数控车床刀架故障与维修.doc

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1、本科生毕业设计（论文）（ 2011 届 ） 学 生 姓 名 洪 方 院 （系） 武汉理工大学独立本科段 专 业 机电一体化 学 号 9 导师姓名、职称 丁群燕 高锦南 设计（论文）题目 数控车床刀架故障与维修 第1章 数控车床的维修掩护基础1.1 数控车床基础概念1.1.1 数控技巧与数控机床数控技巧，简称数控（Numerical ControlNC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行把持的一种方法。由于现代数控都采用了盘算机进行把持，因此，也可以称为盘算机数控（Computerized Numerical ControlCNC）。为了对机械运动及加工过程进行数字化信息把持，必须具备相

2、应的硬件和软件。用来实现数字化信息把持的硬件和软件的整体成为数控系统（Numerical Control System），数控系统的核心是数控装置（Numerical Controller）。采用数控技巧进行把持的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合利用了盘算机技巧、主动把持技巧、精密测量技巧和机床设计等先进技巧的范例机电一体化产品，是现代制作技巧的基础。把持机床也是数控技巧利用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的程度代表了当前数控技巧的性能、程度和发展方向。数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特别用处的专用数控机床等等，凡是采用了数控技巧

3、进行把持的机床统称为NC机床。带有主动换刀装置ATC（Automatic Tool ChangerATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（Machine CenterMC）。它通过刀具的主动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了赞助加工时间，前进了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，前进了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最大、利用最广的数控机床。在加工中心的基础上，通过增长多工作台（托盘）主动交换装置（Auto Pallet ChangerAPC）以及其他相干装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（Flexible Manu

4、facturing CellFMC）。FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的主动交换和较完善的主动监测、监控功效，可以进行必定时间的无人化加工，从而进一步前进了设备的加工效率。FMC既是柔性制作系统FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可以作为独立的主动化加工设备应用，因此其发展速度较快。在FMC和加工中心的基础上，通过增长物流系统、工业机器人以及相干设备，并由中央把持系统进行集中、统一把持和管理，这样的制作系统称为柔性制作系统FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不仅可以进行长时间的无人化

5、加工，而且可以实现多品种零件的全数加工和部件装配，实现了车间制作过程的主动化，它是一种高度主动化的先进制作系统。随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制作业来说，不仅需要发展车间制作过程的主动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制作直到产品销售的全面主动化。将这些请求综合、构成的完整的生产制作系统，称为盘算机集成制作系统（Computer Integrated Manufacturing SystemCIMS）。CIMS将一个更长的生产、经营运动进行了有机的集成，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当今主动化制作技巧发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成

6、，更重要的是以信息为特点的技巧集成和功效集成。盘算机是集成的工具，盘算机赞助的主动化单元技巧是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。1.1.2 数控系统及其组成1. 数控系统的基础组成数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的重要把持对象是坐标轴的位移（包含移动速度、方向、地位等），其把持信息重要起源于数控加工或运动把持程序。因此，作为数控系统的最基础组成应包含：程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三部分。（1） 输入/输出装置 输入/输出装置的作用是进行数控加工或运动把持程序、加工与把持数据、机床参数以及坐标轴地位、检测开关的状态

7、等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备都必备的最基础的输入/输出装置。此外，根据数控系统的不同，还可以配光电浏览机、磁带机或软盘驱动器等。作为外围设备，盘算机是目前常用的输入/输出装置之一。（2） 数控装置 数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、把持器、运算器和存储器等部分组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据，通过内部的逻辑电路或把持软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以把持机床的各部分进行规定的动作。在这些把持信息和指令中，最基础的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令。它经插补运算后生成，供给给伺服驱动，经驱动器放大，最终把持坐标轴的位移。它直接

8、决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。此外，根据系统和设备的不同，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的起、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等赞助指令。在数控系统中，它们是通过接口，以信号的情势供给给外部赞助把持装置，由赞助把持装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的履行器件，带动机床机械部件、液压气动等赞助装置完成指令规定的动作。（3） 伺服驱动 伺服驱动通常由伺服放大器（亦称驱动器、伺服单元）和履行机构等部分组成。在数控机床上，目前一般都采用交换伺服电动机作为履行机构；在先进的高速加工机床上，已经开端应用直线电动机。

9、另外，在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有采用直流伺服电动机；对于简易数控机床，也有用作为履行器件。伺服放大器的情势决定于履行器件，它必须与驱动电动机配套应用。以上是数控系统最基础的组成部分。随着数控技巧的发展和机床性能程度的前进，对系统的功效请求也日益加强，为了满足不同机床的把持请求，保证数控系统的完整性和统一性，并轻易用户应用，常用较为先进的数控系统，一般都带有内部可编程把持器作为机床的赞助把持装置。此外，在金属切削机床上，主轴驱动装置也可以成为数控系统的一个部分；在闭环数控机床上，测量、检测装置也是数控系统必不可少的。对于先进的数控系统，有时甚至采用盘算机作为系统的人机界面和数据

10、的管理、输入/输出设备，从而使数控系统的功效更强、性能更完善。总之，数控系统的组成决定于把持系统的性能和设备的具体把持请求，其配置和组成具有很大的差别，除加工程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三个最基础的组成部分外，还可能有更多的把持装置。图1-1的虚线框部分表现盘算机数控系统。2. NC、CNC、SV与PLC的概念NC（CNC）、SV与PLC（PC、PMC）是数控设备中最为常用的英文缩写，在实际应用中，在不同的场合具有不同的含义。（1） NC（CNC） NC与CNC分辨是数控（Numerical Control）与盘算机数控（Computerized Numerical Contro

11、l）的常用英文缩写。由于现代数控都采用了盘算机把持，因此，可以认为NC和CNC的含义完整等同。在工程利用上，根据应用处合的不同，NC（CNC）通常有三种不同的含义：在广义上代表一种把持技巧数控技巧；在狭义上代表一种把持系统的实体数控系统；此外，还可以代表一种具体的把持装置数控装置。（2） SV SV是伺服驱动（Servo Drive，简称伺服）的常用英文缩写。按日本JIS标准规定的术语，它是“以物体的地位、方向、状态作为把持量，追踪目标值的任意变更的把持机构”。简言之，它是一种能够主动追随目标地位等物理量的把持装置。在数控机床上，伺服驱动的作用重要有两个方面：一是使坐标轴按照数控装置给定的速度

12、运行；二是使坐标轴按照数控装置给定的地位定位。伺服驱动的把持对象通常是机床坐标轴的位移和速度；履行机构是伺服或；对输入指令信号进行把持和功率放大的部分常称为伺服放大器（亦称为驱动器、放大器、伺服单元等），它是伺服驱动的核心。伺服驱动不仅可以和数控装置配套应用，而且还可以单独作为一个地位（速度）伴随系统应用，故也常称为伺服系统。在早期的数控系统上，地位把持部分一般与CNC制成一体，伺服驱动只进行速度把持，因此，伺服驱动又常称为速度把持单元。（3） PLC PC是可编程序把持器（Programmable Controller）的英文缩写。随着个人盘算机的日益普及，为了避免和个人盘算机（亦称PC）混

13、杂，现在一般都将可编程序把持器称为可编程序逻辑把持器（Programmable Logic ControllerPLC）或可编程序机床把持器（Programmable Machine ControllerPMC）。因此，在数控机床上，PC、PLC、PMC具有完整雷同的含义。PLC具有响应快、性能可靠、应用轻易、编程和调试容易等特点，并可直接驱动部分机床电器，因此，被广泛用来作为数控设备的赞助把持装置。目前，大多数数控系统都带有内部PLC，用于处理数控机床的赞助指令，从而大大简化了机床的赞助把持装置。此外，在很多场合，通过PLC的轴把持模块、定位模块等特别功效模块，还可以直接利用PLC，实现点位

14、把持、直线把持以及简略的轮廓把持，组成数控专用机床或数控生产线。1.1.3 数控车床的组成与加工原理1. 数控机床的基础组成数控机床是最范例的数控设备。为了懂得数控机床的基础组成，起首需要分析数控机床加工零件的工作过程。在数控机床上，为了进行零件的加工，可以通过如下步骤进行： 据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够辨认的指令情势，即编写加工程序。 将所编写的加工程序输入数控装置。 数控装置对输入的程序（代码）进行译码、运算处理，并向各坐标轴的伺服驱动装置和赞助机能把持装置发出相应的把持信号，以把持机床的各部件

15、的运动。 在运动过程中，数控系统需要随时检测机床的坐标轴地位、行程开关的状态等，并与程序的请求相比较，以决定下一步动作，直到加工出合格的零件。 操作者可以随时对机床的加工情形、工作状态进行视察、检查，必要时还需要对机床动作和加工程序进行调剂，以保证机床安全、可靠的运行。由此可知，作为数控机床的基础组成，它应包含：输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置、赞助把持装置以及机床本体等部分（如图1-1所示）。图11中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工把持。目前数控系统大部分采用盘算机数控（即CNC），图中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成的机床数控系统，作用在上面已

16、经叙述。下面再简要介绍其他组成部分。测量反馈装置 它是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等，将履行元件（如、刀架等）或工作台等的实际位移的速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或履行机构的运动误差，以达到前进运动机构精度的目标。检测装置的安装、检测信号反馈的地位，决定于数控系统的结构情势，伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。由于先进的伺服都采用了数字式伺服驱动技巧（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接；反馈信号在大多数场合都是与

17、伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置。只有在少数场合或采用模仿量把持的伺服驱动（俗称模仿伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。赞助把持机构、进给传动机构 它是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的把持部件。其重要作用是吸收数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令；刀具选择交换；冷却、润滑装置的启停指令；工件和机床部件的松开、夹紧工作台转位等赞助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑断定、功率放大后直接驱动相应的履行元件，带动机床机械部件、液压气动等赞助装置完成指令规定的动作。它通常由PLC和强电把持回路构成，PLC在结构上可以与CNC一体化（内置式PLC），

18、也可以相对独立（外置式PLC）。机床本体 就是数控机床的机械结构件，也是由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台以及赞助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑、防护系统等部分组成。但为了满足数控的请求，充分施展机床性能，它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已产生了很大的变更。机床机械部件包含床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。2. 数控加工的原理在传统的金属切削机床上，加工零件时需要操作者根据图样的请求，通过不断转变刀具的运动轨迹和运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。 数控装置根据加工程序请求的刀具轨迹

19、，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量）进行微分（图1-2中的X、Y），并盘算出各坐标轴需要移动的脉冲数。 通数控装置的“插补”软件或“插补”运算器，把请求的轨迹用以“最小移动单位”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。 数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴持续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。 图1-2 数控加工原理示意图由上可见：第一，只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就可以等效取代理论曲线。第二，只要转变坐标轴的脉冲分配方法，即可以转变拟合折线的形状，从而达到转变加工轨迹的目标。第三，只要转变分配

20、脉冲的频率，即可转变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控机床把持刀具移动轨迹的根本目标。以上根据给定的数学函数，在理想轨迹（轮廓）的已知点之间，通过数据点的密化，断定一些中间点的方法，称为插补。能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴的数量是权衡数控机床性能的重要技巧指标。12 数控车床维修的基础请求数控机床是一种综合利用了盘算机技巧、主动把持技巧、精密测量技巧和机床设计等先进技巧的范例机电一体化产品，其把持系统复杂、价格昂贵，因此它对维修人员的素质、维修材料的筹备、维修仪器的应用等方面提出了比普通机床更高的请求。1.

21、2.1. 维修人员的素质请求维修工作开展的好坏（高的效率亲睦的效果）起首取决于维修人员的素质。为了迅速、正确断定故障原因，并进行及时、有效的处理，恢复机床的动作、功效和精度，请求维修人员应具备以下基础素质：(1) 工作态度要端正。应有高度的责任心和良好的职业道德。(2) 具有较广的知识面。由于数控机床是集机械、电气、液压、气动等为一体的加工设备，组成机床的各部分之间具有亲近的接洽，其中任何一部分产生故障都有可能影响其它部分的正常工作。而根据故障现象，对故障的真正原因和故障部位尽快进行断定，是机床维修的第一步，这是维修人员必须具备的素质，同时如何快速的断定也对维修人员素质提出了很高的请求。重要有

22、如下方面：控制或懂得盘算机原理、电子技巧、电工原理、主动把持与电动机拖动、检测技巧、机械传动及机加工工艺方面的基础知识既要懂电、又要懂机。电包含强电和弱电；机包含机、液、气。维修人员还必须经过数控技巧方面的专门学习和培训，控制数字把持、伺服驱动及PLC的工作原理，懂得NC和PLC编程。此外，维修时为了对某些电路与零件进行现场测试，作为维修人员还应当具备必定的工程识图能力。(3) 具有必定的外语基础和专业外语基础。一个高素质的维修人员，需要能对国内、外多种数控机床进行维修。但国外数控系统的配套阐明书、材料往往应用原文材料，数控系统的报警文本显示亦以外文居多。为了能迅速根据阐明书的所供给信息与系统

23、的报警提示，确认故障原因，加快维修过程，故请求具备专业外语的浏览能力，以便分析、处理问题。(4) 擅长学习，勤于学习，擅长思考。作为数控机床维修人员不仅要重视分析问题与经验积累，还应当勤于学习，擅长学习，擅长思考。国外、国内数控系统种类繁多，而且每种数控系统的阐明书内容通常也很多，包含操作、编程、连接、安装调试、掩护维修、PLC编程等多种书明书。材料内容多，不勤于学习，不擅长学习，很难对各种知识融合贯通。而每台数控机床，其内部各部分之间的接洽紧密，故障涉及面很广，而且有些现象不必定反响出了故障产生的原因，作为维修人员，必定要透过故障的表象，通过火析故障产生的过程，针对各种可能产生的原因，仔细思

24、考分析，迅速找出产生故障的根本原因并予以清扫。应作到“多动脑，慎动手”，切记轻率下结论，盲目调换元器件。(5) 有较强的动手能力和实验技巧。数控系统的维修离不开实际操作，起首请求能熟练的操作机床，而且维修人员要能进入一般操作者无法进入的特别操作模式，如：各种机床以及有些硬件设备自身参数的设定与调剂，利用PLC编程器监控等等。此外，为了断定故障原因，维修过程可能还需要编制相应的加工程序，对机床进行必要的运行实验与工件的试切削。其次，还应当能熟练的应用维修所必须的工具、仪器和仪表。(6) 应养成良好的工作习惯。需要胆大心细，动手必需要有明确目标、完整的思路、过细的操作。做到如下几点：动手前应仔细思

25、考、视察，找准切入点；动手过程要做好记载，尤其是对于电器元件的安装地位、导线号、机床参数、调剂值等都必须做好明显的标记，以便恢复；维修完成后，应作好“收尾”工作，如：将机床、系统的罩壳、紧固件安装到位；将电线、电缆收拾整齐等。在系统维修时应特别注意：数控系统的某些模块是需要电池保持参数的，对于这些电路板和模块切勿随便插拔；更不可以在不懂得元器件作用的情形下，随便调换数控装置、伺服、驱动等部件中的器件、设定端子；任意调剂电位器地位，任意转变设置参数，随便调换数控系统软件版本，以避免产生更严重的成果。1.2.2. 必要的技巧材料维修的效果、寻找故障的正确性，也决定于维修人员对系统的熟悉程度和运用技

26、巧材料的熟练程度。所以在平时应认真收拾和浏览有关数控系统的重要技巧材料。对于重大的数控机床故障维修，应具备以下技巧材料：(1) 数控机床应用阐明书 它是由机床厂家编制并随机床供给的材料。通常包含以下与维修有关的内容： 机床的操作过程与步骤； 机床电气把持原理图； 机床重要传动系统以及重要部件的结构原理示意图； 机床安装和调剂的方法与步骤； 机床的液压、气动、润滑系统图； 机床应用的特别功效及其阐明等。(2) 数控系统方面的材料 应有数控装置安装、应用（包含编程）、操作和维修方面的技巧阐明书，其中包含： 数控装置操作面板安排及其操作； 数控装置内部各电路板的技巧要点及其外部连接图； 系统参数的意

27、义及其设定方法； 数控装置的自诊断功效和报警清单； 数控装置接口的分配及其含义等。通过上述材料，维修人员应控制CNC原理框图、结构安排、各电路板的作用，板上发光管唆使的意义；通过面板对系统进行各种操作，进行自诊断检测，检查和修正参数并能作出备份。能熟练地通过报警信息断定故障领域，对系统供维修的检测点进行测试，充分利用随机的系统诊断功效。(3) PLC的材料 它是根据机床的具体把持请求设计、编制的机床赞助动作把持软件。PLC程序中包含了机床动作的履行过程，以及执举动作所需的前提，它表清晰明了指令信号、检测元件与履行元件之间的全数逻辑关系。另外一些高级的数控系统（如国内的华中数控的华中型和世纪星系

28、列、国外的FUNAC系统、SEMENS系统中，利用数控系统的显示器可以直接对PLC程序的中间存放器状态点进举动态监测和视察，它为维修供给了极大的轻易，因此，在维修中必定要熟悉控制这方面的操作和应用技巧。如果完整的话，一般包含如下材料： PLC装置及其编程器的连接、编程、操作方面的技巧阐明书； PLC用户程序清单或梯形图； I/O地址及意义清单； 报警文本以及PLC的外部连接图。(4) 伺服单元的材料 进给伺服驱动系统和主轴伺服单元的原理、连接、调剂和维修方面的技巧阐明书，其中包含： 电气原理框图和接线图； 所有报警显示信息以及重要的调剂点和测试点； 各伺服单元参数的意义和设置。维修人员应控制伺服单元的原理，熟悉其连接。能从单元板上故障唆使发光管的状态和显示屏上显示的报警号断定故障领域；测试要害点的波形和状态，并做出比较；检查和调剂伺服参数，对伺服系统进行优化(5) 机床重要配套功效部分的阐明书与材料 在数控机床上往往会应用较多功效部件，如：数控转台、主动换刀装置、润滑与冷却系统、排屑器等。这些功效部件，其生产厂家一般都供给较完整的应用阐明书，机床生产厂家应将其供给给用户，以便功效部件产生故障时进行SPA