任务1.2.3 机床常见故障诊断与排除
一、典型结构的认知
1.滚珠丝杠副
（1）滚珠丝杠副的结构及特点
滚珠丝杠副：在数控机床上将回转运动转换为直线运动，一般采用滚珠丝杠螺母结构。滚珠丝杠螺母结构的特点是：传动效率高，一般为0.92～0.96；传动灵敏，不易产生爬行；使用寿命长，不易磨损；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，也可将直线运动转变成旋转运动；施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；成本高，价格高昂；不能自锁，垂直安装时，需有平衡装置。
滚珠丝杠螺母的结构有内循环和外循环两种方式。外循环方式的滚珠丝杠螺母结构如图1.2.6 所示，它由丝杠1、滚珠2、回珠管3 和螺母4 组成。
在丝杠1 和螺母4 上各加工有圆弧形螺旋槽，将它们套装起来便形成了螺旋形滚道，在滚道内装满滚珠2。当丝杠1 相对于螺母4 旋转时，丝杠1 的旋转面经滚珠2 推动螺母4 轴向移动。同时，滚珠2 沿螺旋形滚道滚动，使丝杠1 和螺母4 之间的滑动摩擦转变为滚珠2 与丝杠1 和螺母4 之间的滚动摩擦。螺母4 螺旋槽的两端用回珠管3 连接起来，使滚珠2 能够从一端重新回到另一端，构成一个闭合的循环回路。
内循环方式的滚珠丝杠螺母结构如图1.2.7 所示。在螺母的侧孔中装有圆柱凸轮式反向器，反向器上铣有S 形回珠槽，将相邻两螺纹滚道连接起来。滚珠从螺纹滚道进入反向器，借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道，实现循环。
图1.2.6 外循环滚珠丝杠螺母结构
1—丝杠；2—滚珠；3—回珠管；4—螺母。
图1.2.7 内循环滚珠丝杠螺母结构
（a）结构图；（b）反向器
滚珠丝杠副具有以下优点：
①传动效率高。滚珠丝杠传动系统的传动效率高达90%～98%，为传统的滑动丝杠系统的2～4 倍，所以能以较小的扭矩得到较大的推力，也可由直线运动转为旋转运动（运动可逆）。
②运动平稳。滚珠丝杠传动系统为点接触滚动运动，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、启动时无颤动、低速时无爬行现象，因此可精密地控制微量进给。
③高精度。滚珠丝杠传动系统运动中温升较小，并可预紧消除轴向间隙和对丝杠进行预拉伸，以补偿热伸长，因此可以获得较高的定位精度和重复定位精度。
④高耐用性。钢球滚动接触处均经硬化（58～63 HRC）处理，并经精密磨削，循环体系过程纯属滚动，相对磨损甚微，故具有较高的使用寿命和精度保持性。
⑤同步性好。由于运动平稳、反应灵敏、无阻滞、无滑移，用几套相同的滚珠丝杠动系统同时传动几个相同的部件或装置，可以获得很好的同步效果。
⑥高可靠性。与其他传动机械、液压传动相比，滚珠丝杠传动系统故障率很低，维修保养也较简单，只需进行一般的润滑和防尘。在特殊场合可在无润滑状态下工作。
⑦无背隙与预紧。滚珠丝杠副采用沟槽形状、轴向间隙可调整得很小，也能轻便地传动。若加入适当的预紧载荷，消除轴向间隙，可使丝杠具有更佳的刚性，在承载时减少滚珠和螺母、丝杠间的弹性变形，达到更高的精度。
滚珠丝杠副具有以下缺点：
①制造成本高。由于结构复杂，丝杠和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，因此制造成本高。
②不能实现自锁。特别是用作垂直安装的滚珠丝杠副传动时，会因部件的自重而自动下降。
滚珠丝杠副具有传动效率高，传动平稳、不易产生爬行，磨损小、寿命长、精度保持性好，可通过预紧和间隙消除措施提高轴间刚度和反向精度，运动具有可逆性等优点。但它制造工艺复杂，成本高，在垂直安装时不能自锁，因而须附加制动机构。现代数控机床除了大型数控机床因移动距离大而采用齿轮齿条副、蜗杆蜗条副外，各类中、小型数控机床的直线运动进给系统普遍采用滚珠丝杠副。
（2）滚珠丝杠螺母间隙的调整
为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。常采用双螺母施加预紧力的办法消除轴向间隙，但必须注意预紧力不能太大，预紧力过大会造成传动效率降低、摩擦力增大、磨损增大、使用寿命降低。常用的双螺母消除间隙的方法有：
①双螺母垫片调整间隙法。如图1.2.8 所示，调整垫片4 的厚度，使左、右螺母1 和2产生轴向位移，从而消除间隙和产生预紧力。这种方法结构简单、刚性好、装卸方便、可靠。但调整费时，很难在一次修磨中调整完成，调整精度不高，适用于一般精度数控机床的传动。
②双螺母齿差调整间隙法。如图1.2.9 所示，两个螺母1 和2 的凸缘为圆柱外齿轮，而且齿数差为1，两个内齿轮3 和4 用螺钉、定位销紧固在螺母座上。调整时，先将内齿轮3 和4取出，根据间隙大小使两个螺母1 和2 分别向相同方向转过1 个齿或几个齿，然后再插入内齿轮3 和4，使螺母1 和2 在轴向彼此移动相应的距离，从而消除两个螺母1 和2 的轴向间隙。这种方法的结构复杂，尺寸较大，但调整方便，可获得精确的调整量，预紧可靠不会松动，适用于高精度的传动。
图1.2.8 垫片调整间隙法
1，2—螺母；3—螺母座；4—调整垫片。
③双螺母螺纹调整间隙法。如图1.2.10 所示，右螺母2 外圆上有普通螺纹，并用调整螺母4和锁紧螺母5 固定。当转动调整螺母4 时，即可调整轴向间隙，然后用锁紧螺母5 锁紧。这种方法的结构紧凑，工作可靠，滚道磨损后可随时调整，但预紧力不准确。
图1.2.9 齿差调整间隙法
1、2—螺母；3、4—内齿轮。
图1.2.10 螺纹调整间隙法
1、2—螺母；3—平键；4—调整螺母；5—锁紧螺母。
2.自动换刀机构
数控机床为了能在零件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间，减少多次安装零件引起的误差，必须具有自动换刀机构。自动换刀机构应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。
在数控车床上使用的回转刀架是一种最简单的自动换刀机构。根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，回转刀架上分别安装4把、6 把、8 把（或更多）刀具，并按数控装置的指令换刀。
回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控机床来说，加工过程中刀架部位要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度（一般为0.001～0.005 mm）。
回转刀架按其工作原理，可分为机械螺母升降转位、十字槽轮转位、凸台棘爪式、电磁式及液压式等多种工作方式。但其换刀的过程一般均为刀架抬起、刀架转位、刀架压紧并定位等几个步骤。
螺旋升降式四方刀架结构如图1.2.11 所示，其换刀过程如下：
①刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，电动机1 启动正转，并经联轴器2 使蜗杆3 转动，从而带动蜗轮丝杠4 转动。刀架体7 的内孔加工有螺纹，与蜗轮丝杠4 连接，蜗轮丝杠4 的螺轮与丝杠为整体结构。当蜗轮丝杆4 开始转动时，由于刀架底座5 和刀架体7 上的端面齿处于啮合状态，且蜗轮丝杠4 轴向固定，因此刀架体7 抬起。
②刀架转位。当刀架抬起至一定的距离后，端面齿脱开，转位套9 用销钉与蜗轮丝杠4 连接，随蜗轮丝杠4 一起转动，当端面齿完全脱开时，转位套9 正好转过160°，球头销8 在弹簧力的作用下进入转位套9 的槽中，带动刀架体7 转位。
③刀架定位。刀架体7 转动时，带动电刷座10 转动，当转到程序指定的位置时，粗定位销15 在弹簧力的作用下进入粗定位盘6 的槽中进行粗定位，同时电刷13 接触导体使电动机1 反转。由于粗定位槽的限制，刀架体7 不能转动，使其在该位置垂直落下，刀架体7 和刀架底座5 上的端面齿啮合，实现精确定位。
图1.2.11 螺旋升降式四方刀架结构
1—电动机；2—联轴器；3—蜗杆；4—蜗轮丝杠；5—刀架底座；6—粗定位盘；7—刀架体；8—球头销；9—转位套；10—电刷座；11—发信体；12—螺母；13、14—电刷；15—粗定位销。
④刀架压紧。刀架精确定位后，电动机1 继续反转，夹紧刀架，当两端面齿增加到一定夹紧力时，电动机停止转动，从而完成一次换刀过程。
二、常见故障诊断与排除
数控机床的机械故障类型一般包含功能性故障、动作型故障、结构型故障和使用型故障。
功能性故障。主要指工件加工精度方面的故障，表现为加工精度不稳定、加工误差大、运动反向误差大、工件表面质量差。
动作型故障。主要指机床各种动作故障，表现为主轴不转动、液压变速不灵活、工件夹不紧，转塔刀架定位精度低等。
结构型故障。主要指主轴发热、主轴箱噪声大、产生切削振动等。
使用型故障。主要指使用及操作不当引起的故障，如过载引起的机件损坏、撞车等。(https://www.daowen.com)
1.主轴箱齿轮和轴承损坏
（1）故障原因分析
①变挡压力过大，齿轮受冲击产生破损。
②变挡机构损坏或固定销脱落。
③轴承预紧力过大或无润滑。
（2）故障排除方法
①按液压原理图，调整到适当压力和流量。
②修复或更换零件。
③重新调整预紧力，并使之有充足润滑。
2.主轴无变速
（1）故障原因分析
①电器变挡信号是否输出。
②压力是否足够。
③变挡液压缸研损或卡死。
④变挡电磁阀卡死。
⑤变挡液压缸窜油或内泄。
⑥变挡复合开关失灵。
（2）故障排除方法
①电修人员检查处理。
②工作压力，若低于额定压力，应调整。
③修去毛刺和研伤，清洗后重装。
④检修电磁阀，并清洗。
⑤更换密封圈。
⑥更换新开关。
3.主轴不转动
（1）故障原因分析
①保护开关没有压合或失灵。
②卡盘未夹紧工件。
③变挡复合开关损坏。
④变挡电磁阀体内泄漏。
（2）故障排除方法
①检修压合保护开关或更换。
②调整或修理卡盘。
③更换复合开关。
④更换电磁阀。
4.刀架没有抬起
（1）故障原因分析
①控制系统是否有T 指令、输出信号。
②抬起电磁铁断线或抬起阀杆卡死。
③抬起液压缸研损或密封圈损坏。
（2）故障排除方法
①检查T 指令抬起信号是否输出，如未能输出，则请电修人员排除。
②修理或清除污物，更换电磁阀。
③修复研损部分或更换密封圈。
5.滚珠丝杠在运转中扭矩过大
（1）故障原因分析
①滑板配合压板过紧或研损。
②滚珠丝杠螺母反向器损坏丝杠、卡死或轴端螺母预紧力过大。
③伺服电动机与滚珠丝杠连接不同轴。
④无润滑油。
⑤伺服电动机过热报警。
（2）故障排除方法
①重新调整修刮压板，0.04 mm 塞尺片塞不入。
②修复或更换丝杠并精心调整。
③调整二轴同轴度误差符合要求，并紧固连接座。
④调整润滑油路。
⑤检查机械部位并排除。