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澳门赌场数控机床维修工常用技术手册 徐峰pdf


  机电技术手册系列 数控机床维修工常用技术手册 徐 峰 主编 上海科学技术出版社 前 言 纵观改革开放以来,我国机床消费额大致和国民经济GDP增 长值同步,十年翻了一番。 世纪 年代初,我国机床消费额约 20 80 为 亿美元, 年代初达 亿美元, 年为 亿美元,当 10 90 20 2000 37.88 年世界最大机床消费国美国,消费额为 亿美元。原预计 年 68 2010 中国将成为世界最大机床消费市场,令人意想不到的是, 年 2003 美国发表的一项调查统计报告称:全世界机床产值 年约 2002 310 亿美元,比上年减少 ,但中国比上年增加 ,达 亿 14.2% 20% 56.96 美元。我国首次成为世界第一机床消费大国和全球第一机床进口 大国。 无论从数控机床的增长速度,还是从进口数量的膨胀,从数控 化率的国际比较,或是从技术程度的等级水平,我们都能发现一个 显而易见的事实:数控机床的广泛应用,急需大量的数控技术人 才,急需在短期内培养出一大批高技能型人才。 随着WTO 的日益深入,我国制造企业已开始广泛使用先进 的数控技术,而掌握数控技术的机电复合人才奇缺。2003年,国 家数控系统工程技术研究中心的一项调研结果显示,仅数控机床 的操作工就短缺 多万人。 60 本手册系统地介绍了数控机床的结构特点、安装调试、维护保 养、故障诊断及维修技术,详细介绍了数控机床数控系统、伺服系 统、机械系统的结构原理及其维修技术,并结合实例讲解了西门子 系统典型数控机床的维修实例及技巧,突出了应用性、实用 810 性、综合性和先进性,体系新颖,内容详实。本手册可作为职业技 能培训机构及企业内训的配套教材,也可作为职业院校学生的实 践教学用书和有关工厂技术人员的参考书。 本手册由徐峰同志主编,参加编写的有邱立功、张能武、周斌 兴、黄芸、刘述芳、楚宜民、马建民、陈忠民、王云龙、满维龙等同志。 本手册在编写过程中得到上海模具协会、江苏模具协会、江南大学 机械学院、常州职业技术学院、韩国机床设备销售服务中心、上海 现代模具技术培训中心、长三角国家高技能人才培训中心的大力 支持和帮助,并得到众多专家的指导和鼎立相助;同时参考了大量 的企业内训资料和图书出版资料,谨此表示衷心的感谢和崇高的 敬意! 因编者水平有限,加上时间仓促,书中难免有错误和不妥之 处,恳请读者批评指正。 编 者 目 录 第一章 数控机床维修基础知识………………………………… 1 第一节 数控机床维修概述…………………………………… 1 一、数控机床简要介绍 ………………………………………… 1 二、数控机床的故障特点及分类 ……………………………… 17 三、数控机床维修的基本要求 ………………………………… 22 四、数控机床维修常用诊断仪器 ……………………………… 25 第二节 数控机床的安装、调试及验收……………………… 55 一、数控机床的安装与调试 …………………………………… 55 二、数控机床的验收…………………………………………… 63 第三节 数控机床的维护与保养 …………………………… 75 一、对数控机床操作人员的要求 ……………………………… 77 二、数控机床操作规程 ………………………………………… 77 三、数控机床的维护…………………………………………… 79 四、数控机床运行使用中的注意事项…………………………… 81 第四节 数控机床故障诊断与维修 ………………………… 83 一、故障诊断流程 …………………………………………… 83 二、数控系统的自诊断技术 …………………………………… 92 三、数控机床常见故障检查方法 ……………………………… 97 四、数控机床维修中的注意事项 ……………………………… 102 五、数控机床的检查与修理 ………………………………… 105 第二章 数控系统的维修……………………………………… 109 第一节 数控系统概述……………………………………… 109 一、数控系统基本组成 ……………………………………… 109 目 录 2 二、典型数控系统的结构 …………………………………… 117 三、常用数控系统简介 ……………………………………… 125 第二节 数控系统的维修…………………………………… 130 一、数控系统的软件故障的维修 ……………………………… 131 二、系统硬件故障的维修 …………………………………… 134 三、利用参数设置进行数控机床的维修 ……………………… 141 四、利用 PLC进行数控机床的维修…………………………… 161 第三章 伺服系统的维修……………………………………… 180 第一节 伺服系统的概述…………………………………… 180 一、伺服系统的组成 ………………………………………… 180 二、步进电机伺服系统 ……………………………………… 188 三、交/直流电机伺服系统 …………………………………… 192 四、位置检测装置 …………………………………………… 196 第二节 伺服系统故障的维修……………………………… 202 一、主轴伺服系统的故障诊断………………………………… 203 二、进给伺服系统的故障诊断………………………………… 218 三、位置检测装置的故障诊断………………………………… 231 第四章 机械系统的维修……………………………………… 239 第一节 机械系统概述……………………………………… 239 一、主传动的机械结构 ……………………………………… 239 二、主轴调速方法 …………………………………………… 247 三、进给传动机械结构 ……………………………………… 251 四、辅助装置………………………………………………… 264 第二节 数控机床机械系统故障的维修…………………… 276 一、机械系统的故障诊断方法………………………………… 276 二、数控机床主轴部件故障的维修 …………………………… 278 三、数控机床进给传动部件故障的维修 ……………………… 283 四、数控机床机械部件辅助装置故障的维修 ………………… 289 目 录 3 第五章 典型数控机床故障诊断与维修……………………… 297 第一节 SINUMERIK810数控系统……………………… 297 一、系统组成及特点 ………………………………………… 297 二、故障诊断及维修 ………………………………………… 305 第二节 FANUC0 数控系统 …………………………… 312 一、系统组成及特点 ………………………………………… 313 二、故障诊断及维修 ………………………………………… 320 参考文献………………………………………………………… 343 第一章 数控机床维修基础知识 第一节 数控机床维修概述 一、数控机床简要介绍 (一)数控机床的定义 国际信息处理联盟( InternationalFederationofInformation ——— )第五技术委员会对数控机床所作的定义是: Processin IFIP g 数控机床( )是一个装有程序控制系统 NumericalControlMachine 的机床,该系统能够逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指 令规定的程序。 定义中所指的程序控制系统即为数控系统,系统运用数字控 制技术实现机床自动控制,即用几何信息控制刀具和工件间的相 对运动(即运动轨迹行程量控制),以及机床完成加工运动所必需 的辅助工艺信息控制(即机床运动开关量逻辑控制),如主轴转速、 主轴转向、刀具选择和切削液开闭等。 (二)数控机床的组成 数控机床通常由信息载体、输入输出装置、数控系统、强电控 制装置、伺服驱动系统、位置反馈装置、机床等部分组成,其基本结 构框图如图 所示。 11 1信息载体 数控机床按照给定的零件加工程序运行,在零件加工程序中 记录了加工该零件所必需的各种信息,包括零件加工的几何信息、 工艺参数(进给量、主轴转速等)和辅助运动等。将零件加工程序 第一章 数控机床维修基础知识 2 用一定的格式和代码存储在信息载体上,通过输入装置将信息输 入到数控系统中。常用的信息载体有穿孔带、磁带和磁盘等。数 控机床也可以采用操作面板上的按钮和键盘将加工信息直接输 入,或通过串行口将在计算机上编写的加工程序输入到数控系统。 高级的数控系统还可能包括一套自动编程机或 / 系统。 CAD CAM 图11 数控机床的组成结构 2输入输出装置 输入装置的作用是将信息载体中的数控加工信息读入数控系 统的内存储器。根据信息载体的不同,对应有不同的输入装置。 早期使用光电阅读机对穿孔带进行阅读,以后大量使用磁带机和 软盘驱动器。采用 MDI方式,利用数控装置控制面板上的输入键 直接将零件加工程序输入数控系统的内存储器。采用直接通信方 式将 / 系统生成的数控加工程序输入数控系统,或利用 CAD CAM DNC系统输入接口远程输入数控加工程序。 输出装置的作用是为操作人员提供必要的信息,如程序代码、 切削用量、刀具位置、各种故障信息和操作提示等。常用的输出装 置有显示器和打印机等,可对输出信息进行显示或打印。高档数 控系统还可以用图形方式直观地显示输出信息。 3数控系统 数控系统是数控机床实现自动加工的核心,由硬件和软件组 成。现代数控系统普遍采用通用计算机作为其主要硬件部分,包 括 CPU、存储器、系统总线和输入输出接口等。软件部分主要是 主控制系统软件,其控制方式为数据运算处理控制(机床运动行程 第一节 数控机床维修概述 3 量控制)和时序逻辑控制(机床运动开关量控制)两大类,主控制器 内的插补运算模块根据读入的零件加工程序,通过译码、编译等信 息处理后,进行相应的轨迹插补运算,并通过与各坐标伺服系统位 置、速度反馈信号比较,从而控制机床各个坐标轴的移动。而时序 逻辑控制主要由可编程控制器 PLC完成,它根据机床加工过程中 的各个动作要求进行协调,按各检测信号进行逻辑判断,从而控制 机床有条不紊地按序工作。 4强电控制装置 强电控制装置的主要功能是接收可编程控制器 PLC输出的 主轴变速、换向、启动或停止,刀具选择和更换,分度工作台的转位 和锁紧,工件夹紧或松夹,切削液的开启或关闭等辅助操作信号, 经功率放大直接驱动相应的执行元件,完成数控加工自动操作。 5伺服驱动系统 伺服驱动系统是数控系统与机床之间的电传动联系环节。它 接收来自数控系统的位置控制信息,将其转换成相应坐标轴的进 给运动和精确定位运动,是数控机床最后的控制环节,因此,其伺 服精度和动态响应物性将直接影响数控机床的生产率、加工精度 和表面加工质量。伺服驱动系统包括主轴伺服和进给伺服两个单 元。主轴伺服单元接收来自PLC的转向和转速指令,经过功率放 大后驱动主轴电动机转动。进给伺服单元在每个插补周期内接收 数控系统的位移指令,经过功率放大后驱动进给电动机转动,同时 完成速度控制和反馈控制功能。伺服驱动系统的执行器件有功率 步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。 6位置反馈装置 位置反馈装置通过传感器检测伺服电动机的转角位移或数控 机床工作台的直线位移,并转换成信号传送到数控系统中,与指令 位置进行比较后,由数控系统向伺服驱动系统发出指令,纠正所产 生的误差。 7机床 机床指的是数控机床的机械结构。为了适应数控加工的特 第一章 数控机床维修基础知识 4 点,数控机床在整体布局、外观造型、主传动系统、进给传动系统、 刀具系统及操作机构等方面都与普通机床有着很大的变化,其主 要特点有: ① 采用高效高性能传动部件,如滚动丝杠副、直线滚动导轨 副等,其传动链短,结构简单、传动精度高; ② 机床精度、静刚度、动刚度、热刚度高,能满足大余量切削 和精密加工切削; ③ 有完善的刀具自动交换和管理系统。工件一次装夹后能 完成多道加工工序; ④ 具有传动副传动间隙消除措施,保证了传动机构的传动精 度和动态性能; ⑤ 采用移门结构的全封闭外罩壳,保证了加工操作的安全性。 (三)数控机床的工作过程 数控机床的主要任务是利用数控系统进行刀具和工件之间相 对运动的控制,完成零件的数控加工。 图 显示了数控机床的 12 主要工作过程。 1工作前准备 数控机床接通电源后,数控系统将对各组成部分的工作状况 进行检查和诊断,并设置为初始状态。 2零件加工程序编制与输入 零件加工程序的编制可以是脱机编程,也可以是联机编程。 前者利用计算机进行手工编程或自动编程,生成的数控程序记录 在信息载体上通过系统输入装置输入数控系统,或通过通信方式 直接传送到数控系统。后者是利用数控系统本身的编辑器由操作 员直接通过操作面板编写、输入或修改数控加工程序。 为了使加工程序适应实际的工件与刀具位置,加工前还应输 入实际使用刀具的参数,及工件坐标系原点相对机床坐标系的坐 标值。 3数控加工程序的译码和预处理 加工程序输入后,数控机床启动运行,数控系统对加工程序进 第一节 数控机床维修概述 5 行译码和预处理。 图12 数控机床的主要工作过程 进行译码时,加工程序被分成几何数据、工艺数据和开关功能。 几何数据是刀具相对工件的运动路径数据,如 指令和坐标字等, G 利用这些数据可加工出要求的工件几何形状。工艺数据是主轴转 速( 指令)和进给速度( 指令)及部分 指令等功能。开关功能是 S F G 对机床电器的开关命令(辅助 指令和刀具选择 指令),例如主 M T 轴起动或停止、刀具选择和交换、切削液的开启或停止等。 编程时,一般不考虑刀具实际几何数据而直接以工件轮廓尺寸 编程,数控系统根据工件几何数据和加工前输入的实际刀具参数, 进行刀具长度补偿和刀具半径补偿计算。为了方便编程,数控系统 中存在着多种坐标系,故数控系统还要进行相应的坐标变换计算。 第一章 数控机床维修基础知识 6 4插补计算 数控系统完成加工控制信息预处理后,开始逐步运行数控加 工程序。系统中的插补器根据程序中给出的几何数据和工艺数据 进行插补计算,逐点计算并确定各曲线段起、终点之间一系列中间 点的坐标及坐标轴运动的方向、大小和速度,分别向各坐标轴发出 运动序列指令。 5位置控制 进给伺服单元将插补计算结果作为位置调节器的指令值,机 床上位置检测元件测得的位移作为实际位置值。位置调节器将两 者进行比较、调节,输出误差补偿后的位置和速度控制信号,控制 各坐标轴精确运动。各坐标轴的合成运动产生了数控加工程序所 要求的零件外形轮廓和尺寸。 6程序管理 数控系统在进行一个程序段的插补计算和位置控制的同时, 又对下一程序段作译码和预处理,为逐段运行数控加工程序做准 备。这样的过程一直持续到整个零件加工程序执行完毕。 数控系统根据程序发出的开关指令由 PLC进行处理。在系 统程序的控制下,在各加工程序段插补处理开始前或完成后,开关 指令和由机床反馈的信号一起被处理并转换为机床开关设备的控 制指令,实现程序段所规定的 功能、 功能和 功能。 T M S (四)数控机床的类型 数控机床的品种、规格繁多,为便于了解和研究,可按以下四 个方面进行分类。 1按工艺用途分类 目前,数控机床的品种规格已达 多种,按其加工用途和功 500 能特点可分为四大类。 ()金属切削类 常用的有数控车床、数控铣床、数控钻床、 1 数控镗床、数控磨床、数控刨床等普通型数控机床。装有刀具库和 自动换刀装置的数控机床称为加工中心,在加工中心上,可使工件 一次装夹后,自动进行刀具更换,连续完成多道加工工序。澳门赌场加工中 第一节 数控机床维修概述 7 心主要有车削中心、镗铣削中心、磨削中心、钻削中心等。 ()金属成形类 常用的有数控弯管机、数控压力机、数控折 2 弯机、数控冲剪机、数控旋压机等。 ()特种加工类 主要有数控线切割机床、数控电火花加工 3 机床、数控激光加工机床等。 ()测量绘图类 主要有数控绘图仪、数控坐标测量仪、数控 4 对刀仪等。 2按机床运动控制轨迹分类 ()点位控制数控机床 这类机床的控制特点是只控制机床 1 运动部件从一坐标点到另一坐标点的精确定位。移动过程中不进 行加工,对定位过程中的轨迹没有严格要求,各坐标轴之间的运动 是不相关的。为了减少移动时间和提高定位精度,一般先快速移 动至接近终点坐标,然后低速准确运动到终点位置。这类数控机 床有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床等。 图 所示为点位控 13 制数控机床加工示意图。 ()点位直线控制数控机床 这类机床的控制特点是既控制 2 机床运动部件从一坐标点到另一坐标点的精确定位,还要控制两 点间的速度和轨迹。其轨迹是平行于机床各坐标轴的直线,或两 轴同时移动构成的斜线。这类数控机床有数控车床、数控铣床、数 控磨床等,其局限性是只能作简单的直线运动,不能实现任意的轮 廓轨迹加工。图 所示为点位直线控制数控机床加工示意图。 14 图13 点位控制加工示意图 图14 点位直线控制加工示意图 第一章 数控机床维修基础知识 8 ()轮廓控制数控机床 这类机床也称连续控制数控机床。 3 其控制特点是能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行连续关联 的控制,机床运动部件不仅能精确控制起点与终点坐标位置,而且 能精确控制整个加工运动轨迹(控制每一点的速度和位移量),以 满足零件轮廓表面的加工要求。数控系统中的插补器根据程序输 入的基本参数(如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和圆心坐标或 半径),进行插补运算,实现加工过程速度和位移控制。这类数控 机床有数控车床、数控铣床、数控线切割机床、各类加工中心等。 按机床可同时控制的坐标轴数,可分为二轴联动、二轴半联 动、三轴联动、四轴联动、五轴联动。 二轴联动可同时控制 、 、 三轴中二轴联动,加工曲线柱 X Y Z 面,如图 所示。 15 二轴半联动指其中二轴联动,第三轴作周期进给,可采用行切 法加工三维空间曲面,如图 所示。 16 图15 二轴联动的数控加工 图 16 二轴半联动的数控加工 三轴联动可同时控制 、 、 三轴联动,或控制 、 、 三轴 X Y Z X Y Z 中二轴联动再加控制绕某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴( 轴、 A 轴或 轴)。可作三维立体加工,如图 所示。 B C 17 四轴联动可同时控制 、 、 三轴联动,加上控制一个旋转 X Y Z 坐标轴( 轴、 轴或 轴),如图 所示。 A B C 18 第一节 数控机床维修概述 9 图17 三轴联动的数控加工 图 18 四轴联动的数控加工 五轴联动可同时控制 、 、 三轴联动,加上控制两个旋转 X Y Z 坐标轴( 轴、 轴或 轴),如图 所示。 A B C 19 图19 五轴联动的数控加工 3按伺服控制方式分类 ()开环控制数控机床 开环控制没有检测反馈装置,数控 1 系统发出的指令脉冲信号是单方向的,没有反馈信号,因此其加工 精度主要取决于伺服系统的性能。开环控制系统的驱动元件主要 是步进电动机,控制电路每变换一次指令脉冲信号,电动机就转过 一个步距角。开环控制结构简单,造价低,调试维修方便,但控制 精度一般不高,多应用于经济型数控机床或旧机床的数控化改造。 图 所示为开环控制系统框图。 110 第一章 数控机床维修基础知识 10 图110 开环控制系统框图 ()半闭环控制数控机床 半闭环控制采用的是角位移检测 2 装置,安装在伺服电动机或丝杠端部,通过检测伺服电机的转角或 丝杠转角,间接测得工作台的实际位移值,与输入指令值比较后, 用差值控制运动部件。 由于丝杠、工作台等惯性较大的运动部件 不在控制环内,比较容易获得稳定的控制特性,角位移检测装置可 与伺服电机设计成一个整体,使系统的结构简单,安装调试方便, 但机械传动的误差无法得到校正和消除。只要检测装置的精度 高,分辨率高,丝杠螺母机构的精度高。具有可行的间隙消除措 施,半闭环控制系统就能具有较高的控制精度,目前广泛应用于中 小型数控机床上。图 所示为半闭环控制系统框图。 111 图111 半闭环控制系统框图 ()闭环控制数控机床 闭环控制采用的是直线 置,安装在机床工作台上,直接检测工作台的实际位移值,与输入 指令比较后,用差值控制运动部件。 闭环控制在位置环内还有一 个速度环,其目的是减少因负载等因素而引起的进给速度的波动, 改善位置环的控制品质。 由于将机械传动部分全部包括在闭环之 内,从理论上讲,闭环控制的精度取决于检测装置的精度,而与机 械传动的误差无关,因而定位精度高,速度快。但闭环控制系统技 术上要求高,成本较高,调试和维修比较复杂,此外机床的结构、传 第一节 数控机床维修概述 11 动装置及传动间隙等非线性因素都会影响其控制精度,严重时系 统会产生振荡,降低系统稳定性,所以在设计时应对其给予足够的 重视。闭环控制一般应用于精度要求较高的数控机床,如数控精 密镗铣床、超精车床、精密加工中心等。 图 所示为闭环控制 112 系统框图。 图112 闭环控制系统框图 4按数控系统功能水平分类 按数控系统功能水平,可以将数控机床分为高、中、低(经济 型)三档,这种分类方法在我国应用较多,高、中、低三档没有明确 的界定,不同时期、不同国家的划分标准都有所不同。 目前发展水 平如表 所示。 11 表 11 高、中、低档数控机床功能水平 功 能 低 档 中 档 高 档 分辨率/ m 10 1 0.1 μ 进给速度/( / ) m min 8 15 15 24 15 100 ~ ~ ~ 半闭环或闭环的直流或交 伺服控制类型 开环、步进电动机 流伺服系统 联运轴数(轴) 2 3 2 4 3 5以上 ~ ~ ~ 通信功能 一般无 、 、 、 RS-232 DNC RS-232 DNC MAP 显示功能 LED或简单的 CRT 较齐全的 CRT显示 还有三维图形显示 内装PLC 无 有 有强功能的PLC 主 位、 位 位或 位的多 CPU 8 16 32 64 CPU 第一章 数控机床维修基础知识 12 (五)数控机床的应用与发展 年美国帕森斯( )公司在研制加工直升机叶片轮 1948 Parsons 廓检验样板的机床时,首先提出了利用电子计算机控制机床加工 复杂曲线样板的的新概念。设想的方案是:把坐标点的代码打在 穿孔卡上,然后输入到机床的控制系统中,使一台改进过的铣床按 照微小增量的步距移动得到需要的轨迹。 年帕森斯公司与 1952 麻省理工学院( )伺服机构研究所合作研制成功世界上第一台 MIT 三坐标数控铣床。其数控系统采用脉冲乘法器原理,全部由电子 管元件组成,虽然体积庞大,功能简单,但意义重大,它标志第一代 数控系统——— 电子管数控系统的诞生。 在数控机床的发展历程中,计算机硬件和软件的发展水平起 到了很大的推动作用。 年,晶体管元件的研制成功使电子装 1959 置的体积大大减小,在数控系统中应用了晶体管和印刷电路板后, 数控系统进入了第二代。同年出现了带自动换刀装置的数控机床 ——— 加工中心。 年,出现了小规模集成电路,由于其体积小,功耗低,使 1965 数控系统的可靠性进一步提高,小规模集成电路在数控系统中的 应用成为第三代数控系统的标志。 以上三代数控系统的逻辑运算 和控制采用硬件电路完成,我们称之为硬件数控系统( )。 NC 随着微电子技术的发展,小型计算机逐渐取代数控系统中的 专用计算机,使许多控制功能可以依靠编制专用程序来完成,而不 必依靠硬件电路,实现软件控制,大大提高了数控系统控制的灵活 性和数控设备的可靠性。 年,美国芝加哥国际机床展览会上 1970 第一次展出了配备第四代数控系统——— 计算机数控( )系统 CNC 的数控机床。 中、大规模集成电路技术所取得的成就,促使价格低廉、体积 更小、集成度更高、工作可靠的微处理器芯片问世,并逐步应用于 数控机床,进一步简化了 CNC系统的硬件结构,降低了CNC机 床的成本。 年,产生了以微处理器为 系统核心的第五 1974 CND 代数控系统,即采用微型电子计算机控制的数控系统( Microcom 第一节 数控机床维修概述 13 ——— )。 uterNumericalControl MNC p 我国数控产业的发展始于 年, 年研制成功晶体管数 1958 1966 控系统, 年研制成功集成电路数控系统。经过多年来不断的调 1972 整、优化、重组、开拓,中国数控产业通过自行研究、引进合作、独立 开发、推进产业化进程,国产数控系统已经取得重大突破。数控机 床新开发品种 个,已具有一定的覆盖面。新开发的国产数控 300 机床产品大部分达到国际 世纪 年代中期水平,部分达到 20 80 90

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