滾珠絲杠維修策略與誤差補(bǔ)償研究*

嚴(yán)瑞強(qiáng)，田澤明

(宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 宜賓 644003)

0 引言

滾珠絲杠是數(shù)控車(chē)床最常用的一種進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，其進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的精度、靈敏度、穩(wěn)定性直接影響數(shù)控車(chē)床的定位精度和加工精度。有研究者在絲杠安裝、維修和誤差補(bǔ)償方面做了大量的研究工作：郭學(xué)周，張春梅[1]給出普通機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控化改造設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法；李迪菲[2]介紹了滾珠絲杠的應(yīng)急修理方法，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，修配現(xiàn)有的零件，達(dá)到了快速修復(fù)成線設(shè)備；薛崗[3]提出了滾珠絲杠副的維修與保養(yǎng)應(yīng)該注意的問(wèn)題；張霞，張興波等[4]研究了6種主要加工精度調(diào)整方法的工作原理和具體實(shí)施步驟；邱騰雄[5]針對(duì)機(jī)床誤差的主要因素提出數(shù)控機(jī)床實(shí)施誤差補(bǔ)償?shù)牟襟E。但在數(shù)控機(jī)床維修過(guò)程中，針對(duì)備件短缺維修處理研究的不足，本文采用修配法更換不同螺距、不同螺旋旋向和不同長(zhǎng)度尺寸的滾珠絲杠，設(shè)定相應(yīng)的CNC參數(shù)并用激光干涉儀檢測(cè)了機(jī)床X/Z軸反向間隙、螺距補(bǔ)償、定位精度和重復(fù)定位精度，并導(dǎo)入分析得到的數(shù)據(jù)補(bǔ)償值至機(jī)床。經(jīng)試車(chē)，機(jī)床各項(xiàng)精度符合要求，驗(yàn)證了該方法的可靠性和有效性，解決了工程實(shí)際維修過(guò)程中備件短缺的常見(jiàn)問(wèn)題。

1 提出問(wèn)題

某企業(yè)有一臺(tái)自貢長(zhǎng)征集團(tuán)機(jī)床廠生產(chǎn)的數(shù)控車(chē)床，型號(hào)CK6132A，配FANUC Series Oi Mate-TB數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床主要規(guī)格參數(shù)：主軸最大轉(zhuǎn)速Nmax=2000 r/min，橫向最大行程205 mm，縱向最大行程750 mm，橫向快速移動(dòng)速度3000 mm/min，縱向快速移動(dòng)速度6000 mm/min。其中進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)采用交流數(shù)字式進(jìn)給伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器與滾珠絲杠直聯(lián)，驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)部件，獲得X/Z坐標(biāo)的直線運(yùn)動(dòng)，具有很高的運(yùn)動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度，兩個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-鎖緊螺母；2、8-銅墊；3、7-緊定螺釘；4、5、6-角接觸軸承；9-鎖緊螺母。

設(shè)備運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)進(jìn)給過(guò)載報(bào)警，運(yùn)動(dòng)部件爬行、振動(dòng)并且X軸、Z軸均伴有轟鳴的震動(dòng)聲，故機(jī)床無(wú)法正常運(yùn)行。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)設(shè)備潤(rùn)滑管路斷裂，滾珠絲杠、軸承磨損嚴(yán)重。需要更換滾珠絲杠和軸承，經(jīng)詢(xún)問(wèn)長(zhǎng)征集團(tuán)機(jī)床廠已停產(chǎn)，如果購(gòu)買(mǎi)相同型號(hào)的滾珠絲杠需定做并等待3個(gè)月，機(jī)床停機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，企業(yè)生產(chǎn)任務(wù)緊，如無(wú)法按期交貨，將會(huì)給企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重后果。

2 故障處理

結(jié)合工廠實(shí)際需要和現(xiàn)有備件，機(jī)床原有部件和現(xiàn)有備件并不一致，見(jiàn)表1所示。

表1 滾珠絲杠新舊對(duì)照表

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T17587.3—1998，采用修配法更換滾珠，應(yīng)考慮滾珠絲杠選擇規(guī)格型號(hào)的主要參數(shù)：①導(dǎo)程，即螺距；②公稱(chēng)直徑，即絲杠的外徑；③絲杠長(zhǎng)度，長(zhǎng)度有兩個(gè)概念，一個(gè)是全長(zhǎng)，另一個(gè)是螺紋長(zhǎng)度；④螺母形式；⑤絲杠軸端數(shù)據(jù)。

2.1 滾珠絲杠選型計(jì)算

1)螺距(L)設(shè)定

(1)

式中：Nmax—電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；Vmax—最大進(jìn)給速度；L—螺距。

根據(jù)主軸最大轉(zhuǎn)速Nmax=2000 r/min，橫向快速移動(dòng)速度3000 mm/min，代入公式(1)，則有：

L≥1.5 mm

原機(jī)床滾珠絲杠螺距為4 mm，現(xiàn)有備件滾珠絲杠螺距為5 mm，隨著螺距的增大，驅(qū)動(dòng)力矩也增大，增加了滾珠絲杠壽命。

2)絲杠外徑的選定

絲杠外徑的選定原則一般是根據(jù)最高的容許轉(zhuǎn)速以及軸承的安裝固定方式，在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)程(螺距)規(guī)格中選擇，標(biāo)準(zhǔn)螺距規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)螺距表

這里根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)螺距表和現(xiàn)有備件情況，X軸選定絲杠外徑為25 mm，Z軸選定絲杠外徑為32 mm，基本符合要求。

綜上所述，現(xiàn)有滾珠絲杠備件基本滿(mǎn)足更換要求，但是，橫向(X)軸：螺距不同、螺旋旋向不同；縱向(Z)軸：現(xiàn)有滾珠絲杠備件全長(zhǎng)比原來(lái)滾珠絲杠略短。

2.2 應(yīng)急處理

橫向(X)軸：不同螺距、不同螺旋旋向需通過(guò)修改相應(yīng)的CNC參數(shù)來(lái)控制，具體步驟如下：

1)選擇“MDI”模式；

2)按“OFFSETTING”進(jìn)入設(shè)定 ( SETTING) 畫(huà)面，設(shè)定 “寫(xiě)參數(shù)”為 1；

3)按“SYSTEM”→“? ” →“SV-PRM” →X軸方向設(shè)定，將原來(lái)“111”改為“-111”即可，如表3所示。

4)按“SYSTEM”→“參數(shù)”→找到柔性齒輪比參數(shù)NO.2084(SDMR1)和NO.2085(SDMR2)，將原來(lái)NO.2085(SDMR2)的“X125”改成“X100”，如表4所示。

表4 X軸柔性齒輪

5)完成X軸不同螺距、不同螺旋旋向的相關(guān)參數(shù)設(shè)定，關(guān)機(jī)重啟機(jī)床即可。

縱向(Z)軸：現(xiàn)有滾珠絲杠備件全長(zhǎng)比原來(lái)滾珠絲杠短120 mm，滾珠絲杠螺母副裝配外徑比原來(lái)略小20 mm、右端安裝部分少一個(gè)臺(tái)階。為此提出將新舊兩根絲杠切斷后，采用鎖緊式聯(lián)結(jié)軸套對(duì)接一體的改造方案。即在滾珠絲杠左端根據(jù)鎖緊式聯(lián)結(jié)軸套的通用性、互換性強(qiáng)，安裝、拆卸方便，還能傳遞較大扭矩的特性，將原滾珠絲杠的左端安裝部分留下，保證裝配長(zhǎng)度95 mm和聯(lián)結(jié)長(zhǎng)度30 mm與現(xiàn)備件左端(去除裝配部分)采用鎖緊式聯(lián)結(jié)軸套對(duì)接，保證滾珠絲杠全長(zhǎng)滿(mǎn)足要求；在滾珠絲杠中間絲杠螺母外加裝一變徑套滿(mǎn)足安裝尺寸要求；在滾珠絲杠右端加一軸套，起輔助端面定位作用。處理后的Z軸絲杠實(shí)物如圖2所示。

圖2 處理后Z軸絲杠實(shí)物

3 誤差補(bǔ)償

誤差補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)主要途徑，快速準(zhǔn)確測(cè)量數(shù)控機(jī)床各種誤差并進(jìn)行誤差補(bǔ)償，是提高數(shù)控機(jī)床精度的關(guān)鍵。目前采用激光干涉儀測(cè)量數(shù)控機(jī)床各種誤差并進(jìn)行誤差補(bǔ)償，這種方法快速、準(zhǔn)確、高效。

3.1 誤差檢測(cè)

圖3 X軸現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)圖

機(jī)床的軸承、滾珠絲杠重新裝配后，X/Z軸的反向間隙、螺距誤差、定位精度和重復(fù)定位精度等采用雷尼紹XL-80型一種可以測(cè)量直線度、角度的高精密激光干涉儀器和準(zhǔn)確測(cè)量原始環(huán)境參數(shù)的XC-80補(bǔ)償單元校準(zhǔn)。在這里，僅介紹X軸各項(xiàng)精度檢測(cè)，Z軸雷同則不再贅述，X軸現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖3所示。具體操作步驟如下：

1)安裝激光干涉儀

安裝三腳架→安裝激光頭→安裝磁力固定表座→安裝分光鏡和反射鏡。

2)安裝XC補(bǔ)償單元

將空氣溫度、材料溫度傳感器與XC-80補(bǔ)償單元連接。

3)激光束的調(diào)整

調(diào)整激光頭，使激光干涉儀的光軸與機(jī)床(X軸)移動(dòng)的軸線在一條直線上，建立滿(mǎn)足要求的激光光路。

4)設(shè)置通信參數(shù)

5)目標(biāo)點(diǎn)定義

目標(biāo)點(diǎn)→等距離定義目標(biāo)→目標(biāo)設(shè)定(按照ISO標(biāo)準(zhǔn)生成目標(biāo)，第一定位點(diǎn)為0 mm，最終定位點(diǎn)為-200 mm，間距值為20 mm，目標(biāo)數(shù)為11，小數(shù)點(diǎn)后位數(shù)為3)。

6)參數(shù)設(shè)定和清除補(bǔ)償值

在進(jìn)行檢測(cè)之前，需進(jìn)行機(jī)床參數(shù)設(shè)定，具體設(shè)置數(shù)據(jù)如表5所示。為避免測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)位置值的準(zhǔn)確性，必須清除機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的反向間隙(使NO.1851=0)和螺距誤差原補(bǔ)償值(使NO.0—NO.1023=0)。

表5 參數(shù)設(shè)定

①選擇“MDI”模式；

②按“OFFSETTING”進(jìn)入設(shè)定 ( SETTING) 畫(huà)面，設(shè)定 “寫(xiě)參數(shù)”為 1；

③按“SYSTEM” →“參數(shù)”找到表5中的參數(shù)號(hào)輸入表中設(shè)定值；

④按“SYSTEM”→“?” →“螺補(bǔ)” 將表格中所有值都清零；

⑤關(guān)機(jī)重啟機(jī)床；

⑥生成測(cè)量程序；

⑦X軸移動(dòng)程序?qū)霗C(jī)床；

⑧數(shù)據(jù)采集。

b.采集數(shù)據(jù)→開(kāi)始→采集數(shù)據(jù)啟動(dòng)(定位方式為線性定位方式，測(cè)量次數(shù)為2次，選擇方向?yàn)殡p向，誤差帶為0.0 mm)→自動(dòng)采集數(shù)據(jù)設(shè)定(自動(dòng)采集為有效，采集方式為位置，最小停止周期為2秒，讀數(shù)穩(wěn)定性為0.001 mm，公差窗口為4 mm，越程量大小為0.5 mm，越程行動(dòng)為移動(dòng))→確定開(kāi)始采集。

3.2 誤差補(bǔ)償

對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)→分析數(shù)據(jù)→按GB/T17421.2—2000分析曲線→誤差補(bǔ)償圖表(圖表類(lèi)型為均值補(bǔ)償，補(bǔ)償類(lèi)型為絕對(duì)值，正負(fù)符號(hào)轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償值，參考點(diǎn)位置為0 mm，補(bǔ)償起點(diǎn)為0 mm，補(bǔ)償終點(diǎn)為-200 mm，補(bǔ)償間隔為20 mm)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。得到分析后的誤差補(bǔ)償值表如圖4所示。根據(jù)圖4誤差補(bǔ)償數(shù)值表補(bǔ)償機(jī)床誤差，具體步驟如下：

1)MDI→按“OFFSETTING”進(jìn)入設(shè)定 ( SETTING) 畫(huà)面，設(shè)定 “寫(xiě)參數(shù)”為 1 →按“SYSTEM” →“參數(shù)”，由圖4可知X軸的反向間隙為 0.002 mm。設(shè)置反向間隙補(bǔ)償參數(shù)NO.1851，X軸為2；

圖4 誤差補(bǔ)償值

2)按“SYSTEM”→“?” →“螺補(bǔ)”，進(jìn)入螺距補(bǔ)償頁(yè)面，補(bǔ)償點(diǎn)號(hào)從第1號(hào)至第11號(hào)依次輸入分析后螺距誤差補(bǔ)償值；

3)將補(bǔ)償數(shù)據(jù)輸入后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)采集驗(yàn)證補(bǔ)償值，多次反復(fù)采集修正。

4 實(shí)例驗(yàn)證

在保證各項(xiàng)參數(shù)輸入正確的條件下，為了確保萬(wàn)無(wú)一失，通過(guò)手輪控制X、Z軸，來(lái)回移動(dòng)到各極限位置3～5次，無(wú)明顯機(jī)械振動(dòng)或爬行，再用杠桿千分表測(cè)量X、Z軸的反向間隙，實(shí)測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)符合要求。為了進(jìn)一步驗(yàn)證該方法的可靠性，通過(guò)試切如圖5所示的臺(tái)階軸，用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x和輪廓測(cè)量?jī)x檢測(cè)，加工結(jié)果如表6所示。

圖5 臺(tái)階軸

表6 實(shí)測(cè)結(jié)果表

從表6可以看出，被測(cè)零件尺寸精度、表面粗糙度符合要求，結(jié)果表明：采用該方法行之有效。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合工廠實(shí)際介紹了更換不同類(lèi)型X/Z軸滾珠絲杠處理技巧，并采用激光干涉儀檢測(cè)機(jī)床X/Z軸反向間隙、螺距補(bǔ)償、定位精度和重復(fù)定位精度，導(dǎo)入分析得到的補(bǔ)償值至機(jī)床。經(jīng)試車(chē)，機(jī)床精度符合要求。在工程實(shí)際維修過(guò)程中，備件短缺是一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)，維修人員廣開(kāi)思路，采取有效的替代改造方案，達(dá)到了設(shè)備要求，保證了生產(chǎn)節(jié)拍，不失為一個(gè)良策。