立式加工中心第四軸回轉精度恢復

劉蛟輝 李知衛 趙陽

摘 要：對立式加工中心第四軸進行詳細深入的分析，確定影響第四軸回轉精度、造成工件平行度超差的因素，逐一調節，調整間隙，最終恢復第四軸的精度，加工出合格的產品。在設備維修中，精度的調整是一個相對困難的問題，設備在使用過程中，都會因為磨損，造成配合間隙增大，使精度減低，這就需要對傳動的各個環節進行分析，確定間隙過大的原因和調整方法，然后根據現場情況確定間隙的合適范圍，調整間隙，最終達到恢復精度的目的。

關鍵詞：平行度；回轉精度；間隙；蝸輪蝸桿

中圖分類號： TG659 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）22-177-2

1 故障現象

如圖1，工件是拖拉機前轉向驅動橋的轉向節。在這道工序上，由一臺立式加工中心完成a、b面，孔1、2、3、4的粗、精加工。由于轉向節工藝尺寸的優化，b面對a面的平行度由0.1mm提高到0.05mm，孔1、2公共軸線的位置度又涉及與孔5軸線的空間交點和角度問題，一個尺寸的不合格，就可能會引起其他一系列相關尺寸的超差，這就在很大程度上提高了加工難度。目前加工出來的工件，b面的平行度多數在0.05mm左右，在超差邊緣線。近來，b面的平行度超差的情況突然增多，絕大多數都維持在0.07mm，孔1、2的公共軸線位置度也出現超差情況，嚴重影響到了工件的質量。

2 故障分析

針對工件超差的問題，首先對加工的現場情況進行了分析，操作人員完全按照工藝指導書的操作規程進行操作，沒有違章、違規問題，排除掉人員的問題。其次，檢查毛柸刀具，毛柸不存在料硬、加工余量大、前序不合格問題，刀具磨損也不嚴重現象，對機床X、Y、Z三軸的重復定位精度、反向間隙都重新進行了測量，結果都在正常范圍內。最后，對第四軸進行檢查，用如圖1方法，將第四軸旋轉到一合適位置，放松第四軸，把百分表架固定在卡具體上，表針頂在卡具分度盤盤面的T型槽內側面上，將鋼板置于T型槽內，用手臂以大于15～20公斤的力量順時針或逆時針方向旋轉刻度盤，旋轉不動時，停止使力并放松，記下百分表刻度，然后以相同的方法，反方向旋轉刻度盤，記下表讀數，讀取兩刻度值之差。總共選擇四個位置進行測量，相鄰兩位置相差90度，最終結果顯示平均差值達到0.4mm。確定造成平行度超差的原因是卡具旋轉定位誤差過大，使被加工面平行度超差。

3 第四軸旋轉定位精度的校正

3.1 對卡具結構進行分析，確定影響第四軸定位精度的要素

拆除側面部分端蓋，初步確定卡具是由伺服電機通過一組齒輪嚙合，帶動蝸桿旋轉，蝸桿與蝸輪嚙合，蝸輪直接帶動卡具旋轉，卡具旋轉到指定的位置時，液壓鎖緊，第四軸定位。

通過對卡具工作方式的分析，發現影響第四軸定位精度的因素主要是電機齒輪與蝸桿上的齒輪之間的嚙合間隙、蝸桿蝸輪之間的背隙、蝸桿的攢動、卡具旋轉軸處的軸承等。

3.2 對影響定位精度各要素的分析與調整

觀察卡具油窗和各潤滑點，油量充足，潤滑良好，旋轉第四軸，運轉平穩，沒有異響卡頓，判定選裝軸處的軸承工作狀態良好，出現問題的可能性比較小。

觀察電機，電機是通過螺栓與卡具主體連接在一起，沒有定位銷。此處，電機位置可能會動，另外，齒輪之間的磨損可能會造成齒側間隙過大，影響精度。由于蝸輪蝸桿傳動方向不可逆，手動旋轉卡具就不能使蝸桿轉動，因此上面測量的定位精度超差，問題不在電機處的齒輪間隙，但齒輪間隙會影響旋轉精度。這里，先擰松固定電機的螺栓，用銅棒輕擊電機法蘭，適當減小齒側間隙，背緊螺栓，然后調整伺服電機的驅動參數，消除電機旋轉的反向間隙，達到調整精度的目的。但由于傳動鏈的減速比比較大，電機齒輪處于傳動鏈的第一環節，電機齒輪轉動一定角度，卡具只能旋轉一個很小的角度，因此這里的齒輪間隙對卡具精度的影響非常小，可以忽略不計，可以不調整。

查看第四軸如圖2所示的圖紙，蝸桿一端用一對背靠背的圓錐滾子軸承實現蝸桿的軸向定位，另一端用一套深溝球軸承游動支撐，軸承可相對殼體移動。蝸桿的軸向定位精度取決于固定端軸承的軸向游隙，可以通過備緊軸承的鎖緊螺母來調節間隙，從而控制蝸桿的軸向攢動量，達到調節精度的目的。打開蝸桿軸承座一端端蓋，找到鎖緊螺母并調節，適當減小軸承游隙，減小蝸桿軸向攢動量，若效果不理想，可以考慮更換軸承。細看圖紙，蝸桿固定端軸承座通過M10內六角螺栓固定在殼體上，M6內六角螺栓是頂在殼體上的，通過這兩組螺栓調節軸承座的位置實現蝸桿軸向位置的調整，M10螺栓是固定螺栓，M6螺栓是調整螺栓。

查看蝸輪蝸桿的相關資料，發現有一種雙導程蝸桿又稱變齒厚蝸桿，可以通過調整蝸桿的軸向位置來消除蝸輪副的嚙合間隙。雙導程蝸輪副與普通蝸輪副的區別是，雙導程蝸桿齒的左、右兩側面具有不同的導程，而同一側的導程則是相等的。固然蝸桿齒左右側面具有不同的齒距（即不同的模數），但因同一側面的齒距相同，故沒有破壞嚙合條件。由于該蝸桿的齒厚從蝸桿的一端向另一端均勻地逐漸增厚或減薄，故可用軸向移動蝸桿的方法來消除或調整蝸輪副的嚙合間隙。

由上述資料，可以判定這里用的就是雙導程蝸桿，可以通過調整間隙來恢復第四軸精度。調整方法如下：松開四個緊固螺栓→逆時針旋轉調整螺釘（間隙過大時，逆時針調整，間隙過小時，順時針調整）→鎖緊四個緊固螺栓→用如圖2的方法測量間隙。反復調整，直至調整到合適的間隙。蝸輪蝸桿間隙過大時，會影響旋轉精度，甚至造成傳動不良，降低使用壽命等；間隙過小時，會增加傳動阻力，產生過多的熱，易燒結、膠合等。因此，間隙的調整既不能過大，也不能過小。查看相關資料，雙導程蝸桿間隙可以調整到很小，可調整至0.01～0.015mm，普通蝸桿可調整至0.03～0.08mm，但在實際的調整過程中，必須根據現場的使用情況和工況，調整出合適的間隙。調整時，由于選擇的測量位置在轉盤上，測量點測量結果會將齒側間隙放大，大約在3倍。反復調整后，各測量點的間隙值最終調整至0.05～0.12mm之間，在系統中查看B軸負載，卡具靜止時在5%左右，穩定旋轉時在15%左右，瞬時值較大。當調整間隙小于0.05mm時，B軸負載比較大，卡具靜止時就達到10%，穩定旋轉時可達25%，會使驅動器電流過大，易出現過熱過載等報警，影響驅動器使用壽命。當調整間隙大于0.20mm時，就不能保證卡具的旋轉精度，生產出不合格的產品，起不到調整的目的。

調整好蝸桿齒測間隙后，測量第四軸反向間隙。如圖1的方法，將卡具旋轉到某一位置，百分表表頭頂在旋轉盤T型槽上，表架固定在卡具本體上。手動正方向旋轉卡具，使T型槽壓住百分表表頭；再走程序，使卡具正方向旋轉0.2度，記下卡具旋轉0.2度百分表走的數值為0.35mm；保持百分表不動，用手撥動表盤對表，使表針指向0刻度線；走程序使卡具反方向旋轉0.2度，這時發現表針反向走了0.13mm，說明B軸反向間隙反映在在百分表上是0.22mm（由于是圓周上，這里的間隙值將實際值放大了）。這時調整系統中1851參數中B軸的數值，將該數值增加了2500（調整過程發現該數值變動100，百分表變動量約0.01mm），再反復調整間隙，直到反向間隙在0.05mm以內。可以將卡具旋轉到多個不同位置調整間隙，使各位置間隙調整至合適范圍。重啟系統，空走程序，一切正常。試加工零件，測量b面平行度為0.03mm，在三坐標測量儀上測量其他空間尺寸也都符合要求。 連續加工十余件零件，均符合技術要求，平行度維持在0.02～0.03mm之間，完成立加第四軸精度的恢復。

4 結語

這次對旋轉卡具的調整，每一步都進行了詳細細致的剖析，確保一次調整到位，縮短不必要的維修時間，遵循先易后難，先調整易判斷、易調整、易驗證的要素，再進行難拆解、難調整、難驗證的要素，達到高效快速修復設備的目的。

參 考 文 獻

[1] 丁海萍，楊晶，徐呈藝.FANUC 0I系統在XH713型立式加工中心改造中的應用[J].機床與液壓，2016（04）.

[2] 許鵬飛.數控機床增加第四軸改造方式的研究探索[J].硅谷，2013（24）：132-133.