米克朗加工中心零件表面產(chǎn)生嚴(yán)重顫紋的原因分析

■昌河飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 （江西景德鎮(zhèn) 333002）) 林超青

1. 存在的問(wèn)題

米克朗HPM1150U加工中心如圖1所示，在加工時(shí)機(jī)床振動(dòng)比較大，做單軸直線插補(bǔ)時(shí)零件表面比較光滑，但表面粗糙度無(wú)法達(dá)到零件工藝要求；如果進(jìn)行多軸插補(bǔ)加工，則零件表面顫紋嚴(yán)重，表面粗糙度嚴(yán)重超差，完全無(wú)法滿足工藝要求，需要鉗工二次加工，如圖2所示。

圖1 米克朗1150U五坐標(biāo)高速加工中心

圖2 表面顫紋嚴(yán)重的零件

2. 原因分析及處理

機(jī)床振動(dòng)、零件表面質(zhì)量差的成因比較多，機(jī)械部件磨損致使力學(xué)性能下降，電氣參數(shù)與機(jī)械部件的力學(xué)特性不匹配，伺服優(yōu)化不好等因素都會(huì)導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，從而導(dǎo)致零件加工表面質(zhì)量不良。解決此類問(wèn)題需要從電氣和機(jī)械兩方面綜合分析，才能最終找到問(wèn)題。

（1）機(jī)床電氣特性與機(jī)械部件力學(xué)特性不匹配 這種不匹配導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，零件表面質(zhì)量差。圖3為機(jī)床三環(huán)控制方式示意，如果速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值較大，系統(tǒng)響應(yīng)就較快，機(jī)床能夠較快達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)床加工時(shí)零件表面質(zhì)量也會(huì)相應(yīng)提高。但是如果速度環(huán)、位置環(huán)增益設(shè)定值過(guò)高，就會(huì)造成系統(tǒng)振蕩，無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，機(jī)床出現(xiàn)抖動(dòng)，電動(dòng)機(jī)嘯叫，加工時(shí)零件表面出現(xiàn)顫紋；反之，如果速度環(huán)、位置環(huán)的增益設(shè)定值過(guò)小，則機(jī)床響應(yīng)速度降低，零件加工時(shí)表面會(huì)出現(xiàn)波紋。圖4是指令響應(yīng)及穩(wěn)定過(guò)程示意。

圖3 機(jī)床三環(huán)控制示意

圖4 指令響應(yīng)示意

1）速度環(huán)增益與機(jī)床機(jī)械特性不匹配。由于該機(jī)床的Y軸在運(yùn)動(dòng)時(shí)有明顯振動(dòng)現(xiàn)象，所以考慮對(duì)Y軸的速度環(huán)、位置環(huán)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。HPM1150U配置的數(shù)控系統(tǒng)是海德漢ITNC 530系統(tǒng)，速度環(huán)比例增益參數(shù)是MP2500，位置環(huán)比例增益參數(shù)是MP1510，機(jī)床原來(lái)設(shè)置的參數(shù)是MP2500=80，MP1510=4。

如圖5所示，測(cè)試機(jī)床的速度環(huán)增益與機(jī)床力學(xué)特性的匹配性。由于機(jī)床的Y軸已經(jīng)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，考慮通過(guò)降低速度環(huán)比例增益值進(jìn)行測(cè)試。第一次試驗(yàn)把MP2500設(shè)置為70進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)床的振動(dòng)情況沒(méi)有任何改善。于是繼續(xù)降低速度比例增益值，把MP2500設(shè)置為60、50、40進(jìn)行測(cè)試，機(jī)床的振動(dòng)情況依然沒(méi)有任何改善。從測(cè)試結(jié)果分析，基本可以判斷速度環(huán)不是導(dǎo)致該機(jī)床振動(dòng)的主要因素。

圖5 機(jī)床速度環(huán)增益參數(shù)

2）位置環(huán)增益與機(jī)床力學(xué)特性不匹配性。如圖6所示，排除速度環(huán)增益的影響后，需要進(jìn)一步測(cè)試位置環(huán)增益與機(jī)床力學(xué)特性的匹配性。保持原機(jī)床設(shè)置的速度環(huán)參數(shù)的前提下，同樣通過(guò)降低位置環(huán)增益值來(lái)進(jìn)行測(cè)試。第一次試驗(yàn)把MP1510設(shè)置為3.5進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)機(jī)床的振動(dòng)情況沒(méi)有改善。于是繼續(xù)降低位置環(huán)增益值，把MP1510設(shè)置為3、2.5、2進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)機(jī)床位置環(huán)增益降低到2時(shí)，機(jī)床的Y軸振動(dòng)情況消失，機(jī)床能夠平穩(wěn)運(yùn)行。由此可以推斷，機(jī)床振動(dòng)與機(jī)床位置環(huán)參數(shù)設(shè)置密切相關(guān)。

圖6 機(jī)床位置環(huán)增益參數(shù)

如圖7所示，機(jī)床振動(dòng)情況消除后，隨即進(jìn)行零件試切加工，但是加工的零件表面質(zhì)量依然沒(méi)有明顯改善，顫紋嚴(yán)重，需要考慮其他因素的影響。

圖7 機(jī)床增益參數(shù)調(diào)整后加工的零件

以上零件是采用多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)加工，由于多軸聯(lián)動(dòng)加工，無(wú)法直觀反映單個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)情況，為觀測(cè)單個(gè)坐標(biāo)軸的加工狀態(tài)，可以分別對(duì)X、Y軸進(jìn)行單軸直線加工測(cè)試。加工時(shí)的參數(shù)S、F與多軸插補(bǔ)加工時(shí)的參數(shù)一致。加工后的零件如圖8所示。

圖8 機(jī)床單軸加工的試件

從中可以發(fā)現(xiàn)，單軸加工時(shí)零件表面質(zhì)量有明顯提升。因單軸測(cè)試時(shí)，零件表面質(zhì)量較好，多軸插補(bǔ)加工時(shí)零件表面顫紋嚴(yán)重，并且在測(cè)試過(guò)程中把Y軸的位置環(huán)增益降低了50%，為使各軸的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能夠相匹配，可以用數(shù)控系統(tǒng)自身的伺服優(yōu)化功能對(duì)機(jī)床的伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)機(jī)床的伺服系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，機(jī)床進(jìn)行試切加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)多軸加工的零件表面顫紋基本沒(méi)有改善和消除。

從以上測(cè)試和試切加工中可以發(fā)現(xiàn)，雖然調(diào)整Y軸位置環(huán)參數(shù)及伺服系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整，可以解決機(jī)床的振動(dòng)問(wèn)題，但是依然無(wú)法消除零件表面的顫紋，因此通過(guò)電氣調(diào)整已經(jīng)無(wú)法解決零件表面顫紋嚴(yán)重的問(wèn)題，要想解決問(wèn)題，只能從Y軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，查找問(wèn)題的根源。

（2）機(jī)械部件磨損 力學(xué)性能下降導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，零件表面質(zhì)量差。如圖9所示，由于機(jī)床的振動(dòng)主要體現(xiàn)在Y軸上，因此查找問(wèn)題的根源必須從機(jī)床的Y軸機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。該機(jī)床Y軸機(jī)械傳動(dòng)主要包括導(dǎo)軌及滑塊、伺服電動(dòng)機(jī)、同步傳動(dòng)皮帶和滾珠絲杠副等。

圖9 機(jī)床單軸加工的試件

拆開(kāi)機(jī)床防護(hù)，觀察機(jī)床Y軸的導(dǎo)軌及滑塊、伺服電動(dòng)機(jī)、同步傳動(dòng)皮帶，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)軌及滑塊潤(rùn)滑良好，表面光滑，沒(méi)有明顯磨損痕跡；同步傳動(dòng)皮帶完整，沒(méi)有出現(xiàn)斷絲開(kāi)裂和磨損，伺服電動(dòng)機(jī)沒(méi)有松動(dòng)，因此可以認(rèn)為Y軸的導(dǎo)軌及滑塊、伺服電動(dòng)機(jī)、同步傳動(dòng)皮帶狀態(tài)良好，不會(huì)導(dǎo)致機(jī)床振動(dòng)，零件表面出現(xiàn)顫紋，出現(xiàn)問(wèn)題的主要原因可能在Y軸的滾珠絲杠副。

滾珠絲杠是機(jī)械傳動(dòng)的關(guān)鍵部件，當(dāng)機(jī)床采用全閉環(huán)位置反饋時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)是根據(jù)光柵尺的位置反饋進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如果絲杠間隙過(guò)大，那么機(jī)床無(wú)法精確定位，就會(huì)在定位的位置附近來(lái)回尋找位置。機(jī)床在高速運(yùn)行狀態(tài)下來(lái)回尋找定位位置必然會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)，表現(xiàn)在零件上就是零件表面出現(xiàn)顫紋等。

米克朗1150U五坐標(biāo)高速加工中心采用如圖8、圖9所示的類似臥式銑床結(jié)構(gòu)，Y軸移動(dòng)時(shí)是整個(gè)床身移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床剛性比較好，但是由于床身結(jié)構(gòu)重，高速運(yùn)行時(shí)進(jìn)給速度快，所以慣量很大；另一方面該機(jī)床的工作臺(tái)雖然有1 200mm×1 1 0 0 m m，但是該機(jī)床在加工時(shí)常用到的區(qū)域也就只有400m m×400m m左右，Y軸絲杠經(jīng)常用到的長(zhǎng)度就是中間300mm左右的范圍（Y軸絲杠有2 000mm）。這樣床身結(jié)構(gòu)及加工、裝夾方式必然會(huì)導(dǎo)致Y軸磨損快，時(shí)間一長(zhǎng)，絲杠出現(xiàn)較大間隙就不可避免。

為檢查Y軸絲杠的實(shí)際傳動(dòng)間隙，先把機(jī)床Y軸設(shè)置成半閉環(huán)，然后進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，Y軸絲杠的反向間隙達(dá)到0.15mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出0.010mm的允許范圍。由于絲杠間隙太大，故調(diào)整電氣參數(shù)已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義，只能更換Y軸絲杠。

更換Y軸絲杠后，要對(duì)該軸的速度環(huán)和位置環(huán)參數(shù)重新設(shè)定，使機(jī)床電氣特性與新絲杠的機(jī)械特性相匹配。同時(shí)因?yàn)楦鼡Q了絲杠，所以要進(jìn)行激光螺距定位精度校正和補(bǔ)償，補(bǔ)償和校正后機(jī)床Y軸的定位精度是0.003 6m m，重復(fù)定位精度為0.001 7m m，反向間隙0.001 4mm?？梢钥闯觯鼡Q絲杠后，Y軸的定位精度、重復(fù)定位精度和反向間隙都非常好。

在做完速度、位置環(huán)優(yōu)化調(diào)整以及定位精度激光螺距校正和補(bǔ)償后，機(jī)床再次進(jìn)行試切加工，結(jié)果表明，零件表面光滑，完全滿足工藝要求，顫紋消除，同時(shí)機(jī)床高速加工時(shí)也不再發(fā)生振動(dòng)，如圖10所示。

圖10 更換絲杠后機(jī)床的試切件

3. 結(jié)語(yǔ)

機(jī)床振動(dòng)、零件表面質(zhì)量差的成因比較多，解決問(wèn)題難度較大，需要從電氣和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)分析入手，根據(jù)具體情況，分別對(duì)機(jī)床電氣、機(jī)械、數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和調(diào)整，才能找到問(wèn)題的根源，取得比較好的效果。