数控机床故障诊断与维护实验指导书2.doc
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《数控机床故障诊断与维护》实验指导书
苏州科技学院机电工程系
SchoolofMechanical&ElectricalEngineeringSuzhouUniversityofScience&Technology
学号：
专业：
班级：
姓名：
目录
实验项目一维修前技术准备 3
一、实验目的 3
二、实验要求 3
三、实验内容与步骤 3
四、注意事项 4
五、实验报告要求 4
实验项目二机床机械结构故障诊断实验 5
一、实验目的：
5
二、实验要求：
5
三、实验内容与步骤 5
四数控铣床整体结构 6
4.1主轴结构 7
4.2主轴箱总成 8
4.3Z轴立柱 9
4.4丝杠连接结构 10
五、实验报告要求 12
实验项目三机床电气模块故障诊断实验 13
一、实验目的 13
二、实验要求 13
三、实验内容与步骤 13
四、注意事项 13
五、实验报告要求 13
实验项目四数控机床电气整体故障诊断实验 14
一、实验目的 14
二、实验要求 14
三、实验内容与步骤 14
四、实验报告要求 20
数控机床故障诊断与维修实验指导书
实验项目一维修前技术准备
一、实验目的
本实验项目目的是培养学生阅读技术资料能力；概括总结能力；勾画系统框图的能力，维修前工具准备，为后续实验做好技术准备。
二、实验要求
通过本实训项目，要求学生：
1.了解数控设备维修与故障诊断前必须进行的技术准备的内容。
学会全面查阅技术资料——操作说明、维修手册、电气原理图与连接手册，了解数控机床的使用条件（工作环境条件、电源与接地要求）。
2.通过构思与画出华中数控车床及其系统系统数控机床电器与电气连接框图，熟悉数控机床的常用电器的使用条件、功能、部位及其连接关系。
3.再通过实际华中数控车床上的对照与认识，熟悉数控机床的基本结构与组成，勾画闭环控制系统框图。
4.维修前工具准备，列举工具清单，准备工具。
三、实验内容与步骤
1．认真全面地查阅华中/FANUC数控车床与系统数控机床技术资料，概括机床结构与控制系统特点，以及使用要求。
2．画出相应的电器与电气连接框图，熟悉数控机床的常用电器的使用条件、功能、部位及其连接关系。
3．对照两个数控车床上的电器与系统结构，画出该机床的半闭环控制系统框图。
4．按照工具清单准备维修工具。
四、注意事项
1．爱护并保管好借用的技术资料。
不许在资料上涂写。
2．明确实验要求，按要求完成实验内容。
3．独立完成概括总结、两张框图以及实验报告。
五、实验报告要求
1．技术资料阅读的概括总结，包括机床使用要求、对电源与接地、防强电干扰的措施。
2．分别画两台机床的电器与电气连接框图，并对控制电器的功能与常见故障分析。
3．画出该机床的半闭环控制系统框图。
并利用所学知识来总结：
4.1）哪些故障是属于位置环故障？
哪些故障是速度环故障？
2）有哪些控制类型的故障现象？
故障类型与可能的故障部位？
常用的诊断方法？
3）哪些独立单元是开关量输入？
哪些是模拟量输入？
哪些环节传递数字脉冲信号？
4）哪些器件易发生故障？
故障机理是什么？
5.心得体会。
实验项目二机床机械结构故障诊断实验
一、实验目的：
通过计算机模拟故障分析，熟悉数控铣床整体结构，了解常见机械结构故障诊断的正确思路、基本步骤与基本方法。
二、实验要求：
在模拟故障分析中，必须积极思考每一步骤进行的基本原则与思路。
弄清每一项目所采用的方法。
并且，归纳出总结项目的共性与个性。
三、实验内容与步骤
在软件主界面（图1）光标放置到点，进入数控铣床模型整体实验界面，
软件主界面（图1）
数控铣床总体模型模拟界面图
（2）
数控铣床总体模型布局图（3）
四数控铣床整体结构
定义:
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.
数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：
1、主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。
2、进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。
3、控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。
4、辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
5、机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架
图1数控铣床整体结构
4.1主轴结构
主轴部件是数控铣床上的重要部件之一，它带动刀具旋转完成切削，其精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。
1、主轴
如图所示，数控铣床的主轴为一中空轴，其前端为锥孔，与刀柄相配，在其内部和后端安装有刀具自动夹紧机构，用于刀具装夹
2、刀具自动夹紧机构
在数控铣床上多采用气压或液压装夹刀具，常见的刀具自动夹紧机构主要由拉杆、拉杆端部的夹头、蝶形弹簧、活塞、气缸等组成，见图。
夹紧状态时，蝶形弹簧通过拉杆及夹头，拉住刀柄的尾部，使刀具锥柄和主轴锥孔紧密配合；松刀时，通过气缸活塞推动拉杆，压缩蝶形弹簧，使夹头松开，夹头与刀柄上的拉钉脱离，即可拔出刀具，进行新、旧刀具的交换，新刀装入后，气缸活塞后移，新刀具又被蝶形弹簧拉紧。
需注意的是，不同的机床，其刀具自动夹紧机构结构不同，与之适应的刀柄及拉钉规格亦不同。
3、端面键
带动铣刀旋转，传递运动和动力。
4、自动切屑清除装置
自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题。
如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。
为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气经主轴内部通道吹屑，清除主轴孔内不洁。
4.2主轴箱总成
主传动系统是用来实现机床主运动的，它将主电动机的原动力变成可供主轴上刀具切削加工的切削力矩和切削速度。
为适应各种不同的加工及各种不同的加工方法，数控机床的主传动系统应具有较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，同时主传动系统还需要有较高精度及刚度并尽可能降低噪声，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。
目前数控机床主传动系统大致可以分为以下几类：
1．电动机与主轴直联的主传动
其优点是结构紧凑，但主轴转速的变化及转矩的输出和电动机的输出特性致，因而使用上受到一定限制，如图1-1所示。
2．经过一级变速的主传动
一级变速目前多用V带或同步带来完成，其优点是结构简单安装调试方便，且在一定程度上能够满足转速与转矩输出要求，但主轴调速范围比仍与电动机一样，受电动机调速范围比的约束。
3．带有变速齿轮的主传动
这种配置方式大、中型数控机床采用较多。
它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无极变速，确保低速大转矩，以满足主轴输出转矩特性的要求。
4．电主轴
电主轴通常作为现代机电一体化的功能部件，装备在高速数控机床上（如图1-4．所示）。
其主轴部件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声；缺点是制造和维护困难且成本较高。
电动机运转产生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选生的热量直接影响主轴，主轴的热变形严重影响机床的加工精度，因此合理选用主轴轴承以及润滑、冷却装置十分重要。
数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度影响工件的加工精度，它的功率大小与回转速度影响加工效率，它的自动变速、准停和换刀等影响机床的自动化程度。
因此，要求主轴部件具有与本机床工作性能相适应的高回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和低的温升。
在结构上，必须很好地解决刀具和工具的装夹、轴承的配置、轴承间隙调整和润滑密封等问题。
主轴的结构根据数控机床的规格、精度采用不同的主轴轴承。
一般中小规格数控机床的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承，重型数控机床则采用液体静压轴承，高速主轴常采用氮化硅材料的陶瓷滚动轴承.
4.3Z轴立柱
图1
Z轴为传递切削动力的主轴，Z轴通过主轴箱沿立柱上的导轨移动。
机床的床身、立柱等支
承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量提高刚度的显著优点。
钢的弹性模量约为铸
铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的
壁厚只需铸件的一半；如果要求局部刚度相同，则因局部刚度与壁厚的三次方成正比，所以
焊接件的壁厚只需铸件壁厚的80%左右。
此外，无论是刚度相同以减轻质量，或者质量相同
以提高刚度，都可以提高构件的谐振频率，使共振不易发生。
用钢板焊接有可能将构件做成
全封闭的箱形结构，从而有利于提高构件的刚度。
图2立柱结构
图3筋条结构
为使数控机床具有良好的静刚度，应注意合理选择构件的结构形式，如基础件采用封闭的完
整箱体结构，构件采用封闭式截面，合理选择及布局隔板和筋条（图1-1、1-2），尽量减小
接合面，提高部件间接触刚度等。
4.4丝杠连接结构
数控铣床的进给传动装置多采用伺服电机直接带动滚珠丝杠旋转，在电动机轴和滚珠丝杠之间用锥环无键连接或高精度十字联轴器结构，以获得较高的传动精度。
一）进给传动系统作用
数控机床的进给传动系统负责接受数控系统发出的脉冲指令，并经放大和转换后驱动机床运动执行件实现预期的运动。
二）对进给传动系统的要求
为保证数控机床高的加工精度，要求其进给传动系统有高的传动精度、高的灵敏度（响应速度快）、工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。
三）进给传动系统种类
1、步进伺服电机伺服进给系统
一般用于经济型数控机床。
2、直流伺服电机伺服进给系统
功率稳定，但因采用电刷，其磨损导致在使用中需进行更换。
一般用于中档数控机床。
3、交流伺服电机伺服进给系统
应用极为普遍，主要用于中高档数控机床。
4、直线电机伺服进给系统
无中间传动链，精度高，进给快，无长度限制；但散热差，防护要求特别高，主要用于高速机床。
四）进给系统传动部件
1、滚珠丝杠螺母副
数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。
数控机床上一般采用滚珠丝杠，如图所示，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。
该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。
2、回转工作台
为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标轴作直线进给外，往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。
数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心，回转工作台已成为一个不可缺少的部件。
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。
（1）分度工作台
分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。
分度时也可以采用手动分度。
分度工作台一般只能回转规定的角度（如90、60和45度等）。
（2）数控回转工作台
数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内部结构和功用大不相同。
数控回转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。
3、导轨
导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。
目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。
（1）滑动导轨
滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗振性高等优点,在数控机床上应用广泛，目前多数使用金属对塑料形式，称为贴塑导轨。
贴塑滑动导轨的特点：
摩擦特性好、耐磨性好、运动平稳、工艺性好、速度较低。
（2）滚动导轨
滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使导轨面之间为滚动摩擦而不是滑动擦擦。
滚动导轨与滑动导轨相比，其灵敏度高，摩擦系数小，且动、静摩擦系数相差很小，因而运动均匀，尤其是在低速移动时，不易出现爬行现象；定位精度高，重复定位精度可达0.2μm；牵引力小，移动轻便；磨损小，精度保持性好，使用寿命长。
但滚动导轨的抗振性差，对防护要求高,结构复杂，制造困难，成本高。
五、实验报告要求
1、技术资料阅读的概括总结，以及计算机的模拟仿真，画出数控机床机械结构的简单示意图。
2、根据数控机床的机械机构示意图，并对其功能与常见故障分析，并提出故障解决方案和处
理意见。
3、总结主要故障、相关可能表现的故障现象及其常用分析故障的方法。
4、心得体会。
实验项目三机床电气模块故障诊断实验
一、实验目的
了解机床常用电器、常用电气功能模块的主要故障与主要分析方法
二、实验要求
根据机床常用电器和常用电气功能模块的结构与工作原理，来分析可能出现的常见故障及其表现（故障现象）
三、实验内容与步骤
1、要求了解对空气断路器、熔断器、继电器、接触器、电磁阀、电磁离合器与电磁抱闸、电动机等常用电器的结构与工作原理。
2、要求了解普通电气实验电机点动、普通电气实验电机正反转、非控制电器接线、主轴变频器实验、伺服系统、冷却、信号输入、输出等功能模块的机构和工作原理。
3、分类总结它们的主要故障及其相关可能表现的故障现象。
4、总结常用分析故障的方法。
四、注意事项
注意安全；不要扩大故障；不要损坏实验装备。
五、实验报告要求
1、分类画出常用电器的结构与工作原理的简单示意图。
2、分类画出常用电气功能模块的结构与工作原理的简单示意图。
3、总结它们的主要故障、相关可能表现的故障现象及其常用分析故障的方法。
4、心得体会。
实验项目四数控机床电气整体故障诊断实验
一、实验目的
了解数控机床电气整体的主要故障与主要分析方法、和解决方案。
二、实验要求
根据数控机床电气整体的结构与工作原理，来分析可能出现的常见故障及其表现（故障现象）。
三、实验内容与步骤
在主界面（图1）光标放置到点，进入数控机床电气整体布局接线调试实验。
（图2）布局图
软件主界面（图1）
数控机床电气整体布局接线布局图（图2）
接线元器件：
一、实验元器件
1、SIEMENS802C铣床系统（1个）2、变频器7200MA（380V/5.4HP）（1个）3、变频电机YVP112M-2（1台）4、变压器GA85（1个）5、端子排L1（1个）、S1（1个）6、低压断路器DZ47-63-D32（2个）、DZ108-20-D0.4（1个、DZ47-63-C6（1个，作用相当于熔断器）、DZ47-63-C1（1个，作用相当于熔断器）、DZ47-63-C2（两个，作用相当于熔断器）7、总电源开关HR-31（1个）8、刹车电阻C703090009-7.5（1个）9、开关电源S-201-24（2个）10、编码器ERN1381（1个）11、继电器模块XA-350（1个）12、接地端子
13、伺服驱动器TSDA30B-TSB102B27H（3个）14、伺服电机TSB1310B-3NHA（3台）15、手轮ZSSY1468（1个）
16、交流接触器T1C10901（1个）17、冷却电机DB-12A（1台）18、灭弧器3TX1-31A03（一个）
19、打刀缸SY-45（1个）20、气阀4V210-08（1个）21、行程开关LXZ1（3个）22、松刀按钮开关AH165-SF（1个）23、报警灯JSL-3D（1个）24、机床灯JY37-1（1个）25、润滑站MLZ-15/1.5（1个）26、电器柜冷却风扇MU1125M-41（1个）
二、接线
（一）、变频器部分
1、熟悉电气原理图，找到和主轴实验相关联的接线部分。
2、接线步骤：
（1）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出，端子位置参照电气图），从端子排到低压断路器DZ47-63-D32（上端进，下端出，电气图里代号QF1），从低压断路器到变频器的R/L1、S/L2、T/L3，从变频器的U/T1、V/T2、W/T3到端子排L1（上端进，下端出，端子位置参照电气图），从端子排到主轴电机。
（2）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出），端子排到变压器变压到220V（非控制元器件的电压为220V），两相220V（任意两相，取U、W两相）到端子排S1（位置根据电气原理图），端子排上U相到断路器DZ47-63-C6（上端进，下端出，电气图里代号为FU1），从断路器到开关电源的L端子，端子排上W相直接到开关电源的N端子，两个开关电源并联，其中一个开关电源只给系统供电源。
（3）、系统供电：
一个开关电源的24V端子到系统的电源输入端子P24，开关电源的COM端子到系统的电源输入端子M。
（4）、另外一个开关电源的24V端子到端子排S1（位置参照电气图），端子排到继电器模块的电源端子24V，开关电源的COM端子端子排S1（位置参照电气图），端子排到继电器模块的电源端子0V。
（5）、系统的X7接口里的X7.4.56信号针到变频器的VIN信号端子，系统的X7接口里的X7.4.14信号针到变频器的GND信号端子。
（6）、系统的X100和继电器模块的SO1信号端子相连接，系统的X101和继电器模块的SO2信号端子相连接,X200和继电器模块的SI信号端子相连接。
（7）、变频器的1信号端子接继电器模块的Q0.NO端子，变频器的2信号端子接继电器模块的Q1.NO端子，变频器的24VG信号端子接继电器模块的Q0.C端子和Q1.C端子.
（8）、变频器的B1/P和B2端子分别接到刹车电阻的两个端子。
（9）、编码器的信号端子SIGNAL接到系统的X6接口。
（10）、接地端子全部接地。
（二）、伺服部分
1、熟悉电气原理图，找到和主轴实验相关联的接线部分。
2、接线步骤：
（1）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出），端子排到变压器变压到三相220V，三相220V到端子排L1（位置根据电气原理图），端子排上断路器DZ47-63-D32（上端进，下端出，电气图里代号为QF2），从断路器到东元伺服驱动器TSDA30B-TSB102B27H的电源输入端子R、S、T。
（2）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出），端子排到变压器变压到220V（非控制元器件的电压为220V），两相220V（任意两相，取U、W两相）到端子排S1（位置根据电气原理图），端子排上U相到断路器DZ47-63-C6（上端进，下端出，电气图里代号为FU1），从断路器到开关电源的L端子，端子排上W相直接到开关电源的N端子，两个开关电源并联，其中一个开关电源只给系统供电源。
（3）、系统供电：
一个开关电源的24V端子到系统的电源输入端子P24，开关电源的COM端子到系统的电源输入端子M。
（4）、另外一个开关电源的24V端子到端子排S1（位置参照电气图），端子排到伺服驱动器的CN1接口里的CN1.24V端子，开关电源的COM端子端子排S1（位置参照电气图），端子排到伺服驱动器的CN1接口里的CN1.0V端子，三个驱动器的接法相同。
（5）、系统的X7接口里的X7.XOUT接到任意一个伺服驱动器的CN1接口里的CN1.INX7端子，这时这个驱动器就为X轴驱动器（三个驱动器的任意一个，一般从左往依次为X、Y、Z）。
X轴驱动器的CN1接口里的CN1.OUT端子接到系统的X3接口（这个为驱动器信号反馈）。
X轴驱动器的CN2接口接到驱动电机的SIGNAL端子（电机就为X轴电机）。
X轴伺服驱动器的电源输出端子U、V、W到X轴伺服电机的电源输入端子U、V、W（注意，U对U、V对V、W对W）。
注意信号和电源必须接到同一个电机。
（6）、系统的X7接口里的X7.YOUT接到任意一个伺服驱动器的CN1接口里的CN1.INX7端子，这时这个驱动器就为Y轴驱动器（三个驱动器的任意一个，一般从左往依次为X、Y、Z）。
Y轴驱动器的CN1接口里的CN1.OUT端子接到系统的X4接口（这个为驱动器信号反馈）。
Y轴驱动器的CN2接口接到驱动电机的SIGNAL端子（电机就为Y轴电机）。
Y轴伺服驱动器的电源输出端子U、V、W到Y轴伺服电机的电源输入端子U、V、W（注意，U对U、V对V、W对W）。
注意信号和电源必须接到同一个电机。
（7）、系统的X7接口里的X7.ZOUT接到任意一个伺服驱动器的CN1接口里的CN1.INX7端子，这时这个驱动器就为Z轴驱动器（三个驱动器的任意一个，一般从左往依次为X、Y、Z）。
Z轴驱动器的CN1接口里的CN1.OUT端子接到系统的X5接口（这个为驱动器信号反馈）。
Z轴驱动器的CN2接口接到驱动电机的SIGNAL端子（电机就为Z轴电机）。
Z轴伺服驱动器的电源输出端子U、V、W到Z轴伺服电机的电源输入端子U、V、W（注意，U对U、V对V、W对W）。
注意信号和电源必须接到同一个电机。
（8）、手轮的信号端子SIGNAL接到系统的X10接口。
（9）、接地端子全部接地。
（三）、冷却部分
1、熟悉电气原理图，找到和主轴实验相关联的接线部分。
2、接线步骤：
（1）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出，端子位置参照电气图），从端子排到低压断路器DZ108-20-D0.4（上端进，下端出，电气图里代号QF3），从低压断路器到交流接触器的1L1、3L2、5L3（上端进，下端出），从交流接触器的2T1、4T2、6T3到端子排S1（上端进，下端出，端子位置参照电气图），从端子排到冷却电机。
（2）、总电源开关三相380V到端子排L1（上端进，下端出），端子排到变压器变压到220V（非控制元器件的电压为220V），两相220V（任意两相，取U、W两相）到端子排S1（位置根据电气原理图），端子排上U相到断路器DZ47-63-C6（上端进，下端出，电气图里代号为FU1），从断路器到开关电源的L端子，端子排上W相直接到开关电源的N端子，两个开关电源并联，其中一个开关电源只给系统供电源。
（3）、系统供电：
一个开关电源的24V端子到系统的电源输入端子P24，开关电源的COM端子到系统的电源输入端子M。
（4）、另外一个开关电源的24V端子到端子排S1（位置参照电气图），端子排到继电器模块的电源端子24V，开关电源的COM端子端子排S1（位置参照电气图），端子排到继电器模块的电源端子0V。
（5）、系统的X100和继电器模块的SO1信号端子相连接，系统的X101和继电器模块的SO2信号端子相连接,X200和继电器模块的SI信号端子相连接.
（6）、总电源开关三相380V到端子排L1（上
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