第2章 数控机床机械结构的故障诊断与维修

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在数控机床进给系统中使用的滚珠丝杠螺母副的预紧方法有修配垫片 厚度、双螺母消隙、齿差式调整方法等。广泛采用的是双螺母结构消隙。 1、修配垫片消隙式如图2-20所示 2、双螺母消隙式如图2-21所示 3、齿差消隙式如图2-22所示 （二）滚珠丝杠副的支承 安装方式对滚珠丝杠副承载能力、刚性及最高转速有很大影响。滚珠 丝杠螺母副在安装时应满足以下要求： 1）、滚珠丝杠螺母副相对工作台不能有轴向窜动； 2）、螺母座孔中心应与丝杠安装轴线同心； 3）、滚珠丝杠螺母副中心线应平行于相应的导轨； 4）、能方便地进行间隙调整、预紧和预拉伸。
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2.2.5主轴的润滑与冷却
主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。
2.2.6主轴部件的维护
数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件， 它的回转精度影响工件的加工精度；它的功率大小和回 转速度影响加工效率；它的自动变速、准停和换刀等影 响机床的自动化程度。
2.2.7主传动链的维护 2.2.8主传动系统常见故障及排除方法 （见表2-1）
2.4.3一般转塔回转刀架
图2-38为数控车床的转塔回转刀架．它适用于盘类零 件的加工。在加工轴类零件时，可以换用四方回转刀架。
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2.4.4 刀库的形式
• 刀库用于存放刀具，它是自动换刀装置中主要部件之 一。其容量、布局和具体结构对数控机床的设计有很大影 响。 • 根据刀库存放刀具的数目和取刀方式，刀库可设计成 多种形式。图2-39所示为常见的几种刀库形式。单盘式刀 库图2-39a～d存放的刀具数目—般为15～40把，为适应机 床主轴的布局，刀库上刀具轴线可以按不同方向配置，如 轴向、径向或斜向。图2-39d是刀具可作90°翻转的圆盘刀 库，采用这种结构可以简化取刀动作。单盘式的结构简单， 取刀也很方便，因此应用广泛。当刀库存放刀具的数目要 求较多时，若仍采用单圆盘刀库，则刀库直径增加太大而 使结构庞大。为了既能增大刀库容量而结构又较紧凑，研 制了各种形式的刀库。如图2-39e为鼓轮弹仓式(又称刺猬 式)刀库，其结构十分紧凑，在相同的空间内，它的刀库容 量最大，但选刀和取刀的动作较复杂。
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常见安装方式有以下四种情况(如图2-23的（a）、（b）、 （c）、（d）所示)。 (1)固定—自由 适用于低转速，中精度，短轴向丝杠； (2)支承—支承 适用于中等转速，中精度； (3)固定—支承 适用于中等转速、高精度； (4)固定—固定 适用于高转速、高精度。 （三）制动装置 滚珠丝杠副的传动效率高但不能自锁，用在垂直传动或高 速大惯量场合时需要制动装置。
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2.3.2导轨滑块副
导轨副按接触面的摩擦性质可以分为滑动导轨、 静压导轨和滚动导轨。 （一）滑动导轨 （二）静压导轨如图2-25所示 （三）滚动导轨如图2-26所示 （四）滚动导轨的结构，结构如图2-27所示 （五）滚动导轨的安装、预紧如图2-30所示
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2.3.3静压蜗杆—蜗轮条传动
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2.4.5刀库的故障
刀库的主要故障有：刀库不能转动或转动不到位；刀库 的刀套不能夹紧，刀具、刀库上不到位等。 (1)刀库不能转动或转动不到位，刀库不能转动的可能原 因有：①联接电动机轴与蜗杆轴的联轴器松动；②变频 器故障，应查变频器的输入输出电压正常与否；③PLC 无控制输出，可能是接口板中的继电器失效；④机械连 接过紧或黄油粘涩；⑤电网电压过低(不应低于370V)。 刀库转动不到位的可能原因有：电机转动故障，传动机 构误差。 (2)刀套不能夹紧刀具 可能原因是刀套上的调整螺母松 动，或弹簧太松，造成卡紧力超重，刀具超重。 (3)刀套上下不到位 可能原因是装置调整不当或加工误 差过大而造成拨叉位置不正确；因限位开关安装不准或 调整不当而造成反馈信号错误。
2.5.3回转工作台的常见故障及排除方法
回转工作台的常见故障及排除方法如表2-6所示。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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2.6 数控机床的液压与气动装置
现代数控机床在实现整机的全自动化控制中，除数控 系统外，还需要配备液压和气动装置来辅助实现整机的 自动运行功能。液压传动装置使用工作压力高的液体介 质，机构输出力大，机械结构更紧凑、动作平稳可靠， 易于调节和噪声较小，但要配置液压泵和油箱，当油液 渗漏时污染环境。气动装置的气源容易获得，机床可以 不必单独配置动力源，装置结构简单，工作介质不污染 环境，工作速度快和动作频率高，适合于完成频繁起动 的辅助动作。过载时比较安全，不易发生过载损坏机件 等事故。
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2.4 自动换刀装置
为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向 着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工 序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机 床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等。这类多 工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因 此必须有自动换刀装置，以便选用不同刀具，完成不同 工序的加工工艺。 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的 类型、工艺范围、使用刀具的种类和数量。数控机床常 用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表2-5。
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2.4.7加工中心自动换刀装置常见故障分析
① 刀库乱刀故障处理方法 故障原因： 1）PMC参数丢失或系统记忆值与实际不符； 2）换刀装置拆修； 3）操作者误操作； 具体处理方法： 1）手动方式使刀库回到原位位置，即1号刀座对应换刀位 置； 2）通过系统PMC参数画面，初始化数据表，数据表的D000 设定为0，D001—D024设定值分别为1、2、3-24进行设 定； 3）通过系统PMC参数画面刀库计数器初始化设定为23； 4）系统MDI方式下，把实际刀具送回到刀库中。 ② 换刀过程中出现碰刀的处理
（一）传动原理 静压蜗杆—蜗轮齿条是一种精密传动副，用于将回转运 动转变为直线位移。如图2-31所示，蜗杆可看作长度 很短的丝杠，其长径比很小。蜗轮齿条则可以看作一 个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。与滚珠丝杠不 同，蜗轮齿条能无限接长，因此，运动部件的行程可 以很长。 （二）传动方案 蜗杆—蜗轮齿条机构常用传动方案有以下两种： 蜗杆箱固定，如图2-33所示。 蜗轮齿条固定，如图2-34所示。
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2.4.6换刀机械手故障
（1）刀具夹不紧 可能原因有气泵气压不足，增压漏 气，刀具卡紧气压漏气，刀具松开弹簧上的螺帽松 动。 (2)刀具夹紧后松不开 可能原因有松锁刀的弹簧压合 过紧，应调节松锁刀弹簧上的螺钉，使最大载荷不 超过额定数值。 (3)刀具从机械手中脱落 应检查刀具是否超重，机械 手卡紧锁是否损坏或没有弹出来。 (4)刀具交换时掉刀 换刀时主轴箱没有回到换刀点或 换刀点漂移，机械手抓刀时没有到位，就开始拔刀， 都会导致换刀时掉刀。 (5)机械手换刀速度过快或过慢 可能是因气压太高或 太低和换刀气阀节流开口太大或太小。
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2.1 数控机床机械结构的主要组成
由于进给伺服驱动、主轴驱动和CNC技术 的发展，以及为适应高生产率的需要，数控机床 的机械结构已从初期对普通机床局部结构的改进。 逐步发展为数控机床的独特机械结构。图2-1所示 为CK6136型数控车床。
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2.2 数控机床的主传动系统
2.2.1 主轴变速方式
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2.5 回转工作台
为了扩大数控机床的加工性能，适应某些零件加工 的需要，数控机床的进给运动，除X、Y、Z三个坐标轴的 直线进给运动之外，还可以有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆 周进给运动，这分别称A、B、C轴。通常数控机床的圆周 进给运动，可以实现精确的自动分度改变工件相对于主 轴的位置，以便分别加工各个表面，这对箱体类零件的 加工带来了便利。对于自动换刀多工序数控机床来说， 回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控 工作台。
1．无级变速，如图2-2所示
2．分段无级变速，如图2-3所示。
3．液压拨叉变速机构，如图2-4所示
4．电磁离合器变速，如图2-5 2-6 2-7所示 5．内装电动机主轴变速，如图2-8所示
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2.2.2 主轴部件
主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴 的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质 量的好坏直接影响加工质量。 主轴端部的结构形状如图2-9所示
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（四）滚珠丝杠副的润滑及防护装置 滚珠丝杠副在工作状态下，必须润滑，以保证其充 分发挥机能。润滑方式主要有以下两种：润滑脂、 润滑油。润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积 的1/3，某些生产厂家在装配时螺母内部已加注润滑 脂。而润滑油的给油量随行程、润滑油的种类、使 用条件等的不同而不同。 滚珠丝杠副与滚动轴承一样，如果污物及异物进入 就很快使它磨损，因此考虑油污物异物（切削）进 入时，必须采用防尘装置，将丝杠轴完全保护起 来。防尘装置可采用可随移动部件移动而收展的钢 制盖板或柔性卷帘。
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4．主轴滚动轴承的预紧 常用的方法有以下几种： (1)轴承内圈移动 如图2-12所示 (2)修磨座圈或隔套 如图2-13所示
2.2.4主轴的材料和热处理
主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷 特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度 与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金 钢其E值基本相同。因此，对于一般要求的机床其 主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处 理后硬度为22～28HRC。
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2.5.1鼠牙盘式分度工作台
鼠牙盘式分度工作台主要由工作台面底座、夹紧 液压缸、分度液压缸和鼠牙盘等零件组成，其结 构如图2-54所示。
2.5.2数控回转运动工作台
数控回转运动工作台能实现进给运动，它在结构 上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之点。 如图2-55所示为闭环数控旋转工作台结构图。
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2.3 数控机床的进给传动系统
2.3.1滚珠丝杠螺母副
目前广泛应用的进给运动的传动方式主要有两种：一 种是回转伺服电机通过滚珠丝杠螺母副的间接传动的 进给运动方式;另一种是采用直线电机直接驱动的进给 运动方式。后者多用于高速加工中。 常用的循环方式有外循环与内循环两种： 1、外循环如图2-18所示 2、内循环如图2-19所示 （一）滚珠丝杠副的预紧 滚珠丝杠副预紧的目的是为了消除丝杠与螺母之间的 间隙和施加预紧力，以保证滚珠丝杠反向传动精度和 轴向刚度。
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排刀式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料为 主的机床较为常见。它的结构形式为夹持着各种不同用途 刀具的刀夹沿着机床的 X坐标轴方向排列在横向滑板或一 种称之为快换台板上。刀具典型布置方式如图2-35所示。
2.4.1排刀式刀架
2.4.2经济型数控车床方刀架
经济型数控车床方刀架是在普通车床四方刀架的基础 上发展的一种自动换刀装置，功能和普通四方刀架一样， 有四个刀位，能装夹4把不同功能的刀具，方刀架回转 90°时，刀具交换一个刀位，但方刀架的回转和刀位号的 选择是由加工程序指令控制如图2-37所示
第2章 数控机床机械结构 的故障诊断与维修
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第2章 数控机床机械结构的故障诊断与维修
• • • • • • 2.1 数控机床机械结构的主要组成 2.2 数控机床的主传动系统 2.3 数控机床的进给传动系统 2.4 自动换刀装置 2.5 回转工作台 2.6 数控机床的液压与气动装置
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2.2.3主轴部件的支承
机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应 能传递切削转矩承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。 机床主轴多采用滚动轴承作为支承，对于精度要求高的 主轴则采用动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介 绍主轴部件所用的滚动轴承。 1．主轴部件常用滚动轴承的类型如图2-10所示 2．滚动轴承的精度 主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6、精密级5、 特精级4和超精级2。前支承的精度一般比后支承的精度 高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通 常前支承取4、5级，后支承用5、6级。 3．主轴滚动轴承的配置如图2-11所示