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数控机床常见故障处理方法 数控机床常见故障的维修与处理及维护

数控机床常见故障及排除方法

 
削为主的加工中心. 5 数控磨床(含磨削中心) ,6 数控钻床(含钻削中心), 7 数控拉床 ,8 数控刨床 ,9 数控切断机床, 10数控齿轮加工机床 ,11数控激光加工机床, 12 数控电火花线切割机床, 13 数控电火花成型机床(含电加工中心) ,14 数控板村成型加工机床, 15 数控管料成型加工机床 ,16 其他数控机床。数控激光加工机床的应用范围很广泛,除可进行打孔切割、焊接、材料表面处理、雕刻及细微加工外,还可进行打标以及对电阻和动平衡进行微调等。数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制,通过输入介质得到数据,对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用;伺服系统根据控制系统的指令驱动机床,使刀具和零件执行数控代码规定的运动;检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量,并将检测结果反馈到输入端,与输入指令进行比较,根据其差别调整机床运动;机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置;辅助系统种类繁多,如:固定循环(能进行各种多次重复加工)、自动换刀(可交换指定刀具)、传动间隙(补偿机械传动系统产生的间隙误差)等等[2][6][7]。 
2.数控机床的加工零件的工作过程及基本结构 
 
 2.1 数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现:  
(1)根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编写程序。 
(2)所编程序指令输入机床数控装置中。 
(3)数控装置对程序(代码)进行翻译、运算之后,向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号,驱动机床的各运动部件,并控制所需要的辅助运动。 
(4)在机床上加工出合格的零件。  
2.2数控机床的基本结构如下所示:  
  输入装置 
数控加工程序可通过键盘,用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用RS232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。 
    零件加工程序输入过程有两种不同的方式:一种是边读入边加工,另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器,加工时再从存储器中逐段调出进行加工。     数控装置 
    数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序,经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后,输出各种控制信息和指令,控制机床各部分的工作,使其进行规定的有序运动和动作。 
    零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成,刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动,即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据,不能满足要求。因此要进行轨迹插补,也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”,求出一系列中间点的坐标值,并向相应坐标输出脉冲信号,控制各坐标轴(即进给运动各执行部件)的进给速度、进给方向和进给位移量等。  驱动装置和检测装置 
驱动装置接受来自数控装置的指令信息,经功率放大后,严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件,以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器(含功率放大器)和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。 
    检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来,经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较,控制驱动装置按指令设定值运动。     辅助控制装置 
    辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号,经过编译、逻辑判别和运算,再经功率放大后驱动相应的电器,带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令,刀具的选择和交换指令,冷却、润滑装置的启停,工件和机床部件的松开、夹紧,分度工作台转位分度等开关辅助动作。     机床本体 
数控机床的机床本体与传统机床相似,由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。 
 
3数控机床的组成及基本特点  
    主轴  
    数控车床主轴的回转精度,直接影响到零件的加工精度;其功率大小、回转速度影响到加工的效率;其同步运行、自动变速及定向准停等要求,影响到车床的自动化程度。     主轴箱 
    具有有级自动调速功能的数控车床,其主轴箱内的传动机构已经大大简化;具有无级自动调速(包括定向准停)的数控车床,起机械传动变速和变向作用的机构已经不复存在了,其主轴箱也成了"轴承座"及"润滑箱"的代名词;对于改造式(具有手动操作和自动控制加工双重功能)数控车床,则基本上保留其原有的主轴箱。    
    数控车床的导轨是保证进给运动准确性的重要部件。它在很大程度上影响车床的刚度、精度及低速进给时的平稳性,是影响零件加工质量的重要因素之一。机械传动机构除了部分主轴箱内的齿轮传动等机构外,数控车床已在原普通车床传动链的基础上,作了大幅度的简化。如取消了挂轮箱、进给箱、溜板箱及其绝大部分传动机构,而仅保留了纵、横进给的螺旋传动机构,并在驱动电动机至丝杠间增设了(少数车床未增设)可消除其侧隙的齿轮副。现在部分精度较高的机床均已采用“电主轴”结构。     自动回转刀架  
    除了车削中心采用随机换刀(带刀库)的自动换刀装置外,数控车床一般带有固定刀位的自动转位刀架,有的车床还带有各种形式的双刀架。     检测反馈装置 
    检测反馈装置是数控车床的重要组成部分,对加工精度、生产效率和自动化程度有很大影响。检测装置包括位移检测装置和工件尺寸检测装置两大类,其中工件尺寸检测装置又分为机内尺寸检测装置和机外尺寸检测装置两种。工件尺寸检测装置仅在少量的高档数控车床上配用。     对刀装置 
    除了极少数专用性质的数控车床外,普通数控车床几乎都采用了各种形式的自动转位刀架,以进行多刀车削。这样,每把刀的刀位点在刀架上安装的位置或相对于车床固定原点的位置,都需要通过对刀、调整和测量,来确认刀具在机床中的位置。 
数控装置和伺服系统 
    数控车床与普通车床的主要区别就在于是否具有数控装置和伺服系统这两大部分。 
    数控装置的核心是计算机及其软件,它在数控车床中起“指挥”作用:数控装置接收由加工程序送来的各种信息,并经处理和调配后,向驱动机构发出执行命令;在执行过程中,其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置,以便经处理后发出新的执行命令。伺服系统准确地执行数控装置发出的命令,通过驱动电路和执行元件(如步进电机、交流伺服电机、直流伺服电机等),完成数是简单容易操作、快速方便、安全性极高;弹性夹紧式刀柄的特点是刀具的夹紧或松开是在刀柄材料的弹性形变范围内实现的,不仅可以提供极高的刀柄回转精度,而且对刀具使用寿命没有限制;液压刀柄特点为采用这一刀具夹紧系统,可使系统径向跳动误差精度和重复定位精度控制在3μm以下。由于刀柄内存在有高压油液压力,当刀具被夹紧时,内藏的油腔结构及高压油的存在大大地增加了结构阻尼,可有效防止刀具和机床主轴的振动;热胀冷缩刀柄的优点是径向跳动误差小,精度很高,可达到3μm以下水平,传动扭矩大,而刀柄的设计相对比较小巧,但其缺陷在于,相比液压刀柄或应力锁紧式刀柄来讲,其防振性能较差。 
 
4.3刀具的准确选择和使用环节  
硬质合金刀具应用范围在企业越来越广,硬质合金将代替大部分高速钢刀具,包括钻头、立铣刀和丝锥等简朴通用刀具,使这一类刀具的切削速度有很大的提高,硬质合金将在刀具材料中占主导地位,覆盖大部分常规的加工领域。我公司在粗加工中尽可能采用大直径的牛鼻刀,使用R2左右的硬质合金刀片,做到粗加工排屑“多”;半精加工选用高转速高进给R0.8左右的镶片立铣刀,做到半精加工走刀“快”;精加工时尽量选用硬质合金刀杆和高精度球头镜面刀片,这样可在保正加工质量的同时节省选用整体合金刀具的高昂费用。精加工中所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的内轮廓圆角半径,尤其是在拐角加工时,应选用半径小于拐角处圆角半径的刀具,并以圆弧插补的方式进行加工,这样可以避免采用直线插补而出现过切现象,做到精加工质量“好”。因此,刀具的准确选择和使用是影响数控加工质量的重要因素。 
 
4.4数控编程环节  
  程序是数控机床惟一能够识别的语言,它向机床发出一条一条加工指令,控制着机床的每一步骤,程序的好坏直接影响到加工的质量和效率。这就需要在全面了解机床性能、加工的每一环节以及必要的相关知识的基础上,通过不断的实践,提高编程技能,从而达到提高数控加工质量的要求。    数控编程的步骤 
  程序编制是数控加工中的一项重要工作,理想的加工程序应保证加工出符合产品图样要求的合格工件,同时应能使数控机床的功能得到合理的应用与充分的发挥,使数控机床安全、可靠、高效地工作,加工出高质量的产品。   从得到产品零件图样到获得数控加工程序的编制过程如图3所示。 
  程序定型阶段由主管领导审核数控编程刀路,合格后填写数控加工程序单,绘制加工简图。到现场了解程序执行情况,并优化、固化数控加工程序。    数控编程的关键问题 
  零件数字化模型:一般情况下依据产品设计图,采用线框建模、特征建模和实体建模等不同方式,建立零件的几何数字化模型。或者是采用无纸化设计制造技术,零件的几何数字化模型直接由设计而来。 
  加工方案的确定:主要针对产品结构特点、质量要求选择不同的加工方法,如:曲面加工是选择投影加工还是放射加工。不同的加工方法对零件的表面质量影响较大。 
  加工参数的选择:加工参数的选择主要取决于工件材料、刀具形状和材料、机床性能等因素。加工参数选择的合理性对零件的表面质量也有较大影响。   刀具轨迹的生成:刀具轨迹生成是复杂零件、多轴数控加工中的重要内容,有效的刀具轨迹直接决定了加工的可能性、质量与效率。刀具轨迹的生成首要目标是使所生成的刀具轨迹满足平稳、光滑、负荷变化小、轨迹连续,切入、切出次数少,无干涉及碰撞等要求。同时,刀具轨迹还需满足稳定性好、编程效率高和程序量小等条件。 
  数控加工仿真:由于零件形状及加工环境的复杂性,要确保所生成的加工程序不存在任何质量问题十分困难,其中最主要的是加工过程中的过切、机床各部件之间的干涉碰撞等问题。特别对于高速加工,这些问题常常是致命的。因此,在加工前对加工程序进行仿真验证是十分必要的。数控加工仿真通过软件模拟加工环境,刀具轨迹与材料切除过程来检验程序,具有成本低、效率高且安全可靠等特点,是提高数控编程质量及加工质量的重要手段。 
后置处理:后置处理是数控加工编程中的一项重要内容,其技术内容包括:机床运动学建模与求解、机床坐标运动变换、非线性运动误差校验、机床结构误差补偿及数控代码转换等。因此,采用正确的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。 
 
4.5机床操作者环节  
  机床操作者是数控加工的执行人,他们对数控加工质量的控制也是很明显的。他们在执行加工任务的过程中对机床、刀柄、刀具、加工工艺和切削参数的实时状态最了解,他们的各项操作对数控加工影响最直接,所以机床操作者的技能和责任心也是提高数控加工质量的重要因素。 
  我们知道,虽然机床等硬件设备是很关键的,但人才是影响数控加工质量的决定性因素,因为程序设计员和机床操作者的职业道德、技能水平以及岗位责任心决定了各种先进设备能否发挥出多大的效能。所以我们一定要重视人才的培养和引进,为数控加工质量的持续提高打下坚实的基础。 
通过对数控加工中影响加工质量因素的分析,为合理有效地提高数控机床的利用率提供了可行的依据。其应用可有效保证数控机床的加工精度及良好的加工效果 
 5. 数控机床常见故障及排除方法  
5.1数控机床故障诊断原则:  
 先外部后内部    
    数控机床是集机械、液压、电气和光学为一体的机床,故其故障的发生也会由这四者综合反映出来。维修人员应先由外向内逐一进行排查。尽量避免随意地启封、拆卸机床,否则会扩大故障,使机床大伤元气,丧失精度,降低性能。 
 先机械后电气   
 一般来说,机械故障较易发觉,而数控系统故障的诊断则难度较大些。在故障检修之前,首先注意排除机械性的故障,往往可达到事半功倍的效果。 
 
 先静后动   
 先在机床断电的静止状态,通过了解、观察测试、分析确认为非破坏性故障后,方可给机床通电。在运行工况下,进行动态的观察、检验和测试,查找故障。而对破坏性故障,必须先排除危险后,方可通电。 
 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。往往简单问题解决后,难度大的问题也可能变得容易。 
 
5.2数控机床的故障诊断技术  
    数控系统是高技术密集型产品,要想迅速而正确的查明原因并确定其故障的部位,要借助于诊断技术。随着微处理器的不断发展。诊断技术也由简单的诊断朝着多功能的高级诊断或智能化方向发展。诊断能力的强弱也是评价CNC数控系统性能的一项重要指标。目前所使用的各种CNC系统的诊断技术大致可分为以下几类: 
  启动诊断(Start Up Diagnostics) 
  启动诊断是指CNC系统每次从通电开始,系统内部诊断程序就自动执行诊断。诊断的内容为系统中最关键的硬件和系统控制软件,如CPU、存储器、I/O等单元模块,以及MDI/CRT单元、纸带阅读机、软盘单元等装置或外部设备。只有当全部项目都确认正确无误之后,整个系统才能进入正常运行的准备状态。否则,将在CRT画面或发光二极管用报警方式指示故障信息。此时启动诊断过程不能结束,系统无法投入运行。 
  在线诊断(On-Line Diagnostics) 
  在线诊断是指通过CNC系统的内装程序,在系统处于正常运行状态时对CNC系统本身及CNC装置相连的各个伺服单元、伺服电机、主轴伺服单元和主轴电动机以及外部设备等进行自动诊断、检查。只要系统不停电,在线诊断就不会停止。 
 在线诊断一般包括自诊断功能的状态显示有上千条,常以二进制的0、1来显示其状态。对正逻辑来说,0表示断开状态,1表示接通状态,借助状态显示可以判断出故障发生的部位。常用的有接口状态和内部状态显示,如利用I/O接口状态显示,再结合PLC梯形图和强电控制线路图,用推理法和排除法即可判断出故障点所在的真正位置。故障信息大都以报警号形式出现。一般可分为以下几大类:①过热报警类;②系统报警类;③存储报警类;④编程/设定类;⑤伺服类;⑥行程开关报警类;⑦印刷线路板间的连接故障类。 
  离线诊断(Off-Line Diagnostics) 
  离线诊断是指数控系统出现故障后,数控系统制造厂家或专业维修中心,利用专用的诊断软件和测试装置进行停机(或脱机)检查。力求把故障定位到尽可能小的范围内,如缩小到某个功能模块、某部分电路,甚至某个芯片或元件,这种故障定位,更为精确。 
  现代诊断技术 
 随着电信技术的发展,IC和微机性能/价格比的提高,近年来国外己将一些新的概念和方法成功地引用到诊断领域。 
通信诊断  
   也称远程诊断即利用电话通讯线,把带故障的CNC系统和专业维修中心的专用通讯诊断计算机通过连接进行测试诊断。如德国西门子公司在CNC系统诊断中采用了这种诊断功能,用户把CNC系统中专用的“通信接口”连接在普通电话线上,而西门子公司维修中心的专用通迅诊断计算机的“数据电话”也连接到电话线路上,然后由计算机向CNC系统发送诊断程序,并将测试数据输回到计算机进行分析并得出结论,随后将诊断结论和处理办法通知用户。 
通讯诊断系统还可为用户作定期的预防性诊断,维修人员不必亲临现场,只需按预定的时间对机床作一系列运行检查,在维修中心分析诊断数据,可发现存在的故障隐患,以便及早采取措施。当然,这类CNC系统,必须是具备远程诊断接口及联网功能。 
自修复系统 
就是在系统内设置有备用模块,在CNC系统的软件中装有自修复程序,当该软件在运行时一旦发现某个模块有故障时,系统一方面将故障信息显示在CRT上,同时自动寻找是否有备用模块,如有备用模块,则系统能自动使故障脱机,而接通备用模块使系统能较快地进入正常工作状态。这种方案适用于无人管理的自动化工作的场合。 
 
5.3 数控机床的故障诊断方法  
    由于数控机床故障比较复杂。同时,数控系统自诊断能力还不能对系统的所有部件进行测试,往往是一个报警号指示出众多的故障原因,使人难以下手。下面介绍维修人员在生产实践中常用的排除故障方法。 
直观检查法 
    它是维修人员最先使用的方法,即在故障诊断时,由外向内逐一进行观察检查。特别要注意观察电路板的元器件及线路是否有烧伤、裂痕等现象、电路板上是否有短路、断路,芯片接触不良等现象,对于已维修过的电路板,更要注意有无缺件、错件及断线等情况。 例8-1 XHK716 立式加工中心,在安装调试时,CRT显示器突然出现无显示故障,而机床还可继续运转。停机后再开,又一切正常。观察发现,设备运转过程中,每当车间上方的门式起重机经过时,往往会出现故障,由此初步判断是元件接触不良。检查显示板,用手触动板上元件,当触动某一集成块管脚时,CRT上显示就会消失。细查发现该脚没有完全插入插座中。另外,发现此集成块旁边的晶振有一个引脚没有焊锡。将这两种原因排除后,故障消除。 
 功能程序测试法 
    功能程序测试法是将数控系统的G、M、S、T、F功能用编程法编成一个功能试验程序,并存储在相应的介质上,如纸带和磁带等。在故障诊断时运行这个程序,可快速判定故障发生的可能起因。 
功能程序测试法常应用于以下场合 
机床加工造成废品而一时无法确定是编程操作不当、还是数控系统故障引起数控系统出现随机性故障。一时难以区别是外来干扰,还是系统稳定性不好闲置时间较长的数控机床在投入使用前或对数控机床进行定期检修时   试探交换法 
 即在分析出故障大致起因的情况下,维修人员可以利用备用的印刷电路板、集成电路芯片或元器件替换有疑点的部分,从而把故障范围缩小到印刷线路板或芯片一级。 
 
    采用此法之前要注意备用板的设定状态与原板的状态是否完全一致,这包括检查板上的选择开关、短路棒的设定位置以及电位器的位置。一般不要轻易更放CPU板及存储器板,否则有可能造成程序和机床参数的丢失,造成故障的扩大;若是EPROM板或EPROM芯片,请注意存储器芯片上贴的软件版本标签是否与原板完全一致,若不一致,则不能更换。 
第一次交换后故障仍在纵拖板轴,第*次交换后故障转移到横拖板轴,从*确定Y轴速度控制器有故障。将其拆下检查,发现板上一电容损坏。换上新电容后,故障消除。 
参数检查法 
    发生故障时应及时核对系统参数,参数一般存放在磁泡存储器或存放在需由电池保持的CMOS RAM中,一旦电池不足或由于外界的干扰等因素,使个别参数丢失或变化,发生混乱,使机床无法正常工作。此时,可通过核对、修正参数,将故障排除。 
测量比较法 
    CNC系统生产厂在设计印刷线路板时,为了调整和维修方便,在印刷线路板上设计了一些检测量端子。维修人员通过检测这些测量端子的电压或波形,可检查有关电路的工作状态是否正常。但利用检测端子进行测量之前,应先熟悉这些检测端子的作用及有关部分的电路或逻辑关系。


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