智能生產線機床進給軸聯軸器松動預測診斷結構

張道東

山東威達重工股份有限公司 山東滕州 277500

1 序言

在智能生產線中，機床的預測性維護十分重要，其中數控機床進給軸傳動結構是伺服電動機組件通過聯軸器帶動滾珠絲杠旋轉，通過滾珠絲杠上的絲母將伺服電動機的旋轉運動改變為進給軸的直線運動，由于數控機床進給速度較快，如快進、快退的速度常規為10～60m/min，部分甚至達到60m/min以上，在整個加工過程中正反轉換頻繁，聯軸器承受的瞬間沖擊較大，容易引起聯軸器松動和扭轉，隨使用時間的增長，其松動和扭轉的情況加劇。在實際加工時，主要表現為各方向運動正常、編碼器反饋也正常、系統無報警，而運動值卻始終無法與指令值相符合，加工誤差值越來越大，造成加工零件不合格。傳統的解決辦法是將此數控機床的進給軸安裝光柵尺，將進給軸的傳動方式由半閉環控制變為閉環控制，此方法缺點是結構復雜、成本特別高，防護困難。

基于此，設計了一種數控機床進給軸聯軸器松動診斷裝置，并在數控機床系統的PLC中通過做梯形圖與進給軸聯軸器松動診斷裝置獲得的數據進行比較，實現即時的報警，避免因聯軸器的松動，造成加工誤差，實現加工過程中的預判功能。

2 技術方案和工作原理

（1）結構組成 進給軸聯軸器松動診斷裝置包括伺服電動機、絲杠座、基礎部件、聯軸器、接近開關、感應塊、滾珠絲杠副、絲母座和運動部件，此外，該診斷裝置還包括信號收集器、PLC和系統電氣控制部分，結構如圖1所示。其中伺服電動機通過螺釘固定安裝在絲杠座端面，絲杠座通過螺釘固定安裝在基體上，絲杠座內腔安裝有軸承，用于支撐滾珠絲杠一端，軸承座通過螺釘固定安裝在基體另一端，軸承座內腔安裝有軸承，用于支撐滾珠絲杠另一端。滾珠絲杠旋轉螺母與絲母座通過螺釘固定聯接，絲母座通過螺釘安裝在運動部件下部，伺服電動機通過聯軸器帶動滾珠絲杠旋轉，通過滾珠絲杠上的絲母將伺服電動機的旋轉運動改變為進給軸的直線運動，帶動運動部件沿機床導軌運動，實現數控機床進給軸功能。

圖1 進給軸聯軸器松動診斷裝置結構

聯軸器通過脹套脹緊結構與伺服電動機伸出軸和滾珠絲杠副軸端聯接，接近開關通過鎖緊螺母固定安裝到支撐板上，支撐板通過螺釘固定安裝到絲杠座上，感應塊通過螺釘固定安裝到滾珠絲杠靠近聯軸器軸端外圓上，感應塊與接近開關形成信號觸發組件，感應塊隨滾珠絲杠每旋轉360°，其與接近開關就觸發一次，并將信號數據發送至機床系統。如圖2所示，感應塊與接近開關形成觸發信號，發送到信號收集器，該信號送入系統輸入信號接口并入PLC，通過編制PLC控制邏輯實現預判和報警功能。

圖2 信號傳遞系統

（2）工作原理 假設滾珠絲杠的導程為10mm，伺服電動機軸轉動360°，伺服電動機通過聯軸器驅動滾珠絲杠副旋轉360°，滾珠絲杠副驅動運動部件沿機床導軌移動10mm，此時接近開關和感應塊觸發一次，如果聯軸器有松動，出現了伺服電動機和滾珠絲杠的異步現象，伺服電動機會轉動360°以上，也就是進給軸在系統運行的程序中機械坐標值要相差＞10mm以上，接近開關和感應塊才會觸發一次，我們的經驗數值是運行程序中要大于標準數值的0.1mm以上，表示聯軸器松開的可能性比較大。

在數控機床系統的PLC中通過做梯形圖與進給軸聯軸器松動診斷裝置獲得的數據進行比較和判斷，實現即時的報警，避免因聯軸器的松動，造成加工誤差，實現加工過程中預判功能。梯形圖主要邏輯處理如圖3所示。

圖3 梯形圖主要邏輯處理

（3）基本的算法步驟 在感應信號有效時，將上一坐標值從存儲器E2000保存到存儲器E2004中。之后通過PMC窗口指令讀取軸的機械坐標值，將該坐標值存儲在E2000中。E2004用作誤差值計算的被減數存儲器，E2000用作誤差值計算的減數存儲器。如此持續循環。

在感應信號有效時，計算當前機械坐標值與上一機械坐標值的誤差值。分4種情況，具體見表1。

表1 4種當前機械坐標值與上一機械坐標值的誤差值計算情況

將誤差值取絕對值，然后判斷：誤差值－公差值＞0，差值＞0則超差。

累計連續出現5次超差，則系統出現報警信息：xx軸聯軸器松動，系統急停。

3 結束語

采用以上診斷裝置，不僅解決了由于聯軸器安裝位置封閉，外部診斷困難的問題，還解決了原來老式的閉環成本過高，且精度檢測范圍超出需求過大的問題。該結構已在多臺機床使用并得到驗證。