本节根据数控机床机械结构组成介绍有关数控机床主运动传动系统、进给运动传动系统和辅助装置三部分的机械结构及常见故障诊断与排除。
本小节主要介绍有关主运动传动系统中主轴部件的维护和常见故障诊断与排除。
4.3.1.1 主轴部件的维护
主轴部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由主轴、轴承、主轴准停装置、自动夹紧和切屑清除装置组成。数控机床主轴部件的润滑、冷却与密封是机床使用和维护过程中值得重视的几个问题。
（1）主轴润滑
良好的润滑效果，可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命；为此，在操作使用中要注意到：低速时，采用油脂或油液循环润滑；高速时采用油雾、油气润滑方式。但是，在采用油脂润滑时，主轴轴承的封入量通常为轴承空间容积的10%，切忌随意填满，因为油脂过多，会加剧主轴发热。对于油液循环润滑，在操作使用中要做到每天检查主轴润滑恒温油箱，看油量是否充足，如果油量不够，则应及时添加润滑油；同时要注意检查润滑油温度范围是否合适。
为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统，用液压泵强力供油润滑，使用油温控制器控制油箱油液温度。高档数控机床主轴轴承采用了高级油脂封存方式润滑，每加一次油脂可以使用7～10年。新型的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。
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）主轴冷却
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。
（3）主轴密封
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。
4.3.1.2 主轴部件的常见故障及其诊断与排除
表4-1介绍了主轴部件常见故障及其诊断与排除。
表4-1 主轴部件的常见故障及其诊断维修
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进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给。其传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。因此对进给传动系统具有长寿命、高刚度、无传动间隙、高灵敏度、低摩擦阻力等要求。
4.3.2.1 进给运动传动系统结构
进给运动传动系统结构主要由伺服电动机及检测元件、联轴节、滚珠丝杠螺母副、丝杠轴承、运动部件（工作台、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱）等，部分机床在伺服电动机与联轴节之间还有减速机构。
数控机床的进给运动有直线进给运动和圆周进给运动。其中直线进给运动是指沿着机床的基本坐标轴（X、Y、Z轴）以及和基本坐标轴平行的坐标轴（U、V、W等）的运动，它主要包括了通过丝杠螺母副或者齿轮齿条副将伺服电动机的旋转运动变成直线运动或者直接采用直线电动机进行驱动等形式。圆周进给运动是指绕着基本坐标轴（X、Y、Z轴）回转的坐标轴运动。
图4-5 数控机床进给运动传动系统结构
4.3.2.2 滚珠丝杠副
滚珠丝杠副是在丝杠与螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转化元件。
（1）滚珠丝杠副的日常维护及注意事项
1）滚珠丝杠副的润滑。滚珠丝杠润滑不良可同时引起数控机床多种进给运动的误差，因此，滚珠丝杠润滑是日常维护的主要内容。使用润滑剂可提高滚珠丝杠耐磨性及传动效率。润滑剂可分为润滑油和润滑脂两大类。润滑油一般为全损耗系统用油，润滑脂可采用锂基润滑脂。润滑脂一般加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内，而润滑油则经过壳体上的油孔注入螺母的空间内。每半年对滚珠丝杠上的润滑脂更换一次，清洗丝杠上的旧润滑脂，涂上新的润滑脂，用润滑油润滑的滚珠丝杠副可在每次机床工作前加油一次。
2）丝杠支承轴承的定期检查。定期检查丝杠支承与床身的连接是否松动，连接件是否损坏，以及丝杠支承轴承的工作状态与润滑状态。
3）滚珠丝杠副的防护。滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此，必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时，将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杠副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。
（2）滚珠丝杠副的常见故障及其诊断与排除
表4-2介绍滚珠丝杆副常见故障及其诊断与排除。
表4-2 滚珠丝杆副常见故障的诊断与排除
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4.3.2.3 导轨副
机床导轨是机床基本结构要素之一。从机械结构的角度来说，机床的加工精度和使用寿命很大程度上取决于机床导轨的质量。因此数控机床对导轨有如下要求。
1）高速进给时不振动，低速时不爬行；
2）有很高的灵敏度；
3）能在重负载下长期连续工作；
4）耐磨性高；
5）精度保持性好。
（1）导轨的分类和结构特点
数控机床常用的导轨按其接触面间摩擦性质的不同可分为滑动导轨和滚动导轨。常用的滑动导轨有液体静压导轨、气体静压导轨和贴塑导轨。
1）液体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有一定压力的润滑油，形成静压油膜，使导轨工作面间处于纯液态摩擦状态，摩擦因数极低，多用于进给运动导轨。
2）气体静压导轨：在两导轨工作面间通入具有恒定压力的气体，使两导轨面形成均匀分离，以得到高精度的运动。这种导轨摩擦因数小，不易引起发热变形，但会随空气压力波动而使空气膜发生变化，且承载能力小，故常用于负荷不大的场合。
3）贴塑导轨：在动导轨的摩擦表面上贴上一层由塑料或其他化学材料组成的塑料薄膜软带，其优点是导轨面的摩擦因数低，且动静摩擦因数接近，不易产生爬行现象；塑料的阻尼性能好，具有吸收振动能力，可减小振动和噪声；耐磨性、化学稳定性、可加工性能好；工艺简单、成本低。
4）滚动导轨的最大优点是摩擦因数很小，一般为0.0025～0.005，比贴塑料导轨还小很多，且动、静摩擦因数很接近，因而运动轻便灵活，在很低的运动速度下都不出现爬行，低速运动平稳性好，位移精度和定位精度高。滚动导轨的缺点是抗振性差，结构比较复杂，制造成本较高。近年来数控机床越来越多地采用由专业厂家生产的直线滚动导轨副或滚动导轨块。这种导轨组件本身制造精度很高，对机床的安装基面要求不高，安装、调整都非常方便。
（2）导轨的日常维护及注意事项
1）间隙调整。导轨使用很重要的一项是保证导轨面之间具有合理的间隙。间隙过小，则摩擦阻力大，导轨磨损加剧；间隙过大，则运动失去准确性和平稳性，失去导向精度。常用的间隙调整方法有：压板调整间隙、镶条调整间隙和压板镶条调整间隙等。
2）导轨的润滑。导轨面上进行润滑后，可降低摩擦因数，减少磨损，并且可防止导轨面锈蚀。导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，前者用于滑动导轨，而滚动导轨则两种都用。对于调节辅助导轨及运动速度低、工作不频繁的滚动导轨可以人工定期添加润滑油或者用油杯供油，对于运动速度较高的导轨则采用润滑泵以压力油强制润滑。润滑油的选用应在工作温度变化时，润滑油黏度变化要小，要有良好的润滑性能和足够的油膜刚度，同时润滑油中杂质应尽量少且不侵蚀机件。
3）导轨的防护。为了防止切屑、磨粒或切削液散落在导轨面上面引起磨损、擦伤和锈蚀，导轨面上应用可靠的防护装置，并定期检查防护状况，保证导轨的正常使用。
（3）导轨的常见故障及其诊断与排除
表4-3介绍导轨常见故障及其诊断与排除。
表4-3 导轨的常见故障及其诊断与排除
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数控机床常见的辅助装置有液压装置、气动装置、润滑装置、冷却装置、排屑装置、自动换刀装置、防护装置和自动上下料机构等。
4.3.3.1 液压装置
现代数控机床在实现整机的全自动化控制中需要配备液压装置和气动装置来辅助实现整机的自动运行功能。液压和气动装置是现代数控机床的重要组成部分，其工作状态直接影响着机床的工作状态，因此，液压和气动装置的故障诊断及维护、维修对机床的影响是至关重要的。
（1）液压装置的组成(www.xing528.com)
数控机床的液压装置主要的驱动对象是液压卡盘、静压导轨、液压拨叉变速液压缸、主轴箱的液压平衡、液压驱动机械手和主轴上的松刀液压缸等。一个完整的液压装置主要由以下几个部分组成：
1）能源部分。它包括了泵装置和蓄能器，它们能够输出压力油，把原动机的机械能转变为液体的压力能并储存起来。
2）执行机构部分。它包括液压油缸、液动机等，其作用是带动运动部件，将液体压力转变成使机械部件运动的机械能。
3）控制部分。它包括各种液压阀，用于控制液体的压力、流量和流动方向，从而控制执行机构的作用力、运动速度和运动方向，也可以用来卸载，实现过载包括等。
4）辅件部分。它是指除上述三部分以外的所有其他元件，如油箱、压力表、滤油器、管路、管接头、加热器和冷却器等。
（2）液压装置的维护
1）控制油液污染，保持油液清洁。据统计，液压装置的故障有80%是由于油液污染引发的，保持油液清洁可有效减少液压装置的故障，同时也能减少液压元件的磨损。
2）控制液压装置的温升。一台机床的液压装置如果温升变化范围大，将影响液压泵的吸油能力及容积效率，使液压装置不能正常工作，其压力、速度不稳定，动作不可靠。
3）控制液压装置的泄漏和吸空。泄漏和吸空是液压装置的常见故障。要控制泄漏，首先是要提高液压元件零部件的加工质量和元件的装配质量以及管道系统的安装质量，其次要提高密封件的质量，并注意密封件的安装使用与定期更换。
4）防止液压装置的振动。液压装置的振动将影响液压件的性能，使螺钉松动、管接头松脱，从而引起漏油。
5）严格执行日常检查制度。定期检查并做好检查记录可以及早发现问题，减少故障的发生。
6）严格执行定期紧固、清洗、过滤和更换制度。液压装置在工作过程中由于受到冲击振动、磨损和污染等因素，使管件松动，金属件和密封件磨损，因此必须定期对液压件及油箱进行清洗和维修，对油液和密封件执行定期更换。
（3）液压装置的常见故障及其诊断维修
表4-4介绍液压装置常见故障及其诊断与排除。
表4-4 液压装置的常见故障及其诊断维修
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4.3.3.2 气动装置
气动装置在数控机床中主要用于对工件、刀具定位面（如主轴锥孔）和交换工作台的自动吹屑、清理定位基准面、安全防护门的开关以及刀具、工件的夹紧、松开等。
（1）气动装置的结构
气动装置的组成与液压装置相类似，主要由以下几个部分组成：
1）气源设备。它包括了空压机和储气罐。
2）气动执行元件。它包括了气缸、摆动气缸、气马达、气爪、真空吸盘等。
3）控制部分。它包括了方向控制阀、压力控制阀、速度控制阀和流量控制阀等。
4）辅件部分。它是指除上述三部分元件外的其他气动元件，如消声器、接头与气管、液压缓冲器、气液转换器、油雾器、冷却器、过滤器、干燥器、排水器和各类传感器等。
（2）气动装置的维护
1）保证供给洁净的压缩空气。压缩空气中通常都含有水分、油分和粉尘等杂质。水分会腐蚀管道、阀体和气缸；油分会使橡胶、塑料和密封材料变质；粉尘容易造成阀体动作失灵。应当选用合适的过滤器进行过滤来获得洁净的压缩空气。
2）保证输送到执行元件和控制元件的空气中含有适量的润滑油。
3）保证气动装置的密封性。漏气不仅增加了能量消耗，也会导致供气压力下降，甚至造成气动元件工作失灵。
4）保证气动元件中运动元件的灵敏性。
5）保证气动装置具有合适的工作压力和运动速度。
6）定期对气动装置进行点检和定检。具体检查内容如表4-5所示。
表4-5 气动装置的点检内容
（3）气压装置的常见故障及其诊断与排除
表4-6介绍气压常见故障及其诊断与排除。
表4-6 气压装置的常见故障及其诊断与排除
4.3.3.3 自动换刀装置
为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床向着一次装夹完成多工序加工的方向发展，因而需要在加工过程中自动更换刀具，要做到这一点就需要配备刀库及自动换刀装置。刀库与自动换刀装置是影响数控机床自动化程度及工作效率的至关重要的部分。自动换刀装置机构复杂，在工作中又频繁运动，因此故障率较高。
（1）自动换刀方式
数控机床上的自动换刀装置使工件一次装夹完成多工序加工，从而减少多次定位带来的误差和减少因多次安装刀具和工件造成的非故障停机时间，提高了生产效率和数控机床使用率。各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具的种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围，自动换刀方式大致如表4-7所示。
表4-7 自动换刀装置的类型
（2）自动换刀装置的维护
1）在自动换刀装置中尽量采用可靠性高的元件，比如传感器、气动、液压元件的选取。一旦元件工作不正常就马上采取措施甚至更换，将故障排除在萌芽状态，从而减少损失。
2）严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手在换刀时掉刀或刀具换刀时与工件、夹具、机床其他运动部件发生干涉。在平时的管理中，要制定严格的操作规程，对禁止的操作做清晰、详细的说明。切实将“规范至上、安全第一”的理念深入贯彻到每一个操作者和管理者的头脑里。
3）装、配刀时要有检验程序，要确保刀具安装到位且安装可靠；在采用顺序换刀方式时，必须严格检查刀具是否按顺序放置，确认程序上规定的刀具号与所配刀具号一致，以免出现错换刀导致严重的生产事故发生。
4）经常检查刀库回零位置是否正确，检查机床主轴换刀点位置是否正确。若不正确，应及时进行调整，否则不能完成规定换刀动作。
5）要制订具体的保养措施，保持刀具、刀柄和刀套的清洁。
6）开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。检查机械手液压或气压系统的压力是否正常等，发现不正常要及早处理。另外，还须经常检查装置中各零部件之间的连接是否牢靠，如松动应及时紧固。
（3）自动换刀装置的常见故障及其诊断维修
表4-8介绍自动换刀装置常见故障及其诊断与排除。
表4-8 自动换刀装置的常见故障及其诊断维修
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