基于FANUC Robodrill 加工中心工件表面刀紋問題的解決

孫 瑩

(四川省交通職業技術學院 四川 成都611130)

隨著數控機床使用年限的增加，加工工件表面會出現各種各樣的異常刀紋問題。盡管數控機床有強大的智能診斷能力，但刀紋問題，仍需維修人員自行診斷與解決。刀紋問題的產生反映機床的加工性能出了問題。

數控機床產生刀紋問題的主要原因一般包括:加工程序問題、機械傳動系統問題、工作環境的干擾和振動源、工藝裝備問題、機床的綜合性能變化以及原系統參數設置不合理等。有時是單一因素造成，也有可能是綜合因素造成，通常采用排除法來分析和解決問題。

下面以FANUC Robodrill 小型加工中心(Series_31i 系統)出現的幾種典型刀紋問題為例，介紹解決刀紋問題的思路和方案。

實例一 側壁外輪廓直線段和圓弧段交接處存在一條亮線，如圖1 所示

由于該產品已經量產1 年，之前沒有類似的刀紋現象，因此，首先排除加工程序的問題。其次，分析異常刀紋的外形特征，刀紋僅是1 條亮線，由此排除機床自身振動或環境振動源的影響。進一步分析異常刀紋的位置特征，刀紋存在于直線段與圓弧段的交接處。這個特殊位置正是各軸的運動方向和速度產生變化的瞬時。此時導致加工表面出現缺陷有兩個常見的可能性，一是機械傳動系統存在反向間隙，二是在運動轉換瞬間，各軸的加減速產生明顯的滯后或超前現象。這兩個原因都將會導致直線和圓弧軌跡的非平滑過渡，從而呈現出異常刀紋。據此，把刀紋問題的原因鎖定在系統有關反沖補償功能和加速處理功能的參數不合理?？紤]到設備使用有一定年限，因此先修正系統的間隙補償功能，選擇Series_31i 系統提供的Smooth Backlash(補償功能)來解決問題。Smooth Backlash 提供的關鍵參數是NO.1847，此參數為每個軸設定從軸移動的方向反轉位置起到結束平順反沖補償的第2 補償為止的距離。具體操作:將參數NO.1817#2(平順反沖補償)置為1，開啟Smooth Backlash 反沖補償功能。然后，調整NO.1847 參數。本例經多次調整NO.1847 參數，異常刀紋現象并沒有得到明顯改觀。這時，選擇第2個解決方案，修正系統的加減速處理功能，采用Series_31i 系統提供的Backlash(加速功能)。Backlash提供的關鍵參數有NO.2048(背隙加速量)和NO.2071(反沖加速功能有效時間)。NO.2048 是針對反沖加速時，在反轉軸的移動方向所發生的誤差調整，該加速補償值有助于電動機反轉時速度環路積分增益的調整，利用它可減小反轉時的軌跡誤差。NO.2071 是反沖加速功能的有效時間，一般初始值設定為5，此值設定好之后一般不變。具體操作:將參數NO.2003#5 置為1，開啟Backlash 加速功能。然后，調整NO.2048(一般初始值設置為100)參數值，并試加工工件，觀察工件表面刀紋現象。本例在初調NO.2048 參數后，發現異常刀紋現象有所改善，證實了此解決方向的正確性。隨后，經多次反復調整，當X、Y的NO.2048 參數調至280 時，工件表面的異常刀紋現象基本消失。

實例二 整個工件的3D 面都存在規律的異常刀紋

首先分析異常刀紋的特征，刀紋產生在整個3D加工面，且有規律性，說明問題具有復雜性。能夠造成這種3D 加工面上有規律性的明顯刀紋現象的原因一般有以下幾個方面:精加工程序、刀具、機床主軸和振動源(如風扇和油污吸收器)。首先從精加工程序入手，減小精加工的切削量，由單邊60 μm 的調整為單邊30 μm，結果異常刀紋還是存在。又把問題鎖定在了刀具系統上，用千分表檢測刀具系統及主軸工況，檢測結果刀刃的偏擺量為7 μm，超出5 μm 的標準值。為此，更換合格刀具，試加工產品，問題依然沒有得到解決?？紤]該機床已使用兩年，同時，了解到機床在一年前曾發生過撞機事件，可能當時主軸精度受損，運行一段時間之后主軸精度會散失，然后，把檢查重點放在了主軸系統上。為了能準確地判斷故障點，先關掉機床可能引起振動的風扇以及油污吸收器，試加工產品，問題還在。最后，采用RT30—300 檢棒檢測離主軸端部1 500 mm 處主軸的偏擺量，檢測結果主軸的偏擺誤差為30 μm，已超出主軸規定范圍。通過排除法，最終找到了刀紋問題的根源。本例更換了新主軸，并進行主軸動平衡調試，試加工工件時，刀紋問題得到徹底解決。

實例三 某個特定的位置出現一道明顯的刀紋

分析異常刀紋的特征，刀紋存在于某個特定部位，并非一直存在，據此，首先排除刀具、機床主軸問題，以及環境振動源的影響。同時，根據維修經驗，若刀紋比較明顯時，一般情況下很難通過數控系統參數調整得到修復。由于該產品已經量產兩年多，加工程序應該沒有問題。因此，將問題鎖定在機床的機械傳動部件上，為此，逐一排查機械部件。排查機械部件時，首先要確認機床的水平問題，確保4 個地腳支撐正常。然后，檢查夾具水平及夾緊方式是否存在問題。在夾具無問題的情況下，才開始檢查工作臺的機械傳動部件。針對機械傳動部件的檢查，首先要檢查工作臺在移動時是否有抖動現象。檢查方法是，讓各軸以2 000 mm/min 快速運行，手扶工作臺感覺是否有異常，如果在某一段位置出現抖動或者間歇性振動，一般為軸承損壞，更換軸承;如果運行時有連續性異響，就應檢查X、Y軸的聯軸器是否松動或者損壞。本例通過上述檢查，并沒有發現機床抖動現象和異響，最后，采用Renishaw Ballbar 20 球桿儀進行循圓測試。球桿儀進行循圓測試時，球桿儀的一端球頭吸在主軸上，另一端球頭吸在工作臺上，然后使工作臺按正轉和反轉各進行整圓運動，球桿儀繪出工作臺的運動軌跡圖。本例循圓測試時球桿儀繪出的運動軌跡如圖2 所示。圖中兩個不同顏色的圓，分別是工作臺正轉和反轉的運動軌跡。由圖可見，兩圓在X方向明顯不重合，而且針對同一個圓還存在明顯的圓度誤差，說明X軸存在明顯的反向間隙。再觀察球桿儀的測量數據，數據顯示X軸兩端反向間隙分別是29.2 μm 、31.2 μm，運動軌跡的圓度值為34 μm，而正常情況下反向間隙不能超過10 μm，對于半徑為150 mm 的球桿儀，標準圓度應為15 μm。從測量數據進一步證實了X軸存在較明顯的反向間隙超差問題。拆開護罩，發現X軸絲杠磨損較嚴重。本例更換了X軸絲杠，并采用激光干涉儀調整好螺距補償，再進行循圓測試，此時，測試結果表明，反向間隙和圓度均在允許范圍內。再試加工工件時，明顯的刀紋現象已消失。

通過上幾個典型刀紋解決實例說明，針對多樣化，無規律性的復雜刀紋問題，只要能通過現象看本質，即認真分析刀紋的外形特征和所處的位置特征，便能有效鎖定問題的起因，再結合熟悉的數控系統知識，便能快速準確地解決刀紋問題。

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