数控机床006.docx

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数控机床006

毕业论文

烟台工程职业技术学院

数控技术系系数控设备应用与维护专业08302级

毕业设计（论文）

题目:

数控机床主轴部件及维护

姓名学号

指导教师（签名）

二○年月日

烟台工程职业技术学院毕业设计（论文）

诚信承诺书

本人慎重承诺：

我所撰写的设计（论文）《数控机床主轴部件及其维护维修》是在老师的指导下自主完成，没有剽窃或抄袭他人的论文或成果。

如有剽窃、抄袭，本人愿意为由此引起的后果承担相应责任。

毕业论文（设计）的研究成果归属学校所有。

学生（签名）:

2010年月日

目录

【摘要】…………………………………………………………………………………4

【前言】…………………………………………………………………………………4

一、数控系统与数控机床技术发展趋势………………………………………………5

二、数控机床主轴结构…………………………………………………………………9

（一）高速加工对机床主轴的要求……………………………………………………9

（二）主轴的结构设计…………………………………………………………………9

三、数控机床主轴的故障分析与维修………………………………………………12

（一）开机后短时间加工零件尺寸有偏差……………………………………………12

（二）加工过程中主轴过热……………………………………………………………12

（三）主轴刀具未到位…………………………………………………………………12

（四）主轴定位精度不准………………………………………………………………12

（五）主轴夹紧装置不动作…………………………………………………………12

（六）主轴出现异常噪音或振动……………………………………………………13

（七）主轴的转速达不到预定值………………………………………………………13

四、主轴的维护的内容………………………………………………………………14

（一）主轴的传动………………………………………………………………………14

（一）主轴的维护………………………………………………………………………15

【致谢】…………………………………………………………………………………17

【结语】…………………………………………………………………………………17

【参考文献】……………………………………………………………………………18

数控机床主轴部件及维护

宋恒昌

【摘要】：

随着我过国民经济的快速发展,数控机床在国内的应用越来越普遍,数控机床作为高效率自动化装备越来越广大应用,数控技术是集计算机技术,自动控制技术,测试控制技术,机械知道技术为一体的综合性高新技术,它将机械装备的功能,可靠性,效率,质量及自动化程度等提高到一个新的水平。

数控机床的组成不见大致可以分为机械和电气两部分,机械部分通常称为机床本体,它由对主轴组件的主运动系统,进给系统,支撑系统和自动换刀系统组成。

【关键词】：

数控车床、主轴箱体、主轴、主轴箱底座、主轴故障、主轴维修、主轴保养、

前言

从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。

数控加工具有如下特点：

加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。

数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。

1983年，日本东芝公司卖给前苏联几台五轴联动数控铣床，前苏联将其用于制造核潜艇推进螺旋桨，由于加工精度提高，使得螺旋桨在水中转动时候噪声大为下降，以至于美国的声纳无法侦测到前苏联核潜艇的动向,苏军潜艇能很好的隐藏在海底下。

该数控机床的销售，也使得苏联的装备制造业上了一个档次，时至今日，美军的声纳也难以监听到俄军的潜艇了。

进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。

机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。

随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。

一、数控系统与数控机床技术发展趋势

（一）高速化

随着汽车、国防、航空、航天等工业的高速发展以及铝合金等新材料的应用，对数控机床加工的高速化要求越来越高。

（1）主轴转速：

机床采用电主轴（内装式主轴电机），主轴最高转速达200000r/min；

（2）进给率：

在分辨率为0.01μm时，最大进给率达到240m/min且可获得复杂型面的精确加工；

（3）运算速度：

微处理器的迅速发展为数控系统向高速、高精度方向发展提供了保障，开发出CPU已发展到32位以及64位的数控系统，频率提高到几百兆赫、上千兆赫。

由于运算速度的极大提高，使得当分辨率为0.1μm、0.01μm时仍能获得高达24～240m/min的进给速度；

（4）换刀速度：

目前国外先进加工中心的刀具交换时间普遍已在1s左右，高的已达0.5s。

德国Chiron公司将刀库设计成篮子样式，以主轴为轴心，刀具在圆周布置，其刀到刀的换刀时间仅0.9s。

（二）高精度化

数控机床精度的要求现在已经不局限于静态的几何精度，机床的运动精度、热变形以及对振动的监测和补偿越来越获得重视。

（1）提高CNC系统控制精度：

采用高速插补技术，以微小程序段实现连续进给，使CNC控制单位精细化，并采用高分辨率位置检测装置，提高位置检测精度（日本已开发装有106脉冲/转的内藏位置检测器的交流伺服电机，其位置检测精度可达到0.01μm/脉冲），位置伺服系统采用前馈控制与非线性控制等方法；

（2）采用误差补偿技术：

采用反向间隙补偿、丝杆螺距误差补偿和刀具误差补偿等技术，对设备的热变形误差和空间误差进行综合补偿。

研究结果表明，综合误差补偿技术的应用可将加工误差减少60%～80%；

（3）采用网格解码器检查和提高加工中心的运动轨迹精度，并通过仿真预测机床的加工精度，以保证机床的定位精度和重复定位精度，使其性能长期稳定，能够在不同运行条件下完成多种加工任务，并保证零件的加工质量。

（三） 功能复合化

复合机床的含义是指在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的多种要素加工。

根据其结构特点可分为工艺复合型和工序复合型两类。

工艺复合型机床如镗铣钻复合——加工中心、车铣复合——车削中心、铣镗钻车复合——复合加工中心等；工序复合型机床如多面多轴联动加工的复合机床和双主轴车削中心等。

采用复合机床进行加工，减少了工件装卸、更换和调整刀具的辅助时间以及中间过程中产生的误差，提高了零件加工精度，缩短了产品制造周期，提高了生产效率和制造商的市场反应能力，相对于传统的工序分散的生产方法具有明显的优势。

加工过程的复合化也导致了机床向模块化、多轴化发展。

德国Index公司最新推出的车削加工中心是模块化结构，该加工中心能够完成车削、铣削、钻削、滚齿、磨削、激光热处理等多种工序，可完成复杂零件的全部加工。

随着现代机械加工要求的不断提高，大量的多轴联动数控机床越来越受到各大企业的欢迎。

在2005年中国国际机床展览会（CIMT2005）上，国内外制造商展出了形式各异的多轴加工机床（包括双主轴、双刀架、9轴控制等）以及可实现4～5轴联动的五轴高速门式加工中心、五轴联动高速铣削中心等。

（四）控制智能化

随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，数控机床的智能化程度在不断提高。

具体体现在以下几个方面：

（1）加工过程自适应控制技术：

通过监测加工过程中的切削力、主轴和进给电机的功率、电流、电压等信息，利用传统的或现代的算法进行识别，以辩识出刀具的受力、磨损、破损状态及机床加工的稳定性状态，并根据这些状态实时调整加工参数（主轴转速、进给速度）和加工指令，使设备处于最佳运行状态，以提高加工精度、降低加工表面粗糙度并提高设备运行的安全性；

（2）加工参数的智能优化与选择：

将工艺专家或技师的经验、零件加工的一般与特殊规律，用现代智能方法，构造基于专家系统或基于模型的“加工参数的智能优化与选择器”，利用它获得优化的加工参数，从而达到提高编程效率和加工工艺水平、缩短生产准备时间的目的；

（3）智能故障自诊断与自修复技术：

根据已有的故障信息，应用现代智能方法实现故障的快速准确定位；

（4）智能故障回放和故障仿真技术：

能够完整记录系统的各种信息，对数控机床发生的各种错误和事故进行回放和仿真，用以确定错误引起的原因，找出解决问题的办法，积累生产经验。

（5）智能化交流伺服驱动装置：

能自动识别负载，并自动调整参数的智能化伺服系统，包括智能主轴交流驱动装置和智能化进给伺服装置。

这种驱动装置能自动识别电机及负载的转动惯量，并自动对控制系统参数进行优化和调整，使驱动系统获得最佳运行。

（6）智能4M数控系统：

在制造过程中，加工、检测一体化是实现快速制造、快速检测和快速响应的有效途径，将测量（Measurement）、建模（Modelling）、加工（Manufacturing）、机器操作（Manipulator）四者（即4M）融合在一个系统中，实现信息共享，促进测量、建模、加工、装夹、操作的一体化。

（7）数控标准的建立：

国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEP-NC），以提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程乃至各个工业领域产品信息的标准化。

标准化的编程语言，既方便用户使用，又降低了和操作效率直接有关的劳动消耗。

（五） 极端化

国防、航空、航天事业的发展和能源等基础产业装备的大型化需要大型且性能良好的数控机床的支撑。

而超精密加工技术和微纳米技术是21世纪的战略技术，需发展能适应微小型尺寸和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备，所以微型机床包括微切削加工（车、铣、磨）机床、微电加工机床、微激光加工机床和微型压力机等的需求量正在逐渐增大。

（六）高可靠性

数控机床与传统机床相比，增加了数控系统和相应的监控装置等，应用了大量的电气、液压和机电装置，易于导致出现失效的概率增大；工业电网电压的波动和干扰对数控机床的可靠性极为不利，而数控机床加工的零件型面较为复杂，加工周期长，要求平均无故障时间在2万小时以上。

为了保证数控机床有高的可靠性，就要精心设计系统、严格制造和明确可靠性目标以及通过维修分析故障模式并找出薄弱环节。

国外数控系统平均无故障时间在7～10万小时以上，国产数控系统平均无故障时间仅为10000小时左右，国外整机平均无故障工作时间达800小时以上，而国内最高只有300小时。

（七）加工过程绿色化

随着日趋严格的环境少用冷却液、实现干切削、半干切削节能环保的机床不断出现，并在不断发展当中。

在21世纪，绿与资源约束，制造加工的绿色化越来越重要，而中国的资源、环境问题尤为突出。

因此，近年来不用或色制造的大趋势将使各种节能环保机床加速发展，占领更多的世界市场。

二、数控机床主轴结构

（一）高速加工对机床主轴的要求

1.高旋转精度

主轴的旋转精度是指机床空载时,低速转动主轴,此时在主轴安装工件或刀具部位的定心表面上测得的径向跳动,端面跳动和轴向窜动值的大小.

2.高刚度

刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力.影响到刚度的因素很多,如主轴的尺寸和形状,滚动轴承的型号,数量,预紧和配置形式,前后支承的跨矩和主轴前悬伸量,传动件的布置方式等.数控机床既要完成粗加工,又要完成精加工,因此对其主轴组件的刚度提出更高的要求.

3高的耐温升

温升将引起热变形使主轴伸长,轴承间隙变化,降低了加工精度;温升也会降低润滑剂的黏度,恶化润滑条件.因此,对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热,如何控温等.

4高抗振性

主轴组件的抗振性是指其抵抗受迫振动和自激振动而保持平稳运转的能力.主轴的振动将降低甚至恶化工件的表面质量,限制机床能力的充分发挥,增大机床的噪声.

一般来说,粗加工机床切削宽度较大,产生自激振动的可能性较大.

5高精度保持性

机床的主轴组件必须有足够的耐磨性,才能长期保持精度.

5.耐磨性

主轴组件的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。

对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。

（二）主轴的结构设计

为了提高刚度，主轴的直径应该大些。

前轴承到主轴前端的距离（称悬伸量）应尽可能小一些。

为了便于装配，主轴通常作成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。

主轴中的孔主要用于通过棒料，拉杆或其它工具。

为了能够通过更大的棒料，车床的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。

主轴的结构如（附图1）。

（三）主传动系统变速方式

1.带有变速齿轮的主传动。

这种方式在大、中型数控机床采用较多。

通过少数几对齿轮降速，扩大了输出扭矩，以满足主轴的输出扭矩特性的要求，一部分小型数控机床也采用此种传动方式。

以获得强有力的切削时所需要扭矩。

但是由于结构复杂，需要增加润滑及温度控制装置。

成本较高，此外，制造和维修也比较困难。

（参图a）

2.一级带传动变速方式。

这种传动方式主要应用在中小型数控机床上。

采用V型带或同步带传动，可以避免齿轮传动时可引起的振动与噪声，适用于低扭矩特性要求的主轴。

这种方式结构简单，安装方便，调试容易，被广泛用于许多数控机床传动中。

（参图b）

3.调速电机直接驱动方式。

这种主轴传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高主轴部件的刚度，由于结构紧凑，占用空间少，加工中心的可加工空间相对变大。

但是主轴转速的变化及扭矩的输出和电动机输出特性完全一致，电动机的发热对主轴的精度影响大，最好装有冷却装置，否则使用还是受到约束。

（参图c）

4.电主轴直接驱动方式。

这种驱动方式其实和（c图）方式差不多，但这种传动方式结构方式更为紧凑，占用空间更小。

它主要是将主轴作为电机的转子，箱体壳（与主轴配合箱体壳）作为电机的定子。

但是这种电机形式的主轴结构，连带主轴组件都是成套，要求很高，精度也高。

另外制造成本也很高。

且容易发热，同样会影响主轴精度。

（参图d）以下为传动方式的结构图:

图（a）带有变速齿轮的主传动图（b）一级带传动变速方式

图（c）调速电机直接驱动方式图（d）电主轴直接驱动方式

综上所述，进行各种传动方式优缺点进行分析和比较来选取本设计所采用的主轴传动方式。

首先是该设计为数控车床，主轴选用带传动（同步齿形带），主轴主要是车削加工，必须保证其加工精度，而带传动能缓和冲击、吸收振动，故传动平稳。

由此选用一级带传动变速方式。

三、数控机床主轴的故障分析与维修

（一）开机后短时间加工零件尺寸有偏差

如果在加工第一件工件时发现加工精度和工艺要求的不一致,发生这种情况的原因可能是因为开机后的预热时间太短,在每天开机后要有足够的预热时间以保证主轴的温度和其他部件保持一致,在温度不一致的情况下加工出的工件变动会很大。

（二）加工过程中主轴过热

加工过程中主轴过热,发生此现象一般都是由于摩擦产生的热。

（1）首先要查看主轴的轴承是否损坏,有损坏的要予以更换;

（2）查看润滑油是否充足,要保证在规定的时间间隔添加润滑脂;

（3）热源也可能是经过传递到达主轴的,此时就要查看和主轴相连接的那些传动机构,如传动轴传动轴承和主轴驱动电机是否有了机械故障或润滑不足,解决方法同上。

（三）主轴刀具未到位

主轴刀具未到位的原因很多,一般有机械故障和程序故障,当发生刀未到位报警时首先要看报警信息,如CK7525报警号是27时说明是换刀时间过长刀未到位,此时先按下（PRGRM）把显示器转换到显示程序,工作方式转换成手轮（HANDEL）,转动手轮把刀移到安全位置,工作方式再换成手动方式（JOG）,按换刀按钮让刀架旋转一下,然后再把工作方式打到编辑上（EDIT）,按下复位键（RESET）,此时报警灯仍然亮着,需按下报警复位键（M02,M30）警灯灭。

合理修改程序把换刀的时间变短,此时刀已经移开工件了,为了避免重复加工以车过的路段而浪费时间,一般都是直接转到发生故障的那段程序,直接从那里再加工,比如当在N7段报警时就直接在N7段上加工,具体方法是在界面上输入N7按确定键（CURSOR↓）,再按循环即可。

如果是因换刀时间过长而发生刀未到位报警,一般要查看定位用的光栅是否损坏和光电脉冲发生器损坏,损坏的要更换新的。

（四）主轴定位精度不准

机床主轴定位精度不准,可能的原因有:

滑轨运行时的阻力太大,位置环的增益或减速环的低频增益太低,机械传动部分有反向间隙,位置环或速度环的零点平衡调整不合理,接地与屏蔽不好或电缆布线不合理,处理方法仍然是加润滑油,合理调整预紧和增益环,重新布线。

（五）主轴夹紧装置不动作

主轴夹紧装置不动作,这里指的一般为数控车及加工中心或是大型机床,一般都是液压没有到达规定值,发生此现象时要检查液压油泵是否在运转,泵有故障就查看连接泵的那些电路设备是否有断路的,继而就是看泵的轴承和轴是否有坏的。

在泵没有问题的情况时就要查看过滤器是否被堵塞,换向筏是否被堵塞或已不能再使用,堵塞的要拆开清洗,坏损的要予以更换。

如果是床长时间没有运转,也可能是因为加工用的冷却液把卡爪和爪盘锈死在一起。

（六）主轴出现异常噪音或振动

首先区分噪声或振动来自于主轴电机还是主轴箱内机械部件。

机械系统产生的噪声可从以下三个方面进行检查：

（1）主轴轴承是否缺少润滑脂，如果缺少应按量补充；

（3）主轴驱动皮带轮是否存在转动平衡状况不良；

（3）检查动平衡块是否松动或脱落，如需要应对平衡块进行适当调整。

   对于交流主轴电机旋转时出现的异常噪声及振动，维修时可几个方面进行处理：

   首先确定异常噪声或振动是在什么工作状态下发生的，如在减速过程中发生，则是再生回路故障，应重点检查再生回路的晶体管模块是否损坏及保险是否熔断。

   如果在恒速旋转对产生噪音或振动，则先检查反馈电压是否正常，然后在突然切断指令的情况下观察电机自由停车过程中是否有异常噪音或振动。

如有噪音，故障出现在机械部分，否则故障出在印制电路板上。

如果反馈电压不正常，则进一步检查振动周期是否与速度有关。

如果有关，应检查主轴与主轴电机连接是否完好，承电机轴或主轴电机与主轴联接离合器是否正常，主轴箱内驱动齿轮啮合是否良好，以及安装在交流主轴电机尾部的脉冲发生器是否工作正常。

如无关，故障多数是由于速度控制回路调整不当引起的，或连接器接触不良，或者电机内部存在机械故障。

（七）主轴的转速达不到预定值

主轴的转速达不到预定值,可能的原因有:

（1）加工工件时进刀量过大超过了机床所能承受的范围;

（2）传动皮带上有油导致皮带打滑;

（3）传动皮带过松,要合理调整两轮间的距离;

（4）传动皮带达到使用期,要予以更换新皮带;

（5）传动齿轮有损坏,可能发生断齿等现象,要更换新的。

四、主轴的维护的内容

（一）主轴的传动

1.数控机床主传动的特点

数控机床与普通机床比较具有以下特点：

（1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。

（2）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。

（3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。

2.数控机床主轴的变速方式

数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的再求。

故大多数数控机床采用无级变速系统，

3.数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。

（1）带有变速齿轮的主传动（如图）

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，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。

但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。

滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现。

（2）通过带传动的主传动（如图）

主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。

（3）同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。

同步带的结构和传动如图所示。

带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。

无相对滑动的同步传动。

（4）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）

这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大

从直流主轴电动机的速度与转矩关系图中可以看出，在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。

使用这种电动机可实现纯电气定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并实现修调输入、速度和负载测量输出等

（二）主轴的维护

减少摩擦、带走热量，（磨损和热变形）

-循环润滑方式：

液压泵供油强力润滑和油脂润滑

-油气润滑方式：

定时定量把油雾送进轴承空隙中

-喷注润滑方式：

较大流量的恒温油喷注到主轴轴承（大容量恒温油箱）

常见主轴润滑方式有两种，油气润滑方式近似于油雾润滑方式，但油雾润滑方式是连续供给油雾，而油气润滑则是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又避免了油雾太多而污染周围空气。

喷注润滑方式是用较大流量的恒温油（每个轴承3～4l/min）喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。

这里较大流量喷注的油必须靠排油泵强制排油，而不是自然回流。

同时，还要采用专用的大容量高精度恒温油箱，油温变动控制在±0.5℃。

2.防泄露

主轴部件的密封则不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入主轴部件，还要防止润滑油的泄漏。

主轴部件的密封有接触式和非接触式密封。

对于采用油毡圈和耐油橡胶密封圈的接触式密封，要注意检查其老化和破损；对于非接触式密封，为了防止泄漏，重要的是保证回油能够尽快排掉，要保证回油孔的通畅。

主轴的冷却

3．主轴部件的冷却

主轴部件的冷却主要是以减少轴承发热，有效控制热源为主。

在高速旋转运动中轴承温升是造成主轴变形、加工精度下降的重要因素之一。

因此，如何改善机床主轴系统热特性，减少系统的热源强度，降低温升及减少系统的热位移，在高速主轴设计中就显得尤为重要。

在主轴设计中除了正确地选择主轴组件，减少系统热源强度外，对主轴要进行水冷却，以降低温升和减少系统热位移。

在主轴套筒外设计连续的水冷却环槽，让机床冷却液先流经主轴套筒上的冷却环槽，然后再喷出到刀具刀尖，用这种方式带走轴承产生的绝大部分热量，减少系统热能向机床主轴传导。

对于有些要求较高的机床可将主轴水冷却和切削液分为两个不同的系统，当然这种结构只能应用到单元式主轴上。

致谢

经过三个多月的时间，我完成了毕业设计。

在这短短的三个月内，我学到了很多东西，可以说是受益匪浅。

虽说是短短的三个月，但我认为通过实践所得比从书本上学到的东西要有价值的多。

通过毕业设计使我真正做