数控机床及其维护（第2版）

第 1章　数控机床概述　1

1.1　数控机床的基本构成　1

1.2　数控机床的类型　3

1.2.1　按工艺用途分类　3

1.2.2　按控制运动轨迹的能力分类　5

1.2.3　按驱动装置的特点分类　6

1.3　数控机床的发展趋势　7

思考题　11

第 2章　数控机床控制系统及PMC　12

2.1　数控系统概述　12

2.2　机床常用数控系统　15

2.2.1　西门子数控系统　15

2.2.2　发那科数控系统　18

2.2.3　华中数控系统　18

2.3　数控机床的PMC　20

2.3.1　PMC概述　20

2.3.2　数控机床PMC的动作要求　21

2.3.3　PMC程序总体结构　24

2.3.4　PMC典型子模块举例　27

2.4　数控机床的强电控制系统　31

2.4.1　加工中心PMC的I/O点　32

2.4.2　加工中心PMC的逻辑电路　35

2.5　数控机床故障的判定　37

思考题　38

第3章　数控机床伺服系统及检测装置　39

3.1　数控机床伺服系统的组成及分类　39

3.1.1　数控机床伺服系统的组成　39

3.1.2　数控机床对伺服系统的要求　40

3.1.3　数控机床伺服系统的分类　42

3.2　步进伺服系统　45

3.2.1　步进电动机的种类结构及其工作原理　46

3.2.2　步进电机的特性及选用　47

3.3　直流伺服系统　48

3.3.1　直流伺服电动机的分类　48

3.3.2　永磁直流伺服电动机　49

3.3.3　直流伺服电动机的调速方法　52

3.4　交流伺服系统　52

3.4.1　交流伺服电动机　52

3.4.2　交流伺服电动机的调速方法　54

3.5　数控机床的位置检测装置　55

3.5.1　位置检测装置的要求及分类　55

3.5.2　旋转变压器　56

3.5.3　感应同步器　57

3.5.4　光栅　59

3.5.5　编码器　61

思考题　64

第4章　数控机床的运动传动部件　65

4.1　主运动传动部件　65

4.1.1　主轴部件的特点　65

4.1.2　主轴部件常用的变速方式　66

4.1.3　典型主轴部件的结构　67

4.2　进给运动传动部件　73

4.2.1　进给系统的构成　73

4.2.2　滚珠丝杠　75

4.2.3　齿轮传动　78

思考题　80

第5章　数控机床的工作台及交换机构　81

5.1　数控机床工作台概述　81

5.2　分度工作台　84

5.2.1　插销定位的分度工作台　84

5.2.2　齿盘定位的分度工作台　85

5.3　可交换工作台　87

5.4　回转工作台　88

5.5　工作台的交换机构　89

思考题　90

第6章　数控机床的刀库　91

6.1　概述　91

6.2　车床类机床的刀架结构　92

6.2.1　四方刀架　92

6.2.2　回轮式刀架　92

6.3　镗铣类数控机床的刀库结构　95

6.3.1　盘式刀库　95

6.3.2　链式刀库　95

思考题　101

第7章　数控机床的液压与气动系统　102

7.1　液压与气动系统概述　102

7.2　典型的液压与气动控制系统　103

7.2.1　MJ50数控车床液压系统　103

7.2.2　VP1050立式加工中心液压系统　104

7.2.3　H400卧式柔性制造单元气动控制系统　106

思考题　108

第8章　数控机床的维护与维修　110

8.1　数控机床的日常维护　110

8.2　数控机床的故障诊断　112

8.2.1　数控机床故障的分类　112

8.2.2　数控机床故障的诊断方法　114

8.3　数控机床的维修举例　116

思考题　118

附录1　数控机床常用G指令代码　119

附录2　数控机床常用控制功能的中英文对照　121

参考文献　126

本书主要内容包括数控机床控制系统、数控机床伺服系统与检测装置、数控机床的机械部件、数控机床的辅助驱动系统以及数控机床的使用与维护等。通过教学，可使学生初步了解数控机床的基本知识，建立一个关于数控机床的整体概念，为以后合理使用和维护数控机床打下基础。

本书可作为高职高专、技师学院机械、数控、机电类等专业的教材，也可作为成人教育、职工培训用书及工程技术人员的参考资料。

第一章　数控机床的工作过程

第一节　数控机床的作用

第二节　数控机床的种类

第三节　数控机床的构成

第四节　数控机床的工作过程

思考题

第二章　数控机床的维护与管理

第一节　数控机床的订购与验收

第二节　数控机床的管理

第三节　数控机床的维护

思考题

第三章　数控机床故障诊断基本技能

第一节　数控机床的一般诊断方法

第二节　数控机床的基本操作

第三节　数控机床常见故障分类

思考题

第四章　数控机床常见机械故障分析

第一节　识图基础

第二节　进给部件故障分析

第三节　主轴部件故障分析

第四节　换刀装置故障分析

第五节　润滑系统故障分析

第六节　液压与气压系统故障分析

思考题

第五章　数控机床常见电气故障分析

第一节　电气控制基础

第二节　电源电路故障分析

第三节　继电器接触器故障分析

第四节　其他电器故障分析

思考题

第六章　数控装置的故障分析

第一节　软件故障分析

第二节　硬件故障分析

第三节　参数故障分析

思考题

第七章　驱动系统的故障分析

第一节　主轴驱动系统故障分析

第二节　进给驱动系统故障分析

第三节　检测反馈装置的故障分析

思考题

第八章　PLC故障分析

第一节　PLC工作过程

第二节　PLC的输入/输出元件

第三节　PLC故障分析

思考题

参考文献

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数控机床故障诊断与维护简介

随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。

数控机床故障诊断与维护定义

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。

数控机床故障诊断与维护发展趋势

数控技术的问世已有40多年的历史，它是由机械学、控制学、电子学、计算机科学四大基础学科发展起来的一门综合性新型学科。技术发展的需要对21世纪的数控技术提出了更高的要求。

当今的市场，国际合作的格局逐渐形成，产品竞争日趋激烈，高效率、高精度加工手段的需求在不断升级，用户的个性化要求日趋强烈， 以下是关于个性化发展的几大趋势 ：

复合化

数控机床的功能复合化的发展，其核心是在一台机床上要完成车、铣、钻、攻丝、绞孔和扩孔等多种操作工序，从而提高了机床的效率和加工精度，提高生产的柔性。

高速化、高精度化、高可靠性

高速化：提高进给速度与提高主轴转速。高精度化：其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级高可靠性：一般数控系统的可靠性要高于数控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，因为商品受性能价格比的约束。

智能化

智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化；为提高驱动性能及使用连接方便等方面的智能化；简化编程、简化操作方面的智能化；还有如智能化的自动编程、智能化的人机界面等，以及智能诊断、智能监控等方面的内容，方便系统的诊断及维修。

柔性化、集成化

当今世界上的数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点数控单机、加工中心和数控复合加工机床、线FMC、FMS、FTL、FML向面工段车间独立制造岛FA、体CIMS、分布式网络集成制造系统的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

数控机床故障诊断与维护常见故障

按故障发生的部位分类

⑴ 主机故障 数控机床的主机通常指组成数控机床的机械、润滑、冷却、排屑、液压、气动与防护等部分。主机常见的故障主要有：

1） 因机械部件安装、调试、操作使用不当等原因引起的机械传动故障

2） 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

3） 因机械零件的损坏、联结不良等原因引起的故障，等等．

主机故障主要表现为传动噪声大、加工精度差、运行阻力大、机械部件动作不进行、机械部件损坏等等。润滑不良、液压、气动系统的管路堵塞和密封不良，是主机发生故障的常见原因。数控机床的定期维护、保养．控制和根除“三漏”现象发生是减少主机部分故障的重要措施．

⑵ 电气控制系统故障 从所使用的元器件类型上．根据通常习惯，电气控制系统故障通常分为“弱电”故障和“强电”故障两大类，

“弱电”部分是指控制系统中以电子元器件、集成电路为主的控制部分。数控机床的弱电部分包括CNC、PLC、MDI/C RT以及伺服驱动单元、输为输出单元等。

“弱电”故障又有硬件故障与软件故障之分．硬件故障是指上述各部分的集成电路芯片、分立电子元件、接插件以及外部连接组件等发生的故障。软件故障是指在硬件正常情况下所出现的动作出锗、数据丢失等故障，常见的有．加工程序出错，系统程序和参数的改变或丢失，计算机运算出错等。

“强电”部分是指控制系统中的主回路或高压、大功率回路中的继电器、接触器、开关、熔断器、电源变压器、电动机、电磁铁、行程开关等电气元器件及其所组成的控制电路。这部分的故障虽然维修、诊断较为方便，但由于它处于高压、大电流工作状态，发生故障的几率要高于“弱电”部分．必须引起维修人员的足够的重视。

按故障的性质分类

⑴ 确定性故障 确定性故障是指控制系统主机中的硬件损坏或只要满足一定的条件，数控机床必然会发生的故障。这一类故障现象在数控机床上最为常见，但由于它具有一定的规律，因此也给维修带来了方便

确定性故障具有不可恢复性，故障一旦发生，如不对其进行维修处理，机床不会自动恢复正常．但只要找出发生故障的根本原因，维修完成后机床立即可以恢复正常。正确的使用与精心维护是杜绝或避免故障发生的重要措施。

⑵ 随机性故障 随机性故障是指数控机床在工作过程中偶然发生的故障此类故障的发生原因较隐蔽，很难找出其规律性，故常称之为“软故障”，随机性故障的原因分析与故障诊断比较困难，一般而言，故障的发生往往与部件的安装质量、参数的设定、元器件的品质、软件设计不完善、工作环境的影响等诸多因素有关。

数控机床故障诊断与维护维护

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 数控机床 寿命。

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

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

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；

数控机床故障诊断与维护实际维修

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。

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。

2．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。

3．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。2100433B