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《数控机床维修与维护》电子教案主讲教师：王海锋一、常用术语二、数控机床分类总复习七、故障诊断分析三、主轴伺服系统的故障及表现形式四、位置检测元件的种类及维护六、故障诊断原则和方法五、关于数控机床的PLC一、常用术语•ATC（Automatictoolchanger)自动换刀装置。由刀库和换刀机械手等组成。•APC（Automaticpallterchanger)工作台自动交换装置。•MC（Machiningcenter)加工中心。•FMC（Flexiblemanufacturingsystems)柔性制造单元，由加工中心（MC）和自动交换工作台（AWC）组成。•FMS（Flexiblemanufacturingsystems)柔性制造系统。由加工、物流、信息流子系统组成。•CIMS(Computerintegratedmaufacturingsystems)计算机集成制造系统，是指零件设计到加工、装配、检验、运输等以及整个生产过程的计划管理的计算机控制和管理系统。•DNC（Directnumercialcontrol)计算机直接数控系统。用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配，也称群控系统。二、数控机床分类•1.1.4数控机床的分类•数控机床的种类繁多，功能各异，各行业都可从不同角度进行分类，为了便于了解和研究，一般按以下几种方法进行分类。•一．按工艺用途分类•1．一般数控机床•一般数控机床是在普通通用机床的基础上发展起来的，这种类型的数控机床工艺用途与普通机床相似，不同的是它适合加工单件、小批量和复杂形状的零件，生产效率和自动化程度比普通机床高，其种类主要有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床等。如下图所示。•二．按运动方式分类•1．点位控制系统•点位控制系统的数控机床，其数控装置只能控制刀具从一点到另一点的位置，而不控制移动的轨迹，因为点位控制系统的数控机床只要求获得准确的加工坐标点的位置，而对移动轨迹没有严格要求，并且在移动和定位过程中不进行任何加工。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。常见的点位数控机床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。•2．直线控制系统•直线控制系统的数控机床，不但要求刀具或数控工作台从起点坐标运动到终点坐标，而且要求刀具或数控工作台以给定的速度沿平行于某坐标轴方向运动的过程中进行切削加工。该类系统也可以控制刀具或数控工作台同时在两个轴向以相同的速度运动，从而沿某坐标轴成45°的斜线进行加工。常见的直线数控机床有数控车床、数控镗铣床、数控磨床、数控加工中心等。•3．轮廓控制系统•轮廓控制系统的数控机床，能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，它不仅能够控制机床移动部件的起点和终点坐标值，而且能够控制整个加工过程的每一点的速度与位移，既能控制加工轨迹又能加工出符合要求的轮廓。其加工工件可以用直线插补或圆弧插补的方法进行切削加工。常见的轮廓数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、线切割等。轮廓数控装置比点位、直线控制装置结构复杂得多，功能齐全得多。三.按进给伺服系统的类型分类1．开环进给伺服系统数控机床•开环进给伺服系统通常不带有位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。–开环数控系统•没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。电机机械执行部件A相、B相C相、…f、nCNC插补指令脉冲频率f脉冲个数n换算脉冲环形分配变换功率放大2．闭环进给伺服系统数控机床•闭环进给控制系统带有位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移，并反馈给数控装置，并与设定的指令值进行比较，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零为止。•全闭环数控系统–全闭环数控系统的位置采样点如图的虚线所示，直接对运动部件的实际位置进行检测。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈3．半闭环进给伺服系统数控机床•半闭环进给伺服系统是将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服机构的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令值比较，用差值控制伺服电动机。–半闭环数控系统•半闭环数控系统的位置采样点如图所示，是从驱动装置(常用伺服电机)或丝杠引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测运动部件的实际位置。位置控制调节器速度控制调节与驱动检测与反馈单元位置控制单元速度控制单元++--电机机械执行部件CNC插补指令实际位置反馈实际速度反馈六．按工艺用途分类•1．金属切削类数控机床•金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。•2．金属成型类数控机床•金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。•闭环位置控制的概念与实现方法。•闭环位置控制是由数控系统中的计算机完成的。安装在工作台上的位置传感器将机械位移转换为数字脉冲，该脉冲送至数控系统的位置测量接口，由计数器进行计数。计算机以固定的时间周期对该反馈值进行采样，采样值与插补程序输出的结果进行比较，得到位置误差。该误差经软件增益放大，输出给数模转换器(D／A)，从而为伺服装置提供控制电压，驱动工作台向减少误差的方向移动。如果插补程序不断产生进给量，工作台就不断地跟随该进给量运动。只有在位置误差为零时，工作台才停止(停在要求的位置上)。三、主轴伺服系统的故障及表现形式•目前常采用的主轴控制方式大体上有两种：通用变频器控制交流变频电机、采用伺服驱动控制交流伺服电动机。4.2主轴伺服系统的故障分析及维护.主轴伺服系统故障表现形式：一是在CRT或操作面板上显示报警内容或报警信息；二是在主轴驱动装置上用报警灯或数码管显示主轴驱动装置的故障；三是主轴工作不正常但无任何报警信息。常见的主轴单元的故障有：主轴不转电动机转速异常或转速不稳定主轴转速与进给不匹配主轴异常噪声或振动主轴定位抖动•数控机床对主轴驱动的要求是什么？•（1）数控机床主传动要有较宽的调速范围，以保证加工时选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。特别对多道工序自动换刀的数控机床（数控加工中心），为适应各种刀具、工序和各种材料的要求，对主轴的调速范围要求更高。•（2）要求主轴在整个范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速度范围内提供主轴电动机的最大功率，即恒功率范围要宽。由于主轴电动机与驱动的限制，其在低速段均为恒转矩输出，为满足数控机床低速强力切削的需要常采用分段无级变速的方法，即在低速段采用机械减速装置，以提高输出转矩。•（3）要求主轴在正、反向转动时均可进行自动加减速控制，即要求具有四象限驱动能力，并且加、减速时间要短。•（4）为满足加工中心自动换刀(ATC)以及某些加工工艺的需要，要求主轴具有高精度的准停控制。•（5）在车削中心上，还要求主轴具有旋转进给轴(C轴)的控制功能。•位置检测装置有哪些种类？它们可分别安装在机床的哪些部位？•1)旋转编码器是一种旋转式测量装置，通常安装在被测轴上，随被测轴一起转动，•可将被测轴的角位移转换成增量脉冲形式或绝对式的代码形式。•2)光栅尺或称光栅，是一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测量工作台•的位移，属直接测量，并组成位置闭环伺服系统。•3)旋转变压器旋转变压器属于电磁式测量传感器，可用于角位移测量。旋转变压•器在数控机床上的应用几乎已经可以被新型旋转编码器所替代•4）感应同步器是一种电磁式的检测传感器，主要部件包括定尺和滑尺，感应同步器•在数控机床上的应用也已经被新型光栅尺和圆光栅所替代。•5）磁栅位置检测装置是由磁性标尺、磁头和检测电路组成，按其结构可分为直线磁•栅和圆型磁栅，分别用于直线位移和角度位移的测量。磁栅安装调整方便，对使用环•境的条件要求较低，对周围电磁场的抗干扰能力较强，在油污、粉尘较多的场合下使•用有较好的稳定性，但目前在数控机床上也很少使用。•数控机床对进给伺服的性能有何要求？•(1)精度高。伺服系统要具有较好的静态特性和较高的伺服刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差,同时伺服系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。•(2)快速响应，无超调。为了提高生产率和保证加工质量，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短伺服系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。•(3)调速范围宽。在数控机床中，由于所用刀具、被加工材料、主轴转速以及进给速度等加工：工艺要求各有不同,为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围.•4.4检测反馈系统的故障分析与排除•数控机床伺服系统最终是以位置控制为目的，对于闭环控制的伺服系统，位置检测元件的精度将直接影响到机床的位置精度，目前，用于闭环控制的位置检测元件多为光栅尺，用于半闭环控制的位置元件多为光电编码器。•4.4.1数控机床对位置检测装置的要求•1．数控机床对检测元件的要求•检测元件的主要作用是检测位移和速度，发送反馈信号。是检测装置的重要部件，位移检测系统能够测量的最小位移量称为分辨率。分辨率不仅取决于检测元件本身，也取决于测量电路。•数控机床对检测元件的主要要求如下：•①使用寿命长，可靠性高，抗干扰能力强；•②要有满足精度和速度要求；•③要使用、维护方便，适合机床运行环境；•④成本低；•⑤便于与计算机连接。•不同类型的数控机床对检测系统的精度与速度的要求也不同：•①一般大型数控机床以满足速度要求为主；•②中、小型和高精度数控机床以满足精度要求为主；•③选择测量系统的分辨率和脉冲当量时，一般要求比加工精度高一个数量级。•数控机床常用的位置检测装置有旋转编码器、光栅尺等。5.5.2位置检测元件的维护光栅尺的维护维护工作指：防污：避免受到冷却液的污染，从而造成信号丢失，影响位置控制精度防振：光栅尺拆装时要用静力，不能用硬物敲击，以免引起光学元件的损坏光电脉冲编码器的维护：编码器的维护主要注意两个问题：防振和防污联接问题五、关于数控机床的PLC•5.4数控机床PLC的分类•PLC在CNC系统中是介于CNC装置与机床之间的中间环节。其根据输入的离散信息，在内部进行逻辑运算并完成输出功能。数控机床PLC的结构形式可分为两类：一类是专为实现数控机床顺序控制而设计制造的“内置式”PLC，另一类是输入/输出接口技术规范、输入/输出点数、程序存储容量以及运算和控制功能等均能满足数控机床控制要求的“独立式”PLC。•5.4.1“内置式”PLC•“内置式”PLC从属于CNC装置，PLC与CNC间的信号传送在CNC装置内部即可实现。PLC与MT(机床侧)则通过CNC的输入/输出接口电路实现信号传送，如下图所示。•内置式PLC有以下特点:•①内置式PIC能独立工作，只是CNC带有PLC功能，两者是不能分离的。•②内置式PLC的性能指标(如：输入输出点数、程序最大步数、每步执行时间、程序扫描时间、功能指令数目等）是根据所从属的CNC系统的规格、性能、适用机床的类型等确定的。其硬件和软件部分是被作为CNC系统的基本功能或附加功能与CNC系统统一设计制造的，因此系统硬件和软件整体结构十分紧凑。•③在硬件结构上，内置式PLC可与CNC共用一个CPU，也可单独使用一个CPU；内置式PLC一般单独制成一块附加板，插装到CNC主板的插座上，不单独配备I/O接口，而是使用CNC系通本身的I/O接口；PLC控制部分及部分I/O电路所用电源(一般是输入口电源，而输出口电源是另匹配的)由CNC装置提供，不另备电源。•④由于CNC的功能和PLC的功能在设计时就已经一同考虑，所以CNC和PLC之间没有多余的连线，所以使得PLC信息可以通过CNC显示器显示，PLC编程更为方便，故障