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数控机床机械系统及其故障诊断与维修导读：数控机床的产生与发展一、数控机床的产生随着科学技术的发展，机械产品结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应得提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。数字控制机床就是为了解决单件、小批量、特别是复杂型面零件加工的自动化并保证质量要求而产生的。第一台数控机床是1952年美国PARSONS公司与麻省理工学院（MIT）合作研制的三坐标数控铣床，它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等多方面的技术成果，可用于加工复杂曲面零件。数控机床的发展先后经历了电子管（1952年）、晶体管（1959年）、小规摸集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型机算机（1974年）等五代数控系统。二、数控机床的发展趋势1高速化采用高速的32位以上的微处理器，可提高数控系统的分辨率及实现连续小程序段的高速、高精加工。日本产的FANUC15系统开发出64位CPU系统，能达到最小移动单位0.1um时，最大进给速度为100m/min。2多功能化3智能化：引进了自适应控制技术.自适应控制（AdaptiveControl，简称AC）技术是能调节在加工过程中所测得的工作状态特性，且能使切削过程达到并维持最佳状态的技术。4高精度化：通过减少数控系统误差和采用补偿技术可提高数控机床的加工精度。5高可靠性：通过提高数控系统的硬件质量，采用模块化、标准化和通用化来提高其可靠性。绪论一、数控机床的分类⑴金属切削类指采用车、铣、撞、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可被分为以下两类。①普通型数控机床如数控车床、数控铣床、数控磨床等。②加工中心其主要特点是具有自动换刀机构的刀具库，工件经一次。装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣（车）键、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如（幢／铣类）加工中心、车削中心、钻削中心等⑵金属成型类指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。⑶特种加工类主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。⑷测量、绘图类主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。2按运动方式分类（1）点位控制系统（PositioningControl）只控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动轨迹，在移动过程中刀具不进行切削加工。刀具的三种路径（1）（2）（3）（2）直线控制系统（Straight-lineControl）是控制刀具或机床工作台以给定的速度，沿平行于某一坐标轴方向，由一个位置到另一个位置的精确移动，并且在移动过程中进行直线切削加工。（3）轮廓控制系统（ContourControl）是对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续控制，并能对机床移动部件的位移和速度进行严格的控制，即要控制加工的轨迹，加工出要求的轮廓。其运动轨迹是任意斜率的直线、圆弧、螺旋线等。3、按控制方式分类（1）开环控制（OpenLoopControl）即不带位置测量元件，数控装置根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构（如工作台）移动或转动。特点是没有来自位置测量元件的反馈信号，对执行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，控制精度较低。开环控制驱动装置工作台数控装置控制介质指令脉冲伺服电机齿轮箱（2）闭环控制（ClosedLoopControl）是将位置检测装置安装于机床运动部件上，加工中将测量到的实际位置值反馈。另外通过与伺服电机刚性连接的测速元件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，并与速度指令信号相比较，其比较的差值对伺服电动机的转速随时进行校正，直至实现移动部件工作台的最终精确定位。闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台（3）半闭环控制（Semi-ClosedLoopControl）是将位置检测装置安装于驱动电动机轴端或安装于传动丝杠端部，间接地测量移动部件（工作台）的实际位置或位移。半闭环控制测速元器件位移指令位移反馈速度反馈位置检测装置工作台4、按控制联动的坐标轴数分类二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。如图1-4所示。②二轴半联动主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给。图1-5所示为采用这种方式用行切法加工三维空间曲面。③三轴联动：一般分为两类，一类就是X、y、Z三个直线坐标轴联动，比较多的用于数控铣床、加工中心等，如图16所示用球头铣刀铣切三维空间曲面．另一类是除了同时控制X、Y、Z中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕Z轴旋转的主轴（C轴）联动。④四轴联动：同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，图17所示为同时控制x、Y、Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。⑤五轴联动：除同时控制X、Y、Z三个育线坐标轴联动外．还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标轴，形成同时控制五个轴联动这时刀具可以被定在空间的任意方向．如图18所示．比如控制刀具同时绕x轴和Y轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度二、数控机床的组成数控机床由数控装置、伺服驱动装置、检测反馈装置和机床本体四大部分组成，再加上程序的输入/输出设备、可编程控制器、电源等辅助部分。1.数控装置(数控系统的核心)由硬件和软件部分组成，接受输入代码经缓存、译码、运算插补）等转变成控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。2.伺服驱动装置是数控装置和机床主机之间的联接环节，接受数控装置的生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，实现机床运动。3.检测反馈装置是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。4.机床本体是数控机床的机械结构件（床身箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。三、数控机床机械机构维护及维修的基本知识1、数控机床机械机构的维护（1）数控机床机械结构的维护和保养对数控机床进行日常维护与保养，可以延长电气元件的使用寿命，防止机械部件的非正常磨损，避免发生意外的恶性事故，使机床始终保持良好的状态，尽可能地保持长时间的稳定工作，延长无故障时间。做好数控机床日常维护保养如：数控机床长期不用时最重要的日常维护工作是通电（2）机械部件检查调试1）机床各运动轴传动链的检查调整。2）各运动轴精度的检查调整。3）减速庄块的检查调整4）液压系统的检查调整。5）气动系统的检查调整。6）润滑部分的检查调整。四、数控机床故障维修基本知识1.故障的基本概念故障—数控机床全部或部分丧失原有的功能。故障诊断—在数控机床运行中，根据设备的故障现象，在掌握数控系统各部分工作原理的前提下，对现行的状态进行分析，并辅以必要检测手段，查明故障的部位和原因。提出有效的维修对策。2.故障的分类1）从故障的起因分类关联性故障—和系统的设计、结构或性能等缺陷有关而造成（分固有性和随机性）。非关联性故障—和系统本身结构与制造无关的故障。2）从故障发生的状态分类突然故障—发生前无故障征兆，使用不当。渐变故障—发生前有故障征兆，逐渐严重。3）按故障发生的性质分类软件故障—程序编制错误、参数设置不正确、机床操作失误等引起。硬件故障—电子元器件、润滑系统、限位机构、换刀系统、机床本体等硬件损坏造成。干扰故障—由于系统工艺、线路设计、电源地线配置不当等以及工作环境的恶劣变化而产生。4）按故障的严重程度分类危险性故障—数控系统发生故障时，机床安全保护系统在需要动作时，因故障失去保护动作，造成人身或设备事故。安全性故障—机床安全保护系统在不需要动作时发生动作，引起机床不能起动。3.数控系统的可靠性数控机床除了具有高精度、高效率和高技术的要求外，还应该具有高可靠性。衡量的指标有：MTBF—平均无故障时间MTTR—排除故障的修复时间平均有效度A：A=MTBF/（MTBF+MTTR）数控设备使用寿命—故障频率曲线4.数控机床维修的特点1）数控机床是高投入、高精度、高效率的自动化设备；2）一些重要设备处于关键的岗位和工序，因故障停机时，影响产量和质量；3）数控机床在电气控制系统和机械结构比普通机床复杂，故障检测和诊断有一定的难度。五、数控诊断技术的发展1.通讯诊断(远程、海外诊断）用户机床的通讯口通过电话线和维修中心的专用通讯诊断计算机相连。计算机发诊断程序用户测试数据计算机诊断结果和处理方法用户特点：实用简便；有一定的局限性2.自修复系统当诊断软件发现数控机床在运行中某一模块有故障时，系统在CRT上显示的同时，自动寻找备用模块并接上。特点：实用但成本比较高，而且只适合总线结构的CNC系统。3.人工智能专家故障诊断系统4.人工神经元网络(ANN)诊断ANN具有联想、容错、记忆、自适应、自学习和处理复杂多模式故障等特点。这种方法将被诊断的系统的症状作为网络的输入，将按一定数学模型所求得的故障原因作为网络的输出，并且神经网络将经过学习所得到的知识以分布的方式隐存在网络上，每个输出神经元对应着一个故障原因。五、课程的基本要求与特点熟悉数控机床各组成部分的工作原理与结构确立数控机床故障诊断的基本思路与实施诊断的步骤及注意事项掌握常用测试仪器的使用方法通过理论和实训环节的教学，能实施对数控机床的故障分析和诊断。课程涉及内容广，故障检测、分析难度高