主頁(yè) > 新聞動(dòng)態(tài) > 數(shù)控機(jī)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(jī)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(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床（Computer numerical control machine tools）的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)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(hào)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(guò)信息載體輸入數(shù)控裝置。經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號(hào)，控制機(jī)床的動(dòng)作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動(dòng)地將零件加工出來(lái)。
數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問(wèn)題，是一種柔性的、高效能的自動(dòng)化機(jī)床，代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
當(dāng)前，數(shù)控機(jī)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(dòng)離不開數(shù)控機(jī)床。在實(shí)際應(yīng)用中，機(jī)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(wèn)題。在生產(chǎn)活動(dòng)中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，直接影響車間正常的生產(chǎn)計(jì)劃。本文結(jié)合實(shí)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(jī)床加工的主要特點(diǎn)：
1.對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)，適應(yīng)模具等產(chǎn)品單件生產(chǎn)的特點(diǎn)，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(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；
4.加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；
5.機(jī)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(jī)床的3~5倍）；
6.機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；
7.有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)控制方法，為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、制造及管理一體化奠定了基礎(chǔ)；
8.對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高；
9.可靠性高。
二、數(shù)控機(jī)床加工的基本組成及工作原理

數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序載體、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)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(jī)床工作時(shí)，不需要工人直接去操作機(jī)床，要對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制，必須編制加工程序。零件加工程序中，包括機(jī)床上刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡、工藝參數(shù)（進(jìn)給量主軸轉(zhuǎn)速等）和輔助運(yùn)動(dòng)等。將零件加工程序用一定的格式和代碼，存儲(chǔ)在一種程序載體上，如穿孔紙帶、盒式磁帶、軟磁盤等，通過(guò)數(shù)控機(jī)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(jī)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(gè)微處理器，以程序化的軟件形式實(shí)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(bǔ)出理想的運(yùn)動(dòng)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(gè)基本部分構(gòu)成。而所有這些工作都由計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)程序進(jìn)行合理地組織，使整個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)地進(jìn)行工作。
3.伺服與測(cè)量反饋系統(tǒng):伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)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(lái)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(jī)床執(zhí)行部件的直線位移或角位移運(yùn)動(dòng)。由于伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的最后環(huán)節(jié)，其性能將直接影響數(shù)控機(jī)床的精度和速度等技術(shù)指標(biāo)，因此，對(duì)數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)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(hào)，并能忠實(shí)地執(zhí)行來(lái)自數(shù)控裝置的指令，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)跟隨特性和靜態(tài)跟蹤精度。
4.機(jī)床主體:機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺(tái)、主軸箱、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀架及自動(dòng)換刀裝置等機(jī)械部件。它是在數(shù)控機(jī)床上自動(dòng)地完成各種切削加工的機(jī)械部分。
5.數(shù)控機(jī)床輔助裝置:輔助裝置是保證充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床功能所必需的配套裝置，常用的輔助裝置包括：氣動(dòng)、液壓裝置，排屑裝置，冷卻、潤(rùn)滑裝置，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和數(shù)控分度頭，防護(hù)，照明等各種輔助裝置
三、數(shù)控機(jī)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(dòng)

系統(tǒng)參數(shù)主要包括機(jī)床進(jìn)給單位、零點(diǎn)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(jī)床附件認(rèn)準(zhǔn)鈦浩機(jī)械，機(jī)床修理過(guò)程中某些處理，常常影響到零點(diǎn)偏置和間隙的變化，故障處理完畢應(yīng)作適時(shí)地調(diào)整和修改；另一方面，由于機(jī)械磨損嚴(yán)重或松動(dòng)也可能造成參數(shù)實(shí)測(cè)值的變化，需對(duì)參數(shù)做相應(yīng)的修改才能滿足機(jī)床加工精度的要求。
2.機(jī)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(jī)葉片的過(guò)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(guò)切）。調(diào)查中了解到：故障是突然發(fā)生的。機(jī)床在點(diǎn)動(dòng)、MDI操作方式下各軸運(yùn)行正常，且回參考點(diǎn)正常；無(wú)任何報(bào)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(duì)以下幾方面逐一進(jìn)行檢查。
1）檢查機(jī)床精度異常時(shí)正運(yùn)行的加工程序段，特別是刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、加工坐標(biāo)系（G54～G59）的校對(duì)及計(jì)算。
2）在點(diǎn)動(dòng)方式下，反復(fù)運(yùn)動(dòng)Z軸，經(jīng)過(guò)視、觸、聽對(duì)其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)診斷，發(fā)現(xiàn)Z向運(yùn)動(dòng)聲音異常，特別是快速點(diǎn)動(dòng)，噪聲更加明顯。由此判斷，機(jī)械方面可能存在隱患。
3）檢查機(jī)床Z軸精度。用手脈發(fā)生器移動(dòng)Z軸，（將手脈倍率定為1×100的擋位，即每變化一步，電機(jī)進(jìn)給0.1mm），配合百分表觀察Z軸的運(yùn)動(dòng)情況。在單向運(yùn)動(dòng)精度保持正常后作為起始點(diǎn)的正向運(yùn)動(dòng)，手脈每變化一步，機(jī)床Z軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)際距離d=d1=d2=d3…=0.1mm，說(shuō)明電機(jī)運(yùn)行良好，定位精度良好。
而返回機(jī)床實(shí)際運(yùn)動(dòng)位移的變化上，可以分為四個(gè)階段：
①機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(jī)床機(jī)構(gòu)實(shí)際未移動(dòng)，表現(xiàn)出最標(biāo)準(zhǔn)的反向間隙；
④機(jī)床運(yùn)動(dòng)距離與手脈給定值相等（斜率等于1），恢復(fù)到機(jī)床的正常運(yùn)動(dòng)。
3.機(jī)床電氣參數(shù)未優(yōu)化電機(jī)運(yùn)行異常

一臺(tái)數(shù)控立式銑床，配置FANUC0-MJ數(shù)控系統(tǒng)。在加工過(guò)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(jī)啟動(dòng)時(shí)存在不穩(wěn)定現(xiàn)象。用手觸摸X軸電機(jī)時(shí)感覺電機(jī)抖動(dòng)比較嚴(yán)重，啟停時(shí)不太明顯，JOG方式下較明顯。
分析認(rèn)為，故障原因有兩點(diǎn)，一是機(jī)械反向間隙較大；二是X軸電機(jī)工作異常。利用FANUC系統(tǒng)的參數(shù)功能，對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)試。首先對(duì)存在的間隙進(jìn)行了補(bǔ)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(jī)的抖動(dòng)消除，機(jī)床加工精度恢復(fù)正常。
4、機(jī)床位置環(huán)異常或控制邏輯不妥
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(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該機(jī)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(jī)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(yùn)行一段程序即“G90G54Y80F100；M30；”，待機(jī)床運(yùn)行結(jié)束后顯示器上顯示的機(jī)械坐標(biāo)值為“-1046.605”，記錄下該值。然后在手動(dòng)方式下，將機(jī)床Y軸點(diǎn)動(dòng)到其他任意位置，再次在MDI方式下執(zhí)行上面的語(yǔ)句，待機(jī)床停止后，發(fā)現(xiàn)此時(shí)機(jī)床機(jī)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(diǎn)動(dòng)到不同的位置，反復(fù)執(zhí)行該語(yǔ)句，數(shù)顯的示值不定。用百分表對(duì)Y軸進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)機(jī)械位置實(shí)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?yàn)閅軸重復(fù)定位誤差過(guò)大。對(duì)Y軸的反向間隙及定位精度進(jìn)行仔細(xì)檢查，重新作補(bǔ)償，均無(wú)效果。因此懷疑光柵尺及系統(tǒng)參數(shù)等有問(wèn)題，但為什么產(chǎn)生如此大的誤差，卻未出現(xiàn)相應(yīng)的報(bào)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(shí)，主軸箱向下掉，造成了超差。
四、數(shù)控機(jī)床故障的診斷原則和方法
1.按數(shù)控機(jī)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(huì)發(fā)生故障；比如電壓負(fù)荷過(guò)高，會(huì)報(bào)警。
2）隨機(jī)故障：指在相同的條件下，會(huì)隨機(jī)地發(fā)出一兩次的報(bào)警信號(hào)；這種故障是最難分析排查的；這類故障一般與機(jī)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(jī)械故障：指主要發(fā)生在機(jī)床主機(jī)部分，常見的故障主要有：因機(jī)械部件的安裝、調(diào)試、操作使用不規(guī)范等原因引起的機(jī)械傳動(dòng)故障；因?qū)к�、主軸等運(yùn)動(dòng)部件的干涉、摩擦過(guò)大等原因引起的故障；因機(jī)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(qiáng)電故障。
3.數(shù)控機(jī)床機(jī)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(duì)故障發(fā)生的時(shí)間、機(jī)床的運(yùn)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(dòng)執(zhí)行診斷。通過(guò)隨時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各部分的工作情況，及時(shí)分析故障并立刻在crt上顯示報(bào)警信息。有時(shí)當(dāng)硬件發(fā)生故障時(shí)就要使用來(lái)指出故障的原因。如果啟功診斷不能結(jié)束，系統(tǒng)就無(wú)法投入生產(chǎn)。
3）在線診斷：指在系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)通過(guò)cnc系統(tǒng)的內(nèi)裝程序，對(duì)cnc系統(tǒng)本身以及cnc裝置相連的各個(gè)單元、以及外部設(shè)備等進(jìn)行自動(dòng)診斷、檢查。只要系統(tǒng)不斷電，在線診斷就會(huì)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(cè)試裝置進(jìn)行停機(jī)或脫機(jī)檢查。
4.數(shù)控機(jī)床機(jī)械故障診斷的一般過(guò)程
1）觀察數(shù)控機(jī)床情況：通過(guò)“望聞問(wèn)切”的方法來(lái)進(jìn)行故障的觀察。
2）故障情況的分析：通過(guò)觀察故障的情況來(lái)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(yùn)用查找手段對(duì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行從外到里的，從易到難的檢測(cè)，查閱相關(guān)資料來(lái)確定故障點(diǎn)。
五、結(jié)語(yǔ)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(shí)際案例，從機(jī)械傳動(dòng)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(dòng)、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(qiáng)采購(gòu)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。

數(shù)控機(jī)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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