常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护课程授课教案 NO:06 授课日期 授课班级03机电33103机电332 课是 数控机床机械结构故障诊断方法 授课类型 讲授 课时数 教学 目的 重点 难点 教具 挂图 教学过程 教学方法 及 主要教学内容 的运用 时间分配 由于电气驱动替代了机械传动,使得数控机床的机械结构较 传统机床的机械结构简单,但机床组件的精度提高了,对维护提 出了更高要求。同时,数控机床机械维护的面更广,除了主轴 导轨和丝杠外,还有刀库及换刀装置、液压和气功系统等。 数控机床的机电一体化在机械故障诊断时同样表现出机电之 间的内在联系,因此机械故障的特征,掌握数控机床机械故障诊 断的方法和手段,对确认故障的原因是有助的。 机床在运行过程中,机械零部件受到力、热、摩擦以及磨损 等多种因素的作用,运行状态不断变化,一旦发生故障,往往会 导致不良后果。因此,必须在机床运行过程中,对机床的运行状 态及时作出判断并采取相应的措施。运行状态异常时,必须停机 抢修或停止使用,这样就大大提高了机床运行的可靠性,进一步 提高了机床的利用率。数控机床机械故障诊断包括对机床运行状 态的识别、预测和监视三个方面的内容。通过对数控机床机械装 置的某些特征参数,如振动、噪声和温度等进行测定,特测定值 与规定的正常值进行比较,以判断机械装置的工作状态是否正常, 若对机械装置进行定期或连续监测,便可获得机械装置状态变化 的趋势性规律,从而对机械装置的运行状态进行预测和预报。在 诊断技术上,既有传统的“实用诊断方法”,又有利用先进测试 手段的“现代诊断方法”。 实用诊断技术的应用 凭维修人员的感觉器官对机床进行间、看、听、触、嗅等的 诊断,称为“实用诊断技术
1 常州轻工职业技术学院 数控机床故障诊断及维护 课 程 授 课 教 案 NO: 06 授课日期 授课班级 03 机电 331 03 机电 332 课题 数控机床机械结构故障诊断方法 授课类型 讲 授 课时数 教 学 目 的 重 点 难 点 教 具 挂 图 教学过程 及 时间分配 主 要 教 学 内 容 教学方法 的运用 由于电气驱动替代了机械传动，使得数控机床的机械结构较 传统机床的机械结构简单，但机床组件的精度提高了，对维护提 出了更高要求。同时，数控机床机械维护的面更广，除了主轴、 导轨和丝杠外，还有刀库及换刀装置、液压和气功系统等。 数控机床的机电一体化在机械故障诊断时同样表现出机电之 间的内在联系，因此机械故障的特征，掌握数控机床机械故障诊 断的方法和手段，对确认故障的原因是有助的。 机床在运行过程中，机械零部件受到力、热、摩擦以及磨损 等多种因素的作用，运行状态不断变化，一旦发生故障，往往会 导致不良后果。因此，必须在机床运行过程中，对机床的运行状 态及时作出判断并采取相应的措施。运行状态异常时，必须停机 抢修或停止使用，这样就大大提高了机床运行的可靠性，进一步 提高了机床的利用率。数控机床机械故障诊断包括对机床运行状 态的识别、预测和监视三个方面的内容。通过对数控机床机械装 置的某些特征参数，如振动、噪声和温度等进行测定，特测定值 与规定的正常值进行比较，以判断机械装置的工作状态是否正常， 若对机械装置进行定期或连续监测，便可获得机械装置状态变化 的趋势性规律，从而对机械装置的运行状态进行预测和预报。在 诊断技术上，既有传统的 “实用诊断方法”，又有利用先进测试 手段的“现代诊断方法”。 一、实用诊断技术的应用 凭维修人员的感觉器官对机床进行间、看、听、触、嗅等的 诊断，称为“实用诊断技术”。 1．问
就是询问机床故障发生的经过,弄清故障是突发的,还是渐 发的。一般操作者熟知机床性能,故障发生时又在现场耳闻目睹, 所提供的情况对故眯的分析是很有帮助的。通常应训问下列情况: 1)机床开动时有哪些异常现象。 2)对比故障前后工件的精度和表面粗糙度,以便分析故障产 生的原因 3)传动系统是否正常,出力是否均匀,背吃刀量和走刀量是 否减小等 4)润滑油品牌号是否符合规定,用量是否适当 5)机床何时进行过保养检修 (1)看转速观察主传动速度的变化,如带传动的线速度变 慢,可能是传动带过松或负荷太大;对主传动系统中的齿轮,主 要看它是否跳动、摆动:对传动铀主要看它是否弯曲或晃动 (2)看颜色如果机床转动部位,特别是主轴和轴承运转不正 常,就会发热。长时间升温会使机床外表颜色发生变化,大多呈 黄色。油箱里的油也会因温升过高而变稀,颜色变样:有时也会 因久不换油、杂质过多或油变质而变成深墨色。 (3)看伤痕机床零部件碰伤损坏部位很容易发现,若发现裂 纹时,应作一记号,隔一段时间后再比较它的变化情况,以便进 行综合分析。 (4)看工件从工件来判别机床的好坏。若车削后的工件表面 粗糙度Ra数值大,主要是出于主轴与轴承之间的间隙过大,溜 板、刀架等压板楔铁有松动以及滚珠丝杠须紧松动等原因所致。 若是磨削后的表面粗糙度Ra数值大,这主要是由于主轴或砂轮动 平衡差,机床出现共振以及工作台爬行等原因所引起的。若工件 表面出现波纹,则看波纹数是否与机床主轴传动齿轮的齿数相等, 如果相等,则表明主轴齿轮啮合不良是故障的主要原因。 (5)看变形主要观察机床的传动轴、滚珠丝杠是否变形;直 径大的带轮和齿轮的端面是否跳动 (6看油箱与冷却箱主要观察油或冷却液是否变质,确定其 能否继续使用。 用以判别机床运转是否正常。一般运行正常的机床,其声响 具有一定的音律和节奏保持持续的稳定。机械运动发出的正常声 响大致可归纳为以下几种: 1)一般作旋转运动的机件,在运转区间较小或处于封闭系统 时,多发出平静的“嘤嚶”声:苦处于非封闭系统或运行区较大 时,多发出较大的蜂鸣声;各种大型机床则产生低沉而振动声浪 很大的轰隆声 2)正常运行的齿轮副,一般在低速下无明显的声响;链轮和 齿条传动副一般发出平稳的“唧唧”声;直线往复运动的机件 般发出周期性的“咯噔”声:常见的凸轮顶杆机构、曲柄连杆 机构和摆动摇杆机构等,通常都发出周期性的“嘀哒”声;多数 2
2 就是询问机床故障发生的经过，弄清故障是突发的，还是渐 发的。一般操作者熟知机床性能，故障发生时又在现场耳闻目睹， 所提供的情况对故眯的分析是很有帮助的。通常应训问下列情况： 1)机床开动时有哪些异常现象。 2)对比故障前后工件的精度和表面粗糙度，以便分析故障产 生的原因。 3)传动系统是否正常，出力是否均匀，背吃刀量和走刀量是 否减小等。 4)润滑油品牌号是否符合规定，用量是否适当。 5)机床何时进行过保养检修等。 2．看 (1)看转速 观察主传动速度的变化，如带传动的线速度变 慢，可能是传动带过松或负荷太大；对主传动系统中的齿轮，主 要看它是否跳动、摆动；对传动铀主要看它是否弯曲或晃动。 (2)看颜色 如果机床转动部位，特别是主轴和轴承运转不正 常，就会发热。长时间升温会使机床外表颜色发生变化，大多呈 黄色。油箱里的油也会因温升过高而变稀，颜色变样；有时也会 因久不换油、杂质过多或油变质而变成深墨色。 (3)看伤痕 机床零部件碰伤损坏部位很容易发现，若发现裂 纹时，应作一记号，隔一段时间后再比较它的变化情况，以便进 行综合分析。 (4)看工件 从工件来判别机床的好坏。若车削后的工件表面 粗糙度 Ra 数值大，主要是出于主轴与轴承之间的间隙过大，溜 板、刀架等压板楔铁有松动以及滚珠丝杠须紧松动等原因所致。 若是磨削后的表面粗糙度 Ra 数值大，这主要是由于主轴或砂轮动 平衡差，机床出现共振以及工作台爬行等原因所引起的。若工件 表面出现波纹，则看波纹数是否与机床主轴传动齿轮的齿数相等， 如果相等，则表明主轴齿轮啮合不良是故障的主要原因。 (5)看变形 主要观察机床的传动轴、滚珠丝杠是否变形；直 径大的带轮和齿轮的端面是否跳动。 (6)看油箱与冷却箱 主要观察油或冷却液是否变质，确定其 能否继续使用。 3．听 用以判别机床运转是否正常。一般运行正常的机床，其声响 具有一定的音律和节奏保持持续的稳定。机械运动发出的正常声 响大致可归纳为以下几种： 1)一般作旋转运动的机件，在运转区间较小或处于封闭系统 时，多发出平静的“嘤嘤”声；苦处于非封闭系统或运行区较大 时，多发出较大的蜂鸣声；各种大型机床则产生低沉而振动声浪 很大的轰隆声。 2)正常运行的齿轮副，一般在低速下无明显的声响；链轮和 齿条传动副一般发出平稳的“唧唧”声；直线往复运动的机件， 一般发出周期性的“咯噔”声；常见的凸轮顶杆机构、曲柄连杆 机构和摆动摇杆机构等，通常都发出周期性的“嘀哒”声；多数
轴承副一般无明显的声响,借助传感器(通常用金属杆或螺钉旋 具)可听列较为清晰的“嚶嘤”声, 3)各种介质的传输设备产生的输送声,一般均随传输介质的 特性而异。如气体介质多 为“呼呼”声:流体介质为“哗哗”声:固体介质发出“沙沙” 声或“呵罗呵罗”声响 掌提正常声响及其变化,并与故障时的声音相对比,处“听 觉诊断”的关键。下面介绍几种一般容易出现的异声 (1)摩擦声声音尖锐而短促,常常是两个接触面相对运动的 研磨。如带打滑或主轴轴承及传动丝杠副之间缺少润滑油,均会 产生这种异声 (2)泄漏声声小而长,连续不断,如漏风、漏气和漏液等。 (3)冲击声音低而沉N,如气缸内的间断冲击声,一般是由 于螺栓松动或内部有其他异物碰击 (4)对比声用手锤轻轻敲击来鉴别零件是否缺损。由裂纹的 零件敲击后发出的声音就不那么清脆 触 用手感来判别机床的故障,通常有以下几方面: 1)温升人的手指触觉是很灵敏的,能相当可靠地判断各种 异常的温升,其误差可准确到3-5℃。根据经验,当机床温度在 o℃左右时,手指感觉冰凉,长时间触模会产生刺骨的痛感210℃ 左右时,手感较凉,但可忍受;20℃左右时。手感到稍凉,随着 接触时间延长,手感潮湿;30℃左右时,手感微温有舒适感;40℃ 左右时,手感如触摸高烧病人:50℃以上时,手感较烫,如掌心 们的时间较长可有汗感:60℃左右时,手感很烫,但可忍受10s 左右:70℃左右时,手有灼痛感,且手的接触部位很快出现红色 80℃以上时,瞬时接触于感“麻辣火烧”,时间过长,可出现烫伤 为了防止手指烫伤,应注意手的触模方法,一般先用右手并拢的 食指、中指和无名指指背中节部位轻轻触及机件表面,断定对皮 肤无损害后,才可用手指肚或手掌触模。 (2)振动轻微振动可用手感鉴别,至于振动的大小可报一个 固定基点,用一只手去同时触摸便可以比较出振动的大小 (3)伤痕和波纹肉眼看不清的伤痕和波纹,若用手指去摸则 可很容易地感觉出来。摸的方法是:对圆形零件要沿切向和轴向 分别去模:对平面则要左右、前后均匀去摸;摸时不能用力大大, 只轻轻把手指放在被检查面上接触便可 4)爬行用手摸可直观的感觉出来,造成爬行的原固很多 常见的是润滑油不足或选择不当:活塞密封过紧或磨损造成机械 摩擦阻力加大;液压系统进入空气或压力不足等 (5松或紧用手转动主轴或摇动手轮,即可感到接触部位的 松紧是否均匀适当,从而可判断出这些部位是否完好可用。 5.嗅 由于剧烈摩擦或电器元件绝缘破损短路,使附着的油脂或其 他可燃物质发生氧化蒸发或燃烧产生油烟气、焦糊气等异味,应
3 轴承副一般无明显的声响，借助传感器(通常用金属杆或螺钉旋 具)可听列较为清晰的“嘤嘤”声。 3)各种介质的传输设备产生的输送声，一般均随传输介质的 特性而异。如气体介质多 为“呼呼”声；流体介质为“哗哗”声；固体介质发出“沙沙” 声或“呵罗呵罗”声响。 掌提正常声响及其变化，并与故障时的声音相对比，处“听 觉诊断”的关键。下面介绍几种一般容易出现的异声。 (1)摩擦声 声音尖锐而短促，常常是两个接触面相对运动的 研磨。如带打滑或主轴轴承及传动丝杠副之间缺少润滑油，均会 产生这种异声。 (2)泄漏声 声小而长，连续不断，如漏风、漏气和漏液等。 (3)冲击声 音低而沉 N，如气缸内的间断冲击声，一般是由 于螺栓松动或内部有其他异物碰击。 (4)对比声 用手锤轻轻敲击来鉴别零件是否缺损。由裂纹的 零件敲击后发出的声音就不那么清脆。 4．触 用手感来判别机床的故障，通常有以下几方面： (1)温升 人的手指触觉是很灵敏的，能相当可靠地判断各种 异常的温升，其误差可准确到 3—5℃。根据经验，当机床温度在 o℃左右时，手指感觉冰凉，长时间触模会产生刺骨的痛感 210℃ 左右时，手感较凉，但可忍受；20℃左右时。手感到稍凉，随着 接触时间延长，手感潮湿；30℃左右时，手感微温有舒适感；40℃ 左右时，手感如触摸高烧病人；50℃以上时，手感较烫，如掌心 们的时间较长可有汗感；60℃左右时，手感很烫，但可忍受 10s 左右；70℃左右时，手有灼痛感，且手的接触部位很快出现红色； 80℃以上时，瞬时接触于感“麻辣火烧”，时间过长，可出现烫伤。 为了防止手指烫伤，应注意手的触模方法，一般先用右手并拢的 食指、中指和无名指指背中节部位轻轻触及机件表面，断定对皮 肤无损害后，才可用手指肚或手掌触模。 (2)振动 轻微振动可用手感鉴别，至于振动的大小可报一个 固定基点，用一只手去同时触摸便可以比较出振动的大小。 (3)伤痕和波纹 肉眼看不清的伤痕和波纹，若用手指去摸则 可很容易地感觉出来。摸的方法是：对圆形零件要沿切向和轴向 分别去模；对平面则要左右、前后均匀去摸；摸时不能用力大大， 只轻轻把手指放在被检查面上接触便可。 (4)爬行 用手摸可直观的感觉出来，造成爬行的原固很多， 常见的是润滑油不足或选择不当；活塞密封过紧或磨损造成机械 摩擦阻力加大；液压系统进入空气或压力不足等。 (5)松或紧 用手转动主轴或摇动手轮，即可感到接触部位的 松紧是否均匀适当，从而可判断出这些部位是否完好可用。 5．嗅 由于剧烈摩擦或电器元件绝缘破损短路，使附着的油脂或其 他可燃物质发生氧化蒸发或燃烧产生油烟气、焦糊气等异味，应
用嗅觉诊断的方法可收到较好的效果 上述实用诊断技术的主要诊断方法,实用简便,相当有效。 二、现代诊断技术的应用 现代诊断技术是利用诊断仪器和数据处理对机械装置的故障 原因、部位和故障的严重程度进行定性和定量的分析。机床运转 时发生的振动一般用加速度、速度和位移表示,而且它们的频谱 也具有特征形状,这种频谱即振动幅值-频率谱,通常称为机床的 振动特征。由于机床在运行过程中所产生的振动往往是出多个频 率成分所组成,其时域振动波形是由多个谐振波形合成的,如图 3-2所示 x(r) JN x() 功AAA b 图3-2振动的时域波形和频域波形 8)1的时域振动波形b)2的时域振动波形 c)ft和f2的合成波形d)频域波形 图3-2a是频率为f的时域振动波形,A1为振动幅值:图 3-2b是口2的时域振动波形,A2为振动幅值;图3-2c是上述两个 谐振合成的时域振动波形:若将图3-2c所示的时域振功波形进 行快速傅里叶变换(FFT).可得图3-2d所示的波形.这是合成振 动的时域波形所对应的频域波形,是合成振动的频谱。在频谱图 3-2d中,频率们和处分别出现振动幅值A和A2
4 用嗅觉诊断的方法可收到较好的效果。 上述实用诊断技术的主要诊断方法，实用简便，相当有效。 二、现代诊断技术的应用 现代诊断技术是利用诊断仪器和数据处理对机械装置的故障 原因、部位和故障的严重程度进行定性和定量的分析。机床运转 时发生的振动一般用加速度、速度和位移表示，而且它们的频谱 也具有特征形状，这种频谱即振动幅值-频率谱，通常称为机床的 振动特征。由于机床在运行过程中所产生的振动往往是出多个频 率成分所组成，其时域振动波形是由多个谐振波形合成的，如图 3—2 所示。 图 3—2a 是频率为 f1 的时域振动波形，A1 为振动幅值；图 3-2b 是 f2 的时域振动波形，A2 为振动幅值；图 3-2c 是上述两个 谐振合成的时域振动波形：若将图 3—2c 所示的时域振功波形进 行快速傅里叶变换(FFT)．可得图 3-2d 所示的波形．这是合成振 动的时域波形所对应的频域波形，是合成振动的频谱。在频谱图 3—2d 中，频率 f1 和 f2 处分别出现振动幅值 A1 和 A2
处于正常状态的机床具有典型的频谱,但当机床磨损、基础 下沉和部件变形时,机床原有的振动特征将发生变化,并通过机 床振动能量的增加反映出来。通过监测和分析机床的振动信号, 就可以判断出机床发生故障的部位和严重程度。其中,振动测试 仪适用于现场检修人员对机器运行状态的在岗监测,并为诊断和 趋势分析提供数据,是最基本的现代测试工具。图3-3所示为振 动测试仪外观图 带通 输入⊙ 通低遁电压⊙ 监听回 监听2◎ 图3-3振动测试仪 1--电压表显示2—频率选择3一传感器 振动测试仪的输入端是一个压电晶体振动加速度传感器。通 过探针接触机器,将机器振动的加速度转换成电荷量,再由电荷 放大器将电荷量转化成电压量,电压量值和振动加速度量值成正 比。两个耳机输出可供两人同时监听,一个电压输出可与示波器 磁带机、电平记录仪和信号分析仪等联机使用,以作进一步的故 障分析。这是把定性与定量、单人与多人、振平测试与振动测试 相结合的便携式仪器。各种仪器的连接方法如图3-4所示 机床一振动测试仪:录音机 小波器 滤波器一信号分析仪 机器故障分析仪 图3-4振动测试仪与各种仪器的连接
5 处于正常状态的机床具有典型的频谱，但当机床磨损、基础 下沉和部件变形时，机床原有的振动特征将发生变化，并通过机 床振动能量的增加反映出来。通过监测和分析机床的振动信号， 就可以判断出机床发生故障的部位和严重程度。其中，振动测试 仪适用于现场检修人员对机器运行状态的在岗监测，并为诊断和 趋势分析提供数据，是最基本的现代测试工具。图 3—3 所示为振 动测试仪外观图。 图 3-3 振动测试仪 1-- 电压表显示 2—频率选择 3—传感器 振动测试仪的输入端是一个压电晶体振动加速度传感器。通 过探针接触机器，将机器振动的加速度转换成电荷量，再由电荷 放大器将电荷量转化成电压量，电压量值和振动加速度量值成正 比。两个耳机输出可供两人同时监听，一个电压输出可与示波器、 磁带机、电平记录仪和信号分析仪等联机使用，以作进一步的故 障分析。这是把定性与定量、单人与多人、振平测试与振动测试 相结合的便携式仪器。各种仪器的连接方法如图 3—4 所示。 图 3--4 振动测试仪与各种仪器的连接