主页 > 新闻动态 > 数控机床加工基本组成工作原理及故障诊断原则和方法 2021-12-16

数控机床加工基本组成工作原理及故障诊断原则和方法

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。
数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
当前，数控机床在生产制造行业得以普遍应用。以航空制造业为例，生产活动离不开数控机床。在实际应用中，机床可能发生多种多样的故障，其中加工精度异常是最为常见的问题。在生产活动中，常有操作人员反映加工精度异常，不满足设计标准要求，直接影响车间正常的生产计划。本文结合实际案例，探讨加工精度异常的形成原因，提出相应的诊断处理和预防方法。
一、数控机床加工的主要特点：
1.对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法；
2.加工精度高，具有稳定的加工质量；
3.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
4.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
5.机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3~5倍）；
6.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
7.有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础；
8.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高；
9.可靠性高。
二、数控机床加工的基本组成及工作原理

数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。各组成部分的基本工作原理如下：

1.加工程序载体:数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。
2.数控装置:数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNC（Computer Numerical Control）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控（Software NC）。CNC系统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。
3.伺服与测量反馈系统:伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。
4.机床主体:机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。
5.数控机床辅助装置:辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置
三、数控机床加工精度异常的常见原因
1.系统参数发生变化或改动

系统参数主要包括机床进给单位、零点偏置、反向间隙等等。例如SIEMENS、FANUC数控系统，其进给单位有公制和英制两种。选择品质机床附件认准钛浩机械，机床修理过程中某些处理，常常影响到零点偏置和间隙的变化，故障处理完毕应作适时地调整和修改；另一方面，由于机械磨损严重或松动也可能造成参数实测值的变化，需对参数做相应的修改才能满足机床加工精度的要求。
2.机械故障导致的加工精度异常

卧式加工中心，采用FANUC0i-MA数控系统。一次在铣削汽轮机叶片的过程中，突然发现Z轴进给异常，造成至少1mm的切削误差量（Z向过切）。调查中了解到：故障是突然发生的。机床在点动、MDI操作方式下各轴运行正常，且回参考点正常；无任何报警提示，电气控制部分硬故障的可能性排除。分析认为，主要应对以下几方面逐一进行检查。
1）检查机床精度异常时正运行的加工程序段，特别是刀具长度补偿、加工坐标系（G54～G59）的校对及计算。
2）在点动方式下，反复运动Z轴，经过视、触、听对其运动状态诊断，发现Z向运动声音异常，特别是快速点动，噪声更加明显。由此判断，机械方面可能存在隐患。
3）检查机床Z轴精度。用手脉发生器移动Z轴，（将手脉倍率定为1×100的挡位，即每变化一步，电机进给0.1mm），配合百分表观察Z轴的运动情况。在单向运动精度保持正常后作为起始点的正向运动，手脉每变化一步，机床Z轴运动的实际距离d=d1=d2=d3…=0.1mm，说明电机运行良好，定位精度良好。
而返回机床实际运动位移的变化上，可以分为四个阶段：
①机床运动距离d1>d=0.1mm（斜率大于1）；
②表现出为d=0.1mm>；d2>d3（斜率小于1）；
③机床机构实际未移动，表现出最标准的反向间隙；
④机床运动距离与手脉给定值相等（斜率等于1），恢复到机床的正常运动。
3.机床电气参数未优化电机运行异常

一台数控立式铣床，配置FANUC0-MJ数控系统。在加工过程中，发现X轴精度异常。检查发现X轴存在一定间隙，且电机启动时存在不稳定现象。用手触摸X轴电机时感觉电机抖动比较严重，启停时不太明显，JOG方式下较明显。
分析认为，故障原因有两点，一是机械反向间隙较大；二是X轴电机工作异常。利用FANUC系统的参数功能，对电机进行调试。首先对存在的间隙进行了补偿；调整伺服增益参数及N脉冲抑制功能参数，X轴电机的抖动消除，机床加工精度恢复正常。
4、机床位置环异常或控制逻辑不妥
镗铣床加工中心，数控系统为FANUC18i，全闭环控制方式。加工过程中，发现该机床Y轴精度异常，精度误差最小在0.006mm左右，最大误差可达到1.400mm.检查中，机床已经按照要求设置了G54工件坐标系。在MDI方式下，以G54坐标系运行一段程序即“G90G54Y80F100；M30；”，待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为“-1046.605”，记录下该值。然后在手动方式下，将机床Y轴点动到其他任意位置，再次在MDI方式下执行上面的语句，待机床停止后，发现此时机床机械坐标数显值为“-1046.992”，同第一次执行后的数显示值相比相差了0.387mm。按照同样的方法，将Y轴点动到不同的位置，反复执行该语句，数显的示值不定。用百分表对Y轴进行检测，发现机械位置实际误差同数显显示出的误差基本一致，从而认为故障原因为Y轴重复定位误差过大。对Y轴的反向间隙及定位精度进行仔细检查，重新作补偿，均无效果。因此怀疑光栅尺及系统参数等有问题，但为什么产生如此大的误差，却未出现相应的报警信息呢？进一步检查发现，该轴为垂直方向的轴，当Y轴松开时，主轴箱向下掉，造成了超差。
四、数控机床故障的诊断原则和方法
1.按数控机床发生的故障性质分类
1）确定性故障：指只要条件符合就会发生故障；比如电压负荷过高，会报警。
2）随机故障：指在相同的条件下，会随机地发出一两次的报警信号；这种故障是最难分析排查的；这类故障一般与机械结构零件、数控系统零件相关联。
2.按故障类型分类
1）机械故障：指主要发生在机床主机部分，常见的故障主要有：因机械部件的安装、调试、操作使用不规范等原因引起的机械传动故障；因导轨、主轴等运动部件的干涉、摩擦过大等原因引起的故障；因机械零件的损坏、；联结不良等原因引起的故障等等。
2）电气故障：指电气控制系统出现的故障。常见的故障主要有：因控制系统的元件器件、所引起的故障；因控制系统的主回路或高压、大功率回路中的、、开关、熔断器、电源电压器等电气元件器件及其所组成的控制电路所引起的强电故障。
3.数控机床机械故障诊断方法
1）追踪法：指在故障诊断和维修前，维修人员要先对故障发生的时间、机床的运行状况和故障类型进行详细的了解，然后寻找故障发生的各种痕迹。
2）自诊断功能：指cnc系统每次从通电开始，系统内部诊断程序就自动执行诊断。通过随时监控系统各部分的工作情况，及时分析故障并立刻在crt上显示报警信息。有时当硬件发生故障时就要使用来指出故障的原因。如果启功诊断不能结束，系统就无法投入生产。
3）在线诊断：指在系统处于正常运行状态时通过cnc系统的内装程序，对cnc系统本身以及cnc装置相连的各个单元、以及外部设备等进行自动诊断、检查。只要系统不断电，在线诊断就会一直进行下去。
4）离线诊断：指数控系统出现故障后，数控系统生产商以及专家、或专业维修中心利用专用的诊断软件和测试装置进行停机或脱机检查。
4.数控机床机械故障诊断的一般过程
1）观察数控机床情况：通过“望闻问切”的方法来进行故障的观察。
2）故障情况的分析：通过观察故障的情况来进行情况分析，从而缩小故障范围，确定故障的查找方式。
3）故障查找：运用查找手段对数控机床进行从外到里的，从易到难的检测，查阅相关资料来确定故障点。
五、结语
随着科学技术的发展，数控机床得以在制造行业普遍应用，且获得行业青睐。本文结合实际案例，从机械传动部件故障、热变形、地基和水平不符合要求、电气参数更改、系统参数变化或改动、保养管理不善等方面，介绍了加工精度异常的原因和处理方法。在企业生产中，只有加强采购管理，定期开展维修保养工作，提高操作人员的技能素质，才能提高加工精度，促进企业可持续发展。

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