滚子退回。另一方面，隔0.2～0.5s后，定位凸轮27的定位器液压缸下腔接通压力油，活塞杆带着滚子移动，使滚子与定位凸轮27的外圆接触。当主轴以惯性转动，使滚子落入定位凸轮27上的V形槽内时，即将主轴定位，同时微动开关b动作，发出主轴准停完毕信号。当刀具连同刀夹装入主轴并使主轴重新转动时，先发出信号控制换向阀使凸轮27的油路变换，将定位器滚子从定位凸轮27的V形槽中退出，同时使微动开关动作，发出主轴准停定位器释放信号。5.2.2立式镗铣床主轴部件的拆卸与调整下面以图5.5所示的数控镗铣床主轴结构为例，说明主轴部件的拆卸与调整图5.5机械式主轴准停装置原理图1．主轴部件的拆卸在拆卸主轴部件时，应按照下列的拆卸顺序进行操作。①拆下主轴后端的防护罩；②拆下主轴前端的压盖；③拆掉与主轴相连的油管接头、气管接头，放掉余油并包扎管口部分；④卸下传动皮带；⑤卸下液压缸7上的螺钉，取下液压缸体；⑥拆下主轴右端的连接座，先测量一下碟形弹簧的安装位置，卸下主轴右端的锁紧双螺母，取出碟形弹簧；⑦拆下准停定位磁性传感器和皮带轮右端的法兰盘，注意磁传感器的安装位置；⑧用专用工具拆下皮带轮；⑨拆下主轴后端轴承的调整压盖；⑩拆下主轴前端轴承的调整压盖；拆下主轴拉刀机构的定位螺钉和定位小轴；从主轴前端的内锥孔取出拉刀机构；用专用工具将主轴3顶出；将主轴3、拉杆4等细长零件取出后垂直挂放，以防变形；清洗所有卸下的零件，编排好号码和安装顺序。主轴部件装配时的顺序与拆卸的顺序相反，即最后拆的最先安装。2．主轴安装的注意事项注意①碟形弹簧的安装高度应与拆卸前一致；②主轴前、后轴承的预紧量要保证轴承在预紧后无轴向窜动且转动轻快；③皮带轮的安装要保证其轴向位置定位；④主轴准停传感器的安装间隙要适当；⑤各行程开关的位置调整要求准确；⑥拉刀机构的行程调整要保证刀具能顺利取出。5.2.3数控设备主轴运动故障的诊断与维修1．主轴部件的维护特点（1）主轴润滑主轴润滑方式有以下几种。①循环式润滑。循环式润滑采用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来，有些数控设备的主轴轴承采用高级油脂封放方式润滑，每加一次油脂可以使用7～10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。②油气润滑。这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑是定时、定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又不至于油雾太多而污染周围空气。③喷注润滑。它用较大流量的恒温油（每个轴承3～4L/min）喷注到主轴轴承上，以达到润滑、冷却的目的。这里特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回