臥式加工中心零點(diǎn)漂移問題的分析與預(yù)防*

□ 李太松 □ 王 銳

沈陽機(jī)床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

在增量式測量系統(tǒng)中,數(shù)控機(jī)床回零操作十分重要。以HMC80H臥式加工中心的Z軸走向?yàn)槔?機(jī)床的原點(diǎn)設(shè)置在遠(yuǎn)離主軸端的位置。為了使系統(tǒng)能夠識別Z軸坐標(biāo)位置,需要人為設(shè)置路標(biāo),即參考點(diǎn),回零操作相當(dāng)于打卡定位。增量式編碼器雖然能夠通過脈沖來計(jì)數(shù)位移增量,但是無法給出具體的位置坐標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)中的加工編程,都是基于位置坐標(biāo)而計(jì)算的。因此,在每次機(jī)床通電后,為確保系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確識別坐標(biāo)系和原點(diǎn)位置,需要進(jìn)行回零操作,這樣才能夠保證機(jī)床伺服系統(tǒng)正常運(yùn)行。

臥式加工中心坐標(biāo)軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于臥式加工中心而言,除X、Y、Z三直線運(yùn)動(dòng)軸的定位外,工作臺回轉(zhuǎn)B軸、主軸方向定位C軸都有角度定位的嚴(yán)格要求。另外,涉及雙轉(zhuǎn)臺交換動(dòng)作,也對Z軸工作臺交換位置和交換角度有定位要求。

2 零點(diǎn)漂移問題分類

臥式加工中心發(fā)生的零點(diǎn)漂移問題可以分為兩類:軸向定位或角度定位偏移故障、回零點(diǎn)失靈故障。

HMC80H臥式加工中心定位出現(xiàn)坐標(biāo)位置偏移或者角度偏差,一般直線軸偏移坐標(biāo)0.05～0.5 mm,偶發(fā)最大為一個(gè)螺距。主軸角度偏差一般在3°以內(nèi),和主軸電機(jī)與主軸之間的傳動(dòng)比有關(guān)。在整個(gè)偏移過程中,系統(tǒng)不會出現(xiàn)報(bào)警提示,這會導(dǎo)致零件加工不合格,表現(xiàn)為同一方向偏離誤差,換刀時(shí)出現(xiàn)卡刀、掉刀,換臺不到位,工作臺定位不準(zhǔn)或無法實(shí)現(xiàn)落位等嚴(yán)重事故。

臥式加工中心在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生回零點(diǎn)的運(yùn)行過程,這是為了在每次機(jī)床開機(jī)之后,都能夠在機(jī)床上建立一個(gè)新的坐標(biāo)系?；亓泓c(diǎn)失靈故障一般發(fā)生在開機(jī)后坐標(biāo)軸在執(zhí)行回零點(diǎn)操作的命令時(shí),表現(xiàn)為回零點(diǎn)操作命令或者手動(dòng)回零點(diǎn)操作失效。

由上述描述可以看出,兩種故障中軸向定位和角度定位偏移故障造成的后果較為嚴(yán)重,且隱蔽性較強(qiáng),這就要求用戶加強(qiáng)設(shè)備維護(hù),對機(jī)床位置精度進(jìn)行定期檢測,以免造成不必要的損失。

3 原因診斷和分析

對于軸向定位或角度定位偏移,一般原因是系統(tǒng)檢測第一個(gè)零脈沖時(shí)受到了干擾。圍繞干擾的相關(guān)因素進(jìn)行診斷,具體原因可分為參考點(diǎn)位置錯(cuò)誤、測量元件失靈或損壞、伺服控制不當(dāng)、傳動(dòng)鏈誤差四個(gè)方面。

(1) 參考點(diǎn)位置錯(cuò)誤?；亓泓c(diǎn)開關(guān)、光柵尺等元件位置發(fā)生改變會造成參考點(diǎn)位置錯(cuò)誤?；亓泓c(diǎn)開關(guān)連接松動(dòng)、碰撞產(chǎn)生移位、撞塊位置移動(dòng)、重復(fù)拆卸安裝移位等會影響回零點(diǎn)減速的位置,導(dǎo)致原先的定位坐標(biāo)整體發(fā)生偏離。在全閉環(huán)系統(tǒng)中,光柵尺重新安裝位置如果有偏移,第一個(gè)零脈沖位置也會產(chǎn)生變化,參考點(diǎn)必然會產(chǎn)生變化。

(2) 測量元件失靈。診斷的對象依次為反饋線路、外部編碼器、伺服電機(jī)內(nèi)部編碼器。光柵尺的零脈沖或位置編碼器有故障,光柵尺都會產(chǎn)生錯(cuò)誤的零脈沖,使響應(yīng)的零脈沖不是真正的第一個(gè)零脈沖。

(3) 伺服控制不當(dāng)。表現(xiàn)為伺服控制器未執(zhí)行回零減速命令,或者速度參數(shù)設(shè)置偏高。速度參數(shù)設(shè)置偏高時(shí),對零脈沖的采集容易受到速度干擾,系統(tǒng)可能會因?yàn)轫憫?yīng)時(shí)間的問題而接收錯(cuò)誤零脈沖。但速度參數(shù)設(shè)置也不能偏低,否則會引起報(bào)警。

(4) 傳動(dòng)鏈誤差。以HMC80N臥式加工中心的直線伺服軸為例,滾珠絲杠的誤差主要體現(xiàn)為熱伸長。系統(tǒng)溫差產(chǎn)生的原因有可能是環(huán)境溫度,也可能是裝配不當(dāng)。溫差導(dǎo)致滾珠絲杠的螺距產(chǎn)生變化,進(jìn)而導(dǎo)致定位誤差增大。另外,聯(lián)軸節(jié)松動(dòng)是產(chǎn)生較大偏移的常見原因。

對于回零點(diǎn)故障,集中表現(xiàn)為臥式加工中心在運(yùn)行一段時(shí)間后出現(xiàn)回零點(diǎn)失準(zhǔn),尤其是在直線軸上表現(xiàn)較為明顯。

臥式加工中心執(zhí)行回零點(diǎn)操作后,直線坐標(biāo)軸沒有減速,沖過零點(diǎn)位置,直接在極限位置撞停,這很有可能是回零點(diǎn)開關(guān)故障,反饋信號沒有傳遞至系統(tǒng)導(dǎo)致的。相同的原因在主軸回轉(zhuǎn)定位時(shí)也較為常見,回零點(diǎn)開關(guān)相對位置不當(dāng)或者開關(guān)自身故障導(dǎo)致檢測信號丟失,使主軸無法實(shí)現(xiàn)回零點(diǎn)。

臥式加工中心執(zhí)行回零點(diǎn)操作后,有減速的直線運(yùn)動(dòng)過程,但在極限位置停止前沒有找到零點(diǎn),造成這種故障可能的原因是回零點(diǎn)開關(guān)的撞塊離極限位置過近,導(dǎo)致回零點(diǎn)開關(guān)在未進(jìn)行斷開動(dòng)作前就到達(dá)了極限位置,因此并未產(chǎn)生第一個(gè)零脈沖信號。

回零點(diǎn)操作后,有減速的過程,出現(xiàn)了速度歸零,但是停止位置與零點(diǎn)有偏差。這一故障的原因可能是回零點(diǎn)開關(guān)被釋放時(shí),機(jī)床軸位置與參考點(diǎn)位置過于接近,受回零點(diǎn)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間偏差和滾珠絲杠傳動(dòng)誤差的影響,錯(cuò)過了第一個(gè)零脈沖,參考點(diǎn)接收第二個(gè)零脈沖。

4 預(yù)防和維修

為避免零點(diǎn)漂移問題造成停機(jī)及不必要的損失,必須加強(qiáng)機(jī)床的日常維護(hù),并定期對機(jī)床的定位精度進(jìn)行檢測。

機(jī)床屬于強(qiáng)受力設(shè)備,剛性變形、振動(dòng)和疲勞都不可避免,只能盡量減少零點(diǎn)漂移,無法完全杜絕。根據(jù)筆者公司經(jīng)驗(yàn),機(jī)床定位精度以三個(gè)月復(fù)檢一次為佳。如果發(fā)現(xiàn)批量零件不合格,懷疑定位精度出現(xiàn)偏差,應(yīng)當(dāng)立即進(jìn)行定位精度檢測,以避免積累誤差造成更大的損失。

建議保持恒定的車間溫度,一般在15～25 ℃之間。早上環(huán)境溫度低,機(jī)床、潤滑油溫度都偏低,導(dǎo)致機(jī)床受冷熱溫差影響產(chǎn)生變形的情況。一般認(rèn)為1 m鋼管在溫升1 K的情況下熱伸長0.01 mm,溫度是影響機(jī)床精度不可忽略的因素。機(jī)床開機(jī)熱機(jī)20～30 min,使機(jī)床處于一個(gè)穩(wěn)定的熱平衡狀態(tài),此時(shí)機(jī)床的精度最高,能夠最大限度避免零點(diǎn)漂移的情況。

出現(xiàn)零點(diǎn)漂移故障后,先進(jìn)行現(xiàn)象診斷,本著先機(jī)械后電氣、先外圍后內(nèi)部的原則進(jìn)行排查。

檢查相關(guān)硬件連接,包括回零點(diǎn)開關(guān)、回零點(diǎn)開關(guān)撞塊、聯(lián)軸節(jié)、光柵尺、反饋線路連接等,檢查零件連接是否存在松動(dòng)、偏移,電氣線路是否虛連或者短路。

檢查零件的有效性?；亓泓c(diǎn)開關(guān)可以用替換法測試是否出現(xiàn)故障,光柵尺可以重點(diǎn)檢查讀數(shù)頭與晃片之間位置是否對齊。對于無觸點(diǎn)開關(guān),要注意安裝位置,調(diào)整到合適的感應(yīng)距離,使其能夠有效地感應(yīng)被測零件位置。

回零故障的原因很有可能是回零點(diǎn)開關(guān)的撞塊位置不合適,這一位置既要遠(yuǎn)離極限開關(guān),又要保持第一個(gè)零脈沖發(fā)生時(shí)避開滾珠絲杠螺距整數(shù)位。如果判定是因?yàn)樽矇K位置產(chǎn)生的故障,建議將安裝位置朝極限方向調(diào)整0.5個(gè)螺距,或者加修撞塊斜邊角度,使其變陡,目的是使開關(guān)釋放時(shí)間提前,避開滾珠絲杠螺距整數(shù)位附近位置。另外,在電氣系統(tǒng)中修改柵格偏移量也是可行的,慢速模式下,控制手輪移動(dòng)軸,測試回零點(diǎn)誤差,根據(jù)誤差調(diào)整偏移量數(shù)值。

5 結(jié)束語

數(shù)控機(jī)床工作環(huán)境復(fù)雜,受到?jīng)_擊、振動(dòng)等情況不可避免,機(jī)床裝配不到位,運(yùn)行時(shí)間長較易出現(xiàn)故障。故障表現(xiàn)情況要具體分析,原因也不盡相同。在進(jìn)行臥式加工中心零點(diǎn)漂移問題分析時(shí),要遵循先排查機(jī)械原因,后排查電氣原因的流程,這樣可以避免不必要的檢查工作,提高維修效率,降低維護(hù)成本。