K211 五軸加工中心坐標軸抖動及顫刀故障原因分析和處理

寧思敏 林超青

(中航工業昌河飛機工業(集團)有限責任公司，江西 景德鎮 333002)

1 K211 五軸高速加工中心抖動顫刀現象

K211 機床在近一年多的使用過程中經常發生Y軸抖動，主軸顫刀現象，而且抖動顫刀程度日益加深，嚴重影響工件的加工表面質量(圖1)和加工精度，致使機床處于半停工狀態。

通過對機床的加工過程進行仔細觀察、分析和研究，發現機床RTCP 功能打開的情況下，只要主軸轉動，即使是空轉，機床的A 軸讀數，也會有0.002°的跳動，同時Y 軸的最大跳動量可以達到0.01 mm，由于在實際加工過程中，A 軸和Y 軸受力會更大，所以坐標值的跳動也會更大，因此會對零件的表面加工質量和精度造成嚴重的影響。而當RTCP 功能關閉進行測試時，A 軸依然會有0.002°的跳動，但Y 軸的讀數則幾乎保持不動，只有0.001 mm 左右的跳動，這種跳動在機床控制上可以忽略不計。

對機床進一步測試時發現，在RTCP 打開時，如果機床C 軸旋轉90°，A 軸擺動方向與X 軸平行，主軸旋轉，此時X 軸出現0.01 mm 左右的跳動，而Y 軸幾乎保持不動。如果RTCP 關閉，則X 軸坐標值保持不動。經過上面的測試和觀察，可以認為，機床坐標抖動和主軸顫刀是由A 軸抖動造成的。

2 機床故障發生的原因分析和故障處理

機床在RTCP 功能打開和關閉的情況下，機床坐標軸顯示的數值狀態有顯著的變化，因此機床坐標軸抖動和主軸顫刀問題是由于機床的RTCP 功能打開，機床坐標軸聯動造成的。RTCP 功能打開，五軸機床A軸坐標值變化會導致刀具中心位置的變化，而機床為保持刀具中心位置不變，會自動使其他坐標軸移動。在A 軸擺動方向與Y 軸平行時，A 軸位置的變化會導致Y 軸移動，如果A 軸出現頻繁的微小變化，就會導致坐標軸來回抖動。

A 軸的位置反饋是采用光柵尺全閉環位置反饋系統，由于在機床維修測試過程中，沒有給定坐標移動指令，A 軸位置讀數的變化是由于光柵尺讀數頭和光柵尺之間有微小相對運動造成的。造成A 軸讀數頭與光柵尺之間有微小相對運動的原因有以下幾種:(1)機械部件出現問題，消隙機構的碟形彈簧失效，彈力不夠，齒輪間隙大，在主軸轉動時，主軸頭不可避免的有一定的振動，導致A 軸讀數頭與光柵尺之間有微小的相對運動;(2)讀數頭安裝不牢固，在主軸轉動時有抖動;(3)讀數頭或光柵尺有問題，導致讀數信號出現誤差。

對第一種可能的原因，在打開主軸頭檢查和測試消隙機構時發現，碟形彈簧磨損比較嚴重，彈力不夠，于是更換碟形彈簧和調整墊片，在進行測試加工時發現，主軸顫刀有較大的改善，加工的工件表面質量有較明顯的改善，但是機床坐標軸抖動和主軸顫刀問題依然存在。因此故障的主要原因出在光柵尺或讀數頭上。

為驗證是否是光柵尺系統出現問題，把機床改為半閉環位置反饋，屏蔽光柵尺和讀數頭，采用電動機編碼器進行位置反饋。機床A 軸改為半閉環后A 軸在主軸旋轉時坐標值保持不動，因此可以認定抖動是由光柵尺或讀數頭造成的。在A 軸半閉環位置反饋條件下進行了試件加工，加工工件表面質量良好(圖2)。

由于問題出在光柵尺或讀數頭，所以把讀數頭拆下重新安裝固定，調整讀數頭與光柵尺的位置間距，使位置反饋信號良好。同時為了提高機床加工的工件表面質量，提高機床坐標軸的響應速度，對伺服驅動的速度環比例增益Kp進行調整，如表1。

表1

在進行上述調整后，進行試件加工，加工工件表面質量良好，粗糙度值明顯減小，完全符合生產要求(圖3)。

3 結語

K211 機床的坐標軸抖動和主軸顫刀問題在進行以上原因分析、研究和處理后，問題徹底解決。對于五軸機床坐標軸抖動和主軸顫刀，加工的工件表面質量差時，要從機械和電氣自控多方面綜合處理，才能達到良好的效果。