主頁 > 新聞動態 > 數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

數控機床加工基本組成工作原理及故障診斷原則和方法

數控機床是數字控制機床（Computer numerical control machine tools）的簡稱，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規定的程序，并將其譯碼，用代碼化的數字表示，通過信息載體輸入數控裝置。經運算處理由數控裝置發出各種控制信號，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。
數控機床較好地解決了復雜、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，代表了現代機床控制技術的發展方向，是一種典型的機電一體化產品。
當前，數控機床在生產制造行業得以普遍應用。以航空制造業為例，生產活動離不開數控機床。在實際應用中，機床可能發生多種多樣的故障，其中加工精度異常是最為常見的問題。在生產活動中，常有操作人員反映加工精度異常，不滿足設計標準要求，直接影響車間正常的生產計劃。本文結合實際案例，探討加工精度異常的形成原因，提出相應的診斷處理和預防方法。
一、數控機床加工的主要特點：
1.對加工對象的適應性強，適應模具等產品單件生產的特點，為模具的制造提供了合適的加工方法；
2.加工精度高，具有穩定的加工質量；
3.可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；
4.加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節省生產準備時間；
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.有利于生產管理的現代化。數控機床使用數字信息與標準代碼處理、傳遞信息，使用了計算機控制方法，為計算機輔助設計、制造及管理一體化奠定了基礎；
8.對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要求更高；
9.可靠性高。
二、數控機床加工的基本組成及工作原理

數控機床的基本組成包括加工程序載體、數控裝置、伺服驅動裝置、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:數控機床工作時，不需要工人直接去操作機床，要對數控機床進行控制，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（進給量主軸轉速等）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，通過數控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元。
2.數控裝置:數控裝置是數控機床的核心。現代數控裝置均采用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數控功能，因此又稱軟件數控（Software NC）。CNC系統是一種位置控制系統，它是根據輸入數據插補出理想的運動軌跡，然后輸出到執行部件加工出所需要的零件。因此，數控裝置主要由輸入、處理和輸出三個基本部分構成。而所有這些工作都由計算機的系統程序進行合理地組織，使整個系統協調地進行工作。
3.伺服與測量反饋系統:伺服系統是數控機床的重要組成部分，用于實現數控機床的進給伺服控制和主軸伺服控制。伺服系統的作用是把接受來自數控裝置的指令信息，經功率放大、整形處理后，轉換成機床執行部件的直線位移或角位移運動。由于伺服系統是數控機床的最后環節，其性能將直接影響數控機床的精度和速度等技術指標，因此，對數控機床的伺服驅動裝置，要求具有良好的快速反應性能，準確而靈敏地跟蹤數控裝置發出的數字指令信號，并能忠實地執行來自數控裝置的指令，提高系統的動態跟隨特性和靜態跟蹤精度。
4.機床主體:機床主機是數控機床的主體。它包括床身、底座、立柱、橫梁、滑座、工作臺、主軸箱、進給機構、刀架及自動換刀裝置等機械部件。它是在數控機床上自動地完成各種切削加工的機械部分。
5.數控機床輔助裝置:輔助裝置是保證充分發揮數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，回轉工作臺和數控分度頭，防護，照明等各種輔助裝置
三、數控機床加工精度異常的常見原因
1.系統參數發生變化或改動

系統參數主要包括機床進給單位、零點偏置、反向間隙等等。例如SIEMENS、FANUC數控系統，其進給單位有公制和英制兩種。選擇品質機床附件認準鈦浩機械，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，故障處理完畢應作適時地調整和修改；另一方面，由于機械磨損嚴重或松動也可能造成參數實測值的變化，需對參數做相應的修改才能滿足機床加工精度的要求。
2.機械故障導致的加工精度異常

臥式加工中心，采用FANUC0i-MA數控系統。一次在銑削汽輪機葉片的過程中，突然發現Z軸進給異常，造成至少1mm的切削誤差量（Z向過切）。調查中了解到：故障是突然發生的。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。分析認為，主要應對以下幾方面逐一進行檢查。
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、加工坐標系（G54～G59）的校對及計算。
2）在點動方式下，反復運動Z軸，經過視、觸、聽對其運動狀態診斷，發現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表現出為d=0.1mm>；d2>d3（斜率小于1）；
③機床機構實際未移動，表現出最標準的反向間隙；
④機床運動距離與手脈給定值相等（斜率等于1），恢復到機床的正常運動。
3.機床電氣參數未優化電機運行異常

一臺數控立式銑床，配置FANUC0-MJ數控系統。在加工過程中，發現X軸精度異常。檢查發現X軸存在一定間隙，且電機啟動時存在不穩定現象。用手觸摸X軸電機時感覺電機抖動比較嚴重，啟停時不太明顯，JOG方式下較明顯。
分析認為，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系統的參數功能，對電機進行調試。首先對存在的間隙進行了補償；調整伺服增益參數及N脈沖抑制功能參數，X軸電機的抖動消除，機床加工精度恢復正常。
4、機床位置環異常或控制邏輯不妥
鏜銑床加工中心，數控系統為FANUC18i，全閉環控制方式。加工過程中，發現該機床Y軸精度異常，精度誤差最小在0.006mm左右，最大誤差可達到1.400mm.檢查中，機床已經按照要求設置了G54工件坐標系。在MDI方式下，以G54坐標系運行一段程序即“G90G54Y80F100；M30；”，待機床運行結束后顯示器上顯示的機械坐標值為“-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方式下執行上面的語句，待機床停止后，發現此時機床機械坐標數顯值為“-1046.992”，同第一次執行后的數顯示值相比相差了0.387mm。按照同樣的方法，將Y軸點動到不同的位置，反復執行該語句，數顯的示值不定。用百分表對Y軸進行檢測，發現機械位置實際誤差同數顯顯示出的誤差基本一致，從而認為故障原因為Y軸重復定位誤差過大。對Y軸的反向間隙及定位精度進行仔細檢查，重新作補償，均無效果。因此懷疑光柵尺及系統參數等有問題，但為什么產生如此大的誤差，卻未出現相應的報警信息呢？進一步檢查發現，該軸為垂直方向的軸，當Y軸松開時，主軸箱向下掉，造成了超差。
四、數控機床故障的診斷原則和方法
1.按數控機床發生的故障性質分類
1）確定性故障：指只要條件符合就會發生故障；比如電壓負荷過高，會報警。
2）隨機故障：指在相同的條件下，會隨機地發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構零件、數控系統零件相關聯。
2.按故障類型分類
1）機械故障：指主要發生在機床主機部分，常見的故障主要有：因機械部件的安裝、調試、操作使用不規范等原因引起的機械傳動故障；因導軌、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、；聯結不良等原因引起的故障等等。
2）電氣故障：指電氣控制系統出現的故障。常見的故障主要有：因控制系統的元件器件、所引起的故障；因控制系統的主回路或高壓、大功率回路中的、、開關、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生的時間、機床的運行狀況和故障類型進行詳細的了解，然后尋找故障發生的各種痕跡。
2）自診斷功能：指cnc系統每次從通電開始，系統內部診斷程序就自動執行診斷。通過隨時監控系統各部分的工作情況，及時分析故障并立刻在crt上顯示報警信息。有時當硬件發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束，系統就無法投入生產。
3）在線診斷：指在系統處于正常運行狀態時通過cnc系統的內裝程序，對cnc系統本身以及cnc裝置相連的各個單元、以及外部設備等進行自動診斷、檢查。只要系統不斷電，在線診斷就會一直進行下去。
4）離線診斷：指數控系統出現故障后，數控系統生產商以及專家、或專業維修中心利用專用的診斷軟件和測試裝置進行停機或脫機檢查。
4.數控機床機械故障診斷的一般過程
1）觀察數控機床情況：通過“望聞問切”的方法來進行故障的觀察。
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：運用查找手段對數控機床進行從外到里的，從易到難的檢測，查閱相關資料來確定故障點。
五、結語
隨著科學技術的發展，數控機床得以在制造行業普遍應用，且獲得行業青睞。本文結合實際案例，從機械傳動部件故障、熱變形、地基和水平不符合要求、電氣參數更改、系統參數變化或改動、保養管理不善等方面，介紹了加工精度異常的原因和處理方法。在企業生產中，只有加強采購管理，定期開展維修保養工作，提高操作人員的技能素質，才能提高加工精度，促進企業可持續發展。

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