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1、烟台工程职业技术学院 数控技术 系 数控维护 专业 08 级毕业设计（论文）题 目: 宏程序在数控加工中编程与应用 姓名林 伟 学号 指导教师（签名） 二零一零 年 十 月 十五 日 烟台工程职业技术学院毕业设计（论文)诚 信 承 诺 书本人慎重承诺：我所撰写的设计（论文）轴类零件的程序设计与数控加工是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。 学生(签名)： 2010年10月15日目 录摘要 4一、 数控系统与数控机床技术发展趋势5数控技术的发展趋势 5二、 数控机床主轴结构6高速加工
2、对机床主轴的要求 6 主轴的结构7三、 数控机床主轴的故障分析与维修9四、 数控机床运行中主轴的异常及案例 13主轴发热现象 13主轴出现异常噪音或振动 13切削时主轴出现停转或旋转不稳现象 13结论15谢语 15参考文献16数控机床主轴部件及其维护林 伟摘要随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。数控机床的主轴技术也是相当的重要，但往往也会出现故障,外此给操作人员带来便,为了发挥数控机床的使用效率,本文中介绍了数控机床主轴部件及其对它的故障分析和解决的方法,结合原理图来加以说明。关键词： 数控技术，主轴部件，故障诊断。一 、 数控系统与数控机床技术发展趋势数控技术的发展趋势
3、数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术发展的趋势来看，主要有如下几个方面： 1. 高精度、高速度的发展趋势 尽管十多年前就出现高精度高速度的趋势，但是科学技术的发展是没有止境的，高精度、高速度的内涵也在不断变化，目前正在向着精度和速度的极限发展。 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会将其确
4、定为21世纪的中心研究方向之一。在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料掏空的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。 2. 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且
5、效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。 3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智
6、能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。 目前许多国家对开放式数控系统进行研究，数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通
7、过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，反映了数控机床加工向网络化方向发
8、展的趋势。二、 数控机床主轴结构 高速加工对机床主轴的要求 高速加工对机床主轴系统不仅要求转速高，输出的扭矩和功率要大，还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定性。目前，国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达20000100000r/min，国内中小型加工中心、数控铣床的主轴最高转速也达40006000r/min 。实际应用中主要有两类高速主轴：一类是具有零传动的高速电主轴，这类主轴因采用电机和机床主轴一体化的结构，并经过精确的动平衡校正，因此具有良好的回转精度和稳定性，但对输出的扭矩和功率有所限制；另一类是以变频主轴电机与机械变速机构相结合的
9、主轴，这类主轴输出的扭矩和功率要大得多，但相对来说回转精度和平稳性要差一点，因此对于这类主轴来说，如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。 主轴的结构 1. 主轴轴承 主要有三种形式：前支撑采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合。后支撑采用成对向心推力球轴承。此配置可提高主轴的综合刚度，并可以满足强力切削的要求。前轴承采用高精度双列向心推力球轴承，向心推力球轴承具有良好的高速性，但它的承载能力小，只适于高速、轻载、精密的数控机床的主轴。 双列和单列圆锥滚子轴承，这种轴承径向和轴向的刚度都很高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装、调整性能好，但
10、主轴转速受到限制，主轴的精度也受到影响，所以只能用在中等精度、低速、重载的数控主轴上。2. 主轴拉杆自动装刀系统 在加工中心和高速数控铣床中刀具安装势必采用自动装刀机构。由预紧弹簧控制轴向拉力，再由气压、液压或机械螺杆等执行机构实现松刀和夹刀动作的拉杆机构 ( 如图 5) 。执行机构有与主轴一同旋转的随动单元，也有不随主轴旋转的分离型结构，前者结构比较紧凑，复杂程度高，后者结构简单，成本低，但占用空间较大。另外，为了提高刀具重复安装精度，减少刀具锥柄和主轴锥孔非正常接合，在自动装刀系统中必须设置主轴准停机构和用以清洁刀具锥柄、主轴锥面的吹气或喷液的机构。图 5 KX714 主轴结构1. 压缩空
11、气管 2. 活塞 3. 双沟锁紧螺母 4. 碟形弹簧 5. 拉杆6. 主轴7. 主轴套筒 8. 主轴内冷却环 9. 刀具拉钉 10. 挡油法兰 3. 主轴准停装置在换刀时，刀柄上的键槽要对准主轴的端面键。这就是准确定位功能。由于主轴在固定的圆周位置上换刀，使得刀柄与主轴相对位置的一致性，同时也减少了被加工孔的尺寸的分散度。主轴准停是当主轴要停车换刀时，发出降速信号，主轴箱自动改变传动路线，使主轴转换到最低速运转。经数秒延时后，接通无触电开关，当凸轮上的感应片对准触点开关时，发出准停信号，立即切断主电机电源，脱开与主轴相连的传动链系，以排除传动系统中大部分旋转零件的惯性对主轴准停的影响。使主轴作
12、低速惯性空转，再经过短暂延时，接通压力油，使活塞带着定位滚子向上运动，并压紧凸轮块的外表面。当凸轮的V形缺口对准滚子时，滚子进槽，使主轴准确停止，同时限位开关发出已准停信号。如果在规定时间内没发出已完成准停信号，这时要重新发出定位信号，并重复上述动作。然后活塞退回到释放位置，行程开关发出相应信号。三、 数控机床主轴的故障分析与维修 开机后，不论输入指令，主轴仅仅出现底速旋转，实际转速无法达到指定值。分析与处理过程：在数控机床上，主轴转速的控制，一般是数控系统根据不同的S代码，输出不同的主轴转速模拟量值，通过主轴驱动器实现主轴变速的。在本机床上，检查主轴驱动器无报警，而主轴出现底速旋转，可以基本
13、确认主轴驱动器无故障。根据故障现象，为了确定故障部位，利用万用表测量系统的主轴模拟量输出，发现在不同的S*指令下，其值改变，由此确认数控系统工作正常。分析主轴驱动器的控制特点，主轴的旋转除需要模拟量输入外，作为最基本的输入信号还需要给定旋转方向。在确认主轴驱动器模拟量输入正确的前提下，进一步检查主轴转向信号，发现其输入模拟量的极性与主轴转向的输入信号不一致；交换模拟量的极性后重新开机，故障排除，主轴可以正常旋转。 主轴在高速旋转时,出现异常振动的故障维修。分析与处理过程:数控机床的振动与机械系统的设计、安装、调整以及机械系统的固有频率、主轴系统的固有频率等因数有关，其原因通常比较复杂。但在本机
14、床上，由于故障前交流主轴驱动系统工作正常，可以在高速下旋转：而主轴在超过3000r/min时，在任意转速下振动均存在，可以排除机械共振的原因。检查机床机械传动系统的安装与连接，未发现异常，而在脱开主轴电动机与主轴机床的连接后，从控制面板上观察主轴转速、转矩显示，发现其值有较大的变化，因此初步判定故障在主轴驱动系统的电器部分。通过对主轴驱动部分的电器原理图的分析(如图1-1所示),再仔细检查机床的主轴驱动系统连接，最终发现该机床的主轴驱动器的接地线连接不良，将接地线重新连接后，机床恢复正常。图1-1 主轴驱动部分的电器原理图 在自动加工时，发现机床不执行螺纹加工程序。分析与处理过程：数控车床加工
15、螺纹，其实质是主轴的转角与Z轴进给之间进行的插补。主轴的角度位移是通过主轴编码器进行测量的。在本机床上，由于主轴能正常旋转与变速，分析故障原因主要有以下几种：(1)主轴编码器与主轴驱动器之间的连接不良。(2)主轴编码器故障。(3)主轴驱动器与数控之间的位置反馈信号电缆连接不良。经检查主轴编码器与主轴驱动器之间的连接正常，故可以排除第一项；且通过CRT的显示，可以正常显示主轴转速，因此说明主轴编码器的A、*A、B、*B信号正常；在利用示波器检查Z、*Z信号，可以确认编码器零脉冲输出信号正确。根据检查，可以确定主轴位置检测系统工作正常。根据数控系统的说明书，进一步分析螺纹加工功能与信号的要求，可以
16、知道螺纹加工时，系统进行的是主轴每转进行动作，因此它与主轴到达的信号有关。在本系统中，主轴的每转进给动作与参数PRM24.4的设定有关，当该位设定为“0”时，Z轴进给时不检测“主轴速度到达”信号；设定为“1”时，Z轴进给时需要检测“主轴速度到达”信号。在本机床上，检查发现该位设定为“1”，因此只有“主轴速度到达”信号为“1”时，才能实现进给。通过系统的诊断功能，检查发现当实际主轴转速显示值与系统的指令值一致时，“主轴速度到达”信号仍然为“0”。进一步检查发现，该信号连接线断开；重新连接后，螺纹加工动作恢复正常。 S指令无效，主轴转速仅为12r/min，无任何报警。分析与处理过程：测量主轴驱动器
17、的速度指令Vcdm信号，发现在04500r/min的任何S指令下，Vcmd总是为0，进一步测量CNC的S模拟输出，其值亦为“0”，表明CNC的主轴速度控制指令未输出。由于CNC无报警显示，故主轴速度控制指令未输出可能的原因是主轴未满足转速输出的条件。对照系统的接口信号，通过对PLC程序梯形图的分析发现：PLC程序中主轴的高/低速换档的标志位、机床的高/低速档检测开关输入信号均为“0”，这与实际情况不符。通过手动控制电磁阀，使机床换到低速档后，机床的低速档检测开关输入信号正确，PLC中主轴低速换档的标志位随之变为正确的状态，满足了主轴条件。在此条件下再次启动主轴，机床恢复正常。为了进一步判断机床
18、故障的原因，通过MDI方式，执行M42（换高速档指令）后，发现M42指令不能完成。检查高速档电磁阀已经得电，但高速档到位信号为“0”，由此判定故障原因在机床的机械或液压部分。检查主轴箱内部，发现机床的换档机构的拨叉松动，在地速档时，由于拨叉向下动作，可以通过自重落下，因此机床可以正常工作；换高速档时，拨叉向上运动，拨出后不能插入齿轮。经重新安装后，机床恢复正常。 工停车时发出巨大的响声,同时车间总电源跳闸车间。分析与处理过程：通过对供电系统进行检修发现:(1)原自动空气断路器已损坏,其中一相触头接触面太小；(2)车间供电变压器容量小,处于超负荷运行。修好后的三相电压仅为340V(要求电压调至3
19、60380V)。机床调速系统的可控硅整流部分为三相半波反并联控制,检查发现一只可控硅烧坏。查看驱动部分,B相正组触发脉冲只有4.6V,而正常时的触发脉冲为15V。发现触发电路中的放大复合管T3性能不好造成。换上新管子后一切正常。烧可控硅的原因分析:机床在停车降速情况下烧可控硅或烧保险是由于缺相造成逆变失败。在逆变状态与在整流状态下都是触发电位较高的可控硅SCR1,同时使前一相可控硅SCR3承受反相电压而关断,在整流状态下,在SCR3的关断其间以反相阻断状态为主,即使后一个可控硅不触发,而SCR3到一定时刻也会因过零而自动关断。但若在停车降速的情况下(即逆变状态),可控硅在关断时有很长一段时间处
20、于正向阻断状态。这样若后一个可控硅不导通,由于电感L的放电作用,使该可控硅再延续导通一个时期而进入正半周,可控硅将继续导通下去,同时也阻碍后面的可控硅导通。于是,可控硅输出的正向电压与电动机电势迭加,产生很大的电流,此时产生的逆变颠覆,轻则烧坏保险丝,重则烧坏可控硅。 主轴驱动单元损坏，开机后，主轴报警，显示器显示“主轴没准备好”。分析与处理过程：打开主轴伺服单元电箱，发现伺服单元无任何显示。用万用表测主轴伺服驱动BKH电源进线供电正常，而伺服单元数码管无显示，说明该单元损坏。检查该单元供电线路，发现供电线路实际接线与电气图不符，如图2-2所示。该单元通电启动时，KM5先闭合，23s后，KM6
21、闭合，将电阻R短接。电阻与扼流圈L得作用是在启动时防止浪涌电流对主轴单元的冲击。实际接线中三只电阻却接成了三相并联形式，起不到保护作用，导致通电时主轴单元被损坏，同时三只电阻因长期通电烧糊。按电气图重新接线，更换新主轴单元后，机床恢复正常3。 图2-2四、数控机床运行中主轴的异常现象及处理方法 主轴发热现象机床运行中主轴发热主要由于其转速较高且连续工作，故摩擦热和切削热是主要热源。若不尽快散热、强制冷却，控制其温升，会使主轴发生热变形，影响加工精度。一般处理方法是：(1)先检查前后轴承润滑脂是否耗尽或涂抹过量，应按量注入润滑脂；(2)再检查前后轴承是否有损伤或混入异物，如轴承有破损应更换新轴承
22、；或者清除赃物，更换润滑脂。 主轴出现异常噪音或振动在主轴等速旋转过程中，常会出现异常噪音或振动，这种情况可能来自于主轴电机或是机械系统。检查时，可先使电机与主轴间的联轴器断开使电机空载运行，若仍有噪音，则原因出在主轴电机，否则为机械系统中主轴箱内机械部件故障。(1)机械系统产生的噪声可以从以下几个方面进行检查 检查主轴轴承的润滑情况，是否缺少润滑脂，如果缺少应按量补充； 主轴驱动皮带轮是否存在转动不平衡状况；检查动平衡块是否松动或脱落，如需要，应对平衡块进行适当调整；(2)对于交流主轴电机旋转时出现的异常噪声及振动，维修时可以从以下几个方面进行处理：首先确定异常噪音或振动是在什么状态下发生的
23、，如在减速过程中发生，则是再生回路故障，应重点检查再生回路的晶体管模块是否损坏，保险是否熔断；若在等速旋转时产生噪音或振动，则先检查反馈电压是否正常，然后在突然切断指令的情况下，观察电机自由停车过程中是否有异常噪音或振动。若有，则故障出现在机械部分，否则故障出现在印制线路板上。若反馈电压不正常，则进一步检查振动周期是否与速度有关。若有关，应检查主轴与主轴电机连接是否完好，电机轴承或主轴电机与主轴联轴器是否正常，主轴箱内驱动齿轮啮合是否良好，以及安装在交流主轴电机尾部的脉冲发生器是否工作正常。若无关，故障多数是由于速度控制回路调整不当引起的，或连接器接触不良，或电机内部存在机械故障。切削时主轴出
24、现停转或旋转不稳现象数控机床在切削加工时，有时会出现转速不稳或突然停转现象，一般从以下方面处理：(1)首先观察主轴伺服系统是否有报警显示。若有，可按报警提示的内容采取相应措施，若无则应检查速度指令信号是否正常，若不正常，则为系统侧输出有问题或数模转换器存在故障。(2)印制线路板设定错误，控制回路调整不当也会造成此类异常。(3)主轴不转还可能是由于主轴位置传感器安装有误。造成传感器无法发出检测信号而引起的。此时应调整传感器的安装位置，并检查连接电缆是否存在接触不良等故障。(4)若主轴电机不存在故障，则应检查主轴箱内机械传动部件。此类故障多发生在主轴箱内使用皮带传动的机床上，检查电机与主轴连接皮带
25、是否过松，皮带表面是否沾染油污，皮带是否老化变形。如皮带过松，可移动电机座，张紧皮带，然后将电机座重新锁紧；对于受到污染或老化的皮带，应清洗油污或更换。案例1：一车削单元采用的是SINUMERIK 840C系统。机床在工作时突然停机。显示主轴温度报警。经过对比检查，故障出现在温度仪表上，调整外围线路后报警消失。随即更换新仪表后恢复正常。案例2：操作不当也是引起故障的重要原因。如某一台采用840C系统的数控车床，第一天工作时完全正常，而第二天上班时却无论如何也开不了机，工作方式一转到自动方式下就报警“EMPTYING SELECTED MOOE SELECTOR”。加工完工件后，主轴不停，机械手
26、就去抓取工件，后来仔细检查各部位都无毛病，而是自动工作条件下的一个模式开关位置错了。所以，当有些故障原因不明的报警出现的话，一定要检查各工作方式下的开关位置。还有些故障不产生故障报警信息，只是动作不能完成，这时就要根据维修经验、机床的工作原理和PLC运行状况来分析判断了。对于数控机床的修理，重要的是发现问题。特别是数控机床的外部故障。有时诊断过程比较复杂，但一旦发现问题所在，解决起来比较简单。对外部故障诊断应遵从以下两条原则。首先要熟练掌握机床的工作原理和动作顺序。其次，要会利用PLC梯形图。NC系统的状态显示功能或机外编程器监测PLC的运行状态，一般只要遵从以上原则，小心谨慎，一般的数控故障
27、都会及时排除。结论 随着社会的发展,数控机床也随这科学技术的提高在发展,目前数控机床种类繁多,为保证它的正常运行, 出现问题后能及时的处理已成为至关重要的问题。能够正确、快速的发现常见异常，查明原因并及时解决问题，这样才能提高数控机床的开机可靠性和开动率。但数控机床主轴的故障及原因较多，而故障现象与故障原因并无一一对应，往往一种故障现象由几种原因综合引起，或一种原因引起几种故障。因此诊断故障应该从弄清具体数控系统的主轴结构及其控制原理入手，结合机床结构，凭借实践经验和维修手册，根据故障的表现形式进行故障定位，力求将故障定在尽可能小的范围内。再按照可能性的大小进行逐一检查，排除假象，找出真正的故
28、障所在，加以排除。谢语通过这一个多月的毕业设计，使我对数控机床主轴部件及其故障的维护有了一定的了解。当一开始感觉主轴部件比较地烦琐，所以开始的一段时间，我大量的在网上和书中找与主轴部件有关的资料，尽量弄明白，搞清楚整个主轴的结构，不明白的地方向指导老师请教，尽量使自己在把主轴搞清楚。经张老师指导让我的思路明确。这对我的设计工作起到了一定的推动作用，特别是在主轴部件故障分析上张老师更是不断的加以指导和分析，通过老师的悉心指导和自己的认真学习，刻苦分析，查阅相关资料，最终做完了毕业设计。这次的毕业设计对我以后的学习和工作都很有帮助的，不仅是因为通过设计我们学到了很多原本不懂的东西，更是因为在设计中，我们遇到了很多的问题，老师又教会我许多不同的分析问题、解决问题的方法，这些经历将在我以后的人生道路上的助推剂。参考文献1任 建 平数控系统与数控机床技术发展趋势（M）国 防 工 业 出 版 社，200212夏 庆 观数 控 机床主轴结构（M）北京：高 等 教 育 出 版 社，2002123王 侃 夫数 控 机 床 故 障 诊 断 及 维 护 （M）北京：机 械 工 业 出 版 社，200154王 红 英数 控 机 床运行中主轴常见故障（M），20028 5孙 汉 卿. 数 控机床维修技术(M).高等教育出版社，2005.7共16页 第16页