數控機床伺服軸同軸度的快速檢測

■ 武漢重型機床集團有限公司 （湖北武漢 430205） 佟 冬

1. 同軸度的影響

數控機床伺服軸的同軸度是數控機床出廠前質量保證的一個必要條件，尤其對于小微型數控機床來說，如果伺服軸的同軸度誤差比較大，在加工的過程中會產生抖動現象。

當數控機床在加工過程中出現抖動情況時，電氣工程師采取的一般性措施是查找伺服軸的共振頻率，增加電子濾波器功能，消除共振，提高伺服軸增益。但優化后的效果并不明顯，而當對數控機床的軸承座、絲母座及電動機座重新認真裝配后，加工中抖動的現象就消失了。其原因在于伺服軸同軸度的裝配很差，不能通過參數優化的手段得以解決，而重新對伺服軸裝配則保證了伺服軸的同軸度。導致數控機床在出廠前沒有對同軸度進行檢測的原因在于人工檢測效率低，無法實現批量的、快速的檢驗。

2. 數據分析

本文中采取一種全新的同軸度檢測方法，其手段是通過數控系統提供的示波器功能或者函數庫收集數控機床的運行數據，包括但不局限于伺服軸的速度、位移和轉矩等數據，對數控機床運行數據進行分析，通過定性分析的手段找到影響同軸度差的相關數據，通過定量的標準認定同軸度差的數據標準。

（1）運行程序 本文中介紹的同軸度檢測方法配備有相關的檢驗NC程序，NC程序的內容很簡單：讓數控機床的伺服軸以某一進給從伺服軸的正限位運行到負限位。以X軸為例，其同軸度的驗車程序如下：

G 0 G 9 0 X=$P O S_L I M I T_PLUS[AX1]；X軸快移到正限位

G4X3；等待3s準備采集數據

G1F2000X=$P O S_L I M I T_MINUS[AX1]；X軸以F2000的進給運行到負限位，此時收集相關數據

（2）數據收集 數據收集的方法有兩種，一種是利用數控系統自有的示波器功能直接收集數據，另一種是利用數控系統制造商提供的函數庫開發軟件工具在PC端收集數控機床的運行數據。

數控系統自有的示波器在獲取數據時的周期很快，采樣周期通常可以達到1ms。如果是通過數控系統的函數庫獲取數據，通常掃描周期比較長，以發那科的函數庫FOCAS為例，在獲取發那科系統的數據時，采樣周期是33ms左右，在一定程度上影響數據的采樣精度，此時需要修改數控系統的NC參數，降低FOCAS讀取NC數據的采樣時間。

（3）數據分析 當收集到數控機床的運行數據后，就要對收集到的數控機床的運行數據進行定性及定量分析。

通過定性分析，找到直接或者間接反映數控機床同軸度差的數據，再通過定量分析找到這些數據的具體系數及補償參數等數據。

1）定性分析。采集同軸度好的數控機床的運行數據與同軸度差的數控機床的運行數據進行對比發現，同軸度差的伺服軸轉矩數據在接近限位的時候，對應的采集的轉矩數值會呈現緩緩上升或緩緩下降的趨勢，表示由于同軸度差的緣故導致伺服軸的轉矩逐漸增大，而此過程中伺服軸的運行速度并沒有出現波動，位移也是逐漸變化，并沒有異常突變。

由此認定，在伺服軸從正限位運行到負限位的過程中，由于同軸度差的原因，可能使得伺服軸的轉矩在正限位附近逐漸遞減，在負限位附近逐漸增加，且速度等參數沒有異常，如圖1所示。

圖1中轉矩曲線表示的是正負限位的轉矩異常，表明軸承座、絲母座及電動機座不同軸。

2）定量分析。現在確定由于同軸度差，會導致伺服軸的限位附近的轉矩數值逐漸增加。但需要確定的是如何量化限位附近的轉矩值以判定同軸度差。

按照數控機床的質保標準——同軸度10μm的實際裝配精度來獲取限位附近的轉矩值，將其進行數據分析后，得到一個準確的計算方法，再人為地反復調整同軸度，校驗數據處理的結果，最終明確一個準確的算法及補償系數，這樣就能準確地通過轉矩的數據來判定同軸度的裝配情況。再將同軸度的分析數據生成報告單，作為質保的檢測以及出廠報告單。

圖1 轉矩曲線

圖2 某機床X軸轉矩分析結果

（4）批量質保檢測 通過數控機床一個簡單的NC程序的運行，并在運行過程中收集數控機床的運行數據，就可以快速而又準確地分析出伺服軸裝配的同軸度是否符合質保標準。以行程為500mm的伺服軸為例，NC程序運行的時間為：500/2000×60＝15（s），而數據分析的過程通常為5s之內，也就是說同軸度的檢測從準備運行程序到生成報告單數據，半分鐘就能全部完成，不僅準確率高，而且遠遠低于人工檢測的時間。圖2為某機床X軸轉矩分析結果。

轉矩分析結果中包含了兩大部分，分別為采樣數據的文件信息及采樣數據的轉矩分析報告。文件信息包含了采樣時間、伺服軸名稱、文件路徑及分析所使用過的時間；轉矩報告包含了異常轉矩的坐標信息及判定結果。

如果數控機床裝配良好的話，轉矩報告中“異常轉矩”的坐標區間與判定結果全部為空。如果數控機床裝配較差的話，轉矩報告中會包含若干個“異常轉矩”的坐標范圍及判定結果。如果“異常轉矩”的判定結果后標識有“能接受”字樣，表示的是對應坐標區間的轉矩雖然異常，但屬于裝配精度范圍之內，可以不用調整機床；如果“異常轉矩”的判定結果不包含“能接受”字樣，則需要相關技術人員根據異常轉矩的坐標范圍及判定結果對數控機床進行機械上的調整，直到再次測量的轉矩報告中的“異常轉矩”的坐標區間與判定結果為空或者“能接受”。

（5）改進制造工藝 根據收集到的數控機床的轉矩數據，包括但不局限于對同軸度的數據統計與分析，就可以發現數控機床在制造的過程中裝配工藝是否存在瑕疵或者生產工人是否嚴格按照裝配工藝進行數控機床的裝配，并根據統計數據來調整數控機床的裝配工藝。

3. 結語

通過數控系統的示波器功能或者二次開發的軟件工具收集數控機床的運行數據并進行分析，代替傳統手動的通過“打表”實現的伺服軸的同軸度檢測辦法，其檢測過程不需要拆開數控機床，檢測過程簡單、結果準確且效率高，極大地提高了生產效率及產品質量，降低企業的生產成本及售后服務成本。在工業物聯網的背景下，也可以通過網絡控制數控機床進行定期自行檢測，極大地方便了機床制造商及客戶了解數控機床的運行狀態，做好保養計劃及維修計劃等待，降低企業的制造成本與客戶的維護成本。