数控车床加工精度保证和维护

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课题名称：数控车床加工精度保证和

维护

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数控车床加工精度保证和维护

摘要：先介绍了数控车床，在探讨了数控车床的机床结构，工作原理数控车床的分类，数控车床的特点，说明影响数控车床加工精度多种原因和车床的维护。

关键词：数控车床，加工精度，维护

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，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。

一、数控机床特点

数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：

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.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.自动化程度高，可以减轻劳动强度。

7.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.工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、数控机床组成

在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点，伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动。具体有以下部分构成：

（一）主机

他是数控机床的主体，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。

（二）数控装置

是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读

机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。

（三）驱动装置

他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。（四）辅助装置

指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。

（五）编程及其他附属设备

可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。

三、数控车床加工精度控制方法

一般注意以下几点；刀具磨损，工件弹性变形，加工工艺，加工顺序，对刀，修改刀补，机床间隙状态，装夹方式等。

1.数控车床加工优化参数，平衡刀具负荷，减少刀具磨损。由于零件结构的千变万化，有可能导致刀具切削负荷的不平衡。而由于自身几何形状的差异导致不同刀具在刚度、强度方面存在较大差异，例如：正外圆刀与切断刀之间，正外圆刀与反外圆刀之间。如果在编程时不考虑这些差异。用强度、刚度弱的刀具承受较大的切削载荷，就会导致刀具的非正常磨损甚至损坏，而零件的加工质量达不到要求。因此编程时必须分析零件结构，用强度、刚度较高的刀具承受较大的切削载荷，用强度、刚度小的刀具承受较小的切削载荷，使不同的刀具都可以采用合理的切削用量，具有大体相近的寿命，减少磨刀及更换刀具的次数。

2.数控车床加工的工艺与普通车床的加工工艺类似，但由于数控车床是一次装夹，连续自动加工完成所有车削工序，因而应注意以下几个方面。

（1）合理选择切削用量

对于高效率的金属切削加工来说，被加工材料、切削工具、切削条件是三大要素。这些决定着加工时间、刀具寿命和加工质量。经济有效的加工方式必然是合理的选择了切削条件。

切削条件的三要素：切削速度、进给量和切深直接引起刀具的损伤。伴随着切削速度的提高，刀尖温度会上升，会产生机械的、化学的、热的磨损。切削速度提高20%，刀具寿命会减少1/2。

进给条件与刀具后面磨损关系在极小的范围内产生。但进给量大，切削温度上升，后面磨损大。它比切削速度对刀具的影响小。切深对刀具的影响虽然没有切削速度和进给量大，但在微小切深切削时，被切削材料产生硬化层，同样会影响刀具的寿命。

用户要根据被加工的材料、硬度、切削状态、材料种类、进给量、切深等选择使用的切削速度。如下表：

最适合的加工条件的选定是在这些因素的基础上选定的。有规则的、稳定的磨损达到寿命才是理想的条件。然而，在实际作业中，刀具寿命的选择与刀具磨损、被加工尺寸变化、表面质量、切削噪声、加工热量等有关。在确定加工条件时，需要根据实际情况进行研究。对于不锈钢和耐热合金等难加工材料来说，可以采用冷却剂或选用刚性好的刀刃。

（2）合理选择刀具

1.粗车时，要选强度高、耐用度好的刀具，以便满足粗车时大背吃刀量、大进给量的要求。

2.精车时，要选精度高、耐用度好的刀具，以保证加工精度的要求。

3.为减少换刀时间和方便对刀，应尽量采用机夹刀和机夹刀片。

4.合理选择夹具

（a)尽量选用通用夹具装夹工件，避免采用专用夹具；

（b)零件定位基准重合，以减少定位误差。

5.确定加工路线

加工路线是指数控机床加工过程中，刀具相对零件的运动轨迹和方向。

（a)应能保证加工精度和表面粗糙要求；

（b)应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程时间。

6.加工路线与加工余量的联系

目前，在数控车床还未达到普及使用的条件下，一般应把毛坯上过多的余量，特别是含有锻、铸硬皮层的余量安排在普通车床上加工。如必须用数控车床加工时，则需注意程序的灵活安排。

7.夹具安装要点

目前液压卡盘和液压夹紧油缸的连接是靠拉杆实现的，如图1。液压卡盘夹紧要点如下：首先用搬手卸下液压油缸上的螺帽，卸下拉管，并从主轴后端抽出，再用搬手卸下卡盘固定螺钉，即可卸下卡盘。

刀具上的修光刃指的是在刀具刀刃后面副偏角方向磨出的一小段与刀尖平行的刀刃主要用于刀刃切削后进行一次二次切削相当于精加工过程去处毛刺等伤痕目的是提高工件的表面粗糙度多应用于进行精加工的刀具上。

四、加工精度异常故障的维护

系统参数发生变化或改动、机械故障、机床电气参数未优化电机运行异常、机床位置环异常或控制逻辑不妥，是生产中数控机床加工精度异常故障的常见原因，找出相关故障点并进行处理，机床均可恢复正常。生产中经常会遇到数控机床加工精度异常的故障。此类故障隐蔽性强、诊断难度大。导致此类故障的原因主要有五个方面：

（1）机床进给单位被改动或变化。

（2）机床各轴的零点偏置(NULLOFFSET)异常。

（3）轴向的反向间隙(BACKLASH)异常。

（4）电机运行状态异常，即电气及控制部分故障。

（5）机械故障，如丝杆、轴承、轴联器等部件。此外，加工程序的编制、刀具的选择及人为因素，也可能导致加工精度异常。

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。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连结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一台THM6350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%26times；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%26hellip；=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。无论怎样对反向间隙(参数1851)进行补偿，其表现出的特征是：除第③阶段能够补偿外，其他各段变化仍然存在，特别是第①阶段严重影响到机床的加工精度。补偿中发现，间隙补偿越大，第①段的移动距离也越大。分析上述检查认为存在几点可能原因：一是电机有异常；二是机械方面有故障；三是存在一定的间隙。为了进一步诊断故障，将电机和丝杠完全脱开，分别对电机和机械部分进行检查。电机运行正常；在对机械部分诊断中发现，用手盘动丝杠时，返回运动初始有非常明显的空缺感。而正常情况下，应能感觉到轴承有序而平滑的移动。经拆检发现其轴承确已受损，且有一颗滚珠脱落。更换后机床恢复正常。

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,一台TH61140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%26ldquo；G90G54Y80F100；M30；%26rdquo；待机床运行结束后显示器上显示的机械坐标值为%26ldquo；-1046.605%26rdquo；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%26ldquo；-1046.992%26rdquo；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。对机床的PLC逻辑控制程序做了修改，即在Y 轴松开时，先把Y轴使能加载，再把Y轴松开；而在夹紧时，先把轴夹紧后，再把Y轴使能去掉。调整后机床故障得以解决。

五、数控机床的维护及检修

数控机床延长元器件的寿命和零部件的磨损周期，预防各种故障，提高数控机床的平均无故障工作时间和使用寿命。

(一)数控机床使用中应注意的问题

1．数控机床的使用环境：对于数控机床最好使其置于有恒温的环境和远离震动较大的设备（如冲床）和有电磁干扰的设备。

2．电源要求。

3．数控机床应有操作规程：进行定期的维护、保养，出现故障注意记录保护现场等。

4．数控机床不宜长期封存。

5．注意培训和配备操作人员、维修人员及编程人员。

（二）数控系统的维护

1．严格遵守操作规程和日常维护制度。

2．防止灰尘进入数控装置内：漂浮的灰尘和金属粉末容易引起元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至损坏元器件。

3．定时清扫数控柜的散热通风系统

4．经常监视数控系统的电网电压：电网电压范围在额定值的85%～110%。

5．定期更换存储器用电池。

6．数控系统长期不用时的维护：经常给数控系统通电或使数控机床运行温机程序。

7．备用电路板的维护机械部件的维护。

（三）机械部件的维护

1.刀库及换刀机械手的维护

（1）用手动方式往刀库上装刀时，要保证装到位，检查刀座上的锁紧是否可靠；

（2）严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞；

（3）采用顺序选刀方式须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。其他选刀方式也要注意所换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生。

（4）注意保持刀具刀柄和刀套的清洁；

（5）经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作；

（6）开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。

2．滚珠丝杠副的维护

（1）定期检查、调整丝杠螺母副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；

（2）定期检查丝杠支撑与床身的连接是否松动以及支撑轴承是否损坏。如有以上问题要及时紧固松动部位，更换支撑轴承；

（3）采用润滑脂的滚珠丝杠，每半年清洗一次丝杠上的旧油脂，更换新油脂。

用润滑油润滑的滚珠丝杠，每天机床工作前加油一次；

（4）注意避免硬质灰尘或切屑进入丝杠防护罩和工作过程中碰击防护罩，防护装置一有损坏要及时更换。

3．主传动链的维护

（1）定期调整主轴驱动带的松紧程度；

（2）防止各种杂质进入油箱。每年更换一次润滑油；

（3）保持主轴与刀柄连接部位的清洁。需及时调整液压缸和活塞的位移量；

（4）要及时调整配重。

4．液压系统维护

（1）定期过滤或更换油液；

（2）控制液压系统中油液的温度；

（3）防止液压系统泄漏；

（4）定期检查清洗油箱和管路；

（5）执行日常点检查制度。

5．气动系统维护

（1）清除压缩空气的杂质和水分；

（2）检查系统中油雾器的供油量；

（3）保持系统的密封性；

（4）注意调节工作压力；

（5）清洗或更换气动元件、滤芯。

六、实际维修注意要点

（一）要多看

1．要多看数控资料。要多看，要了解各种数控系统和PLC可编程序控制器的特点和功能；要了解数控系统的报警及排除方法；要了解NC、PLC机床参数设定的含义；要了解PLC的编程语言；要了解数控编程的方法；要了解控制面板的操作和各菜单的内容；要了解主轴和走刀电机的性能和驱动器的特征等等，往往数控资料一大堆，怎么看？我认为主要要突出重点，搞清来龙去脉，重点是吃透数控系统的基本组成和结构，掌握方框图。其余的可以“游览”和通读，但每部分内容要有重点的了解、掌握。由于数控系统内部线路图相当复杂，而制造商均不提供。因此也不必详细地搞清楚。比如NX一154四轴五连动叶片加工机床上采用A一B10系统，要重点了解每部分的作用，各板子的功能，接口的去向，LED灯的含义等。现在数控系统型号多、更新快，不同的制造厂、不同型号往往差别很大。要了解其共性与个性（特殊性）。一般熟悉维修SIEMENS数控系统的人不见得会熟练排除A-B系统的故障，因此，要多看，不断学习、更新知识。

2．要多看电气图、消化电气图。对于每一个电气元件，比如：接触器、继电器、时间继电器等以及PLC的输入、输出，要在电气图上一一注明。举一个简单例子来说，比如1A1为液压泵电机1M启动的接触器，一般在图下注出其常开、常闭触点的去向。因此，可对其对应的某页上的常开或常闭触点1A1，注明内容为液压泵电机开，对于大型的数控机床的电气图有几十页，甚至上百页。要看懂表明每个元件的功能要化很长时间。有时，一、二次看可能还搞不清楚该元件的作用，要多看等以后消化后再写上。因此，刚才讲到的启动液压泵电机1M，也应清楚标明是PLC的哪一外输出带动接触器1A1动作的，要做到来龙去脉，一清二楚。而对电气线路图中的某些方框图，比如每个轴的驱动器，只是一个方框图，

只要了解某控制条件（通断情况），对于详细的东西等可等有空再研究、考虑。各个国家的电气符号是不一样的，就首先要清楚了解。对于制造厂所编写的厚厚的几本PLC语句表，也要多看，掌握其编程语言，在看懂的基础上进行中文注译。这样可以大大节省以后排除故障的时间，如果等发生故障再去熟悉了解电气图，PLC语句表，势必要化费大量时间，还往往会造成错误的判断。

3．要多看液压、气动图，并深入消化之。对于数控机床的机械、液压、气动图，要搞清楚其作用和来龙去脉。并在图纸上一一注明，比如德国COBURG数控龙门铣附件、刀具安装动作比较复杂，要分解其图，如锁紧刀具是由哪个电磁阀动作的？对应的PLC输出、输入是哪几个？在图上写明，这样从电气到机械动作一竿到底，同时特别对机、电关系比较密切的部分要重点了解，比如意大利INNSE 数控搪铣床采用电液比例阀技术，要重点了解其作用和功能，特别要了解其调整方法及调整数据，静态和动态时比例阀电流及对应的平衡泵的压力，既懂电又懂机，机电一体化，掌握多种本领，这样解决问题的本领就大了。

4．要多看外文，要提高自己专业外文的阅读能力。不懂得外文，特别是英语。就无法看懂大量的外文技术资料，单依靠翻译，往往是不太理想。看外文版的技术资料，开始时比较吃力，生字多，多看多记后，常用的专业单词也只有这样多，以后看起来就流畅了，一个称职的维修人员要基本掌握语言工具。（二）要多问

1．要多问外国专家

如果你能有出国培训的机会或者外国专家来你厂安装调试机床，你最好有机会参加。这是一次最好的学习机会，因为能获得大量的第一手资料和机床调试的方法及技巧。比如在激光测定各轴精度后，电气如何进行修正的办法等。要多问，不懂就要搞清楚。通过这段时间，会有极大的收获，能够获得不少内部的资料和手册（对用户是保密的）。

当机床投入正式生产之后，也应该经常与外国有关专家保持密切的联系。通过FAX、E-MALL，询问获得解决机床疑难故障进一步的解决办法及有关资料，还可得到特殊、专用的备件，这是非常有益的，同时对数控系统的代理商，比如SIEMENS、FANUC等公司也应保持良好的关系，多询问，也可及时得到该数控系统深一步的资料及有关备件，还可有机会参加有关数控系统的专题学习班。

发生故障后，要向操作者师傅询问故障的全过程，不要不问，或者随便问一下就好了，这样往往得不到正确的现场资料会造成错误的判断，使问题复杂化了，因此，要多问，问详细一点，了解故障出现的全过程（开始、中间、结束），产生过什么报警号，当时操作过什么元件，碰过什么，改过什么，外界环境情况如何？要在充分调查现场掌握第一手材料的基础上，把故障问题正确地列出来，实际上已经解决了问题的一半，然后再分析解决之，对于经验丰富熟练的操作者师傅，他们对机床操作熟悉，加工程序熟悉，机床常见病十分了解，与他们密切配合，对于迅速排除故障十分有利。

2．要多问其它维修人员

当其它维修人员在维修机床，而你没有去时，等他们回来后，也应多问一声，刚才发生了什么毛病？他是如何排除的？请他介绍其排除方法。这也是一种较好的学习机会。学习他人正确的排除故障的技巧和方法，特别是向经验丰富的老维修人员学习，把他们的本领学到手，来提高自己的知识和水平。

参考文献

[1] 陈子银.《数控机床结构原理与应用》

[2]数控机床电气故障诊断方法