主頁 > 新聞動態(tài) > 數(shù)控機床加工基本組成工作原理及故障診斷原則和方法 2021-12-16

數(shù)控機床加工基本組成工作原理及故障診斷原則和方法

數(shù)控機床是數(shù)字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。
數(shù)控機床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現(xiàn)代機床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。
當(dāng)前，數(shù)控機床在生產(chǎn)制造行業(yè)得以普遍應(yīng)用。以航空制造業(yè)為例，生產(chǎn)活動離不開數(shù)控機床。在實際應(yīng)用中，機床可能發(fā)生多種多樣的故障，其中加工精度異常是最為常見的問題。在生產(chǎn)活動中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿足設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求，直接影響車間正常的生產(chǎn)計劃。本文結(jié)合實際案例，探討加工精度異常的形成原因，提出相應(yīng)的診斷處理和預(yù)防方法。
一、數(shù)控機床加工的主要特點：
1.對加工對象的適應(yīng)性強，適應(yīng)模具等產(chǎn)品單件生產(chǎn)的特點，為模具的制造提供了合適的加工方法；
2.加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；
3.可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；
4.加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；
5.機床本身的精度高、剛性大，可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為普通機床的3~5倍）；
6.機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；
7.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機床使用數(shù)字信息與標(biāo)準(zhǔn)代碼處理、傳遞信息，使用了計算機控制方法，為計算機輔助設(shè)計、制造及管理一體化奠定了基礎(chǔ)；
8.對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高；
9.可靠性高。
二、數(shù)控機床加工的基本組成及工作原理

數(shù)控機床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、機床主體和其他輔助裝置。各組成部分的基本工作原理如下：

1.加工程序載體:數(shù)控機床工作時，不需要工人直接去操作機床，要對數(shù)控機床進(jìn)行控制，必須編制加工程序。零件加工程序中，包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數(shù)（進(jìn)給量主軸轉(zhuǎn)速等）和輔助運動等。將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲在一種程序載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等，通過數(shù)控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元。
2.數(shù)控裝置:數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心�，F(xiàn)代數(shù)控裝置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，這種CNC裝置一般使用多個微處理器，以程序化的軟件形式實現(xiàn)數(shù)控功能，因此又稱軟件數(shù)控（Software NC）。CNC系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng)，它是根據(jù)輸入數(shù)據(jù)插補出理想的運動軌跡，然后輸出到執(zhí)行部件加工出所需要的零件。因此，數(shù)控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構(gòu)成。而所有這些工作都由計算機的系統(tǒng)程序進(jìn)行合理地組織，使整個系統(tǒng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。
3.伺服與測量反饋系統(tǒng):伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，用于實現(xiàn)數(shù)控機床的進(jìn)給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統(tǒng)的作用是把接受來自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大、整形處理后，轉(zhuǎn)換成機床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運動。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)，因此，對數(shù)控機床的伺服驅(qū)動裝置，要求具有良好的快速反應(yīng)性能，準(zhǔn)確而靈敏地跟蹤數(shù)控裝置發(fā)出的數(shù)字指令信號，并能忠實地執(zhí)行來自數(shù)控裝置的指令，提高系統(tǒng)的動態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。
4.機床主體:機床主機是數(shù)控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進(jìn)給機構(gòu)、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數(shù)控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。
5.數(shù)控機床輔助裝置:輔助裝置是保證充分發(fā)揮數(shù)控機床功能所必需的配套裝置，常用的輔助裝置包括：氣動、液壓裝置，排屑裝置，冷卻、潤滑裝置，回轉(zhuǎn)工作臺和數(shù)控分度頭，防護，照明等各種輔助裝置
三、數(shù)控機床加工精度異常的常見原因
1.系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化或改動

系統(tǒng)參數(shù)主要包括機床進(jìn)給單位、零點偏置、反向間隙等等。例如SIEMENS、FANUC數(shù)控系統(tǒng)，其進(jìn)給單位有公制和英制兩種。選擇品質(zhì)機床附件認(rèn)準(zhǔn)鈦浩機械，機床修理過程中某些處理，常常影響到零點偏置和間隙的變化，故障處理完畢應(yīng)作適時地調(diào)整和修改；另一方面，由于機械磨損嚴(yán)重或松動也可能造成參數(shù)實測值的變化，需對參數(shù)做相應(yīng)的修改才能滿足機床加工精度的要求。
2.機械故障導(dǎo)致的加工精度異常

臥式加工中心，采用FANUC0i-MA數(shù)控系統(tǒng)。一次在銑削汽輪機葉片的過程中，突然發(fā)現(xiàn)Z軸進(jìn)給異常，造成至少1mm的切削誤差量（Z向過切）。調(diào)查中了解到：故障是突然發(fā)生的。機床在點動、MDI操作方式下各軸運行正常，且回參考點正常；無任何報警提示，電氣控制部分硬故障的可能性排除。分析認(rèn)為，主要應(yīng)對以下幾方面逐一進(jìn)行檢查。
1）檢查機床精度異常時正運行的加工程序段，特別是刀具長度補償、加工坐標(biāo)系（G54～G59）的校對及計算。
2）在點動方式下，反復(fù)運動Z軸，經(jīng)過視、觸、聽對其運動狀態(tài)診斷，發(fā)現(xiàn)Z向運動聲音異常，特別是快速點動，噪聲更加明顯。由此判斷，機械方面可能存在隱患。
3）檢查機床Z軸精度。用手脈發(fā)生器移動Z軸，（將手脈倍率定為1×100的擋位，即每變化一步，電機進(jìn)給0.1mm），配合百分表觀察Z軸的運動情況。在單向運動精度保持正常后作為起始點的正向運動，手脈每變化一步，機床Z軸運動的實際距離d=d1=d2=d3…=0.1mm，說明電機運行良好，定位精度良好。
而返回機床實際運動位移的變化上，可以分為四個階段：
①機床運動距離d1>d=0.1mm（斜率大于1）；
②表現(xiàn)出為d=0.1mm>；d2>d3（斜率小于1）；
③機床機構(gòu)實際未移動，表現(xiàn)出最標(biāo)準(zhǔn)的反向間隙；
④機床運動距離與手脈給定值相等（斜率等于1），恢復(fù)到機床的正常運動。
3.機床電氣參數(shù)未優(yōu)化電機運行異常

一臺數(shù)控立式銑床，配置FANUC0-MJ數(shù)控系統(tǒng)。在加工過程中，發(fā)現(xiàn)X軸精度異常。檢查發(fā)現(xiàn)X軸存在一定間隙，且電機啟動時存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。用手觸摸X軸電機時感覺電機抖動比較嚴(yán)重，啟停時不太明顯，JOG方式下較明顯。
分析認(rèn)為，故障原因有兩點，一是機械反向間隙較大；二是X軸電機工作異常。利用FANUC系統(tǒng)的參數(shù)功能，對電機進(jìn)行調(diào)試。首先對存在的間隙進(jìn)行了補償；調(diào)整伺服增益參數(shù)及N脈沖抑制功能參數(shù)，X軸電機的抖動消除，機床加工精度恢復(fù)正常。
4、機床位置環(huán)異�；蚩刂七壿嫴煌�
鏜銑床加工中心，數(shù)控系統(tǒng)為FANUC18i，全閉環(huán)控制方式。加工過程中，發(fā)現(xiàn)該機床Y軸精度異常，精度誤差最小在0.006mm左右，最大誤差可達(dá)到1.400mm.檢查中，機床已經(jīng)按照要求設(shè)置了G54工件坐標(biāo)系。在MDI方式下，以G54坐標(biāo)系運行一段程序即“G90G54Y80F100；M30；”，待機床運行結(jié)束后顯示器上顯示的機械坐標(biāo)值為“-1046.605”，記錄下該值。然后在手動方式下，將機床Y軸點動到其他任意位置，再次在MDI方式下執(zhí)行上面的語句，待機床停止后，發(fā)現(xiàn)此時機床機械坐標(biāo)數(shù)顯值為“-1046.992”，同第一次執(zhí)行后的數(shù)顯示值相比相差了0.387mm。按照同樣的方法，將Y軸點動到不同的位置，反復(fù)執(zhí)行該語句，數(shù)顯的示值不定。用百分表對Y軸進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)機械位置實際誤差同數(shù)顯顯示出的誤差基本一致，從而認(rèn)為故障原因為Y軸重復(fù)定位誤差過大。對Y軸的反向間隙及定位精度進(jìn)行仔細(xì)檢查，重新作補償，均無效果。因此懷疑光柵尺及系統(tǒng)參數(shù)等有問題，但為什么產(chǎn)生如此大的誤差，卻未出現(xiàn)相應(yīng)的報警信息呢？進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，該軸為垂直方向的軸，當(dāng)Y軸松開時，主軸箱向下掉，造成了超差。
四、數(shù)控機床故障的診斷原則和方法
1.按數(shù)控機床發(fā)生的故障性質(zhì)分類
1）確定性故障：指只要條件符合就會發(fā)生故障；比如電壓負(fù)荷過高，會報警。
2）隨機故障：指在相同的條件下，會隨機地發(fā)出一兩次的報警信號；這種故障是最難分析排查的；這類故障一般與機械結(jié)構(gòu)零件、數(shù)控系統(tǒng)零件相關(guān)聯(lián)。
2.按故障類型分類
1）機械故障：指主要發(fā)生在機床主機部分，常見的故障主要有：因機械部件的安裝、調(diào)試、操作使用不規(guī)范等原因引起的機械傳動故障；因?qū)к�、主軸等運動部件的干涉、摩擦過大等原因引起的故障；因機械零件的損壞、；聯(lián)結(jié)不良等原因引起的故障等等。
2）電氣故障：指電氣控制系統(tǒng)出現(xiàn)的故障。常見的故障主要有：因控制系統(tǒng)的元件器件、所引起的故障；因控制系統(tǒng)的主回路或高壓、大功率回路中的、、開關(guān)、熔斷器、電源電壓器等電氣元件器件及其所組成的控制電路所引起的強電故障。
3.數(shù)控機床機械故障診斷方法
1）追蹤法：指在故障診斷和維修前，維修人員要先對故障發(fā)生的時間、機床的運行狀況和故障類型進(jìn)行詳細(xì)的了解，然后尋找故障發(fā)生的各種痕跡。
2）自診斷功能：指cnc系統(tǒng)每次從通電開始，系統(tǒng)內(nèi)部診斷程序就自動執(zhí)行診斷。通過隨時監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作情況，及時分析故障并立刻在crt上顯示報警信息。有時當(dāng)硬件發(fā)生故障時就要使用來指出故障的原因。如果啟功診斷不能結(jié)束，系統(tǒng)就無法投入生產(chǎn)。
3）在線診斷：指在系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)時通過cnc系統(tǒng)的內(nèi)裝程序，對cnc系統(tǒng)本身以及cnc裝置相連的各個單元、以及外部設(shè)備等進(jìn)行自動診斷、檢查。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷就會一直進(jìn)行下去。
4）離線診斷：指數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商以及專家、或?qū)I(yè)維修中心利用專用的診斷軟件和測試裝置進(jìn)行停機或脫機檢查。
4.數(shù)控機床機械故障診斷的一般過程
1）觀察數(shù)控機床情況：通過“望聞問切”的方法來進(jìn)行故障的觀察。
2）故障情況的分析：通過觀察故障的情況來進(jìn)行情況分析，從而縮小故障范圍，確定故障的查找方式。
3）故障查找：運用查找手段對數(shù)控機床進(jìn)行從外到里的，從易到難的檢測，查閱相關(guān)資料來確定故障點。
五、結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床得以在制造行業(yè)普遍應(yīng)用，且獲得行業(yè)青睞。本文結(jié)合實際案例，從機械傳動部件故障、熱變形、地基和水平不符合要求、電氣參數(shù)更改、系統(tǒng)參數(shù)變化或改動、保養(yǎng)管理不善等方面，介紹了加工精度異常的原因和處理方法。在企業(yè)生產(chǎn)中，只有加強采購管理，定期開展維修保養(yǎng)工作，提高操作人員的技能素質(zhì)，才能提高加工精度，促進(jìn)企業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

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數(shù)控機床加工基本組成工作原理及故障診斷原則和方法

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