數(shù)控機(jī)床在加工中尺寸不穩(wěn)定故障的診斷與維修

慕利軍，白光明

（內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司精密設(shè)備維修安裝公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

在數(shù)控機(jī)床使用中加工尺寸誤差過(guò)大及加工尺寸不穩(wěn)定是兩種較為復(fù)雜的故障。設(shè)備機(jī)械傳動(dòng)、電氣控制、系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化等方面因素是影響數(shù)控機(jī)床加工尺寸不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素。

1 機(jī)械傳動(dòng)方面

數(shù)控設(shè)備的機(jī)械傳動(dòng)裝置主要是通過(guò)絲杠與絲母的平穩(wěn)傳動(dòng)、設(shè)備導(dǎo)軌（導(dǎo)軌有硬軌和線(xiàn)軌之分）的精度，來(lái)保證設(shè)備的加工精度，從機(jī)械傳動(dòng)的組成來(lái)看，影響加工精度的因素有以下4 項(xiàng)：

（1）伺服電機(jī)與絲杠之間的連接松動(dòng)，伺服電機(jī)一般是通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與絲杠端頭連接，聯(lián)軸節(jié)內(nèi)部有鍵塊或漲緊套[1]。如果出現(xiàn)連接松動(dòng)問(wèn)題，在軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致電機(jī)與絲杠不同步，出現(xiàn)伺服軸在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中實(shí)際位置與反饋位置的偏差。

針對(duì)此類(lèi)問(wèn)題，在進(jìn)行故障檢查時(shí)，在伺服軸電機(jī)與絲杠端頭的聯(lián)軸節(jié)上做上標(biāo)記，便于對(duì)比發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在快速進(jìn)給倍率模式下來(lái)回移動(dòng)需檢查的軸，由于慣性作用使聯(lián)軸節(jié)的兩端出現(xiàn)標(biāo)記有明顯相對(duì)的移動(dòng)，說(shuō)明存在連接松動(dòng)問(wèn)題，此類(lèi)故障通常表現(xiàn)為零件加工尺寸只向一個(gè)方向有變動(dòng)，故障排除過(guò)程中不能只將聯(lián)軸節(jié)螺釘擰緊，而要打開(kāi)聯(lián)軸節(jié)檢查聯(lián)軸節(jié)是否磨損嚴(yán)重，漲緊套是否已無(wú)法漲緊，在軸運(yùn)動(dòng)過(guò)程中是否振動(dòng)大等原因，把這些原因排除后，才能徹底解決此類(lèi)故障。

（2）滾珠絲杠絲母副間隙大或磨損。絲杠、絲母副的間隙大往往是松動(dòng)或磨損造成，故障表現(xiàn)為加工零件過(guò)程中進(jìn)給伺服軸有異響。在實(shí)際維修中消除進(jìn)給絲杠螺母副的間隙有以下方法：

雙螺母副絲杠螺母副間隙的調(diào)整有雙螺母墊片式調(diào)整、雙螺母螺紋式調(diào)整、齒差式消隙等方法[2]。但是對(duì)于不同類(lèi)型的滾珠絲杠螺母副預(yù)緊力調(diào)整不同，比如GZ 系列的內(nèi)循環(huán)單螺母絲杠，在磨損出現(xiàn)間隙后，一般無(wú)法再進(jìn)行預(yù)緊（圖1a））；GL 系列內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊雙螺母絲杠副，雙螺母預(yù)緊力的調(diào)節(jié)，根據(jù)設(shè)備工作情況的需要可以隨時(shí)調(diào)整預(yù)緊力（圖1b））；CDT 系列外循環(huán)導(dǎo)珠管凸出式雙螺母絲杠，預(yù)緊力容易調(diào)整（圖1c））。

圖1 滾珠絲杠絲母副

（3）滾珠絲杠固定軸承磨損或調(diào)整不當(dāng)；滾珠絲杠與絲母之間、滑塊與導(dǎo)軌潤(rùn)滑異常造成伺服軸運(yùn)行時(shí)的阻力增大。絲杠的固定軸承不良，通常表現(xiàn)為尺寸在幾十絲范圍內(nèi)無(wú)規(guī)律的竄動(dòng)，可以把滾珠頂?shù)浇z杠端頭，把千分表頂?shù)綕L珠上，然后轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠，用千分表檢測(cè)滾珠絲杠軸向竄動(dòng)間隙，如果絲杠軸向間隙過(guò)大時(shí)，應(yīng)檢查軸承的狀態(tài)，更換不良軸承；如果確認(rèn)絲杠軸承沒(méi)有問(wèn)題，需要調(diào)整預(yù)緊螺母，首先松開(kāi)絲杠端部的鎖緊螺母，預(yù)緊圓螺母，然后再鎖緊固定螺母，故障就可排除。

在設(shè)備靜態(tài)和動(dòng)態(tài)中觀察導(dǎo)軌和絲杠潤(rùn)滑是否正常，如果發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌和絲杠上沒(méi)有形成油膜，需要檢查潤(rùn)滑油路的狀態(tài)，管路是否有堵塞、斷裂等現(xiàn)象。如果是使用鋰基潤(rùn)滑脂給絲杠潤(rùn)滑的，需要半年更換一次潤(rùn)滑脂。由于潤(rùn)滑不良使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)阻力增加，只要潤(rùn)滑恢復(fù)即可排除故障。

（4）設(shè)備主軸軸承間隙或主軸其他輔助裝置故障。在數(shù)控設(shè)備上多采用串行數(shù)字控制的主軸驅(qū)動(dòng)裝置，在設(shè)備加工過(guò)程中，主軸的精度是否符合要求也是零部件加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

如果出現(xiàn)加工產(chǎn)品出現(xiàn)了產(chǎn)品某項(xiàng)精度超差，涉及到主軸精度要求的，先要對(duì)主軸進(jìn)行軸向跳動(dòng)和主軸旋轉(zhuǎn)徑向擺差的檢測(cè)，檢測(cè)方法是用長(zhǎng)度300 mm 長(zhǎng)的主軸驗(yàn)棒，用千分表在驗(yàn)棒的根部和端頭部分別進(jìn)行主軸擺差檢測(cè)，一般標(biāo)準(zhǔn)值根部應(yīng)在不大于0.01 mm，端部應(yīng)在不大于0.03 mm，如果超出標(biāo)準(zhǔn)值較多，應(yīng)考慮是主軸軸承磨損或主軸錐孔內(nèi)壁磨損。

還需要檢測(cè)主軸內(nèi)的輔助裝置是否有故障，例如，主軸的刀具鎖緊/松開(kāi)控制裝置是否松動(dòng)，在加工零件時(shí)主軸拉爪無(wú)法拉緊刀具也會(huì)造成加工零件的質(zhì)量問(wèn)題；主軸的冷卻和潤(rùn)滑裝置是否運(yùn)行良好等。

2 電氣控制方面

2.1 伺服電機(jī)編碼器故障

（1）編碼器在連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，輸出DC 5 V 左右的穩(wěn)定電壓，編碼器的電源電壓不穩(wěn)定都會(huì)造成輸出信號(hào)的誤差，影響反饋信號(hào)的質(zhì)量，造成加工不穩(wěn)定，可以用多用表測(cè)量輸出電壓，如果電壓低于5%時(shí)，檢查編碼器的電源線(xiàn)是否斷線(xiàn)，編碼器插頭針是否有松動(dòng)；用示波器檢測(cè)編碼器的高頻15 V 方波信號(hào)，可以準(zhǔn)確判斷編碼器的好壞。如果編碼器正常，可以更換電源控制電路板。

（2）編碼器碼盤(pán)的材料大多是玻璃，通常上面用熱穩(wěn)定性好、精度高的金屬條作刻線(xiàn)。在設(shè)備的使用過(guò)程中，由于使用環(huán)境油污大、編碼器密封老化等原因，使油污或灰塵進(jìn)入光柵內(nèi)而造成信號(hào)失真或丟失故障，可以使用編碼器測(cè)量檢測(cè)儀器檢測(cè)信號(hào)是否正?；虬l(fā)到專(zhuān)業(yè)的廠(chǎng)家進(jìn)行維修，然而在日常的維修過(guò)程中，如果遇到編碼器內(nèi)部故障的問(wèn)題，往往是直接更換新的編碼器。

2.2 光柵尺位置檢測(cè)裝置故障

對(duì)于全閉環(huán)控制系統(tǒng)，光柵尺是主要的位置反饋裝置。光柵尺反饋故障主要原因是光柵尺內(nèi)部有油污和灰塵，造成光柵的柵格損壞，需清洗或更換光柵尺。

在日常維修中，遇到光柵尺的故障，光柵尺內(nèi)部進(jìn)入油污和灰塵，大部分是由于給光柵尺內(nèi)部吹氣的壓縮空氣質(zhì)量差，造成光柵污染，可用無(wú)水乙醇和綢布進(jìn)行清洗；或者是光柵尺的讀數(shù)頭故障，造成光柵尺的檢測(cè)不良，讀數(shù)頭故障可以使用讀數(shù)頭測(cè)量檢測(cè)儀器檢測(cè)信號(hào)是否正?；蚴歉鼡Q新的讀數(shù)頭，舊件可以拿到專(zhuān)業(yè)的廠(chǎng)家維修。

如果在設(shè)備光柵尺損壞而設(shè)備無(wú)法停機(jī)的時(shí)候，可以把光柵尺進(jìn)行暫時(shí)屏蔽的方法進(jìn)行維修，屏蔽光柵尺需要修改參數(shù)有，以FANUC 系統(tǒng)為例，相關(guān)參數(shù)有1815.1/4/5、2084、2085、2024、2185。光柵尺屏蔽后，需注意所屏蔽的軸的參考點(diǎn)發(fā)生了變化，尤其是涉及到自動(dòng)換刀時(shí)要重新進(jìn)行調(diào)整；設(shè)備的精度下降后，是否能滿(mǎn)足加工零件的工藝要求等。

2.3 伺服驅(qū)動(dòng)器故障

判斷伺服驅(qū)動(dòng)器的故障，可以用相同規(guī)格的伺服驅(qū)動(dòng)器更換來(lái)判別故障，如果故障現(xiàn)象發(fā)生了轉(zhuǎn)移，說(shuō)明驅(qū)動(dòng)器故障，更換驅(qū)動(dòng)器[3]。

2.4 干擾對(duì)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性的影響

主要因素有系統(tǒng)及控制裝置接地不良或不合理、信號(hào)線(xiàn)布線(xiàn)不合理等。屏蔽是防止干擾的有效措施，驅(qū)動(dòng)器、變頻器、電機(jī)等元器件的可靠接地，能降低干擾的影響[4]。

3 系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定及優(yōu)化方面

影響加工精度的系統(tǒng)參數(shù)主要包括進(jìn)給的反向間隙補(bǔ)償參數(shù)、進(jìn)給絲杠的螺距補(bǔ)償參數(shù)及電機(jī)控制的功能參數(shù)。

（1）設(shè)備進(jìn)給軸存在反向間隙，調(diào)整反向間隙參數(shù)可以改善加工精度。反向間隙補(bǔ)償參數(shù)1851（切削進(jìn)給方式）與1852（快速進(jìn)給方式）補(bǔ)償?shù)膬蓚€(gè)參數(shù)。檢測(cè)方法如下：分別對(duì)所測(cè)量軸，在G00 和G01 兩種運(yùn)行方式下，反復(fù)移動(dòng)軸的位置，用千分表測(cè)量，要把所測(cè)的軸分為3 段，分別作往復(fù)移動(dòng)，一般作6次，然后把中間和兩端的值加起來(lái)除以3 所得的值輸入1851和1852 中。

（2）對(duì)伺服軸的螺距誤差補(bǔ)償設(shè)置的調(diào)整。使用激光干涉議可以對(duì)機(jī)床的定位精度、重復(fù)定位精度，反向間隙等進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)進(jìn)行機(jī)床螺距誤差的補(bǔ)償與調(diào)整。在維修現(xiàn)場(chǎng)使用較多的是RENISHAW 激光干涉儀，在使用激光干涉儀對(duì)設(shè)備的各軸進(jìn)行調(diào)校時(shí)，有兩個(gè)方面需要注意：

（1）激光干涉儀安裝與準(zhǔn)直，安裝時(shí)參照干涉鏡箭頭指示方向，準(zhǔn)直的方法追光法，近端重合，遠(yuǎn)端追光重回。

（2）誤差補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置，要根據(jù)不同設(shè)備的操作系統(tǒng)，對(duì)應(yīng)的螺距補(bǔ)償參數(shù)不同，例如三菱系統(tǒng)的參數(shù)4003～4007 號(hào)、FANUC系統(tǒng)的參數(shù)是3620～3624 號(hào)、西門(mén)子系統(tǒng)中（以西門(mén)子840Dsl系統(tǒng)為例）涉及到參數(shù)有38000，32700 等。

（3）伺服電機(jī)相關(guān)控制參數(shù)設(shè)定不當(dāng)。伺服電機(jī)控制參數(shù)主要是伺服快速移動(dòng)位置環(huán)的增益參數(shù)，位置環(huán)增益參數(shù)設(shè)置越大，設(shè)備的響應(yīng)越快，但是根據(jù)不同類(lèi)型的設(shè)備，設(shè)置該參數(shù)不是越大越好，還有考慮到設(shè)備在加工過(guò)程中的振動(dòng)等因素?？焖僖苿?dòng)位置環(huán)的增益參數(shù)（NO.2178 設(shè)定為3000）；切削進(jìn)給位置增益（NO.1825），根據(jù)機(jī)型不同，增益的值也在不同范圍，鉆削中心8000～12 000、立加線(xiàn)軌5000～8000、立加硬軌和龍門(mén)加工中心4000～6000；速度環(huán)的機(jī)械負(fù)載慣性比參數(shù)（NO.2021設(shè)定為256）。

調(diào)整方法：首先設(shè)置參數(shù)3111#0=1，顯現(xiàn)伺服設(shè)定和伺服調(diào)整畫(huà)面，然后根據(jù)伺服電機(jī)的具體性能進(jìn)行伺服參數(shù)的設(shè)定，進(jìn)行伺服的優(yōu)化處理。現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床都是采用計(jì)算機(jī)輔助軟件進(jìn)行優(yōu)化處理，如FANUC 公司的伺服優(yōu)化軟件SERVO GUIDE[5]，可使機(jī)床的加工性能達(dá)到最佳狀態(tài)。利用SERVO HRV3 控制可以改善電流環(huán)路的響應(yīng)性能，設(shè)定更優(yōu)化的速度環(huán)路增益和位置環(huán)路增益。利用高的速度環(huán)路增益，可以改善對(duì)指令的響應(yīng)性能和伺服剛性，降低加工外形誤差，縮短定位時(shí)間。另外，使用這個(gè)軟件還可以簡(jiǎn)化伺服調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

引起數(shù)控機(jī)床加工尺寸不穩(wěn)定的原因是多方面的，實(shí)際生產(chǎn)中不要盲目判斷，要先對(duì)機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度和重復(fù)定位精度作檢測(cè)，如果檢測(cè)值超差，再分析是機(jī)械傳動(dòng)的問(wèn)題還是電氣控制的問(wèn)題。在實(shí)際維修中，設(shè)備出現(xiàn)加工精度不穩(wěn)定的故障，機(jī)械傳動(dòng)方面的故障占比較大，所以在維修中要先詢(xún)問(wèn)操作者設(shè)備最近的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合設(shè)備的潤(rùn)滑系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、導(dǎo)軌和絲杠的狀態(tài)等，確定設(shè)備的維修方案，最終修復(fù)故障。